一種基于HPLC通信的智能斷路器

袁鳴峰 洪海敏 蔣昌雄 冷安輝

（1.國網新疆電力有限公司 新疆維吾爾自治區烏魯木齊市 830000 2.深圳市國電科技通信有限公司 廣東省深圳市 518019）

在實際的電力傳輸過程中，時常會因為各種外在因素的影響，會造成電力傳輸系統的不穩定，超負荷等異常狀態，傳統的斷路器在檢測到異常時便會跳閘，無法判斷跳閘原因以及上報本地狀態等信息，給檢修工作帶來了困難。這為開發一種帶有狀態感知與上報功能的智能斷路器帶來了契機；同時為了滿足功能多樣化的需求，本文描述的方案是在傳統斷路器基礎上：

（1）增加微處理技術，實現對自身的保護功能。

（2）增加計量功能，可對現場的各種信息進行采樣和處理，并對其進行顯示。

（3）增加通信功能，將斷路器的工作狀況和現場參數通過HPLC 與其它設備進行通訊。

這些功能的增加一定程度上解決了現有斷路器的自動化程度、智能化水平較低、功能單一，不利于維護缺點。此外，智能斷路器智能化后，通過在線診斷斷路器健康狀況，根據其狀態決定是否檢修，可以準確控制檢修時間，斷路器運行狀態處于實時監測下，提高設備可靠性。

1 硬件設計

1.1 芯片分析

方案中包含三個主要的模塊，一是主控模塊，主控芯片我們需要一款綜合性較強的芯片，具有的資源完全需要滿足斷路器自生的需求，特別是處理速率，需要滿足斷路器的在極端情況下的特殊要求。其二是HPLC 模塊，作為一款基于HPLC通信的智能斷路器主控芯片，該芯片需要能夠進行HPLC 信號的接收和處理，包含載波信號的采集和處理，其中采集精度以及信號的處理速率是其重要性能指標，采集精度一定程度上決定了載波信號傳輸的距離，而數據的處理速率影響的是斷路器狀態信息的實時性。其三是采集模塊，由于斷路器作為電力傳輸過程中的核心控制單元，其實時性要求較高，不管是采集速率還是信號傳輸，都要求在極短的時間內完成，這都對采集芯片提出了較高的要求。

1.2 整體性的硬件設計

如圖1所示。

1.2.1 采集模塊設計

采集模塊功能上分為電壓采集和電流采集。由于主路上電流較大，不能直接采集，這里電流的采集使用互感線圈的方式實現，電路上采用差分的方式減少共模誤差，同時加入濾波電路濾除高頻雜波的影響。電壓采集利用電阻分壓同時加入濾波電路的方式實現。ATT7022 芯片采樣率可以達到最大28.8KHz，為了保證數據的完整性和準確性，采集三個周波，每個周波采集1024 個點。芯片可以采集原始波形用于快速反應，這點對于測試斷路器瞬時響應非常重要。同時芯片的輸入范圍為±710mV,這里也需要設計相關的采集電路以及相應的保護電路，經過互感器的變比，測試發現，輸入芯片電壓約在2mV 至660mV，這里我們可以得到采樣電阻的大致范圍，在不同使用需求情況下調整采樣電阻值能得到更加準確的有效值。

圖1：智能斷路器硬件系統

圖2

圖3

1.2.2 HPLC 模塊

出于對于現有技術水平以及經濟性的考慮，選擇用寬帶載波作為智能斷路器的通行方式，這里我們選擇SC3105 作為寬帶載波芯片，載波通信的帶寬2-12MHz，功率譜密度頻帶內：實測帶內-48.24dBm/Hz，帶外不大于-81.45dBm/Hz，滿足使用需求。數據通過隔離變壓器YK0603 耦合至電力線上進行傳播，抗衰減可以達到100dB,寬帶載波形通信方式的廣泛應用，可以使得斷路器可以與很多設備進行通數據交互，如智能配變終端TTU，斷路器可以將采集到的用電信息上報給TTU 進行處理，可以充分發揮平臺管理的優勢，了解該區用電信息狀況，實現對該區電力系統的監測和控制，極大提高電力系統的智能化水平。

1.2.3 電源模塊

我們選用TPS54331DR 作為給主板供電的電源芯片，TPS54331DR 最為一款高性能的DC-DC 降壓式電源芯片，該芯片能夠提供3A 的帶載能力，我們選用12V 轉5V 的輸出，這樣可以將芯片的轉換效率提升到最大(90%以上)，可以為整個主板提供穩定可靠的電源，主板主要的電源為3.3V，分別提供給采集芯片、外置FLASH、顯示屏、藍牙以及一個超級電容。超級電容主要是為設備停電時實現關鍵數據存儲。

1.2.4 安全模塊

在大數據的引領下，任何數據都是寶貴的，用電信息也不例外。因此我們在斷路器產品上添加了安全芯片SC1161。該芯片與MCU之間采用SPI 的通信方式，芯片電源輸入腳只使用一個0.1u 的退耦電容，保證芯片VCC 引腳能在100uS 內達到穩定工作電壓。同時芯片的電源輸入也是受控的，滿足不同情況下的使用需求。

表1

2 軟件設計

斷路器軟件上主要有三大功能部分，包括數據處理、MCU 主控以及人機交互 。功能框圖如圖2所示。

數據處理主要包含采集芯片對于用電信息如電壓、電流以及溫度等數據的采集、計算以及存儲，同時包含對于各個采集通道以及中斷寄存器相關參數配置。MCU 主控部分主要是關于采集模塊、通信模塊、存儲模塊以及顯示模塊的板間控制，邏輯上的優化以及整個板內資源的整合，此部分代碼由C 語言編寫。人機交互部分主要是顯示采集模塊所采集到的用電信息、時間以及斷路器本身的工作狀態。按鍵主要負責查詢斷路器的相關信息以及設置斷路器的相關參數。

此外，實時時鐘為整個系統提供一個基準，使得各部分能夠同一工作步調。斷路器自身的狀態信息依靠載波通信模塊完成，為保證信息傳播的實時性，斷路器自身的各種狀態信息都加入標志位，當檢測標志位發生變化時，中斷產生，保存相關事件并上傳給TTU。

軟件邏輯結構如圖3所示。

3 通信方式對比

載波通信技術的應用使得斷路器通信方式更加多樣化，這也使得斷路器在選擇通行方式的時候顯得更加靈活，下面是對現有的斷路器通信方式做了對比，結果如表1所示。

從表1 可以看出，無線通信雖然通信速率和成本上有一定優勢，缺點是受環境影響較大，穩定性大打折扣；藍牙雖然通信穩定且傳輸速率較穩定，但缺點是通信距離不足，不適合居住較分散的地區使用，485 總線通信方式缺點更為明顯，傳輸速率受距離的限制，而且需要單獨布線，大大增加了安裝人員的工作量，相比于其他三種通信方式，寬帶載波通信方式是一種較優的選擇，這也為載波通信在斷路器上應用提供了可行性。

4 結語

在國家智能電網建設的快速發展的影響下，市場對于低壓斷路器的需求變得越來越智能化，功能多樣化。本文介紹了一種基于HPLC通信的智能斷路器，為斷路器想著物聯網的方向提供了一種一種思路。此外，4G，NB-loT 也都是值得考慮的通信方式。智能斷路器智能化后，通過在線診斷斷路器健康狀況，根據其狀態決定是否檢修，可以準確控制檢修時間，斷路器運行狀態處于實時監測下，提高設備可靠性。另外，斷路器也開始向著模塊化的方向發展，在功能多樣化的基礎上實現模塊化，這都將極大的促進斷路器行業發展。