基于电力线载波技术的智能开关控制系统设计

黄宇森, 施章蕾, 张在里

(西北民族大学电气工程学院甘肃兰州,730000)

目前, 我国进入了飞速发展的新阶段, 无论是文化事业还是工业体系, 都踏上了一个全新的高度。电力行业是国家发展的命脉所在, 衡量一个国家的电力消耗水平, 很大程度上就可以从侧面反映出一个国家的发展水平如何, 因此电力行业的建设发展不容小觑。在工业上, 我国已经有了较为完备的一套电能测量体系, 但是在智能电网和万物互联不断普及和应用的今天, 在个人家庭的电能衔接上还缺少一种安全设计。传统开关的困境在智能电网的普及下得到了根本的解决, 但是, 个人家庭中使用越来越频繁的智能家居却缺少一种特殊的、用来测量电能参数并控制家用电器的仪器[1]。因此, 本文展开了对基于电力线载波技术的智能开关控制系统的设计。

1 智能开关发展现状及问题分析

1.1 智能开关发展现状

从现在市场和消费者需求来看, 智能开关市场还在初级发展阶段, 毕竟要随着其他智能产品的普及和应用智能开关才有更多的需求, 比如人们用了智能照明, 就必须要有智能照明开关[2], 所以在未来,智能开关市场还有更多发展和想象的空间。但是, 智能开关的安装以及兼容问题是现在所面临的最大难题[3], 同时用户对自己家庭电能的情况了解甚少, 一旦空气开关发生跳闸, 如果不了解跳闸原因随便就重新合上开关, 很有可能会造成诸多后果。因此, 本文主要针对闸刀开关(空气开关)和电能表存在的问题进行了分析, 提出了改进措施。

1.2 智能开关问题分析

安装困难: 主要是因为传统开关的布线问题, 家庭电路一般由两根电源线、电能表、闸刀开关(空气开关)、漏电保护器、保险设备、用电器、插座、导线、开关等组成, 考虑到消费者已经习惯采用传统开关的使用及经济效益, 不可能因为安装智能开关就要对家庭电路进行大的改动[4]。而采用电力电子开关就可以解决这个问题, 因为电力电子开关采用最简单的单回路供电便可以工作。因此, 对于家庭电路, 直接将电力电子开关接入电源线中便能正常工作。

兼容问题: 一个开关就要对应一个控制, 不是说智能开关安装后想控制什么就能控制什么。而本文要实现的控制就是在完成空气开关基本任务的基础上能够实现远程操作, 因此, 智能开关与空气开关的组成部分要兼容, 也就是必须在220 V、50 HZ 的正弦交流电压下进行[4]。采用电力电子开关也能很好地解决这个问题, 电力电子器件组成的电路无非就是实现整流、逆变、变流、斩波, 对于220 V 这个电压等级, 要实现电能转换并不困难[5]。

1.3 电能表问题分析

对于家庭电路, 电能表主要的功能就是统计所消耗的电能, 并发送到当地电网, 进行统计收费等。这个过程缺点就是并没经过消费者, 消费者并不能直接知道自己家庭中实时的电能消耗情况, 而采用电力线载波技术的计量装置, 配合WIFI 模块可以更方便地实现将家庭中电能的使用情况并实时发送到手机端[6]。

2 系统整体设计方案

2.1 系统功能需求

功能需求如图1 所示, 计能装置在获取数据后, 将数据发送到云端, 手机联网后便能从云端获取数据, 达到实时对家庭电能情况的了解。同时, 计能装置会对数据进行分析, 如果家庭中电器出现使用不当或者其它情况, 导致家庭电路出现了过载或短路的情况, 从而使电压或电流超过规定值时, 智能开关会立马断开。最后, 通过手机或其它控制设备发送闭合开关的命令, 并通过WIFI 模块将命令发送给智能开关[7]。

图1 系统功能流程图

此外, 该设计不会舍弃手动操作开关的功能, 因为手机或者其他设备并不会时时刻刻处于联网状态, 在必要时, 仍然需要通过手动来控制开关闭合。

2.2 系统整体结构

整个系统包括3 个部分: 基于单片机的电力线载波单相电能计能装置设计、智能开关设计、WIFI模块设计。

计能装置完成的工作: 完成数据的检测并把数据上传到云端。

智能开关的工作: 完成家庭电路的保护。

WIFI 模块的工作: 将从手机端发送到云端的命令传送给智能开关。

3 基于单片机的电力线载波单相电能计量装置系统总体设计

3.1 基于单片机的电力线载波单相电能计量装置设计要求

关于“基于单片机的电力线载波单相电能计量装置”设计的要求:(1) 电能的电流信号和电压信号可以同时进行测量, 达到对应;(2) 电能计量模块可以实时进行电能数据的精确计算;(3) 电力线载波模块可以同时进行数据的发送和接收。总体设计方案框图见图2。

图2 总体设计方案框图

3.2 单片机主控模块的方案选择

选择使用芯科科技的EFM8BB3 单片机, 该单片机是8 位微控制器的单芯片系统。该芯片具有8 位内核, 且体积小, 在有限的空间内可提供最强大的功能服务。该芯片在程序的调试中, 对程序还可以进行断点设计, 对所输入端程序进行逐步调试, 大大方便了程序的修改升级。

在综合考虑了两种单片机后,EFM8BB3相较于51单片机首先封装体积较小, 便于成品设计和使用,内核部分EFM8BB3 仍然使用的是51 的核心, 且相较于51 来讲具有更强的保护能力, 芯片不易烧坏,大大降低了使用难度和后期维护成本。设计原理图见图3。

3.3 单相电能计量装置模块的选择

使用CS5463 芯片, 该芯片常用于计算功率。在其芯片内部可以通过转换器进行数据的数模转换,且双转换器的硬件设计使该芯片计算速率大大提高, 相较于同类型的计算芯片数据处理能力提高很多。非常适合用于单相、二线、三线电表的开发。

在综合考虑两种方案所提出的计量芯片后, 选择使用CS5463。不仅是因为CS5463 芯片价格更加低廉, 使用中功能损耗更低, 在本设计中CS5463 与其他元件适配性更高。最重要的是该设计中计量部分属于单相电能计算, 但SA9904B 多用于三相功率电能表的设计。

3.4 电力线载波模块的选用

HLPLC047 模块输出结果的波形更精确, 对信号响应速度更快, 能够在不同电压环境下使用, 其运行电压范围在5～15 V 之间, 最高发送工作电流为400 mA(额定电压为12 V), 接收电流一般为10 mA(额定电压为12 V), 相对于同类型元件来说通讯过程更为顺畅。耦合电容材料运用的是耐高压电容,最高可承受300 V 高压, 线圈耐压可达4 000 V 电压, 使得元器件更为安全可靠。

本实验主要采用HLPLC047 模块作为通信设备的数据传输中心, 以实现低压电力线载波, 该模块运用范围广, 其参数符合我国国家电网的标准, 能够对采集的信息进行集成管理, 对消费者隐私能够得到有效保障。经过多年的开发研究,HLPLC047 模块中的嵌入式电力线通信协议能够适应我国当前环境的要求, 提供安全可靠的服务。

3.5 显示模块的选用

本系统主要功能是为实现对家用小电器用电参数的测量。为了防止系统的体积过大, 在显示器方面选择体积较小但是拥有480×320 的分辨率的淘晶驰TJC4832K035 的TFT 液晶屏, 其不仅拥有很清晰的观感, 还能够直接触碰唤醒,PC 及上位软件直接模拟调试的功能。并且淘晶驰公司还拥有USART HMI软件可对显示界面直接进行设计。TFT 液晶屏与单片机的串口为USART 接口, 可以直接对设备的内部界面进行显示。

4 基于WIFI 的智能开关控制

4.1 电路设计

图4 为智能开关电路设计图, 其由两部分组成: 整流电路和逆变电路。门极有触发信号并且通入正向电压是晶闸管的导通条件, 因此,智能开关的开断主要由晶闸管的触发器完成。当触发角为360°触发时, 晶闸管的作用和二极管几乎相同, 但二极管是不可控器件, 所以选用了晶闸管, 但要实现360°触发难度很高, 而又为了使电压维持波形, 就使用了整流和逆变电路来进行过渡, 整流电路采用单相全波整流电路, 逆变电路采用单相全桥电压型逆变电路。同时, 为了使最终输出电压稳定, 且更接近输入时的电压波形, 在整流和逆变电路中采用了复合滤波的方式[8]。

图4 开关电路设计图

触发器控制开关开断的过程主要是通过接收WIFI 模块传来的信号来实现。触发器的供电电源一般为±15 V, 因此, 触发器的电能供应由单片来完成, 当计能表查出数据异常时, 通过单片机对该异常信号的接收会断开触发器的供电电源, 从而实现了开关的断开。当需要重新合上开关时, 通过手机端或其它设备发送闭合命令到云端, 同时WIFI 模块将这种命令发送给触发器中的单片机, 单片机接收命令后便开始给触发电路进行供电,从而实现闭合[9]。

4.2 软件设计

本项目中采用STM32 系列芯片的驱动,WIFI 模块采用ESP8266 模块。

图5为ESP8266的程序控制流程图[10], 采用ESP8266实现远程控制基本流程:(1) 对其进行初始化。(2) 手机连上其WIFI 后发送指令。(3)ESP8266 接收指令后发给MCU, 根据命令完成对应工作。(4) 同时MCU 会采集相应数据, 并转发给ESP8266。(5) 最后通过ESP8266 将采集的数据发送到手机APP上[11]。

图5 ESP8266 控制流程图

下面通过AP 模式, 让ESP8266 WIFI 模块作为热点来实现无线控制。

打开手机或其它设备的TCP助手去连接模块建立的AP 热点[12], 打开网络调试助手, 输入连接模块的IP 和设置的端口。

在实现STM32 和ESP8266 之间的通信后,STM32 接收来自ESP8266 的闭合开关命令, 并开始产生正弦波, 通过采样法, 在一个波形图上选取多个点, 然后把相应数值存起来等待DMA 调用, 通过DAC对数值进行转换, 最后得到近似波形。

5 结语

本文设计了一种基于ESP8266 WIFI 芯片的智能开关系统, 以及基于单片机的电力线载波单相电能计量装置, 从软件、硬件以及选材方面论述了该方案的可行性。在后期的研究改进中, 可以着重围绕提高互感器精度, 在最前端做到高精度的数据收集; 提高核心计算能力, 使计算的误差降到最低; 改进产品设计, 达到对两个或多个电器的同时检测与控制。