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專(zhuan)為(wei)智(zhi)(zhi)能設備安全打(da)造(zao) | 基于ACM32 MCU的智(zhi)(zhi)能斷路器(qi)方案(an)

隨著(zhu)我國(guo)電(dian)(dian)網(wang)建設(she)的(de)(de)(de)快速發展(zhan)，數(shu)字化(hua)變電(dian)(dian)站(zhan)成為(wei)建設(she)和(he)研究的(de)(de)(de)熱點，數(shu)字化(hua)變電(dian)(dian)站(zhan)的(de)(de)(de)核心在于一(yi)次(ci)(ci)設(she)備(bei)的(de)(de)(de)智(zhi)(zhi)能化(hua)與二次(ci)(ci)設(she)備(bei)的(de)(de)(de)網(wang)絡(luo)化(hua)，對于斷(duan)路(lu)器這種極其重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)力一(yi)次(ci)(ci)設(she)備(bei)而(er)言，其智(zhi)(zhi)能化(hua)的(de)(de)(de)實現有十分重(zhong)(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)意義，斷(duan)路(lu)器智(zhi)(zhi)能化(hua)在于運(yun)行狀態實時監(jian)測(ce)、通斷(duan)精確(que)、智(zhi)(zhi)能控制和(he)信息傳(chuan)遞網(wang)絡(luo)化(hua)等。隨著(zhu)電(dian)(dian)力電(dian)(dian)子技(ji)(ji)術(shu)和(he)自動(dong)控制理(li)論的(de)(de)(de)廣泛應用，計算機(ji)與網(wang)絡(luo)通信技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)飛速發展(zhan)，以及對傳(chuan)感器技(ji)(ji)術(shu)和(he)人工智(zhi)(zhi)能的(de)(de)(de)深入研究和(he)綜(zong)合應用，智(zhi)(zhi)能斷(duan)路(lu)器的(de)(de)(de)功能得到(dao)了極大的(de)(de)(de)擴展(zhan)和(he)完善。

本文(wen)將介(jie)紹基于ACM32F070的智(zhi)能(neng)斷路器方(fang)案，有(you)效實現電路的智(zhi)能(neng)化(hua)控制，讓用(yong)電更安全更智(zhi)能(neng)。

智能斷路器概述

智能斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)是(shi)用(yong)(yong)微電(dian)子(zi)、計算(suan)機(ji)(ji)(ji)技(ji)術和新(xin)型(xing)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)建立新(xin)的斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)二(er)次(ci)系統。其主要特點是(shi)由電(dian)力電(dian)了技(ji)術、數(shu)(shu)字(zi)(zi)化控制裝置(zhi)組成執行(xing)單元，代(dai)替常規機(ji)(ji)(ji)械結構的輔助(zhu)開關和輔助(zhu)繼電(dian)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。新(xin)型(xing)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)與數(shu)(shu)字(zi)(zi)化控制裝置(zhi)相配(pei)合，獨立采(cai)集(ji)運(yun)行(xing)數(shu)(shu)據，可檢測設備缺(que)陷(xian)和故障，在缺(que)陷(xian)變(bian)(bian)為(wei)故障前發(fa)出(chu)報(bao)警信號，以便采(cai)取措施避免事故發(fa)生。智能斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)實現電(dian)子(zi)操(cao)動，變(bian)(bian)機(ji)(ji)(ji)械儲能為(wei)電(dian)容(rong)儲能，變(bian)(bian)機(ji)(ji)(ji)械傳(chuan)動為(wei)變(bian)(bian)頻器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)經電(dian)機(ji)(ji)(ji)直接驅動，機(ji)(ji)(ji)械系統可靠(kao)性提(ti)高。斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)按其使用(yong)(yong)范圍(wei)分為(wei)高壓斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和低(di)壓斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，高低(di)壓界線劃分比(bi)較模(mo)糊，一般將(jiang)3kV以上(shang)的稱(cheng)為(wei)高壓電(dian)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。

圖 | 智能(neng)斷(duan)路器

低壓斷(duan)(duan)路(lu)器(qi)又稱自動(dong)開關，它(ta)是一種既有(you)手(shou)動(dong)開關作用，又能自動(dong)進行失壓、欠壓、過(guo)(guo)載(zai)、和(he)短(duan)路(lu)保(bao)護的電(dian)器(qi)。它(ta)可(ke)用來分配電(dian)能，不頻繁地啟動(dong)異步電(dian)動(dong)機，對(dui)電(dian)源線路(lu)及電(dian)動(dong)機等實行保(bao)護，當它(ta)們發生嚴重的過(guo)(guo)載(zai)或者短(duan)路(lu)及欠壓等故障(zhang)時能自動(dong)切斷(duan)(duan)電(dian)路(lu)，其功(gong)能相(xiang)當于熔斷(duan)(duan)器(qi)式(shi)開關與過(guo)(guo)欠熱繼電(dian)器(qi)等的組合。而且在分斷(duan)(duan)故障(zhang)電(dian)流后一般不需要(yao)變更零部(bu)件，己獲得了廣(guang)泛的應用。

高(gao)壓(ya)(ya)斷(duan)路器（或(huo)稱高(gao)壓(ya)(ya)開關）是變電所主要的(de)電力控制設備，具有(you)滅弧特(te)性，當(dang)系統(tong)(tong)正常運行時，它能(neng)切斷(duan)和接通線(xian)路及各種電氣(qi)設備的(de)空載和負載電流；當(dang)系統(tong)(tong)發生故障時，它和繼電保護配合，能(neng)迅速切斷(duan)故障電流，以防(fang)止擴大(da)事(shi)故范圍。因此，高(gao)壓(ya)(ya)斷(duan)路器工作(zuo)的(de)好壞(huai)，直(zhi)接影響(xiang)到(dao)電力系統(tong)(tong)的(de)安(an)全運行。

智(zhi)能斷路(lu)器原(yuan)理

智能(neng)(neng)(neng)斷(duan)路器(qi)(qi)(qi)由數(shu)據(ju)(ju)采(cai)集、智能(neng)(neng)(neng)識(shi)別和(he)調(diao)(diao)節(jie)(jie)裝置3個基本模塊(kuai)構(gou)(gou)成，智能(neng)(neng)(neng)識(shi)別模塊(kuai)是智能(neng)(neng)(neng)控(kong)(kong)制單元(yuan)的(de)(de)核心，由微處(chu)理器(qi)(qi)(qi)構(gou)(gou)成的(de)(de)微機(ji)控(kong)(kong)制系統，能(neng)(neng)(neng)根據(ju)(ju)操(cao)作(zuo)(zuo)前所(suo)采(cai)集到的(de)(de)電網信(xin)(xin)息和(he)主控(kong)(kong)制室發(fa)出(chu)的(de)(de)操(cao)作(zuo)(zuo)信(xin)(xin)號，自動(dong)地識(shi)別操(cao)作(zuo)(zuo)時斷(duan)路器(qi)(qi)(qi)所(suo)處(chu)的(de)(de)電網工作(zuo)(zuo)狀態(tai)，根據(ju)(ju)對(dui)斷(duan)路器(qi)(qi)(qi)仿真分(fen)(fen)析的(de)(de)結(jie)果決定出(chu)合適的(de)(de)分(fen)(fen)合閘(zha)運動(dong)特性，并對(dui)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)(gou)發(fa)出(chu)調(diao)(diao)節(jie)(jie)信(xin)(xin)息，待調(diao)(diao)節(jie)(jie)完成后(hou)再發(fa)出(chu)分(fen)(fen)合閘(zha)信(xin)(xin)號；數(shu)據(ju)(ju)采(cai)集模塊(kuai)主要(yao)(yao)由新型傳感器(qi)(qi)(qi)組(zu)成，隨(sui)時把電網的(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)以(yi)數(shu)字信(xin)(xin)號的(de)(de)形式提供給智能(neng)(neng)(neng)識(shi)別模塊(kuai)，以(yi)進行(xing)處(chu)理分(fen)(fen)析；調(diao)(diao)節(jie)(jie)裝置由能(neng)(neng)(neng)接(jie)收定量控(kong)(kong)制信(xin)(xin)息的(de)(de)部件和(he)驅動(dong)執(zhi)行(xing)器(qi)(qi)(qi)組(zu)成，用(yong)來(lai)調(diao)(diao)整(zheng)操(cao)動(dong)機(ji)構(gou)(gou)的(de)(de)參(can)數(shu)，以(yi)便改變每次(ci)操(cao)作(zuo)(zuo)時的(de)(de)運動(dong)特性。此外(wai)，還可根據(ju)(ju)需(xu)要(yao)(yao)加(jia)裝顯(xian)示模塊(kuai)、通信(xin)(xin)模塊(kuai)以(yi)及(ji)各(ge)種檢測模塊(kuai)，以(yi)擴大(da)智能(neng)(neng)(neng)操(cao)作(zuo)(zuo)斷(duan)路器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)智能(neng)(neng)(neng)化功能(neng)(neng)(neng)。

芯片(pian)簡介

ACM32F0X0 系列是一款(kuan)支(zhi)(zhi)持多種低功耗(hao)模式(shi)的(de)通(tong)用MCU。集成12位(wei)1.6 Msps高精(jing)度ADC以及比較器、運放、觸控(kong)(kong)按鍵控(kong)(kong)制器、段式(shi)LCD控(kong)(kong)制器，內置高性能(neng)定(ding)時器、多路(lu)UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的(de)通(tong)訊外設，內建AES、TRNG等信息安全模塊(kuai)，支(zhi)(zhi)持多種低功耗(hao)模式(shi)，具(ju)有(you)高整合度、高抗干擾、高可靠性的(de)特點。

設計(ji)方案

本文(wen)描述(shu)的智能斷路器(qi)方(fang)(fang)案，基(ji)于上海航(hang)芯ACM32F070系(xi)列的MCU進行設計，整體的方(fang)(fang)案框圖如下(xia)所示：

圖 | 基于(yu)ACM32F070智能斷路器(qi)設計方(fang)案框圖

本次設計方案的(de)智能斷路器主要(yao)(yao)是以 ACM32F070單(dan)片機(ji)(ji)作為主處(chu)理芯(xin)片，并使用(yong)外部相(xiang)關部件組(zu)成整個控制系(xi)統。單(dan)片機(ji)(ji)上電(dian)以后，用(yong)互感(gan)器不(bu)斷采集各(ge)路的(de)電(dian)壓(ya)電(dian)流信號，并轉換(huan)為單(dan)片機(ji)(ji)能夠接受的(de) 0-3.3V 電(dian)壓(ya)信號（數(shu)字信號的(de)分辨率由 ADC 模(mo)塊(kuai)的(de)位數(shu)決定，一般為 12 或 16 位），之(zhi)后通過 ADC 接口(kou)接入 MCU，經過計算(suan)分析，并對(dui)閾值(zhi)進行比較，得出(chu)是否觸發(fa)分合閘的(de)指令。在此過程中，MCU 發(fa)送數(shu)據到屏(ping)幕上，屏(ping)幕上可(ke)實時顯示(shi)電(dian)壓(ya)、電(dian)流、時間等參數(shu)，這(zhe)些(xie)參數(shu)可(ke)以向(xiang)操作者(zhe)直觀的(de)顯示(shi)各(ge)種(zhong)需要(yao)(yao)的(de)信息，從而達(da)到了人(ren)機(ji)(ji)交互的(de)目的(de)。

01. 數(shu)據采集(ji)

電(dian)(dian)(dian)(dian)流信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)首先采(cai)集(ji)的(de)(de)(de)是工(gong)頻的(de)(de)(de)大(da)電(dian)(dian)(dian)(dian)流，通(tong)過(guo)(guo)互感(gan)器(qi)輸出(chu)一個(ge)小電(dian)(dian)(dian)(dian)流，通(tong)過(guo)(guo)采(cai)樣電(dian)(dian)(dian)(dian)阻得到相應的(de)(de)(de)輸出(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)范圍，考慮到到電(dian)(dian)(dian)(dian)流采(cai)集(ji)過(guo)(guo)程中不僅要(yao)保(bao)(bao)留(liu)(liu)正半周的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)，也(ye)要(yao)保(bao)(bao)留(liu)(liu)負(fu)半周的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)，而 ACM32F070 能夠處理的(de)(de)(de)是 0-3.3V 的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)，因此要(yao)加入其它(ta)元器(qi)件，除了增(zeng)加 RC 濾(lv)波(bo)電(dian)(dian)(dian)(dian)路，還要(yao)增(zeng)加運(yun)算放大(da)器(qi)。電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)與(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)采(cai)集(ji)方法基(ji)本相同。

02. 智能識別

ACM32F070主控芯片(pian)有一個高精度(du)ADC，ADC支持單端信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)和(he)差(cha)分信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)，多達21個通道，電(dian)流(liu)互感器(qi)接收到的電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，先經過(guo)運算放大器(qi)處理后再通過(guo) ADC 模(mo)數轉(zhuan)換(huan)，將(jiang)采集(ji)的模(mo)擬量按照比(bi)(bi)例轉(zhuan)化為數字量，供單片(pian)機計(ji)算處理，經過(guo)計(ji)算分析(xi)，并對閾值進(jin)行(xing)比(bi)(bi)較，得出(chu)是否觸發開關MOS管(guan)的指令(ling)。

03. 顯示模(mo)塊

智(zhi)能斷路(lu)器的顯(xian)示(shi)屏主要(yao)起(qi)到人(ren)機交(jiao)互的作(zuo)用，可以(yi)顯(xian)示(shi)當(dang)前(qian)電路(lu)的電壓電流(liu)、 時間、功率、功率因(yin)數(shu)等實(shi)時參數(shu)。現場操作(zuo)人(ren)員能夠根據觀(guan)察到的各種運行信息來 進行監控(kong)并清除故障，ACM32F0X0芯片內部(bu)集成一款適用于(yu)單色(se)無源液晶顯(xian)示(shi)器（LCD）的數(shu)字控(kong)制(zhi)器/驅動(dong)器，可以(yi)更方(fang)便驅動(dong)智(zhi)能斷路(lu)器的顯(xian)示(shi)屏。

04. 供電(dian)電(dian)路

通過(guo)AC/DC轉換電(dian)路將外(wai)部220V電(dian)源轉換為3.3V電(dian)源供電(dian)，還有(you)一個紐扣電(dian)池作為備用電(dian)源，AC/DC轉換電(dian)路如下(xia)圖(tu)所示：

軟(ruan)件設(she)計

智能斷路器軟件部(bu)分包括多(duo)個子系統，組成整個系統，比(bi)如有(you) ADC 轉換、液晶顯(xian)示(shi)、模(mo)擬看(kan)門(men)狗檢(jian)測、定時和中斷等多(duo)個部(bu)分。首先初(chu)始化(hua)系統時鐘、ADC、LCD、定時器、模(mo)擬看(kan)門(men)狗等，之后(hou)驅動(dong)MOS管(guan)，通過(guo)ADC連續采樣，將采樣數據通過(guo)DMA存儲(chu)到(dao)BUFFER，然后(hou)傳輸到(dao)LCD顯(xian)示(shi)屏實(shi)時顯(xian)示(shi)，同時將采樣數據與(yu)設置的電流閾值作(zuo)比(bi)較，一旦(dan)過(guo)流將產(chan)生模(mo)擬看(kan)門(men)狗中斷，在中斷里關(guan)閉MOS管(guan)以此起(qi)到(dao)過(guo)流保護作(zuo)用。軟件流程圖如下所示(shi)：

結語  

智能(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)目前在工(gong)業與民(min)用市場(chang)有(you)著廣泛的(de)(de)(de)前景，隨(sui)著芯片技(ji)術和軟件技(ji)術的(de)(de)(de)進步，使(shi)得電氣(qi)科研(yan)人員(yuan)可以(yi)(yi)更好(hao)地去研(yan)究(jiu)智能(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)的(de)(de)(de)控制技(ji)術。本文提(ti)出(chu)的(de)(de)(de)設計方案的(de)(de)(de)主旨也就是(shi)將斷(duan)路(lu)器(qi)智能(neng)化，采用智能(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)技(ji)術后，對于(yu)非故障(zhang)性(xing)的(de)(de)(de)操作(zuo)，斷(duan)路(lu)器(qi)都可以(yi)(yi)在較低的(de)(de)(de)速度下斷(duan)開，減少(shao)斷(duan)路(lu)器(qi)斷(duan)開時的(de)(de)(de)沖擊力和機械磨損，從而提(ti)高斷(duan)路(lu)器(qi)的(de)(de)(de)使(shi)用壽命，在工(gong)程上(shang)達(da)到較好(hao)的(de)(de)(de)經濟效益和社(she)會效益。