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專為智能設備安全(quan)打造(zao) | 基于ACM32 MCU的(de)智能斷路器方案

隨(sui)著我國電(dian)(dian)(dian)網建(jian)設(she)的(de)(de)(de)快(kuai)速發(fa)展，數(shu)字(zi)化(hua)(hua)變電(dian)(dian)(dian)站成為建(jian)設(she)和(he)(he)研究的(de)(de)(de)熱(re)點(dian)，數(shu)字(zi)化(hua)(hua)變電(dian)(dian)(dian)站的(de)(de)(de)核心在(zai)于(yu)一(yi)次設(she)備(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)智(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化(hua)(hua)與二次設(she)備(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)網絡(luo)化(hua)(hua)，對(dui)于(yu)斷路器這種(zhong)極(ji)其(qi)重要的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)力一(yi)次設(she)備(bei)(bei)(bei)而言，其(qi)智(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)實現有十(shi)分重要的(de)(de)(de)意義，斷路器智(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化(hua)(hua)在(zai)于(yu)運行(xing)狀態實時監測(ce)、通(tong)斷精確(que)、智(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)(neng)控制(zhi)和(he)(he)信息傳(chuan)遞網絡(luo)化(hua)(hua)等。隨(sui)著電(dian)(dian)(dian)力電(dian)(dian)(dian)子技術(shu)和(he)(he)自動(dong)控制(zhi)理論的(de)(de)(de)廣泛應用，計算機與網絡(luo)通(tong)信技術(shu)的(de)(de)(de)飛速發(fa)展，以及對(dui)傳(chuan)感器技術(shu)和(he)(he)人工智(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)深入研究和(he)(he)綜(zong)合應用，智(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)(neng)斷路器的(de)(de)(de)功能(neng)(neng)得到了極(ji)大(da)的(de)(de)(de)擴展和(he)(he)完善。

本(ben)文將介紹(shao)基(ji)于ACM32F070的(de)智能斷路器方案，有效實現電路的(de)智能化(hua)控制，讓用電更(geng)安全更(geng)智能。

智能斷路器概述

智(zhi)能斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)是用(yong)(yong)微電(dian)(dian)子、計算機(ji)技術(shu)和(he)(he)新型傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)建(jian)立(li)新的(de)(de)斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)二(er)次系統(tong)。其主要(yao)特點(dian)是由電(dian)(dian)力電(dian)(dian)了技術(shu)、數字(zi)化控制裝置組成(cheng)執(zhi)行單元，代(dai)替常規機(ji)械結(jie)構的(de)(de)輔(fu)助開關(guan)和(he)(he)輔(fu)助繼電(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)。新型傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)與(yu)數字(zi)化控制裝置相配合，獨立(li)采(cai)集運(yun)行數據，可檢測(ce)設備(bei)缺(que)陷(xian)和(he)(he)故(gu)障(zhang)，在(zai)缺(que)陷(xian)變(bian)為(wei)(wei)故(gu)障(zhang)前(qian)發出報警信號，以(yi)便采(cai)取措施避免事故(gu)發生。智(zhi)能斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)實現電(dian)(dian)子操動(dong)，變(bian)機(ji)械儲(chu)(chu)能為(wei)(wei)電(dian)(dian)容儲(chu)(chu)能，變(bian)機(ji)械傳(chuan)動(dong)為(wei)(wei)變(bian)頻器(qi)(qi)(qi)經電(dian)(dian)機(ji)直接驅動(dong)，機(ji)械系統(tong)可靠性(xing)提高。斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)按其使用(yong)(yong)范(fan)圍分為(wei)(wei)高壓(ya)斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)和(he)(he)低壓(ya)斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)(qi)，高低壓(ya)界線(xian)劃分比較模糊，一般將3kV以(yi)上的(de)(de)稱(cheng)為(wei)(wei)高壓(ya)電(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)。

圖 | 智能斷路器(qi)

低壓斷(duan)(duan)路(lu)器又稱(cheng)自動(dong)(dong)(dong)開關，它是一種既有手動(dong)(dong)(dong)開關作用，又能自動(dong)(dong)(dong)進行(xing)失(shi)壓、欠(qian)(qian)壓、過(guo)載、和短路(lu)保護的(de)電(dian)器。它可用來分配電(dian)能，不頻繁(fan)地啟動(dong)(dong)(dong)異步電(dian)動(dong)(dong)(dong)機，對電(dian)源線(xian)路(lu)及電(dian)動(dong)(dong)(dong)機等實行(xing)保護，當(dang)它們發生(sheng)嚴重(zhong)的(de)過(guo)載或者短路(lu)及欠(qian)(qian)壓等故(gu)障時能自動(dong)(dong)(dong)切(qie)斷(duan)(duan)電(dian)路(lu)，其功(gong)能相當(dang)于熔斷(duan)(duan)器式開關與過(guo)欠(qian)(qian)熱繼電(dian)器等的(de)組合。而且在分斷(duan)(duan)故(gu)障電(dian)流后一般(ban)不需要變(bian)更零部(bu)件(jian)，己獲(huo)得了廣(guang)泛的(de)應用。

高壓斷路器（或稱高壓開關）是變電(dian)(dian)(dian)所主(zhu)要(yao)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)力(li)控制設備(bei)，具有滅弧特性，當系統(tong)正常(chang)運行(xing)時(shi)，它能切斷和接通線路及各種電(dian)(dian)(dian)氣設備(bei)的(de)(de)空(kong)載和負載電(dian)(dian)(dian)流；當系統(tong)發生故(gu)障(zhang)時(shi)，它和繼電(dian)(dian)(dian)保護配合，能迅速切斷故(gu)障(zhang)電(dian)(dian)(dian)流，以防止(zhi)擴大事故(gu)范圍。因此，高壓斷路器工作(zuo)的(de)(de)好(hao)壞，直接影(ying)響到電(dian)(dian)(dian)力(li)系統(tong)的(de)(de)安全運行(xing)。

智能斷(duan)路器原理

智能斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)由數(shu)據采(cai)集、智能識別(bie)和調節(jie)裝(zhuang)置(zhi)3個基本模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)構(gou)成(cheng)(cheng)，智能識別(bie)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)是智能控(kong)制單元的(de)(de)(de)(de)(de)核(he)心，由微處理器(qi)(qi)構(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)微機(ji)控(kong)制系統，能根(gen)據操(cao)作(zuo)(zuo)前所采(cai)集到的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)網信(xin)息(xi)和主控(kong)制室發出的(de)(de)(de)(de)(de)操(cao)作(zuo)(zuo)信(xin)號(hao)，自動(dong)(dong)(dong)地識別(bie)操(cao)作(zuo)(zuo)時(shi)斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)所處的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)網工作(zuo)(zuo)狀態，根(gen)據對(dui)斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)仿真分(fen)(fen)析的(de)(de)(de)(de)(de)結果決(jue)定出合適(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)合閘(zha)運(yun)動(dong)(dong)(dong)特(te)性(xing)，并對(dui)執行機(ji)構(gou)發出調節(jie)信(xin)息(xi)，待調節(jie)完成(cheng)(cheng)后再發出分(fen)(fen)合閘(zha)信(xin)號(hao)；數(shu)據采(cai)集模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)主要由新(xin)型傳感器(qi)(qi)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)，隨時(shi)把電(dian)(dian)網的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)據以(yi)數(shu)字信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)形式(shi)提供給智能識別(bie)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)，以(yi)進行處理分(fen)(fen)析；調節(jie)裝(zhuang)置(zhi)由能接收定量(liang)控(kong)制信(xin)息(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)件和驅(qu)動(dong)(dong)(dong)執行器(qi)(qi)組(zu)(zu)成(cheng)(cheng)，用(yong)來調整操(cao)動(dong)(dong)(dong)機(ji)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)參數(shu)，以(yi)便改變(bian)每次(ci)操(cao)作(zuo)(zuo)時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)(dong)特(te)性(xing)。此外，還(huan)可根(gen)據需要加裝(zhuang)顯示模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)、通信(xin)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)以(yi)及(ji)各種檢測(ce)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)，以(yi)擴大智能操(cao)作(zuo)(zuo)斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)智能化功能。

芯(xin)片簡介(jie)

ACM32F0X0 系列是(shi)一款支持多種(zhong)低功(gong)(gong)耗模式的通用MCU。集成(cheng)12位1.6 Msps高(gao)(gao)(gao)精度ADC以及(ji)比較器(qi)、運(yun)放、觸控按鍵控制器(qi)、段式LCD控制器(qi)，內置高(gao)(gao)(gao)性能定時器(qi)、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐(feng)富(fu)的通訊外(wai)設，內建AES、TRNG等信息安全模塊(kuai)，支持多種(zhong)低功(gong)(gong)耗模式，具有高(gao)(gao)(gao)整合度、高(gao)(gao)(gao)抗干(gan)擾、高(gao)(gao)(gao)可靠性的特點。

設計方案

本文(wen)描述的(de)智(zhi)能斷路器方案，基于上海航(hang)芯ACM32F070系列的(de)MCU進行設計，整體(ti)的(de)方案框圖如(ru)下(xia)所示：

圖 | 基于ACM32F070智能(neng)斷路器(qi)設計方案框圖

本次設計方案的(de)(de)智能斷(duan)(duan)路器主要是以 ACM32F070單片機作為主處理芯片，并使用外部(bu)相關部(bu)件組成整(zheng)個控制系統。單片機上電(dian)(dian)(dian)以后(hou)，用互感器不(bu)斷(duan)(duan)采集各路的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓電(dian)(dian)(dian)流(liu)信(xin)號(hao)，并轉換為單片機能夠接(jie)受的(de)(de) 0-3.3V 電(dian)(dian)(dian)壓信(xin)號(hao)（數字信(xin)號(hao)的(de)(de)分(fen)辨率(lv)由(you) ADC 模(mo)塊的(de)(de)位數決定，一(yi)般為 12 或 16 位），之后(hou)通(tong)過 ADC 接(jie)口接(jie)入 MCU，經過計算分(fen)析，并對閾(yu)值(zhi)進行(xing)比(bi)較，得(de)出是否觸(chu)發分(fen)合(he)閘的(de)(de)指(zhi)令(ling)。在(zai)此(ci)過程中，MCU 發送數據到(dao)屏幕上，屏幕上可實時(shi)顯示(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)(dian)流(liu)、時(shi)間等(deng)參數，這些參數可以向操作者直觀的(de)(de)顯示(shi)(shi)各種需(xu)要的(de)(de)信(xin)息，從而達到(dao)了人機交互的(de)(de)目的(de)(de)。

01. 數據采(cai)集

電流信(xin)號(hao)采(cai)集首先采(cai)集的(de)(de)是(shi)(shi)工頻(pin)的(de)(de)大電流，通(tong)過互感器(qi)(qi)輸出一(yi)個小電流，通(tong)過采(cai)樣電阻得到相應的(de)(de)輸出電壓范圍，考慮到到電流采(cai)集過程中不僅(jin)要保留(liu)(liu)正(zheng)半周的(de)(de)信(xin)號(hao)，也要保留(liu)(liu)負半周的(de)(de)信(xin)號(hao)，而 ACM32F070 能夠處理的(de)(de)是(shi)(shi) 0-3.3V 的(de)(de)信(xin)號(hao)，因此要加(jia)入其它元(yuan)器(qi)(qi)件(jian)，除了(le)增(zeng)(zeng)加(jia) RC 濾波電路，還要增(zeng)(zeng)加(jia)運算放大器(qi)(qi)。電壓信(xin)號(hao)與(yu)電流信(xin)號(hao)的(de)(de)采(cai)集方法基(ji)本相同。

02. 智能識別

ACM32F070主控芯(xin)片有(you)一個高精度(du)ADC，ADC支(zhi)持單端信號轉換(huan)和差分信號轉換(huan)，多達21個通(tong)(tong)道，電(dian)(dian)流互(hu)感器接收到(dao)的(de)電(dian)(dian)流和電(dian)(dian)壓信號，先(xian)經過(guo)運(yun)算(suan)放大(da)器處理(li)(li)后再通(tong)(tong)過(guo) ADC 模數(shu)轉換(huan)，將(jiang)采集的(de)模擬量按照比(bi)例轉化為數(shu)字量，供單片機計(ji)算(suan)處理(li)(li)，經過(guo)計(ji)算(suan)分析，并對閾值(zhi)進行比(bi)較(jiao)，得出是否觸(chu)發開(kai)關MOS管的(de)指令。

03. 顯示模塊

智能(neng)斷路(lu)器(qi)(qi)的(de)顯(xian)示屏(ping)主要起到人機交(jiao)互的(de)作(zuo)用，可(ke)以顯(xian)示當前電(dian)路(lu)的(de)電(dian)壓(ya)電(dian)流、 時(shi)間、功(gong)率(lv)、功(gong)率(lv)因數(shu)等實時(shi)參數(shu)。現場(chang)操作(zuo)人員能(neng)夠根(gen)據觀察到的(de)各種運行信息來 進行監控并清除故障，ACM32F0X0芯片內部集成一款適用于單色無源液晶顯(xian)示器(qi)(qi)（LCD）的(de)數(shu)字(zi)控制器(qi)(qi)/驅(qu)動器(qi)(qi)，可(ke)以更方(fang)便驅(qu)動智能(neng)斷路(lu)器(qi)(qi)的(de)顯(xian)示屏(ping)。

04. 供電電路

通(tong)過AC/DC轉換(huan)(huan)電(dian)路(lu)將外(wai)部220V電(dian)源(yuan)(yuan)轉換(huan)(huan)為3.3V電(dian)源(yuan)(yuan)供(gong)電(dian)，還(huan)有(you)一個紐扣(kou)電(dian)池作為備用(yong)電(dian)源(yuan)(yuan)，AC/DC轉換(huan)(huan)電(dian)路(lu)如(ru)下圖(tu)所示：

軟(ruan)(ruan)件設計

智能斷(duan)路(lu)器軟(ruan)件部(bu)分(fen)包括(kuo)多個(ge)子系(xi)統，組(zu)成整(zheng)個(ge)系(xi)統，比(bi)如有 ADC 轉(zhuan)換、液晶(jing)顯(xian)示、模(mo)擬看(kan)門狗檢測、定時(shi)和(he)中斷(duan)等多個(ge)部(bu)分(fen)。首(shou)先(xian)初始化(hua)系(xi)統時(shi)鐘、ADC、LCD、定時(shi)器、模(mo)擬看(kan)門狗等，之(zhi)后驅動MOS管(guan)，通(tong)過ADC連(lian)續采樣(yang)(yang)，將(jiang)采樣(yang)(yang)數據通(tong)過DMA存(cun)儲到(dao)(dao)BUFFER，然后傳輸到(dao)(dao)LCD顯(xian)示屏實時(shi)顯(xian)示，同時(shi)將(jiang)采樣(yang)(yang)數據與設置的電流(liu)閾(yu)值作(zuo)比(bi)較，一旦過流(liu)將(jiang)產生模(mo)擬看(kan)門狗中斷(duan)，在(zai)中斷(duan)里(li)關閉MOS管(guan)以此起到(dao)(dao)過流(liu)保護作(zuo)用。軟(ruan)件流(liu)程圖如下(xia)所示：

結(jie)語  

智(zhi)(zhi)能(neng)斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)目前在(zai)工業與民用市場有著(zhu)(zhu)廣泛的(de)(de)前景，隨著(zhu)(zhu)芯片技術和軟件技術的(de)(de)進步，使得電氣科研人(ren)員可(ke)以更好地去研究智(zhi)(zhi)能(neng)斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)的(de)(de)控(kong)制技術。本文提(ti)出(chu)的(de)(de)設計方案的(de)(de)主旨也就是將斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)智(zhi)(zhi)能(neng)化，采用智(zhi)(zhi)能(neng)斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)技術后，對于非(fei)故障性(xing)的(de)(de)操作，斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)都可(ke)以在(zai)較低的(de)(de)速度(du)下斷(duan)開，減少斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)斷(duan)開時的(de)(de)沖擊力和機械(xie)磨損，從(cong)而提(ti)高斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)的(de)(de)使用壽命，在(zai)工程上達到(dao)較好的(de)(de)經濟效益和社(she)會效益。