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專為智(zhi)能設備(bei)安(an)全打造 | 基于ACM32 MCU的(de)智(zhi)能斷路器方案

隨(sui)著我(wo)國(guo)電(dian)網建設的(de)(de)(de)快速發展(zhan)(zhan)，數字(zi)化(hua)(hua)變電(dian)站成為建設和(he)(he)研究的(de)(de)(de)熱點，數字(zi)化(hua)(hua)變電(dian)站的(de)(de)(de)核心在于一(yi)次(ci)設備(bei)(bei)的(de)(de)(de)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化(hua)(hua)與二(er)次(ci)設備(bei)(bei)的(de)(de)(de)網絡化(hua)(hua)，對于斷路器(qi)這種極(ji)其重要的(de)(de)(de)電(dian)力(li)一(yi)次(ci)設備(bei)(bei)而言，其智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)實(shi)現有十分重要的(de)(de)(de)意義，斷路器(qi)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化(hua)(hua)在于運行狀態實(shi)時監測、通(tong)斷精(jing)確、智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)控制和(he)(he)信息傳(chuan)(chuan)遞網絡化(hua)(hua)等。隨(sui)著電(dian)力(li)電(dian)子技術和(he)(he)自動控制理(li)論的(de)(de)(de)廣泛應用(yong)，計算機與網絡通(tong)信技術的(de)(de)(de)飛速發展(zhan)(zhan)，以及對傳(chuan)(chuan)感器(qi)技術和(he)(he)人工智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)深入(ru)研究和(he)(he)綜合應用(yong)，智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)斷路器(qi)的(de)(de)(de)功能(neng)(neng)得到了極(ji)大(da)的(de)(de)(de)擴展(zhan)(zhan)和(he)(he)完善(shan)。

本文(wen)將介紹基于ACM32F070的(de)智能(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)方案，有效實現電路(lu)的(de)智能(neng)化(hua)控制，讓用電更安全(quan)更智能(neng)。

智能斷(duan)路器概述

智(zhi)能(neng)斷路(lu)器(qi)(qi)(qi)是用微(wei)電子、計算機(ji)(ji)技術和(he)新(xin)型傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)建立新(xin)的斷路(lu)器(qi)(qi)(qi)二次系統。其(qi)主要特點是由電力電了技術、數(shu)字(zi)化(hua)控(kong)制(zhi)裝置組成執(zhi)行單元，代替常規機(ji)(ji)械(xie)(xie)結構的輔(fu)助開關(guan)和(he)輔(fu)助繼(ji)電器(qi)(qi)(qi)。新(xin)型傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)與(yu)數(shu)字(zi)化(hua)控(kong)制(zhi)裝置相配合，獨立采(cai)集運行數(shu)據，可檢測設(she)備缺(que)陷(xian)(xian)和(he)故(gu)障，在缺(que)陷(xian)(xian)變為(wei)(wei)(wei)故(gu)障前發出(chu)報(bao)警信號，以便(bian)采(cai)取措施避免事(shi)故(gu)發生(sheng)。智(zhi)能(neng)斷路(lu)器(qi)(qi)(qi)實現電子操動(dong)，變機(ji)(ji)械(xie)(xie)儲能(neng)為(wei)(wei)(wei)電容儲能(neng)，變機(ji)(ji)械(xie)(xie)傳動(dong)為(wei)(wei)(wei)變頻器(qi)(qi)(qi)經電機(ji)(ji)直(zhi)接(jie)驅動(dong)，機(ji)(ji)械(xie)(xie)系統可靠性提高。斷路(lu)器(qi)(qi)(qi)按其(qi)使用范圍(wei)分(fen)為(wei)(wei)(wei)高壓斷路(lu)器(qi)(qi)(qi)和(he)低壓斷路(lu)器(qi)(qi)(qi)，高低壓界線(xian)劃分(fen)比(bi)較模糊，一(yi)般將(jiang)3kV以上(shang)的稱(cheng)為(wei)(wei)(wei)高壓電器(qi)(qi)(qi)。

圖 | 智能斷路(lu)器

低壓(ya)斷(duan)路(lu)器又(you)稱(cheng)自(zi)動(dong)(dong)開(kai)關，它是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)既有手動(dong)(dong)開(kai)關作用，又(you)能自(zi)動(dong)(dong)進行失壓(ya)、欠(qian)(qian)壓(ya)、過(guo)載、和短路(lu)保護(hu)的(de)電(dian)(dian)器。它可用來(lai)分配電(dian)(dian)能，不頻繁(fan)地啟(qi)動(dong)(dong)異(yi)步電(dian)(dian)動(dong)(dong)機，對電(dian)(dian)源線(xian)路(lu)及電(dian)(dian)動(dong)(dong)機等(deng)實行保護(hu)，當它們(men)發生嚴重的(de)過(guo)載或者短路(lu)及欠(qian)(qian)壓(ya)等(deng)故障(zhang)時能自(zi)動(dong)(dong)切斷(duan)電(dian)(dian)路(lu)，其功能相當于熔斷(duan)器式開(kai)關與過(guo)欠(qian)(qian)熱(re)繼(ji)電(dian)(dian)器等(deng)的(de)組(zu)合。而且在(zai)分斷(duan)故障(zhang)電(dian)(dian)流(liu)后一(yi)(yi)般不需要變更零部件，己獲得(de)了廣泛的(de)應用。

高壓(ya)斷(duan)(duan)路(lu)器（或稱高壓(ya)開關）是(shi)變(bian)電(dian)(dian)所主要(yao)的(de)電(dian)(dian)力控制(zhi)設(she)備(bei)，具有滅弧特(te)性，當系(xi)統(tong)正(zheng)常運行時(shi)(shi)，它能切(qie)斷(duan)(duan)和接通線路(lu)及各(ge)種電(dian)(dian)氣設(she)備(bei)的(de)空載和負載電(dian)(dian)流(liu)；當系(xi)統(tong)發生(sheng)故障(zhang)時(shi)(shi)，它和繼電(dian)(dian)保護配合，能迅速切(qie)斷(duan)(duan)故障(zhang)電(dian)(dian)流(liu)，以防止(zhi)擴大(da)事故范圍。因此，高壓(ya)斷(duan)(duan)路(lu)器工作的(de)好壞，直接影響到電(dian)(dian)力系(xi)統(tong)的(de)安全運行。

智能斷路器(qi)原理

智(zhi)能(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)由(you)數(shu)據(ju)(ju)采集、智(zhi)能(neng)識(shi)別和調節(jie)裝置(zhi)3個基本模(mo)(mo)塊(kuai)構成(cheng)(cheng)，智(zhi)能(neng)識(shi)別模(mo)(mo)塊(kuai)是智(zhi)能(neng)控(kong)制(zhi)單(dan)元的(de)(de)(de)(de)核(he)心，由(you)微處理器(qi)(qi)(qi)構成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)微機(ji)控(kong)制(zhi)系統，能(neng)根據(ju)(ju)操作前所(suo)采集到的(de)(de)(de)(de)電(dian)網(wang)信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)和主控(kong)制(zhi)室發出(chu)的(de)(de)(de)(de)操作信(xin)(xin)(xin)號(hao)，自(zi)動地(di)識(shi)別操作時(shi)斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)所(suo)處的(de)(de)(de)(de)電(dian)網(wang)工作狀態，根據(ju)(ju)對斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)仿真(zhen)分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)(de)結果(guo)決定出(chu)合適的(de)(de)(de)(de)分(fen)合閘運動特(te)性，并對執行機(ji)構發出(chu)調節(jie)信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)，待調節(jie)完成(cheng)(cheng)后再發出(chu)分(fen)合閘信(xin)(xin)(xin)號(hao)；數(shu)據(ju)(ju)采集模(mo)(mo)塊(kuai)主要由(you)新型傳感器(qi)(qi)(qi)組成(cheng)(cheng)，隨時(shi)把電(dian)網(wang)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)以數(shu)字(zi)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)形式(shi)提供給智(zhi)能(neng)識(shi)別模(mo)(mo)塊(kuai)，以進行處理分(fen)析(xi)；調節(jie)裝置(zhi)由(you)能(neng)接收定量控(kong)制(zhi)信(xin)(xin)(xin)息(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)部件和驅(qu)動執行器(qi)(qi)(qi)組成(cheng)(cheng)，用(yong)來(lai)調整操動機(ji)構的(de)(de)(de)(de)參數(shu)，以便改(gai)變(bian)每次操作時(shi)的(de)(de)(de)(de)運動特(te)性。此外，還可(ke)根據(ju)(ju)需要加(jia)裝顯示模(mo)(mo)塊(kuai)、通信(xin)(xin)(xin)模(mo)(mo)塊(kuai)以及各種(zhong)檢(jian)測模(mo)(mo)塊(kuai)，以擴大(da)智(zhi)能(neng)操作斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)智(zhi)能(neng)化功(gong)能(neng)。

芯片簡介(jie)

ACM32F0X0 系列是(shi)一(yi)款(kuan)支(zhi)持(chi)多(duo)種(zhong)低功耗(hao)模式(shi)的通(tong)用MCU。集成12位1.6 Msps高(gao)精度ADC以及比較器(qi)(qi)、運放(fang)、觸(chu)控(kong)按鍵控(kong)制器(qi)(qi)、段(duan)式(shi)LCD控(kong)制器(qi)(qi)，內(nei)置高(gao)性(xing)能定(ding)時器(qi)(qi)、多(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等(deng)豐富(fu)的通(tong)訊外設，內(nei)建AES、TRNG等(deng)信息安全(quan)模塊(kuai)，支(zhi)持(chi)多(duo)種(zhong)低功耗(hao)模式(shi)，具有高(gao)整合度、高(gao)抗(kang)干(gan)擾(rao)、高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)的特(te)點。

設計方案

本(ben)文(wen)描述的(de)(de)(de)智能斷路(lu)器方(fang)案，基于上海航(hang)芯ACM32F070系列的(de)(de)(de)MCU進行(xing)設(she)計，整(zheng)體(ti)的(de)(de)(de)方(fang)案框圖(tu)如下所示：

圖 | 基于(yu)ACM32F070智能斷路器設計方案(an)框圖

本次設(she)計(ji)方(fang)案的(de)智能斷路(lu)器(qi)主要是以(yi) ACM32F070單片機(ji)(ji)作為(wei)主處理(li)芯片，并(bing)(bing)使用(yong)外部相關部件組(zu)成(cheng)整個控制系統。單片機(ji)(ji)上(shang)電(dian)以(yi)后，用(yong)互(hu)感器(qi)不斷采集各路(lu)的(de)電(dian)壓(ya)(ya)電(dian)流信(xin)(xin)號，并(bing)(bing)轉換為(wei)單片機(ji)(ji)能夠(gou)接(jie)受(shou)的(de) 0-3.3V 電(dian)壓(ya)(ya)信(xin)(xin)號（數(shu)(shu)字信(xin)(xin)號的(de)分辨(bian)率(lv)由 ADC 模塊的(de)位(wei)數(shu)(shu)決(jue)定，一(yi)般為(wei) 12 或 16 位(wei)），之后通(tong)過 ADC 接(jie)口接(jie)入 MCU，經過計(ji)算(suan)分析，并(bing)(bing)對閾(yu)值(zhi)進行(xing)比較，得出是否觸(chu)發(fa)分合閘的(de)指令。在此(ci)過程中，MCU 發(fa)送(song)數(shu)(shu)據(ju)到屏幕上(shang)，屏幕上(shang)可(ke)實(shi)時顯(xian)示電(dian)壓(ya)(ya)、電(dian)流、時間(jian)等參(can)數(shu)(shu)，這些參(can)數(shu)(shu)可(ke)以(yi)向操(cao)作者直觀(guan)的(de)顯(xian)示各種(zhong)需(xu)要的(de)信(xin)(xin)息，從(cong)而達到了人機(ji)(ji)交互(hu)的(de)目(mu)的(de)。

01. 數據(ju)采(cai)集

電流(liu)信(xin)號(hao)采(cai)(cai)(cai)集(ji)首先采(cai)(cai)(cai)集(ji)的(de)是(shi)工頻的(de)大(da)電流(liu)，通過互感器輸出一個小電流(liu)，通過采(cai)(cai)(cai)樣電阻得到(dao)相應的(de)輸出電壓范圍，考慮到(dao)到(dao)電流(liu)采(cai)(cai)(cai)集(ji)過程中(zhong)不(bu)僅(jin)要保留正半周的(de)信(xin)號(hao)，也要保留負(fu)半周的(de)信(xin)號(hao)，而(er) ACM32F070 能(neng)夠處理的(de)是(shi) 0-3.3V 的(de)信(xin)號(hao)，因此要加入其(qi)它(ta)元器件，除了增加 RC 濾波電路，還要增加運算放大(da)器。電壓信(xin)號(hao)與電流(liu)信(xin)號(hao)的(de)采(cai)(cai)(cai)集(ji)方法基本相同(tong)。

02. 智能識別(bie)

ACM32F070主控芯(xin)片有一個高精度ADC，ADC支(zhi)持單(dan)端(duan)信(xin)號轉(zhuan)換(huan)和差(cha)分信(xin)號轉(zhuan)換(huan)，多(duo)達(da)21個通(tong)道(dao)，電(dian)流互感器(qi)(qi)接(jie)收到(dao)的電(dian)流和電(dian)壓信(xin)號，先(xian)經過運算(suan)放(fang)大器(qi)(qi)處理后再通(tong)過 ADC 模數轉(zhuan)換(huan)，將采集(ji)的模擬量按照(zhao)比例轉(zhuan)化為數字量，供單(dan)片機計算(suan)處理，經過計算(suan)分析，并對閾值進行(xing)比較，得出是否觸發開關MOS管的指令。

03. 顯示模塊

智能(neng)(neng)斷路(lu)(lu)器(qi)的(de)顯(xian)示(shi)屏(ping)主要起到(dao)人機(ji)交(jiao)互的(de)作用(yong)，可以顯(xian)示(shi)當前電(dian)路(lu)(lu)的(de)電(dian)壓(ya)電(dian)流、 時間、功率、功率因數(shu)等(deng)實時參數(shu)。現場操(cao)作人員能(neng)(neng)夠根據觀察到(dao)的(de)各種運行信息(xi)來 進行監控并(bing)清除故障，ACM32F0X0芯片內部(bu)集成一款適(shi)用(yong)于單(dan)色無(wu)源液晶顯(xian)示(shi)器(qi)（LCD）的(de)數(shu)字(zi)控制(zhi)器(qi)/驅(qu)動器(qi)，可以更方(fang)便驅(qu)動智能(neng)(neng)斷路(lu)(lu)器(qi)的(de)顯(xian)示(shi)屏(ping)。

04. 供電電路

通過AC/DC轉(zhuan)(zhuan)換電(dian)(dian)路(lu)(lu)將外部220V電(dian)(dian)源轉(zhuan)(zhuan)換為(wei)3.3V電(dian)(dian)源供(gong)電(dian)(dian)，還(huan)有一(yi)個紐扣電(dian)(dian)池作為(wei)備(bei)用電(dian)(dian)源，AC/DC轉(zhuan)(zhuan)換電(dian)(dian)路(lu)(lu)如下(xia)圖所示：

軟(ruan)件設(she)計

智能斷(duan)(duan)路器(qi)軟(ruan)件部分包括多(duo)個(ge)(ge)子(zi)系(xi)統，組成整個(ge)(ge)系(xi)統，比如(ru)有(you) ADC 轉換、液(ye)晶顯(xian)示、模(mo)擬(ni)看(kan)門狗(gou)檢(jian)測(ce)、定(ding)時(shi)(shi)和中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)等(deng)多(duo)個(ge)(ge)部分。首(shou)先(xian)初始化系(xi)統時(shi)(shi)鐘、ADC、LCD、定(ding)時(shi)(shi)器(qi)、模(mo)擬(ni)看(kan)門狗(gou)等(deng)，之后(hou)驅(qu)動MOS管，通(tong)(tong)過(guo)ADC連續采(cai)樣，將(jiang)(jiang)(jiang)采(cai)樣數據通(tong)(tong)過(guo)DMA存儲(chu)到(dao)BUFFER，然后(hou)傳輸(shu)到(dao)LCD顯(xian)示屏實時(shi)(shi)顯(xian)示，同時(shi)(shi)將(jiang)(jiang)(jiang)采(cai)樣數據與設置的電(dian)流(liu)閾值作(zuo)比較，一旦過(guo)流(liu)將(jiang)(jiang)(jiang)產生模(mo)擬(ni)看(kan)門狗(gou)中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)，在中(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)里關閉MOS管以此起到(dao)過(guo)流(liu)保護作(zuo)用(yong)。軟(ruan)件流(liu)程圖如(ru)下所(suo)示：

結(jie)語  

智(zhi)(zhi)能(neng)斷路(lu)器目前(qian)在(zai)工業與民(min)用市場有著廣(guang)泛的(de)(de)(de)(de)前(qian)景，隨著芯片(pian)技(ji)術和軟(ruan)件技(ji)術的(de)(de)(de)(de)進步，使(shi)得電氣科研人員可以更好地(di)去研究(jiu)智(zhi)(zhi)能(neng)斷路(lu)器的(de)(de)(de)(de)控制技(ji)術。本文提出的(de)(de)(de)(de)設(she)計(ji)方案的(de)(de)(de)(de)主旨也就是將(jiang)斷路(lu)器智(zhi)(zhi)能(neng)化，采用智(zhi)(zhi)能(neng)斷路(lu)器技(ji)術后，對于(yu)非故障性的(de)(de)(de)(de)操作，斷路(lu)器都可以在(zai)較(jiao)低的(de)(de)(de)(de)速(su)度下斷開，減(jian)少斷路(lu)器斷開時(shi)的(de)(de)(de)(de)沖擊力和機械磨損(sun)，從而提高斷路(lu)器的(de)(de)(de)(de)使(shi)用壽命(ming)，在(zai)工程(cheng)上(shang)達到較(jiao)好的(de)(de)(de)(de)經濟(ji)效(xiao)益和社會效(xiao)益。