一種智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及智能斷路器領(lǐng)域。本實用新型公開了一種智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，包括遠程監(jiān)控端、RS485/232轉(zhuǎn)換器、Modbus通信模塊、Modbus總線和智能斷路器，所述RS485/232轉(zhuǎn)換器作為遠程監(jiān)控端與Modbus總線的接口，完成Modbus總線數(shù)據(jù)電平與RS232接口電平的轉(zhuǎn)換，所述智能斷路器包括斷路器本體和智能控制器，負責(zé)現(xiàn)場線路狀態(tài)的監(jiān)測和進行分?jǐn)嗷蜷]合操作，并通過通信接口與所述Modbus通信模塊進行數(shù)據(jù)交互，所述Modbus通信模塊通過Modbus總線經(jīng)RS485/232轉(zhuǎn)換器與遠程監(jiān)控端通信連接。本實用新型通信穩(wěn)定、數(shù)據(jù)交互實時性好、抗干擾能力強、通用性廣泛。
【專利說明】
一種智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及智能斷路器領(lǐng)域，具體地涉及一種基于Modbus總線的智能斷路器 通信組網(wǎng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 斷路器作為低壓配電的基礎(chǔ)元件，負責(zé)電能的分配、傳輸以及用電設(shè)備的保護控 制等，對電力系統(tǒng)的可靠運行起著舉足重輕的作用；隨著智能電網(wǎng)及工業(yè)自動化應(yīng)用的深 入，斷路器除了具備傳統(tǒng)功能之外，還需實現(xiàn)實時電能質(zhì)量監(jiān)測、運行狀態(tài)監(jiān)控、動態(tài)配置 及分級保護等功能，因此對智能斷路器通信功能提出了高速、雙向、實時、集成的技術(shù)要求， 而當(dāng)前智能斷路器在長期的實際運行中表現(xiàn)出傳輸速度低、實時性差、配置擴展性不好等 缺點，制約了斷路器的監(jiān)控與保護功能及應(yīng)用范圍。
[0003] 智能型電器的通信功能好壞直接關(guān)系到整個配電與控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定、可靠運 行，Modbus協(xié)議是一種工業(yè)控制系統(tǒng)串行通信協(xié)議，由于其簡單可靠，得到了眾多硬件廠商 的支持。雖然現(xiàn)在也出現(xiàn)一些采用Modbus總線進行通信的新型智能斷路器，如公開專利： CN202102988U，其可以通過Modbus總線實現(xiàn)多個智能斷路器聯(lián)網(wǎng)通信，組成智能供配電系 統(tǒng)，使低壓配電、控制系統(tǒng)的調(diào)度、操作和維護實現(xiàn)遠程監(jiān)控。但其通信系統(tǒng)的傳輸速度、穩(wěn) 定性、實時性差、配置擴展性還是不夠理想，影響了斷路器的監(jiān)控與保護功能及應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型目的在于為解決上述問題而提供一種通信穩(wěn)定、傳輸速度快、數(shù)據(jù)交 互實時性好、抗干擾能力強、置擴展性好的智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)。
[0005] 為此，本實用新型公開了一種智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，包括遠程監(jiān)控端、RS485/ 232轉(zhuǎn)換器、Modbus通信模塊、Modbus總線和智能斷路器，所述RS485/232轉(zhuǎn)換器作為遠程監(jiān) 控端與Modbus總線的接口，完成Modbus總線數(shù)據(jù)電平與RS232接口電平的轉(zhuǎn)換，所述智能斷 路器包括斷路器本體和智能控制器，負責(zé)現(xiàn)場線路狀態(tài)的監(jiān)測和進行分?jǐn)嗷蜷]合操作，并 通過通信接口與所述Modbus通信模塊進行數(shù)據(jù)交互，所述Modbus通信模塊通過Modbus總線 經(jīng)RS485/232轉(zhuǎn)換器與遠程監(jiān)控端通信連接。
[0006] 進一步的，所述智能控制器包括微控制器、變換器、模擬信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換 器、數(shù)字量測量隔離電路、數(shù)字接口電路、時鐘電路、人機接口管理單元、鍵盤電路、顯示與 報警電路、打印接口電路、數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路和RS232/RS485接口電路，所述變換 器的輸入端接電信號，輸出端依次通過模擬信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器連接，所 述數(shù)字量測量隔離電路的輸入端接數(shù)字信號，輸出端通過數(shù)字接口電路與微控制器連接， 所述鍵盤電路、顯示與報警電路和打印接口電路分別通過人機接口管理單元與微控制器連 接，所述時鐘電路、數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路和RS232/RS485接口電路分別與微控制器連 接，所述數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路的輸出端接斷路器本體的控制輸入端。
[0007]進一步的，所述Modbus通信模塊與智能控制器的接口采用帶屏蔽的RJ45接頭，其 接口電路包括RS485收發(fā)器、共模扼流圈、TVS二極管D6、D7和D8、電阻R4和電阻R5,所述 RS485收發(fā)器的型號為SN65HVD22,所述RS485收發(fā)器的端口 A和5通過共模扼流圈與485總 線連接，所述TVS二極管D6、D7和D8接在485總線與地之間，所述RS485收發(fā)器的端口 D和R與 智能控制器的微控制器的通信端連接，所述RS485收發(fā)器的端口 DE和與智能控制器中 的微控制器的控制輸出端連接，所述電阻R4接在RS485收發(fā)器的端口 A和電源之間，所述電 阻R5接在RS485收發(fā)器的端口身與地之間。
[0008] 更進一步的，所述電阻R4和R5的阻值均為560 Ω。
[0009]進一步的，所述Modbus通信模塊包括電源轉(zhuǎn)換電路、RS485通信接口電路、地址編 碼器、狀態(tài)指示燈和Μ⑶處理器，所述電源轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)24V至5V的直流供電轉(zhuǎn)換，為Μ⑶處 理器和其它外圍芯片提供穩(wěn)定的電源，所述地址編碼器提供Modbus通信模塊硬件地址，所 述MCU處理器通過RS485通信接口電路分別與遠程監(jiān)控端和智能斷路器進行通信連接，所述 狀態(tài)指示燈用于Modbus通信模塊的電源、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和故障指示。
[0010] 更進一步的，所述RS485通信接口電路包括型號為SN75176AD的通訊片和光電耦合 元器件，所述通訊片的端口 A和t與485總線連接，所述通訊片的端口 D和R分別通過光電耦 合元器件與Μ⑶處理器的通信端連接，所述通訊片的端口 DE和愈通過光電耦合元器件與 MCU處理器的控制輸出端連接。
[0011]本實用新型有益技術(shù)效果：
[0012]本實用新型采用Modbus總線作為通信網(wǎng)絡(luò)組成智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，能實現(xiàn) 各個節(jié)點智能斷路器的分散化，通過與遠程監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對現(xiàn)場智能斷路器 的遙測、遙控、遙訊、遙調(diào)。本實用新型在小于l〇ms的極限應(yīng)答時間內(nèi)能保證90%的可靠信 息交互，在50~200ms應(yīng)答時間內(nèi)能保證100 %的可靠通信率，長時間組網(wǎng)測試和試運行表 明，本實用新型通信穩(wěn)定、傳輸速度快、數(shù)據(jù)交互實時性好、抗干擾能力強并具有廣泛的通 用性，完全能滿足實際應(yīng)用中對實時性和可靠性的要求。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本實用新型實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖；
[0014] 圖2為本實用新型實施例的智能控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3為本實用新型實施例的Modbus通信模塊與智能控制器的接口電路原理圖； [0016]圖4為本實用新型實施例的RS485通信接口電路原理圖。
【具體實施方式】
[0017] 現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。
[0018] 如圖1所示，一種智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，包括遠程監(jiān)控端1(本實施例中，為計 算機）、RS485/232轉(zhuǎn)換器2、Modbus通信模塊4、Modbus總線3和智能斷路器7,所述遠程監(jiān)控 端1負責(zé)對系統(tǒng)各節(jié)點智能斷路器7整定值的遠程設(shè)置，實時電力參數(shù)和智能斷路器7狀態(tài) 的顯示、管理和分析，智能斷路器7分?jǐn)嗷蜷]合的控制等，所述RS485/232轉(zhuǎn)換器2作為遠程 監(jiān)控端1與Modbus總線3的接口，完成Modbus總線3數(shù)據(jù)電平與RS232接口電平的轉(zhuǎn)換，所述 智能斷路器7包括斷路器本體5和智能控制器6,用于負責(zé)現(xiàn)場線路狀態(tài)的監(jiān)測和進行分?jǐn)?或閉合操作，并通過通信接口與Modbus通信模塊4進行數(shù)據(jù)交互，所述Modbus通信模塊4通 過Modbus總線3經(jīng)RS485/232轉(zhuǎn)換器2與遠程監(jiān)控端通信1連接。遠程監(jiān)控端1通過Modbus總 線3與智能控制器6進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對多個智能控制器節(jié)點的集中控制和管理。
[0019] 具體的，如圖2所示，智能控制器6包括微控制器61、變換器(本實施例中，包括電流 變換器63和電壓變換器64)、模擬信號調(diào)理電路65、A/D轉(zhuǎn)換器66、數(shù)字量測量隔離電路67、 數(shù)字接口電路68、時鐘電路62、人機接口管理單元64、鍵盤電路70、顯示與報警電路71、打印 接口電路72、數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路73和RS232/RS485接口電路75,電流變換器63和 電壓變換器64的輸入端分別接采集到的電流信號和電壓信號，其輸出端依次通過模擬信號 調(diào)理電路65和A/D轉(zhuǎn)換器66與微控制器61連接，數(shù)字量測量隔離電路67的輸入端接數(shù)字信 號，輸出端通過數(shù)字接口電路68與微控制器61連接，數(shù)字信號經(jīng)過隔離、處理后傳輸給微控 制器61，鍵盤電路70、顯示與報警電路71和打印接口電路72分別通過人機接口管理單元64 與微控制器61連接，所述時鐘電路62、數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路73和RS232/RS485接口電 路75分別與微控制器61連接，所述數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路73的輸出端接斷路器本體5 的控制輸入端?，F(xiàn)場線路的電流信號和電壓信號經(jīng)采樣后通過電流變換器63和電壓變換器 64以及模擬信號調(diào)理電路65進行變換、處理后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器66轉(zhuǎn)成數(shù)字信號傳給微控制 器61，微控制器61對采樣數(shù)據(jù)進行計算處理、分析判斷，當(dāng)出現(xiàn)異常時，輸出報警信號給顯 示與報警電路71進行報警顯示，同時，根據(jù)異常的類型，輸出相應(yīng)的預(yù)設(shè)在微控制器61內(nèi)的 保護動作信號經(jīng)數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路73給斷路器本體5的執(zhí)行機構(gòu)，以控制執(zhí)行機 構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動作，如閉合或分?jǐn)嗟?，以保護現(xiàn)場線路和設(shè)備不被損壞，微控制器61通過 RS232/RS485接口電路75與Modbus通信模塊4保持通信，將接收到的采樣數(shù)據(jù)、處理結(jié)果和 智能斷路器狀態(tài)通過Modbus總線傳輸給遠程監(jiān)控端1，并接收遠程監(jiān)控端1傳輸過來的控制 信號，時鐘電路62提供時鐘信號，以實現(xiàn)外部故障和內(nèi)部故障的記憶或事件記錄功能。
[0020] 具體的，現(xiàn)場線路的電流信號采樣時，每周期20ms采樣40點，采用0.5ms的定時器， 實現(xiàn)非失真采樣，而線路的三段保護，即電流速斷、限時電流速斷、定時過電流均依據(jù)一定 的算法在這些采樣點的基礎(chǔ)上進行。根據(jù)測得的電流信號進行有效值計算(40個采樣點采 用加權(quán)平滑濾波，取均值），進行熱記憶能量累加或消退，先后比較是否達到或超過短路瞬 時電流Ii、短延時脫扣電流整定值Id、長延時電流整定值(額定電流)Ir，判斷是否大于整定 的脫扣能量從而發(fā)出分?jǐn)嗝?，動作時間延時T根據(jù)斷路器控制器的電流-時間特性曲線決 定(參考斷路器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），從而實現(xiàn)對線路中的過載、短路、接地等故障的保護。
[0021] 本實施例中，Modbus通信模塊4與智能控制器6的接口采用帶屏蔽的RJ45接頭，其 接口電路即RS232/RS485接口電路75如圖3所示，包括RS485收發(fā)器U2、共模扼流圈U3、TVS二 極管D6、D7和D8、電阻R4和電阻R5,所述RS485收發(fā)器U2的型號為SN65HVD22,該芯片針對噪 聲與失效情況提供保護功能，非常適用于對電氣環(huán)境要求極為嚴(yán)格的場所和工業(yè)環(huán)境， RS485收發(fā)器U2的端口 A和身通過共模扼流圈U3與485總線的485_D1和485_D0端連接，共模 扼流圈U3用于濾除共模干擾，TVS二極管D6接在485_D1端與地之間，TVS二極管D7接在485_ D0端與地之間，TVS二極管D8接在485_D1和485_D0端之間，用于保護前端RS485總線，避免高 頻瞬態(tài)干擾(雷擊、浪涌）產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器U2,將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大 地，RS485收發(fā)器U2的端口 D和R與智能控制器6的微控制器61的通信端（TXD端和RXD端）連 接，RS485收發(fā)器U2的端口 DE和_與智能控制器6中的微控制器61的控制輸出端連接，電阻 R4接在RS485收發(fā)器U2的端口A和電源之間，所述電阻R5接在RS485收發(fā)器U2的端口 5與地 之間，電阻R4和R5的阻值均為560 Ω，以保證網(wǎng)絡(luò)有合適的空閑狀態(tài)電壓。
[0022]具體的，Modbus通信模塊4包括電源轉(zhuǎn)換電路、RS485通信接口電路、地址編碼器、 狀態(tài)指示燈和Μ⑶處理器，所述電源轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)24V至5V的直流供電轉(zhuǎn)換，為MCU處理器和 其它外圍芯片提供穩(wěn)定的電源，所述地址編碼器提供Modbus通信模塊4的硬件地址，所述 Μ⑶處理器通過RS485通信接口電路分別與遠程監(jiān)控端1和底層智能斷路器7進行通信連 接，所述狀態(tài)指示燈用于Modbus通信模塊4的電源、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和故障指示。
[0023] 本實施例中，RS485通信接口電路如圖4所示，包括型號為SN75176AD的通訊片U8和 光電耦合元器件U5、U6和U7,通訊片U8的端口 A和?分別通過磁珠 R51和R52與485總線連接， 通訊片U8的端口 D和R分別通過光電耦合元器件U7和U6與Μ⑶處理器的通信端連接，通訊片 U8的端口 DE和尺￡通過光電耦合元器件U5與MCU處理器的控制輸出端連接，本實施例中，光 電耦合元器件U5、U6和U7的型號為TLP181。
[0024]綜上，本實用新型采用Modbus總線作為通信網(wǎng)絡(luò)組成智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)， 并通過對各個模塊優(yōu)化設(shè)計，能實現(xiàn)各個節(jié)點智能斷路器的分散化，通過與遠程監(jiān)控主機 的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對現(xiàn)場斷路器的遙測、遙控、遙訊、遙調(diào)。本實用新型在小于l〇ms的極限應(yīng) 答時間內(nèi)能保證90%的可靠信息交互，在50~200ms應(yīng)答時間內(nèi)能保證100%的可靠通信 率，長時間組網(wǎng)測試和試運行表明，本實用新型通信穩(wěn)定、傳輸速度快、數(shù)據(jù)交互實時性好、 抗干擾能力強并具有廣泛的通用性，完全能滿足實際應(yīng)用中對實時性和可靠性的要求。 [0025] 短路瞬時保護驗證：
[0026]通常，短路瞬時保護功能可選擇性開通，它要求在電流急劇增大狀態(tài)下瞬時切斷 電路，動作時間要求越短越好，以盡可能減少損失。因而短路判斷直接根據(jù)采樣電流的即時 有效值，若連續(xù)四個樣本值大于等于瞬動電流設(shè)置閾值，則判定為瞬時短路故障，控制器立 即給出動作指令:若檢測的有效值不能滿足連續(xù)條件，則認(rèn)為是尖峰干擾信號。短路瞬時測 試時，短路瞬時電流I i通過對整定倍數(shù)η和長延時電流整定值(額定電流）Ir的設(shè)置實現(xiàn)（I i =11\1〇，其中整定倍數(shù)11通過智能控制器的鍵盤設(shè)置，11分別為2、4、5、8、10、12和14可選， 瞬時測試結(jié)果見表1，測試結(jié)果分析短路瞬時動作的時間要求小于0.2S。從表中數(shù)據(jù)可知， 瞬時保護的分?jǐn)鄷r間都控制在200ms以內(nèi)，完全滿足設(shè)計要求。
[0027]表1瞬時測試數(shù)據(jù) [0028]
[0029]盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本實用新型的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細節(jié) 上可以對本實用新型做出各種變化，均為本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，包括遠程監(jiān)控端、RS485/232轉(zhuǎn)換器、Modbus通信模 塊、Modbus總線和智能斷路器，其特征在于：所述RS485/232轉(zhuǎn)換器作為遠程監(jiān)控端與 Modbus總線的接口，完成Modbus總線數(shù)據(jù)電平與RS232接口電平的轉(zhuǎn)換，所述智能斷路器包 括斷路器本體和智能控制器，負責(zé)現(xiàn)場線路狀態(tài)的監(jiān)測和進行分?jǐn)嗷蜷]合操作，并通過通 信接口與所述Modbus通信模塊進行數(shù)據(jù)交互，所述Modbus通信模塊通過Modbus總線經(jīng) RS485/232轉(zhuǎn)換器與遠程監(jiān)控端通信連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于:所述智能控制器包括 微控制器、變換器、模擬信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字量測量隔離電路、數(shù)字接口電路、時 鐘電路、人機接口管理單元、鍵盤電路、顯示與報警電路、打印接口電路、數(shù)字輸出及驅(qū)動與 隔離電路和RS232/RS485接口電路，所述變換器的輸入端接電信號，輸出端依次通過模擬信 號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器連接，所述數(shù)字量測量隔離電路的輸入端接數(shù)字信號， 輸出端通過數(shù)字接口電路與微控制器連接，所述鍵盤電路、顯示與報警電路和打印接口電 路分別通過人機接口管理單元與微控制器連接，所述時鐘電路、數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電 路和RS232/RS485接口電路分別與微控制器連接，所述數(shù)字輸出及驅(qū)動與隔離電路的輸出 端接斷路器本體的控制輸入端。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于:所述Modbus通信 模塊與智能控制器的接口采用帶屏蔽的RJ45接頭，其接口電路包括RS485收發(fā)器、共模扼流 圈、TVS二極管D6、D7和D8、電阻R4和電阻R5,所述RS485收發(fā)器的型號為SN65HVD22,所述 RS485收發(fā)器的端口 A和5通過共模扼流圈與485總線連接，所述TVS二極管D6、D7和D8接在 485總線與地之間，所述RS485收發(fā)器的端口D和R與智能控制器的微控制器的通信端連接， 所述RS485收發(fā)器的端口 DE和愈與智能控制器中的微控制器的控制輸出端連接，所述電阻 R4接在RS485收發(fā)器的端口A和電源之間，所述電阻R5接在RS485收發(fā)器的端口 J與地之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于:所述電阻R4和R5的阻 值均為560 Ω。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于:所述Modbus通信 模塊包括電源轉(zhuǎn)換電路、RS485通信接口電路、地址編碼器、狀態(tài)指示燈和M⑶處理器，所述 電源轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)24V至5V的直流供電轉(zhuǎn)換，為MCU處理器和其它外圍芯片提供穩(wěn)定的電 源，所述地址編碼器提供Modbus通信模塊硬件地址，所述M⑶處理器通過RS485通信接口電 路分別與遠程監(jiān)控端和智能斷路器進行通信連接，所述狀態(tài)指示燈用于Modbus通信模塊的 電源、網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)和故障指示。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的智能斷路器通信組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于:所述RS485通信接口 電路包括型號為SN75176AD的通訊片和光電耦合元器件，所述通訊片的端口 A和舍與485總 線連接，所述通訊片的端口 D和R分別通過光電耦合元器件與MCU處理器的通信端連接，所述 通訊片的端口 DE和_通過光電耦合元器件與MCU處理器的控制輸出端連接。
【文檔編號】H04L29/08GK205565900SQ201620379657
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】劉美俊
【申請人】廈門理工學(xué)院