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摘要：為解決空氣開關智能化水平不足、故障率高等問題，設計了一套由微控制器和組態軟件組成的智能空氣開關測控系統。該系統將dspIC33FJ64GS606控制板作為下位機，由傳感器、傳輸模塊、數模轉換模塊組成，可實現對配電系統電路中各項指標的實時監控、數據處理、有效傳輸和調控。將PC機作為上位機，設計人機交互組態界面，接受下位機傳輸的數據，并顯示實時數據和變化曲線；同時結合軟件自帶報警功能，發送指令至下位機，對配電網中的空氣開關進行調控。實驗表明，該系統可以很好地完成監測調控功能，很大程度上提高了配電系統的自動化水平和操作的安全性、便捷性。
關鍵詞：空氣開關；安全生產；電壓-電流模式測量；電力物聯網；傳感器；LoRaWAN0
引言
空氣開關是低壓配電網絡和電力拖動系統中非常重要的電器，傳統的空氣開關具有接觸、分斷電路和過流保護功能。當開關檢測到流經的電流超過額定電流時，驅動電磁線圈斷開開關分斷電路[1-3]。但是在配電系統中多個開關無法單獨設定過流定值，且開關動作的精度不高，同時無法配置更加復雜的保護邏輯，選擇性不強。如果要配置復雜的保護邏輯，需要配置低壓保護裝置。低壓保護裝置目前已普遍應用于工礦企業，但存在安裝困難、定值設置麻煩、調試工作復雜、維護工作量大等問題[4-7]?？諝忾_關只有開關分斷功能，不能計算流經開關的電流、電壓、功率等遙測值，需要另配計量用電表來計算及存儲。如果采用計量用電表采集電流、電壓、功率等遙測值時，需要人工采集一段時間的遙測值，不能把經過單一開關采集的實時值上傳到后臺以便分析。同樣地，電表也存在安裝困難、調試工作復雜、維護工作量大等問題[8-9]。本文針對現有技術的不足，基于DSPIC33FJ64GS606設計并開發了一種具有保護測控、信息采集和傳輸的空氣開關測控系統，方便用戶通過PC端用戶界面查看設備的實時數據，建立監測點獲取數據，對電力系統運行狀態進行評估和實時操控。具有結構簡單、安裝方便、電纜用量少、數據能實時上傳、一二次設備融合、工作量少、安全可靠等優點。
1系統總體框架
系統的總體設計框架如圖1所示，空氣開關測控系統共包括四部分：空氣開關、主控系統、采集系統和監控軟件。系統的感知層由電流傳感器、電壓傳感器、溫濕度傳感器組成，另通過濾波電路、信號調理電路處理底層數據，實時監控外部環境的溫濕度、配電系統的交流量和開入量。將由傳感器、模數轉換器與DSP組成的采集模塊獲取的數據通過LoRa通信模塊傳送至監控軟件。監控軟件獲取采集的數據后，在軟件中通過一系列函數轉換，將數據進行綜合處理，使其能在操作界面上顯示和操作，并根據各種配電系統設定變量的警報值。當周圍環境參數或者交流量和開入量超過警報值時，監控系統對故障節點進行定位并發出對應的控制信號，對相應的空氣開關做出重合閘的操作。此外該系統實現了監控系統與Excel的數據互傳，可手動或者自動進行數據保存，便于對工況的記錄和分析，也便于后續的調用。
2系統硬件設計
2.1主控模塊
主控模塊以DSPIC33FJ64GS606系列處理器為核心控制器，DSPIC33FJ64GS606為16位數字信號控制器，其內部有6個PWM發生器，每個PWM發生器有2路PWM輸出，可分別配置為獨立輸出或互補輸出，40MIPS時PWM占空比、死區、頻率等的分辨率可達1.04ns；有16路10b的A/D通道，5個16b時鐘模塊，同時有多種通信外設，如UART、SPI、I2C等；同時中斷控制器有7個可供用戶選擇的中斷優先級，是小型項目和完整平臺的理想選擇。
2.2數據采集模塊
（1）DHT11溫濕度傳感器負責采集周圍環境的空氣溫濕度，其成本低、信號采集速度快、信號抗干擾能力強、精確校準，能夠在較為惡劣的環境下使用，實現溫度與相對濕度同時測量；濕度測量范圍為20%RH～95%RH，溫度測量范圍為0～50℃，基本滿足井下溫濕度測量要求，可與DSPIC33FJ64GS606微處理器實現單總線雙向串行傳輸。
（2）采用ACS758電流傳感器采集井下配電系統的電流。ACS758體積小，串聯在電流回路中，外圍電路簡單，可測交直流電流，無須檢測電阻，內置毫歐級路徑內阻，精度在全溫度范圍時小于1.5%，同時有著非常穩定的斬波輸出。
（3）設計調理電路實現對電壓的測量，通過電壓變壓器后作為電壓采集的輸入信號；此外通過電阻R1對采集信號進行預先處理，使得信號電壓范圍為0.1～2.2V，滿足該控制器A/D模塊最大值為3V的輸入要求。對信號預處理后經過R3電阻限流，再通過C4電容濾波后傳輸到處理器模塊的A/D引腳。電壓信號采集電路如圖2所示。
（4）因不同傳感器的輸出難以同時達到控制器的測量量程，故額外設計傳感器調理電路，對不同傳感器輸出的信號進行處理，使其適合于模/數轉換器（ADC）的輸入；通過ADC對模擬信號進行數字化，并且傳輸給控制器，以便用于系統的數據處理。
2.3傳輸模塊
傳輸模塊由通信管理控制芯片（DSPIC33FJ64GS606）和LoRa無線通信模塊組成。數字信號控制器計算電壓和電流有效值，通過I2C通信協議將其發送到通信管理控制芯片，通信管理控制芯片計算當前環境評分，并將電壓、電流有效值和環境評分轉換為ModbusRTU協議數據傳輸給LoRa無線通信模塊?？刂破骱驮瓶刂破鞑捎肔oRa無線通信模塊實現信息互傳，其功耗低、抗干擾能力強，能夠在復雜工況條件下使用，且其傳輸速率高，能夠避免數據丟幀。2.4執行機構控制模塊當控制器檢測到系統處于異常狀態時，需要執行機構對空氣開關狀態進行調整。執行機構主要由微型電機和警報器組成，將這些執行器與空氣開關的NO（常開）和COM（公共端）相連，當執行機構收到控制器發來的指令后，執行相應的操作。
3系統軟件設計
3.1下位機程序設計
系統啟動時對系統進行初始化處理，配置通信子程序?？刂破鲗崟r接收周圍環境的參數、線路中電壓電流的開入量，控制相應空氣開關的投切。溫濕度傳感器通過通信方式與控制器實現數據傳輸，電壓電流的測量值均為模擬量，通過轉化程序將模擬量轉化為百分比的形式。同時，還應對溫濕度進行數據分析，判定環境是否進行試驗工作，最后將判定結果與電壓電流值共同傳輸到串口。此外，還需要讀取控制器發送的串口字符，判定微型電機執行相應的操作。程序設計如圖3所示。
3.2上位機組態界面設計
在云控制器中定義外部設備，確定設備名稱和通信方式。在數據詞典中定義變量，主要涉及I/O字符串、內存字符串、內存整數和內存實數。創建并設計畫面，將相關控件與變量進行動畫連接，建立人機交互界面[10-12]。（1）配電系統監控界面：以表格的形式顯示采集數據，并且自動繪制環境因素實時趨勢曲線。（2）歷史趨勢曲線界面：數據實時保存，實現歷史曲線的繪制與分析。（3）報警與操作界面：按照設置好的數據范圍實現動態報警，并在此界面發送指令到控制微型電機，調整空氣開關開斷狀態。（4）數據庫操作界面：實現串口工具與Excel數據庫的連接，數據將實時保存至數據庫，可隨時調用，方便查看。
4系統外觀設計
在設計時，根據普通空氣開關的形狀，在空氣開關上側面另加上控制板。云控制器內部包含一塊DSPIC33FJ64GS606板件，加上外殼后與空氣開關側面大小相等、形狀相似，可通過螺絲直接安裝在空氣開關上。裝置可安裝在原空氣開關安裝的位置，無須另外設計安裝位置。系統外觀設計如圖4所示。本測控系統包括一個空氣開關、DSP處理器。DSP處理器可通過螺絲直接安裝在空氣開關側面。處理器外部設計與空氣開關相同大小的塑料機殼，安裝后同空氣開關形成一體。接入空氣開關的電流電壓等通過內部接線接入電流電壓互感器，經濾波后接入DSP處理器的核心控制板進行采樣。空氣開關根據接入的電壓量轉換成開入信號，經過光電隔離后接入核心控制板。核心控制板根據接入的電流、電壓和開入量可以進行較為復雜的邏輯運算，將計算的值與設定值相比較，如果達到動作條件即驅動電機，把空氣開關打開，記錄相關報告。核心控制板根據接入的交流量計算電流、電壓、有功、無功、功率因數和電度等有效值。這些有效值和保護報告等信息可以通過無線網絡或串口傳送到監控系統以便分析。安裝在普通空氣開關安裝的地方，不需要另外的安裝位置，能實現復雜的保護測控功能及信息實時上送功能，具有節省空間、安裝方便、節省成本等優點，在獲得傳統開關和保護測控的使用功能的同時，減少了施工工作量，提高了建設效率。
5測試結果分析
在煤礦礦井環境下進行系統測試，安裝部署20臺設備。所有空氣開關均使用ABP（ActivationByPersonalization）入網模式，且工作于LoRaCLASSA模式；所有空氣開關與網關間均為雙向通信，開啟自適應數據速率功能，支持8路上行信道和1路下行通道。經過兩個月測試，礦井的各項參數性能均能在監控畫面上顯示。在歷史趨勢曲線畫面內，自動完成各變量的歷史曲線的繪制，記錄一段時間內環境變化趨勢。在報警和操作畫面內，設定相應的警報閾值并作出相應的處理。在數據庫操作界面，上位機軟件與Excel數據庫連接，上位機軟件數據默認儲存到數據庫，方便對數據庫進行查詢、打印報表等操作。經過多輪測試和改進，空氣開關測控系統的可靠性有了一定保障。
6結語
本設計的創新點在于開發了一款新型空氣開關，使其具備了環境溫濕度、電壓電流開入量檢查以及數據傳輸的功能，并且能夠實現遠程控制，便于在復雜工況下對配線系統的保護。同時將控制器與上位機軟件相結合，實現有效的數據傳輸與采集，且上位機可直接進行反饋控制，建立相應的數據庫實現對數據的二次利用。借助無線傳輸的形式，實現對配電網的遠距離管理。在實際運用中，系統的硬件和軟件成熟度較高、操作簡便、運行可靠穩定，可在礦井的工況下使用，使用效果達到了預期，各方面反饋良好。
作者：黃志強 蔣偉 單位：揚州大學 電氣與能源動力工程學院