基于阿里云的永磁断路器监控系统设计

侯子扬,汪先兵,彭 靳,黄可诚,彭纪玉

永磁断路器作为供配电系统的关键元件,随着智能电器的普及和用电需求日益高涨,对电力系统的稳定性提出了更高挑战。永磁断路器作为电网中关键设备,可及时对输配电网进行控制与保护。在线路发生故障时,断路器能迅速切断线路,确保系统稳定运行[1-3]。传统的断路器定期检修与故障后检修盲目、被动,具有滞后性。所以研究智能化永磁断路器实时监控系统已成为新趋势[4-5]。

本文提出的永磁断路器监控系统结合4G通信技术与阿里云平台,可以实现永磁断路器与阿里云的远程双向通信。用户可通过云平台与移动端控制断路器合分闸,监测断路器的实时状态与电气参数,及时排查故障,减少维护设备带来的金钱与人力浪费,保证永磁断路器低故障、平稳运行。对推进电网智能化、提高电网供电水平有深刻意义[6-10]。

1 系统总体方案设计

永磁断路器监控系统框图如图1,系统以STM32F103ZET6为嵌入式处理器,包含EC800E 4G通信模块、断路器驱动模块、储能电容电压电流检测模块、三相触头电压电流检测模块。

图1 永磁断路器监控系统框图

结合MODBUS RTU通信协议与MQTT协议,由单片机解析云端下发MODBUS指令控制断路器合分闸。同时结合检测模块实时采集储能电容与触头上的电压、电流模拟量,将数据经单片机ADC采集程序由模拟量转换为数字量,由4G模块嵌套在MQTT协议内上传至阿里云。手机APP经过MQTT协议实现对断路器的远程智能控制与数据交互。

2 硬件部分

2.1 嵌入式处理器

本设计采用STM32F103ZET6为嵌入式处理器。它包含高性能ARM Cortex-M3 32位内核、存储器闪存为512KB,SRAM最高64KB,功耗低且外设丰富,可以满足本设计需求。

2.2 永磁断路器驱动模块

图2是永磁断路器驱动模块的拓扑结构图。断路器额定控制电压为交流127V。电源通电,经过整流桥D1给合闸电容C3充电。电压经过滤波电容C1和C2减少信号中的纹波和干扰,使输出的直流电压更加纯净稳定。单向瞬态抑制二极管D2可以防过压,避免尖峰电压损坏电路器件。电阻R1在电容充电时由继电器Y1切入电路,有限流作用,给电容充满电后自动切出电路。继电器Y2用于切换合分闸电容充电模式。在继电器Y2切换瞬间,会产生尖峰电压,电路产生一个极大的瞬间电流。因此加电阻R2限流,保护电路元件。合闸电容充满电时,总开关IGBT1断开,继电器Y2切至分闸电容C4上,随后合闸开关IGBT2导通,合闸电容向合闸线圈KM1放电,断路器完成合闸动作。随后总开关IGBT1闭合,给分闸电容充电。分闸电容电充满后,总开关IGBT1断开,继电器Y2切至合闸电容C3上,随后分闸开关IGBT3导通,分闸电容向分闸线圈KM2放电,断路器完成分闸动作。随后总开关IGBT1闭合,给合闸电容充电。

图2 永磁断路器驱动模块

2.3 储能电容电压、电流采集模块

电容电压采集模块采用VSM025A型霍尔电压传感器,原理图如图3。它能在电隔离条件下测量任意波形电压。测量电压时,在传感器原边串联电阻RI1后与储能电容并联。为保证传感器测量精度,选择RI1功率为20W,控制原边输入电流在10mA附近,保证测量电阻稳定工作。电阻RM1将传感器副边输出电流信号转换为电压信号,电压信号经稳压管DZ1过压保护、RC滤波后连接单片机ADC采集IO口。模块由220V转±15V AC-DC电源模块供电,地端与电源模块和单片机共地。VSM025A匝数比为3000:1200,所以Cntrl_Vol与Ucntrl根据公式(1)计算:

图3 电容电压采集模块

(1)

式中Cntrl_Vol是电容电压实际值,Ucntrl是ADC通道采样电压值。电阻RI1阻值选型为22K,RM1选型为150Ω。其中Ucntrl最高不超过3.3V,所以实际电压Cntrl_Vol与采样电压Ucntrl呈线性关系,理论上可采集最大电压为193.6V。

电容电流采集模块采用CSM002A型霍尔电流传感器,原理图见图4。测量电流时,将传感器原边串联到电路。CSM002A匝数比为12:960,所以I与Icoil根据公式(2)计算:

图4 电容电流采集模块

(2)

式中I为电容电流实际值,Icoil为ADC采样电压值。RM2选型为100Ω,理论上可采集最大合分闸电容电流为2.64A。

2.4 触头电压、电流采集模块

触头电压电流采集电路如图5。

图5 触头电压电流采集电路

采集触头电压最高为交流220V,所以在保险丝与触头之间接入500Ω300W大功率电阻作为负载,运放采用TL084型JFET 输入运算放大器。在断路器合闸后电路导通,将电压检测模块并联在电阻上检测触头电压,电流检测模块串联在电阻后检测触头电流。采样电压Ucl从电压采集模块输出后,连接到交流电压检测电路,图6为交流电压检测电路。

图6 交流电压检测电路

Ucl是交流正弦信号存在负值,而单片机ADC通道采样范围在0至3.3V。因此需经过运算电路,使采样信号Ucl整体向上平移,保证正弦信号峰-峰值在3.3V以内,可得

2|Ucl|<3.3

(3)

所以-1.65V

采样信号先进入反向放大器TL084AD A, 由运放虚短和虚断,可得

(4)

式中UO为R1左侧节点电压,Ui为R6上方节点电压。因为R1=R2,所以R2下方节点均值分压,即

(5)

结合可得0.825V

所以采样电压抬升到0至3.3V之间。随后采样电压进入电压跟随器TL084AD B,它有缓冲隔离的作用。最后由稳压二极管D1和D2进行输出钳位保护,保证最终进入单片机采样电压Ucntrl_CHT在3.3V以内。交流电流检测原理同上。

2.5 4G通信模块

通信模块采用移远通信EC800E-CN 4G-CAT1模块,部分原理图如图7。它应用4G网络通过 TCP 传输协议连接到阿里云,阿里云与4G模块以MQTT协议实现通信,将数据上传互联网。模块采用USB接口5V供电,通过AT指令实现4G连网的各种功能。

图7 EC800E-CN 4G模块

由于单片机使用MODBUS协议控制永磁断路器,需要RS485接口,所以在4G模块后加入TTL转485电路,如图8,采用MAX13487芯片的RS485收发器。该收发器有自动收发控制功能,驱动能力强,通信速率高。一般情况下RE连接高电平,即自动换向模式。最后将芯片引出的RS485A、RS485B端与单片机485接口用线连接,建立单片机与4G模块之间的通信硬件接口。

图8 TTL转485电路

3 软件部分

3.1 主程序

在STM32中移植FreeRTOS实时操作系统,先创建启动任务,在启动任务中创建测量数据子任务用于控制合分闸,创建初始化与上传数据到阿里云的子任务。完成后删除启动任务,避免堆栈。然后调度任务中断路器合分闸程序、阿里云接收数据处理程序,电压、电流采集程序及4G通信模块程序。程序流程图如图9。

图9 主程序流程图

图10 4G通信模块程序流程图

3.2 4G通信模块程序

系统上电后,初始化单片机的串口、时钟、ADC、GPIO等硬件,填入MQTT连接参数,连接阿里云平台并订阅相关主题。若4G模块成功连接阿里云,就将ADC采集的储能电容与触头电压、电流实时数据存放在MODBUS寄存器中,通过缓冲区消息队列的形式定时上传阿里云,云端读取寄存器中数据并显示。2号寄存器设置上传时间间隔为4秒。云端在通信Topic下发MODBUS指令控制断路器合分闸,将MODBUS指令转为字符串,封装在MQTT协议中经4G模块下发至单片机,经单片机数据解析后将MQTT报文中MODBUS字符串转换为十六进制的MODBUS指令,控制断路器合分闸,实现永磁断路器的实时监测与控制。

3.3 电压、电流采集模块程序

对于永磁断路器相关电压、电流参数采集,单片机采用DMA进行ADC采集,不用CPU实时参与,减少占用单片机资源。单片机使能ADC1的10个通道,开启DMA1传输方式,用来采集储能电容与触头电压、电流的10个数据,间隔4秒上传阿里云,云端数据刷新一次。软件流程图如图11。

图11 采集模块流程图

结合公式(1)及器件选型计算实际电压放大系数,以合闸电容为例,结合万用表测得实际电容电压值,可得电容电压值与采集ADC值转换代码为

vol1=(float)ADC_ConvertValue[0]/4096*3.3*57.8;

结合公式(2)与电流钳检测实际电流,合闸电容电流值与采集ADC值转换代码为

aol1=(float)ADC_ConvertValue[5]/4096*3.3*1.02.

对于永磁断路器触头交流电压、电流采集,采用以下均方根算法程序对交流电压进行采样:

float ch_rms_value(u8 num)

{

u32 sum=0;

u32 value[200]={0};

float rms=0;

u16 i=0;

float squ=0;

for(i=0; i<200; i++)

{

value[i]=ADC_ConvertValue[num];

delay_us(100);

}

for(i=0; i<200; i++)

{

squ= __fabs(value[i]-2085.236);

sum += squ*squ;

}

rms=(float)sqrt(sum / 200);

return rms;

}

因交流电压为市电50Hz,所以在20ms的周期内采样200个点。每采样一个ADC值,都减去2085.236误差值后取绝对值,保证精确度。然后对数据取平方,再计算累加和,采样200次数据后,对累加的平方和求平均值,然后再开方,即可得到交流电压均方根值。

最后将函数计算电压值通过串口打印到电脑。以一相触头为例,把万用表接在电源端,测得触头电压实际值。将两个量进行线性拟合,提高交流电压检测的精度。数据记录如表1。

表1 触头电压实际值与函数计算电压值

拟合曲线如图12所示。

图12 触头电压线性拟合图

触头电压值与函数计算电压值公式如下:

vcl1=1.3695×ch_rms_value(2)-17.603

(6)

式中vcl1是触头电压实际值,ch_rms_value(2)是函数计算交流电压均方根值。

触头电压值除以负载电阻500Ω就是触头电流值,公式如下:

(7)

式中acl1是触头电流实际值。

4 MODBUS RTU协议

单片机与永磁断路器之间使用MODBUS RTU协议进行通信。MODBUS RTU是一种主从式串行异步半双工通信协议,它基于RS485硬件接口进行通信。

MODBUS RTU协议常见功能码如表2所示。

表2 MODBUS RTU协议常见功能码

05功能码控制码对应操作如表3。

表3 05功能码控制码

采集到永磁断路器储能电容与三相触头电压、电流数据存放MODBUS寄存器位置见表4。

表4 MODBUS寄存器存放的监测数据

主机发送报文时,从机单片机MODBUS解析程序响应并回复主机报文,回复报文第一帧数据为设备地址,确保主机发送信息由用户指定地址的设备接收。从机接收数据结束后,生成CRC校验码与主机发送的CRC码对比,判断接收数据是否正确。若正确,从机按对应功能码格式回复报文给主机。

5 阿里云平台的搭建

登录阿里云物联网平台后,在产品下创建设备,在设备中添加所需物模型,定义每个属性的标识符与数据类型,用于单片机程序的编写。设备创建成功后,得到每个设备唯一的三元组ProductKey、DeviceName 与 DeviceSecret,将三元组填入程序并烧录到设备中,用于激活设备。它是设备登录阿里云的唯一凭证,可组合出各种MQTT连接参数,实现设备与云平台的连接。一个产品可以批量编辑其中所有设备的物模型并订阅通信主题。

本设计中,4G模块采用 MQTT 协议连接阿里云平台,与云平台进行双向通讯。MQTT是基于发布—订阅模式的物联网通信协议,凭借简单易实现、支持服务质量QoS、报文少等特点,为软硬件资源少的物联网设备提供了通信方案。MQTT协议执行流程如图13所示,消息发布者和订阅者之间通过Topic进行信息交互,设备在定义的Topic中发布或订阅消息,实现服务器与设备端之间通信。阿里云也能把Topic中数据即时转发到其他Topic或设备进行处理。

图13 MQTT协议执行流程

本设计中将4G模块获取的采集数据进行处理,打包为MQTT 协议格式发送至云端,而阿里云只接收JSON格式数据,因此云端运行JavaScipt解析脚本将数据转换成JSON格式,再读取数据。经过以上步骤,阿里云平台实现了对永磁断路器的实时监测。

6 手机APP设计

使用App Inventor软件开发工具,搭建永磁断路器监控系统手机APP。App Inventor开发环境简洁,开发过程简单,手机APP的界面设计和逻辑层面通过可视化的图形化积木式拖放组件完成,无需复杂的程序编程。开发完毕可生成手机APP二维码,可扫码下载到手机。

APP设计基于阿里云平台,因此需结合设备属性,设置APP连接阿里云的MQTT参数User Name、Password、Client ID、Address与Port。并声明APP全局接收数据主题与控制主题,通过调用云平台API,实现手机APP对断路器的智能监测与控制。设置MQTT参数如图14所示。

图14 手机APP连接阿里云设置

7 实验测试与结果分析

7.1 实验平台搭建

永磁断路器监控系统实验平台如图15所示,系统硬件部分包含永磁断路器本体、STM32单片机、断路器驱动模块、电压电流检测模块、4G模块。将系统相关代码烧录至单片机,断路器驱动板连接单片机对应IO口。检查对应引脚连接无误后,系统通电,开始实验测试。

7.2 实验结果分析

系统上电后,观察到阿里云设备处于在线状态,可通过云端实时查看永磁断路器的合分闸状态、储能电容与三相触头电压、电流的采集数据,也可随时查看云端历史数据。还可通过手机APP实时显示采集断路器的相关数据,并控制断路器合分闸。云平台界面如图16所示。

图16 永磁断路器监控系统云端页面

监控系统手机APP界面如图17所示。

图17 永磁断路器监控系统手机APP

实验结果如图16与图17所示。合闸电容向合闸线圈放电后,断路器合闸,合闸电容电压变为0。随后主电路继电器切换至分闸电容,此时合闸电容电流为0,分闸电容开始充电。将分闸电容电压充满后,分闸电容电流保持0.03A不变,为断路器分闸做准备。云端与手机APP接收断路器相关数据相吻合,没有错误与丢失。用户可通过云端与手机APP对永磁断路器进行远程监控。

为验证云端显示数据是否精确,实验时用万用表与电流钳测量储能电容与三相触头上电压、电流值,与云端显示值进行对比。测量结果见表5。

表5 测量结果

由表5对比测量数据实际值与云端显示值,证明此监控系统在数据测量、传输过程中误差较小,效率较高。为用户远程监控永磁断路器提供了智能便捷的控制方案,有一定工程应用价值。

8 结论

本文开发了一种基于阿里云的永磁断路器监控系统,兼具阿里云简单易开发的特点与4G无线通信的优势。以STM32F103ZET6单片机为嵌入式处理器,霍尔传感器采集永磁断路器储能电容与触头电压、电流数据,由4G模块与阿里云平台进行数据双向交互,通过网页端与手机APP掌握了永磁断路器的实时动态,实现了对永磁断路器的远程监控。实验结果表明该系统能够稳定可靠运行,且具有可开发、成本低、操作便捷等优点,推进了智能开关电器的发展。