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專為智能設備安(an)全(quan)打造 | 基于ACM32 MCU的智能斷路器方案

隨著我國電(dian)網(wang)建(jian)設(she)的(de)(de)(de)快(kuai)速發展，數(shu)字化(hua)變電(dian)站成為建(jian)設(she)和(he)研究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)熱點，數(shu)字化(hua)變電(dian)站的(de)(de)(de)核心在于一次設(she)備(bei)的(de)(de)(de)智能(neng)(neng)化(hua)與(yu)二(er)次設(she)備(bei)的(de)(de)(de)網(wang)絡化(hua)，對于斷(duan)(duan)路(lu)器(qi)這種(zhong)極其重要(yao)的(de)(de)(de)電(dian)力一次設(she)備(bei)而言，其智能(neng)(neng)化(hua)的(de)(de)(de)實現有十分(fen)重要(yao)的(de)(de)(de)意(yi)義，斷(duan)(duan)路(lu)器(qi)智能(neng)(neng)化(hua)在于運行狀態實時監測、通斷(duan)(duan)精確、智能(neng)(neng)控制和(he)信息傳遞網(wang)絡化(hua)等。隨著電(dian)力電(dian)子技(ji)術和(he)自(zi)動控制理論的(de)(de)(de)廣泛(fan)應用(yong)，計算(suan)機與(yu)網(wang)絡通信技(ji)術的(de)(de)(de)飛速發展，以及對傳感器(qi)技(ji)術和(he)人(ren)工智能(neng)(neng)的(de)(de)(de)深入研究(jiu)(jiu)和(he)綜合(he)應用(yong)，智能(neng)(neng)斷(duan)(duan)路(lu)器(qi)的(de)(de)(de)功能(neng)(neng)得到了極大的(de)(de)(de)擴展和(he)完(wan)善。

本(ben)文將介紹基于ACM32F070的智(zhi)能(neng)斷路器(qi)方案，有(you)效(xiao)實(shi)現電路的智(zhi)能(neng)化控(kong)制，讓(rang)用電更安全更智(zhi)能(neng)。

智能斷(duan)路器(qi)概述

智能(neng)(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)是用微(wei)電(dian)子、計(ji)算機技術和(he)新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)建立新(xin)的斷(duan)路(lu)器(qi)二次系統。其主(zhu)要特點是由電(dian)力電(dian)了技術、數字化(hua)控制(zhi)裝置組成執行單元(yuan)，代替常規機械結構(gou)的輔(fu)助開(kai)關(guan)和(he)輔(fu)助繼電(dian)器(qi)。新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)與數字化(hua)控制(zhi)裝置相配(pei)合，獨立采(cai)集運行數據(ju)，可檢測設備缺(que)陷(xian)和(he)故(gu)障，在缺(que)陷(xian)變為(wei)故(gu)障前發出報警信號，以(yi)便采(cai)取措(cuo)施避(bi)免事故(gu)發生。智能(neng)(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)實現電(dian)子操動，變機械儲能(neng)(neng)為(wei)電(dian)容儲能(neng)(neng)，變機械傳(chuan)動為(wei)變頻(pin)器(qi)經電(dian)機直接驅動，機械系統可靠性提高。斷(duan)路(lu)器(qi)按其使用范圍分為(wei)高壓斷(duan)路(lu)器(qi)和(he)低(di)壓斷(duan)路(lu)器(qi)，高低(di)壓界線劃分比較模糊，一般將3kV以(yi)上的稱(cheng)為(wei)高壓電(dian)器(qi)。

圖(tu) | 智能(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)

低壓斷(duan)(duan)路(lu)(lu)器(qi)又稱自動(dong)開關(guan)，它(ta)是一種既(ji)有(you)手動(dong)開關(guan)作用，又能自動(dong)進行失壓、欠(qian)壓、過載、和短(duan)(duan)路(lu)(lu)保(bao)護(hu)的(de)(de)電(dian)器(qi)。它(ta)可用來分配電(dian)能，不頻繁地啟動(dong)異步電(dian)動(dong)機(ji)，對電(dian)源線路(lu)(lu)及(ji)電(dian)動(dong)機(ji)等實行保(bao)護(hu)，當(dang)它(ta)們發生嚴重的(de)(de)過載或者短(duan)(duan)路(lu)(lu)及(ji)欠(qian)壓等故(gu)障時能自動(dong)切(qie)斷(duan)(duan)電(dian)路(lu)(lu)，其功(gong)能相當(dang)于熔斷(duan)(duan)器(qi)式開關(guan)與過欠(qian)熱繼電(dian)器(qi)等的(de)(de)組合。而且(qie)在(zai)分斷(duan)(duan)故(gu)障電(dian)流后一般(ban)不需要變更零部件，己獲(huo)得(de)了廣泛的(de)(de)應用。

高(gao)壓(ya)斷(duan)路(lu)器(qi)（或(huo)稱高(gao)壓(ya)開關）是變電(dian)(dian)(dian)(dian)所(suo)主要的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)控制設備，具(ju)有滅弧特(te)性，當系(xi)統(tong)(tong)正常運(yun)行(xing)(xing)時，它能切斷(duan)和(he)(he)接(jie)通線路(lu)及各(ge)種(zhong)電(dian)(dian)(dian)(dian)氣設備的(de)空(kong)載和(he)(he)負載電(dian)(dian)(dian)(dian)流；當系(xi)統(tong)(tong)發生(sheng)故(gu)障時，它和(he)(he)繼電(dian)(dian)(dian)(dian)保護(hu)配(pei)合，能迅速切斷(duan)故(gu)障電(dian)(dian)(dian)(dian)流，以(yi)防止擴大事故(gu)范圍。因此，高(gao)壓(ya)斷(duan)路(lu)器(qi)工作的(de)好壞，直接(jie)影響到電(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)系(xi)統(tong)(tong)的(de)安全(quan)運(yun)行(xing)(xing)。

智能斷路器(qi)原(yuan)理

智(zhi)能(neng)斷路器(qi)(qi)由(you)數(shu)(shu)據(ju)(ju)采集(ji)、智(zhi)能(neng)識別和調(diao)(diao)(diao)節(jie)(jie)裝(zhuang)(zhuang)置3個基本模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)構(gou)成(cheng)(cheng)，智(zhi)能(neng)識別模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)是智(zhi)能(neng)控(kong)制單元(yuan)的(de)(de)(de)(de)核心，由(you)微處理器(qi)(qi)構(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)微機控(kong)制系(xi)統，能(neng)根(gen)據(ju)(ju)操(cao)(cao)(cao)作前所采集(ji)到的(de)(de)(de)(de)電網(wang)信(xin)(xin)息和主控(kong)制室發(fa)出(chu)的(de)(de)(de)(de)操(cao)(cao)(cao)作信(xin)(xin)號，自動(dong)地識別操(cao)(cao)(cao)作時(shi)斷路器(qi)(qi)所處的(de)(de)(de)(de)電網(wang)工作狀態，根(gen)據(ju)(ju)對斷路器(qi)(qi)仿真分(fen)析的(de)(de)(de)(de)結果決定出(chu)合適的(de)(de)(de)(de)分(fen)合閘(zha)運(yun)動(dong)特性(xing)，并對執行(xing)機構(gou)發(fa)出(chu)調(diao)(diao)(diao)節(jie)(jie)信(xin)(xin)息，待調(diao)(diao)(diao)節(jie)(jie)完(wan)成(cheng)(cheng)后(hou)再(zai)發(fa)出(chu)分(fen)合閘(zha)信(xin)(xin)號；數(shu)(shu)據(ju)(ju)采集(ji)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)主要由(you)新型傳感(gan)器(qi)(qi)組成(cheng)(cheng)，隨時(shi)把電網(wang)的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)(ju)以數(shu)(shu)字(zi)信(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)形式(shi)提供給智(zhi)能(neng)識別模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)，以進(jin)行(xing)處理分(fen)析；調(diao)(diao)(diao)節(jie)(jie)裝(zhuang)(zhuang)置由(you)能(neng)接收定量控(kong)制信(xin)(xin)息的(de)(de)(de)(de)部件(jian)和驅動(dong)執行(xing)器(qi)(qi)組成(cheng)(cheng)，用來調(diao)(diao)(diao)整操(cao)(cao)(cao)動(dong)機構(gou)的(de)(de)(de)(de)參(can)數(shu)(shu)，以便改變每次操(cao)(cao)(cao)作時(shi)的(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)特性(xing)。此外，還(huan)可根(gen)據(ju)(ju)需要加裝(zhuang)(zhuang)顯(xian)示(shi)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)、通信(xin)(xin)模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)以及各種(zhong)檢測模(mo)塊(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)，以擴大智(zhi)能(neng)操(cao)(cao)(cao)作斷路器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)智(zhi)能(neng)化功能(neng)。

芯片簡(jian)介

ACM32F0X0 系列是一款支持多種低(di)功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高(gao)精度ADC以(yi)及(ji)比較器(qi)(qi)(qi)、運放、觸控(kong)按鍵控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)、段式LCD控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)，內(nei)置高(gao)性能定時器(qi)(qi)(qi)、多路UART、LPUART、SPI、I2C等(deng)豐富(fu)的通訊外設，內(nei)建AES、TRNG等(deng)信息安全模塊(kuai)，支持多種低(di)功耗模式，具有(you)高(gao)整合(he)度、高(gao)抗干擾、高(gao)可靠性的特點。

設計方案(an)

本文描述的(de)智能斷(duan)路器方案(an)，基于(yu)上海航芯ACM32F070系列的(de)MCU進行設計，整體的(de)方案(an)框圖如(ru)下所(suo)示：

圖(tu) | 基于ACM32F070智能斷路(lu)器(qi)設(she)計方案框圖(tu)

本次(ci)設(she)計方案的智能斷路器主要是以(yi) ACM32F070單(dan)片(pian)機作(zuo)為(wei)(wei)主處(chu)理芯片(pian)，并使用外部相關部件組成整個控制(zhi)系(xi)統。單(dan)片(pian)機上(shang)電以(yi)后，用互感器不斷采集(ji)各(ge)路的電壓(ya)電流(liu)(liu)信號，并轉換(huan)為(wei)(wei)單(dan)片(pian)機能夠接受的 0-3.3V 電壓(ya)信號（數(shu)字信號的分辨率(lv)由(you) ADC 模塊的位(wei)數(shu)決定，一般(ban)為(wei)(wei) 12 或 16 位(wei)），之后通(tong)過(guo) ADC 接口接入 MCU，經過(guo)計算分析，并對閾值進行比較，得出是否(fou)觸發(fa)分合閘的指令。在此過(guo)程(cheng)中，MCU 發(fa)送數(shu)據到屏幕(mu)上(shang)，屏幕(mu)上(shang)可實時(shi)顯示(shi)電壓(ya)、電流(liu)(liu)、時(shi)間等參數(shu)，這些參數(shu)可以(yi)向操作(zuo)者(zhe)直觀的顯示(shi)各(ge)種需要的信息(xi)，從而達(da)到了人機交互的目的。

01. 數據采集

電流(liu)信(xin)號(hao)采(cai)集首先采(cai)集的(de)(de)是(shi)工頻的(de)(de)大電流(liu)，通(tong)過(guo)互感器輸(shu)(shu)出(chu)一個小(xiao)電流(liu)，通(tong)過(guo)采(cai)樣(yang)電阻得到相應的(de)(de)輸(shu)(shu)出(chu)電壓范(fan)圍，考慮到到電流(liu)采(cai)集過(guo)程中不(bu)僅要保留正半周的(de)(de)信(xin)號(hao)，也要保留負半周的(de)(de)信(xin)號(hao)，而 ACM32F070 能夠處(chu)理的(de)(de)是(shi) 0-3.3V 的(de)(de)信(xin)號(hao)，因此(ci)要加入其(qi)它元(yuan)器件，除了增加 RC 濾波電路，還要增加運算放大器。電壓信(xin)號(hao)與電流(liu)信(xin)號(hao)的(de)(de)采(cai)集方法基本相同(tong)。

02. 智(zhi)能識別

ACM32F070主(zhu)控芯片有一(yi)個(ge)高精度ADC，ADC支持單端信號轉換(huan)和差(cha)分(fen)信號轉換(huan)，多達21個(ge)通(tong)道，電流互感器(qi)接收到(dao)的電流和電壓信號，先經過(guo)運算(suan)放大器(qi)處(chu)理后(hou)再通(tong)過(guo) ADC 模數轉換(huan)，將采集(ji)的模擬量(liang)按(an)照比(bi)例轉化為數字量(liang)，供單片機計(ji)算(suan)處(chu)理，經過(guo)計(ji)算(suan)分(fen)析，并對閾(yu)值進行比(bi)較，得(de)出是否觸發開(kai)關MOS管的指令。

03. 顯(xian)示模塊(kuai)

智能(neng)(neng)斷路器的(de)(de)顯(xian)示(shi)屏主要起到人機交互(hu)的(de)(de)作用(yong)，可以(yi)顯(xian)示(shi)當前電路的(de)(de)電壓(ya)電流、 時(shi)間、功率(lv)、功率(lv)因數(shu)等實時(shi)參數(shu)。現場操作人員(yuan)能(neng)(neng)夠根據觀察(cha)到的(de)(de)各種運行信息來(lai) 進行監控并清除故障(zhang)，ACM32F0X0芯片內部集成一款適用(yong)于單(dan)色無源液(ye)晶顯(xian)示(shi)器（LCD）的(de)(de)數(shu)字(zi)控制器/驅動器，可以(yi)更方便驅動智能(neng)(neng)斷路器的(de)(de)顯(xian)示(shi)屏。

04. 供(gong)電電路

通過AC/DC轉(zhuan)換(huan)電(dian)路將外部220V電(dian)源轉(zhuan)換(huan)為3.3V電(dian)源供(gong)電(dian)，還有一個紐扣電(dian)池作為備(bei)用電(dian)源，AC/DC轉(zhuan)換(huan)電(dian)路如下圖所示(shi)：

軟件設計(ji)

智能(neng)斷(duan)路器軟件部(bu)(bu)分包括多(duo)個(ge)子(zi)系統(tong)(tong)，組成整個(ge)系統(tong)(tong)，比如有 ADC 轉(zhuan)換、液晶顯示(shi)、模(mo)擬看(kan)門(men)狗(gou)檢測(ce)、定(ding)時(shi)和(he)中斷(duan)等多(duo)個(ge)部(bu)(bu)分。首先(xian)初(chu)始化系統(tong)(tong)時(shi)鐘、ADC、LCD、定(ding)時(shi)器、模(mo)擬看(kan)門(men)狗(gou)等，之后驅動(dong)MOS管，通過(guo)(guo)ADC連續采樣(yang)，將采樣(yang)數據通過(guo)(guo)DMA存儲到(dao)BUFFER，然后傳輸到(dao)LCD顯示(shi)屏實時(shi)顯示(shi)，同時(shi)將采樣(yang)數據與(yu)設置的電流(liu)閾值作比較，一旦過(guo)(guo)流(liu)將產生模(mo)擬看(kan)門(men)狗(gou)中斷(duan)，在(zai)中斷(duan)里關閉MOS管以此起到(dao)過(guo)(guo)流(liu)保護作用。軟件流(liu)程圖(tu)如下所示(shi)：

結語  

智(zhi)能斷(duan)路(lu)器(qi)目前在(zai)(zai)工(gong)業與(yu)民用市場有(you)著廣泛的(de)(de)(de)前景，隨著芯片技(ji)術(shu)和軟(ruan)件技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)進步(bu)，使得電氣科研人員(yuan)可以更(geng)好(hao)地去研究智(zhi)能斷(duan)路(lu)器(qi)的(de)(de)(de)控制技(ji)術(shu)。本文提(ti)出的(de)(de)(de)設計方(fang)案(an)的(de)(de)(de)主旨也就(jiu)是將斷(duan)路(lu)器(qi)智(zhi)能化，采用智(zhi)能斷(duan)路(lu)器(qi)技(ji)術(shu)后，對于非故障性的(de)(de)(de)操作，斷(duan)路(lu)器(qi)都(dou)可以在(zai)(zai)較(jiao)低(di)的(de)(de)(de)速度下斷(duan)開(kai)，減少(shao)斷(duan)路(lu)器(qi)斷(duan)開(kai)時(shi)的(de)(de)(de)沖(chong)擊力和機械磨損，從而提(ti)高斷(duan)路(lu)器(qi)的(de)(de)(de)使用壽命，在(zai)(zai)工(gong)程上達到較(jiao)好(hao)的(de)(de)(de)經(jing)濟效(xiao)益和社(she)會(hui)效(xiao)益。