一种基于HPLC通信的智能断路器

袁鸣峰 洪海敏 蒋昌雄 冷安辉

（1.国网新疆电力有限公司 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000 2.深圳市国电科技通信有限公司 广东省深圳市 518019）

在实际的电力传输过程中，时常会因为各种外在因素的影响，会造成电力传输系统的不稳定，超负荷等异常状态，传统的断路器在检测到异常时便会跳闸，无法判断跳闸原因以及上报本地状态等信息，给检修工作带来了困难。这为开发一种带有状态感知与上报功能的智能断路器带来了契机；同时为了满足功能多样化的需求，本文描述的方案是在传统断路器基础上：

（1）增加微处理技术，实现对自身的保护功能。

（2）增加计量功能，可对现场的各种信息进行采样和处理，并对其进行显示。

（3）增加通信功能，将断路器的工作状况和现场参数通过HPLC 与其它设备进行通讯。

这些功能的增加一定程度上解决了现有断路器的自动化程度、智能化水平较低、功能单一，不利于维护缺点。此外，智能断路器智能化后，通过在线诊断断路器健康状况，根据其状态决定是否检修，可以准确控制检修时间，断路器运行状态处于实时监测下，提高设备可靠性。

1 硬件设计

1.1 芯片分析

方案中包含三个主要的模块，一是主控模块，主控芯片我们需要一款综合性较强的芯片，具有的资源完全需要满足断路器自生的需求，特别是处理速率，需要满足断路器的在极端情况下的特殊要求。其二是HPLC 模块，作为一款基于HPLC通信的智能断路器主控芯片，该芯片需要能够进行HPLC 信号的接收和处理，包含载波信号的采集和处理，其中采集精度以及信号的处理速率是其重要性能指标，采集精度一定程度上决定了载波信号传输的距离，而数据的处理速率影响的是断路器状态信息的实时性。其三是采集模块，由于断路器作为电力传输过程中的核心控制单元，其实时性要求较高，不管是采集速率还是信号传输，都要求在极短的时间内完成，这都对采集芯片提出了较高的要求。

1.2 整体性的硬件设计

如图1所示。

1.2.1 采集模块设计

采集模块功能上分为电压采集和电流采集。由于主路上电流较大，不能直接采集，这里电流的采集使用互感线圈的方式实现，电路上采用差分的方式减少共模误差，同时加入滤波电路滤除高频杂波的影响。电压采集利用电阻分压同时加入滤波电路的方式实现。ATT7022 芯片采样率可以达到最大28.8KHz，为了保证数据的完整性和准确性，采集三个周波，每个周波采集1024 个点。芯片可以采集原始波形用于快速反应，这点对于测试断路器瞬时响应非常重要。同时芯片的输入范围为±710mV,这里也需要设计相关的采集电路以及相应的保护电路，经过互感器的变比，测试发现，输入芯片电压约在2mV 至660mV，这里我们可以得到采样电阻的大致范围，在不同使用需求情况下调整采样电阻值能得到更加准确的有效值。

图1：智能断路器硬件系统

图2

图3

1.2.2 HPLC 模块

出于对于现有技术水平以及经济性的考虑，选择用宽带载波作为智能断路器的通行方式，这里我们选择SC3105 作为宽带载波芯片，载波通信的带宽2-12MHz，功率谱密度频带内：实测带内-48.24dBm/Hz，带外不大于-81.45dBm/Hz，满足使用需求。数据通过隔离变压器YK0603 耦合至电力线上进行传播，抗衰减可以达到100dB,宽带载波形通信方式的广泛应用，可以使得断路器可以与很多设备进行通数据交互，如智能配变终端TTU，断路器可以将采集到的用电信息上报给TTU 进行处理，可以充分发挥平台管理的优势，了解该区用电信息状况，实现对该区电力系统的监测和控制，极大提高电力系统的智能化水平。

1.2.3 电源模块

我们选用TPS54331DR 作为给主板供电的电源芯片，TPS54331DR 最为一款高性能的DC-DC 降压式电源芯片，该芯片能够提供3A 的带载能力，我们选用12V 转5V 的输出，这样可以将芯片的转换效率提升到最大(90%以上)，可以为整个主板提供稳定可靠的电源，主板主要的电源为3.3V，分别提供给采集芯片、外置FLASH、显示屏、蓝牙以及一个超级电容。超级电容主要是为设备停电时实现关键数据存储。

1.2.4 安全模块

在大数据的引领下，任何数据都是宝贵的，用电信息也不例外。因此我们在断路器产品上添加了安全芯片SC1161。该芯片与MCU之间采用SPI 的通信方式，芯片电源输入脚只使用一个0.1u 的退耦电容，保证芯片VCC 引脚能在100uS 内达到稳定工作电压。同时芯片的电源输入也是受控的，满足不同情况下的使用需求。

表1

2 软件设计

断路器软件上主要有三大功能部分，包括数据处理、MCU 主控以及人机交互 。功能框图如图2所示。

数据处理主要包含采集芯片对于用电信息如电压、电流以及温度等数据的采集、计算以及存储，同时包含对于各个采集通道以及中断寄存器相关参数配置。MCU 主控部分主要是关于采集模块、通信模块、存储模块以及显示模块的板间控制，逻辑上的优化以及整个板内资源的整合，此部分代码由C 语言编写。人机交互部分主要是显示采集模块所采集到的用电信息、时间以及断路器本身的工作状态。按键主要负责查询断路器的相关信息以及设置断路器的相关参数。

此外，实时时钟为整个系统提供一个基准，使得各部分能够同一工作步调。断路器自身的状态信息依靠载波通信模块完成，为保证信息传播的实时性，断路器自身的各种状态信息都加入标志位，当检测标志位发生变化时，中断产生，保存相关事件并上传给TTU。

软件逻辑结构如图3所示。

3 通信方式对比

载波通信技术的应用使得断路器通信方式更加多样化，这也使得断路器在选择通行方式的时候显得更加灵活，下面是对现有的断路器通信方式做了对比，结果如表1所示。

从表1 可以看出，无线通信虽然通信速率和成本上有一定优势，缺点是受环境影响较大，稳定性大打折扣；蓝牙虽然通信稳定且传输速率较稳定，但缺点是通信距离不足，不适合居住较分散的地区使用，485 总线通信方式缺点更为明显，传输速率受距离的限制，而且需要单独布线，大大增加了安装人员的工作量，相比于其他三种通信方式，宽带载波通信方式是一种较优的选择，这也为载波通信在断路器上应用提供了可行性。

4 结语

在国家智能电网建设的快速发展的影响下，市场对于低压断路器的需求变得越来越智能化，功能多样化。本文介绍了一种基于HPLC通信的智能断路器，为断路器想着物联网的方向提供了一种一种思路。此外，4G，NB-loT 也都是值得考虑的通信方式。智能断路器智能化后，通过在线诊断断路器健康状况，根据其状态决定是否检修，可以准确控制检修时间，断路器运行状态处于实时监测下，提高设备可靠性。另外，断路器也开始向着模块化的方向发展，在功能多样化的基础上实现模块化，这都将极大的促进断路器行业发展。