摘要：为解决空气开关智能化水平不足、故障率高等问题，设计了一套由微控制器和组态软件组成的智能空气开关测控系统。该系统将DSPIC33FJ64GS606控制板作为下位机，由传感器、传输模块、数模转换模块组成，可实现对配电系统电路中各项指标的实时监控、数据处理、有效传输和调控。将PC机作为上位机，设计人机交互组态界面，接受下位机传输的数据，并显示实时数据和变化曲线；同时结合软件自带报警功能，发送指令至下位机，对配电网中的空气开关进行调控。实验表明，该系统可以很好地完成监测调控功能，很大程度上提高了配电系统的自动化水平和操作的安全性、便捷性。
关键词：空气开关；安全生产；电压-电流模式测量；电力物联网；传感器；LoRaWAN0
引言
空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的电器，传统的空气开关具有接触、分断电路和过流保护功能。当开关检测到流经的电流超过额定电流时，驱动电磁线圈断开开关分断电路[1-3]。但是在配电系统中多个开关无法单独设定过流定值，且开关动作的精度不高，同时无法配置更加复杂的保护逻辑，选择性不强。如果要配置复杂的保护逻辑，需要配置低压保护装置。低压保护装置目前已普遍应用于工矿企业，但存在安装困难、定值设置麻烦、调试工作复杂、维护工作量大等问题[4-7]。空气开关只有开关分断功能，不能计算流经开关的电流、电压、功率等遥测值，需要另配计量用电表来计算及存储。如果采用计量用电表采集电流、电压、功率等遥测值时，需要人工采集一段时间的遥测值，不能把经过单一开关采集的实时值上传到后台以便分析。同样地，电表也存在安装困难、调试工作复杂、维护工作量大等问题[8-9]。本文针对现有技术的不足，基于DSPIC33FJ64GS606设计并开发了一种具有保护测控、信息采集和传输的空气开关测控系统，方便用户通过PC端用户界面查看设备的实时数据，建立监测点获取数据，对电力系统运行状态进行评估和实时操控。具有结构简单、安装方便、电缆用量少、数据能实时上传、一二次设备融合、工作量少、安全可靠等优点。
1系统总体框架
系统的总体设计框架如图1所示，空气开关测控系统共包括四部分：空气开关、主控系统、采集系统和监控软件。系统的感知层由电流传感器、电压传感器、温湿度传感器组成，另通过滤波电路、信号调理电路处理底层数据，实时监控外部环境的温湿度、配电系统的交流量和开入量。将由传感器、模数转换器与DSP组成的采集模块获取的数据通过LoRa通信模块传送至监控软件。监控软件获取采集的数据后，在软件中通过一系列函数转换，将数据进行综合处理，使其能在操作界面上显示和操作，并根据各种配电系统设定变量的警报值。当周围环境参数或者交流量和开入量超过警报值时，监控系统对故障节点进行定位并发出对应的控制信号，对相应的空气开关做出重合闸的操作。此外该系统实现了监控系统与Excel的数据互传，可手动或者自动进行数据保存，便于对工况的记录和分析，也便于后续的调用。
2系统硬件设计
2.1主控模块
主控模块以DSPIC33FJ64GS606系列处理器为核心控制器，DSPIC33FJ64GS606为16位数字信号控制器，其内部有6个PWM发生器，每个PWM发生器有2路PWM输出，可分别配置为独立输出或互补输出，40MIPS时PWM占空比、死区、频率等的分辨率可达1.04ns；有16路10b的A/D通道，5个16b时钟模块，同时有多种通信外设，如UART、SPI、I2C等；同时中断控制器有7个可供用户选择的中断优先级，是小型项目和完整平台的理想选择。
2.2数据采集模块
（1）DHT11温湿度传感器负责采集周围环境的空气温湿度，其成本低、信号采集速度快、信号抗干扰能力强、精确校准，能够在较为恶劣的环境下使用，实现温度与相对湿度同时测量；湿度测量范围为20%RH～95%RH，温度测量范围为0～50℃，基本满足井下温湿度测量要求，可与DSPIC33FJ64GS606微处理器实现单总线双向串行传输。
（2）采用ACS758电流传感器采集井下配电系统的电流。ACS758体积小，串联在电流回路中，电路简单，可测交直流电流，无须检测电阻，内置毫欧级路径内阻，精度在全温度范围时小于1.5%，同时有着非常稳定的斩波输出。
（3）设计调理电路实现对电压的测量，通过电压变压器后作为电压采集的输入信号；此外通过电阻R1对采集信号进行预先处理，使得信号电压范围为0.1～2.2V，满足该控制器A/D模块最大值为3V的输入要求。对信号预处理后经过R3电阻限流，再通过C4电容滤波后传输到处理器模块的A/D引脚。电压信号采集电路如图2所示。
（4）因不同传感器的输出难以同时达到控制器的测量量程，故额外设计传感器调理电路，对不同传感器输出的信号进行处理，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入；通过ADC对模拟信号进行数字化，并且传输给控制器，以便用于系统的数据处理。
2.3传输模块
传输模块由通信管理控制芯片（DSPIC33FJ64GS606）和LoRa无线通信模块组成。数字信号控制器计算电压和电流有效值，通过I2C通信协议将其发送到通信管理控制芯片，通信管理控制芯片计算当前环境评分，并将电压、电流有效值和环境评分转换为ModbusRTU协议数据传输给LoRa无线通信模块。控制器和云控制器采用LoRa无线通信模块实现信息互传，其功耗低、抗干扰能力强，能够在复杂工况条件下使用，且其传输速率高，能够避免数据丢帧。2.4执行机构控制模块当控制器检测到系统处于异常状态时，需要执行机构对空气开关状态进行调整。执行机构主要由微型电机和警报器组成，将这些执行器与空气开关的NO（常开）和COM（公共端）相连，当执行机构收到控制器发来的指令后，执行相应的操作。
3系统软件设计
3.1下位机程序设计
系统启动时对系统进行初始化处理，配置通信子程序。控制器实时接收周围环境的参数、线路中电压电流的开入量，控制相应空气开关的投切。温湿度传感器通过通信方式与控制器实现数据传输，电压电流的测量值均为模拟量，通过转化程序将模拟量转化为百分比的形式。同时，还应对温湿度进行数据分析，判定环境是否进行试验工作，最后将判定结果与电压电流值共同传输到串口。此外，还需要读取控制器发送的串口字符，判定微型电机执行相应的操作。程序设计如图3所示。
3.2上位机组态界面设计
在云控制器中定义外部设备，确定设备名称和通信方式。在数据词典中定义变量，主要涉及I/O字符串、内存字符串、内存整数和内存实数。创建并设计画面，将相关控件与变量进行动画连接，建立人机交互界面[10-12]。（1）配电系统监控界面：以表格的形式显示采集数据，并且自动绘制环境因素实时趋势曲线。（2）历史趋势曲线界面：数据实时保存，实现历史曲线的绘制与分析。（3）报警与操作界面：按照设置好的数据范围实现动态报警，并在此界面发送指令到控制微型电机，调整空气开关开断状态。（4）数据库操作界面：实现串口工具与Excel数据库的连接，数据将实时保存至数据库，可随时调用，方便查看。
4系统外观设计
在设计时，根据普通空气开关的形状，在空气开关上侧面另加上控制板。云控制器内部包含一块DSPIC33FJ64GS606板件，加上外壳后与空气开关侧面大小相等、形状相似，可通过螺丝直接安装在空气开关上。装置可安装在原空气开关安装的位置，无须另外设计安装位置。系统外观设计如图4所示。本测控系统包括一个空气开关、DSP处理器。DSP处理器可通过螺丝直接安装在空气开关侧面。处理器外部设计与空气开关相同大小的塑料机壳，安装后同空气开关形成一体。接入空气开关的电流电压等通过内部接线接入电流电压互感器，经滤波后接入DSP处理器的核心控制板进行采样。空气开关根据接入的电压量转换成开入信号，经过光电隔离后接入核心控制板。核心控制板根据接入的电流、电压和开入量可以进行较为复杂的逻辑运算，将计算的值与设定值相比较，如果达到动作条件即驱动电机，把空气开关打开，记录相关报告。核心控制板根据接入的交流量计算电流、电压、有功、无功、功率因数和电度等有效值。这些有效值和保护报告等信息可以通过无线网络或串口传送到监控系统以便分析。安装在普通空气开关安装的地方，不需要另外的安装位置，能实现复杂的保护测控功能及信息实时上送功能，具有节省空间、安装方便、节省成本等优点，在获得传统开关和保护测控的使用功能的同时，减少了施工工作量，提高了建设效率。
5测试结果分析
在煤矿矿井环境下进行系统测试，安装部署20台设备。所有空气开关均使用ABP（ActivationByPersonalization）入网模式，且工作于LoRaCLASSA模式；所有空气开关与网关间均为双向通信，开启自适应数据速率功能，支持8路上行信道和1路下行通道。经过两个月测试，矿井的各项参数性能均能在监控画面上显示。在历史趋势曲线画面内，自动完成各变量的历史曲线的绘制，记录一段时间内环境变化趋势。在报警和操作画面内，设定相应的警报阈值并作出相应的处理。在数据库操作界面，上位机软件与Excel数据库连接，上位机软件数据默认储存到数据库，方便对数据库进行查询、打印报表等操作。经过多轮测试和改进，空气开关测控系统的可靠性有了一定保障。
6结语
本设计的创新点在于开发了一款新型空气开关，使其具备了环境温湿度、电压电流开入量检查以及数据传输的功能，并且能够实现远程控制，便于在复杂工况下对配线系统的保护。同时将控制器与上位机软件相结合，实现有效的数据传输与采集，且上位机可直接进行反馈控制，建立相应的数据库实现对数据的二次利用。借助无线传输的形式，实现对配电网的远距离管理。在实际运用中，系统的硬件和软件成熟度较高、操作简便、运行可靠稳定，可在矿井的工况下使用，使用效果达到了预期，各方面反馈良好。
作者：黄志强 蒋伟 单位：扬州大学 电气与能源动力工程学院