基于物联网的一体式智能断路器的研究与应用

基于物联网的一体式智能断路器的研究

与应用

摘要：在我国进入21世纪迅猛发展的新时期，随着物联网技术的逐渐成熟，智能断路器功能逐步完善。针对当前低压配电网电气设备存在自动化水平低的问题，提出一套基于物联网的一体式智能断路器设计与实现方案，旨在解决断路器

设备自动化水平低、故障判断困难等问题。设计采用智能断路器控制器，集成多

种传感器单元，实现断路器分合闸信号采集及遥控、遥测、遥信等功能。数据传

输支持４Ｇ／５Ｇ无线通信，实现数据的快速稳定传输。

关键词：物联网；断路器；一体化；４Ｇ／５Ｇ通信；智能化

引言

物联网在1998年被提出，其主要是RFID技术和其他传感器技术有效的结合，应用于人们提出生活用品之中构建了一个物联网。随后又被重新定义，利用RFID

标签无线接入互联网，从而实现对数百万的物品的实时跟踪和审计。电力互联网

主要指以当前的电网基础设施、人员及现场环境等组建的网络系统。充分利用传

感器及通信技术，实现对电网各物体之间的实时互动，从而促使电力生产向着智

能化、高效化的方向发展。电力互联网技术的广泛应用对人们生活和工作带来了

诸多便捷，但是由于该技术起步较晚，应用场景不够广泛，而物联网应该在发、输、变以及配电环节的顺利发展发挥关键作用。

1智能断路器结构设计

物联网型塑壳断路器是对传统电子式塑壳断路器进行改进，在此基础上对电

子控制器进行重新设计，增加数据采集功能、数据传输功能和数据处理功能等模块。该种智能断路器设计拥有传统的断路器本体和断路器电子控制模块两大部分。在传统的断路器本体中设计增加了电流保护传感器、电流测量传感器、电压采集

电路和位置传感器等不同的数据采集的传感器。对于断路器电子控制器包括了保

护模块、测量模块和宽带载波通信模块等对断路器进行控制的模块。保护模块由

保护处理器、电流取电电路、脱扣电路和开关状态输入电路等组成。保护处理器

实时计算电压、电流和温度值，实时检测断路器状态，在电气量超限达到预设动

作时间后，通过控制模块驱动脱扣动作执行机构进行脱扣动作，以此完成断路器

的跳闸动作。电流取电电源仅供保护模块使用，同时由电压取电电源作双备份电源，保证保护模块供电安全可靠。对于进行保护电流的互感器磁芯采用能够极大

增强磁化的硅钢叠压技术进行处理，提高互感器的灵敏度。由于进行电流保护的

电流变化范围较大，一般能够达到5倍范围，这时电流互感器将产生磁化的部分

饱和现象，这反映出二次侧电流曲线为非线性的特点。为完成对互感器的设计问题，需要根据保护互感器的二次电流输出特性进行合理的设计，通过采用对二次

曲线的拟合方式对保护互感器进行磁化能力校正。以此保证在10～14倍电流下，其测量依然能够相对准确。

2物联网的一体式智能断路器的研究与应用

2.1三相不平衡治理

云平台、边缘计算多功能网关和若干换相断路器（换相开关）可共同组成智

能负荷调度系统，能实时动态的对三相负荷进行有载调整，尽量做到主变及各回

路三相电流的平衡。云平台计算同一时刻所有支线设备的电流量，根据公式计算

出不平衡度，按照设置的不平衡度阈值。先按最优算法，计算出不平衡度最小的

调整方式，然后根据开关动作数量最少的原则下发调节指令，开关根据云端下发

的换相指令进行相应换相操作，进行换相调节，从而使三相负荷趋于平衡，以有

效解决低压配电系统的三相不平衡问题。换相开关实时计算开关固有动作时间，

确保过零投切，对元器件冲击达到最小，对终端用户影响最小，换相时间小于１

０ｍｓ。

2.2通信模块

实现断路器的远程监控离不开数据的远距离传输,本系统采用中国移动公司

的M5311型NB-IoT模组实现监控前端与计算机端后台的信息交换。M5311是一款

高性能、低功耗的工业级NB-IoT通信模组。控制核心通过M5311芯片,以NB-IoT

通信方式实现与物联网云平台的信息交换。用户可通过计算机和手机等设备对物

联网云平台进行访问,以实现对断路器的远程监控。

2.3信息管理系统主站及终端

（1）数据存取模块数据存取模块由3个部分组成：数据采集、数据传输以

及信息读取。数据采集：依靠如RFID、GPS等传感器采集设备的信息数据，然后

对其信息做简单的处理。数据传输:依靠3G、4G以及5G网络把模块采集到的信

息传输到系统主站。信息读取：运维员使用主站系统读取、录入设备相关信息后

建立数据库，录入信息（如生产厂商和日期、历史工况、设备名称和型号等）。（2）终端运维模块在运维现场中，运维员于巡视功能模块中填入巡视结果。巡

视功能模块具备以下功能：将录入点的地理位置和时间自动记录下来、对现场运

行工程状况及缺陷进行拍照记录等。与此同时可通过读取各个设备的独特二维码，获取设备的详细信息。（3）报告生成模块传统巡视记录或报告的生成是依靠人

员记录数据后再录进生产管理系统，耗时又耗力。此系统在终端系统里存有固定

的巡视报告模板，巡视人员直接在现场填写，随后自动传输到主站保存，无需二

次操作。同时，主站对运维信息及设备信息进行统计，定期定量定时生成设备评

价报告，进一步减少人力、时间，提升了工作效率。

2.4无线通信单元设计

无线通信单元采用移动４Ｇ／５Ｇ技术开发物联网通信模块，设计物联网通

信模块的核心主控模块、无线通信模块和网络交换机。断路器作为物联网中电网

保护的保护设备和感知元件，监测配电网端的各种参数并及时传输给物联网中心，实现对电网系统的监测、调度和维护等，完成物联网－断路器信号高质量传输，

从而达到配电网断路器实时状态可靠监控目的。现场采集的数据，支持４Ｇ无线

传输方式。用户可根据自身需求进行通信方式的选择。４Ｇ无线通信方式众多，

本设计选择ＳＩＭＣＯＭ公司的ＳＩＭ８００系列芯片，其具有四频ＧＳＭ／Ｇ

ＰＲＳ工作方式，支持８５０、９００、１８００、１９００ＭＨｚ，内部集成

ＳＭＳ信息、语音信息等功能，同时包括电源管理单元、ＲＴＣ单元及数据采集

单元等。