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專為智能設備安全打(da)造(zao) | 基于(yu)ACM32 MCU的智能斷(duan)路(lu)器方案

隨(sui)著我(wo)國電(dian)(dian)(dian)網建設(she)的(de)(de)(de)(de)快速(su)發展(zhan)，數(shu)字化(hua)(hua)變(bian)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)成為建設(she)和(he)研(yan)究的(de)(de)(de)(de)熱點，數(shu)字化(hua)(hua)變(bian)電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)核心(xin)在于一(yi)次(ci)設(she)備的(de)(de)(de)(de)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化(hua)(hua)與(yu)(yu)二次(ci)設(she)備的(de)(de)(de)(de)網絡(luo)化(hua)(hua)，對于斷(duan)路器(qi)這種極其重要的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)力一(yi)次(ci)設(she)備而(er)言，其智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)實現有十(shi)分(fen)重要的(de)(de)(de)(de)意義，斷(duan)路器(qi)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化(hua)(hua)在于運行(xing)狀態實時監測(ce)、通(tong)斷(duan)精確、智(zhi)能(neng)(neng)(neng)控制(zhi)和(he)信息(xi)傳(chuan)遞網絡(luo)化(hua)(hua)等。隨(sui)著電(dian)(dian)(dian)力電(dian)(dian)(dian)子技(ji)術(shu)和(he)自動控制(zhi)理(li)論的(de)(de)(de)(de)廣泛應用，計算機與(yu)(yu)網絡(luo)通(tong)信技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)飛速(su)發展(zhan)，以及對傳(chuan)感器(qi)技(ji)術(shu)和(he)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)深(shen)入研(yan)究和(he)綜合(he)應用，智(zhi)能(neng)(neng)(neng)斷(duan)路器(qi)的(de)(de)(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)得到了極大(da)的(de)(de)(de)(de)擴展(zhan)和(he)完善。

本文將介紹基(ji)于ACM32F070的智能(neng)斷路器方案，有效(xiao)實現電路的智能(neng)化(hua)控制，讓用電更安全(quan)更智能(neng)。

智能(neng)斷路器概述

智能斷路(lu)(lu)器(qi)是用(yong)微電(dian)(dian)子、計(ji)算(suan)機(ji)(ji)技術和(he)新型傳感器(qi)建立(li)新的斷路(lu)(lu)器(qi)二(er)次(ci)系(xi)統。其主要特點(dian)是由電(dian)(dian)力電(dian)(dian)了技術、數字化控(kong)(kong)制裝置組成執行單元(yuan)，代(dai)替常規機(ji)(ji)械(xie)結構(gou)的輔(fu)助(zhu)開關和(he)輔(fu)助(zhu)繼電(dian)(dian)器(qi)。新型傳感器(qi)與數字化控(kong)(kong)制裝置相配合，獨(du)立(li)采(cai)集運行數據(ju)，可檢測(ce)設備缺(que)陷和(he)故(gu)(gu)障(zhang)，在缺(que)陷變(bian)為(wei)(wei)(wei)故(gu)(gu)障(zhang)前發(fa)出報警信號，以(yi)便采(cai)取措施避免事故(gu)(gu)發(fa)生(sheng)。智能斷路(lu)(lu)器(qi)實現(xian)電(dian)(dian)子操動，變(bian)機(ji)(ji)械(xie)儲(chu)(chu)能為(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)容儲(chu)(chu)能，變(bian)機(ji)(ji)械(xie)傳動為(wei)(wei)(wei)變(bian)頻(pin)器(qi)經電(dian)(dian)機(ji)(ji)直接驅動，機(ji)(ji)械(xie)系(xi)統可靠性提高(gao)。斷路(lu)(lu)器(qi)按其使用(yong)范(fan)圍(wei)分為(wei)(wei)(wei)高(gao)壓(ya)斷路(lu)(lu)器(qi)和(he)低(di)壓(ya)斷路(lu)(lu)器(qi)，高(gao)低(di)壓(ya)界(jie)線劃分比較(jiao)模糊(hu)，一(yi)般(ban)將3kV以(yi)上的稱為(wei)(wei)(wei)高(gao)壓(ya)電(dian)(dian)器(qi)。

圖 | 智能斷路器

低壓斷路器(qi)又稱自(zi)動開關(guan)，它(ta)是一種既有手動開關(guan)作用(yong)，又能(neng)(neng)自(zi)動進行(xing)失壓、欠(qian)壓、過載(zai)、和(he)短(duan)路保護的(de)(de)電器(qi)。它(ta)可(ke)用(yong)來分(fen)配電能(neng)(neng)，不頻繁地啟動異(yi)步(bu)電動機，對電源線(xian)路及電動機等(deng)實行(xing)保護，當(dang)它(ta)們發生(sheng)嚴重(zhong)的(de)(de)過載(zai)或者短(duan)路及欠(qian)壓等(deng)故障(zhang)時能(neng)(neng)自(zi)動切斷電路，其(qi)功能(neng)(neng)相當(dang)于熔斷器(qi)式開關(guan)與過欠(qian)熱(re)繼(ji)電器(qi)等(deng)的(de)(de)組合。而(er)且在分(fen)斷故障(zhang)電流后一般不需要變更(geng)零(ling)部(bu)件，己(ji)獲得了廣(guang)泛(fan)的(de)(de)應用(yong)。

高(gao)壓(ya)斷(duan)(duan)路(lu)器（或稱高(gao)壓(ya)開關）是變(bian)電(dian)所主要的電(dian)力控制(zhi)設備，具有滅弧特(te)性，當系統正常運行(xing)(xing)時，它能(neng)切(qie)斷(duan)(duan)和接通線路(lu)及各種(zhong)電(dian)氣設備的空載和負(fu)載電(dian)流(liu)；當系統發生故(gu)障(zhang)時，它和繼電(dian)保(bao)護配(pei)合，能(neng)迅速切(qie)斷(duan)(duan)故(gu)障(zhang)電(dian)流(liu)，以防止擴(kuo)大事故(gu)范圍。因此，高(gao)壓(ya)斷(duan)(duan)路(lu)器工作的好壞，直接影(ying)響到電(dian)力系統的安全(quan)運行(xing)(xing)。

智(zhi)能斷(duan)路器原理

智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)斷路器(qi)(qi)由數(shu)據(ju)(ju)采(cai)集(ji)、智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)識別(bie)(bie)和(he)調節裝(zhuang)(zhuang)置3個基(ji)本(ben)模(mo)(mo)塊構(gou)(gou)成(cheng)(cheng)，智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)識別(bie)(bie)模(mo)(mo)塊是智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)控制單元的(de)(de)核心，由微處(chu)理(li)器(qi)(qi)構(gou)(gou)成(cheng)(cheng)的(de)(de)微機(ji)(ji)控制系統，能(neng)(neng)(neng)根(gen)據(ju)(ju)操(cao)作(zuo)(zuo)前所采(cai)集(ji)到的(de)(de)電網信息(xi)和(he)主控制室發出(chu)的(de)(de)操(cao)作(zuo)(zuo)信號，自動地識別(bie)(bie)操(cao)作(zuo)(zuo)時斷路器(qi)(qi)所處(chu)的(de)(de)電網工作(zuo)(zuo)狀態，根(gen)據(ju)(ju)對斷路器(qi)(qi)仿(fang)真分(fen)析(xi)的(de)(de)結(jie)果決定(ding)出(chu)合適(shi)的(de)(de)分(fen)合閘運動特(te)性，并對執行機(ji)(ji)構(gou)(gou)發出(chu)調節信息(xi)，待調節完成(cheng)(cheng)后(hou)再發出(chu)分(fen)合閘信號；數(shu)據(ju)(ju)采(cai)集(ji)模(mo)(mo)塊主要由新(xin)型傳感(gan)器(qi)(qi)組成(cheng)(cheng)，隨時把電網的(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)以(yi)數(shu)字信號的(de)(de)形式提供給智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)識別(bie)(bie)模(mo)(mo)塊，以(yi)進行處(chu)理(li)分(fen)析(xi)；調節裝(zhuang)(zhuang)置由能(neng)(neng)(neng)接收(shou)定(ding)量(liang)控制信息(xi)的(de)(de)部件和(he)驅動執行器(qi)(qi)組成(cheng)(cheng)，用來調整操(cao)動機(ji)(ji)構(gou)(gou)的(de)(de)參數(shu)，以(yi)便改變每次操(cao)作(zuo)(zuo)時的(de)(de)運動特(te)性。此外，還(huan)可根(gen)據(ju)(ju)需要加裝(zhuang)(zhuang)顯(xian)示模(mo)(mo)塊、通信模(mo)(mo)塊以(yi)及各種檢測模(mo)(mo)塊，以(yi)擴大智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)操(cao)作(zuo)(zuo)斷路器(qi)(qi)的(de)(de)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)化功能(neng)(neng)(neng)。

芯片簡介

ACM32F0X0 系(xi)列(lie)是一款支持多種(zhong)低功(gong)耗模(mo)式(shi)(shi)的(de)通(tong)用MCU。集成12位(wei)1.6 Msps高精(jing)度ADC以及(ji)比較器(qi)、運放、觸控(kong)按(an)鍵控(kong)制(zhi)器(qi)、段式(shi)(shi)LCD控(kong)制(zhi)器(qi)，內(nei)置高性能定時器(qi)、多路(lu)UART、LPUART、SPI、I2C等(deng)豐富的(de)通(tong)訊外設(she)，內(nei)建AES、TRNG等(deng)信息安全模(mo)塊，支持多種(zhong)低功(gong)耗模(mo)式(shi)(shi)，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的(de)特點。

設計方(fang)案(an)

本文描述的智(zhi)能斷路器方案，基于上海(hai)航芯ACM32F070系列的MCU進行設計(ji)，整體的方案框圖如下所(suo)示：

圖 | 基于ACM32F070智(zhi)能斷路器設(she)計方案框圖

本(ben)次設計(ji)方案的(de)(de)(de)(de)(de)智能(neng)斷路(lu)器(qi)主(zhu)要是以(yi) ACM32F070單(dan)片(pian)機(ji)作為(wei)主(zhu)處(chu)理芯片(pian)，并(bing)使(shi)用外部相關部件組成整個控制系統(tong)。單(dan)片(pian)機(ji)上(shang)(shang)電(dian)(dian)以(yi)后，用互感器(qi)不(bu)斷采(cai)集各路(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓電(dian)(dian)流信(xin)號(hao)，并(bing)轉換為(wei)單(dan)片(pian)機(ji)能(neng)夠接(jie)受的(de)(de)(de)(de)(de) 0-3.3V 電(dian)(dian)壓信(xin)號(hao)（數(shu)字信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)分辨率(lv)由 ADC 模塊的(de)(de)(de)(de)(de)位數(shu)決定，一般為(wei) 12 或 16 位），之(zhi)后通過(guo) ADC 接(jie)口(kou)接(jie)入(ru) MCU，經(jing)過(guo)計(ji)算分析，并(bing)對(dui)閾值進行(xing)比(bi)較，得出是否(fou)觸(chu)發分合閘(zha)的(de)(de)(de)(de)(de)指令。在此過(guo)程中，MCU 發送(song)數(shu)據到屏(ping)幕上(shang)(shang)，屏(ping)幕上(shang)(shang)可實時(shi)顯示(shi)電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流、時(shi)間等參(can)數(shu)，這些參(can)數(shu)可以(yi)向操作者直(zhi)觀的(de)(de)(de)(de)(de)顯示(shi)各種需要的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)息，從而達到了人機(ji)交(jiao)互的(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)。

01. 數據(ju)采(cai)集

電(dian)流信(xin)號(hao)采(cai)(cai)(cai)集首先采(cai)(cai)(cai)集的是工頻的大電(dian)流，通過互感(gan)器輸出一個(ge)小電(dian)流，通過采(cai)(cai)(cai)樣電(dian)阻(zu)得到(dao)相應(ying)的輸出電(dian)壓范圍，考慮(lv)到(dao)到(dao)電(dian)流采(cai)(cai)(cai)集過程中不僅要(yao)保留正半周的信(xin)號(hao)，也(ye)要(yao)保留負半周的信(xin)號(hao)，而 ACM32F070 能夠處理的是 0-3.3V 的信(xin)號(hao)，因此(ci)要(yao)加入其它元(yuan)器件，除了增加 RC 濾波電(dian)路，還要(yao)增加運算放大器。電(dian)壓信(xin)號(hao)與電(dian)流信(xin)號(hao)的采(cai)(cai)(cai)集方法基本相同。

02. 智能(neng)識別

ACM32F070主(zhu)控芯片有一個高精(jing)度ADC，ADC支持單端(duan)信(xin)(xin)(xin)號轉換(huan)和差分信(xin)(xin)(xin)號轉換(huan)，多達21個通道(dao)，電(dian)流互感器(qi)接(jie)收到的電(dian)流和電(dian)壓信(xin)(xin)(xin)號，先經過(guo)運算放大(da)器(qi)處理后再通過(guo) ADC 模數轉換(huan)，將采集的模擬量(liang)按(an)照比(bi)例轉化為數字量(liang)，供單片機計算處理，經過(guo)計算分析，并對閾值(zhi)進(jin)行比(bi)較(jiao)，得(de)出是(shi)否觸發開關MOS管的指令。

03. 顯(xian)示模塊

智能斷(duan)路器(qi)的(de)顯示屏(ping)主(zhu)要起到人機交(jiao)互的(de)作用(yong)(yong)，可以顯示當(dang)前電路的(de)電壓電流、 時間、功(gong)(gong)率、功(gong)(gong)率因數(shu)等(deng)實時參數(shu)。現場操作人員(yuan)能夠(gou)根據(ju)觀察(cha)到的(de)各種(zhong)運行信息來 進行監控并(bing)清除(chu)故障，ACM32F0X0芯片內部(bu)集(ji)成一款適用(yong)(yong)于單色無源(yuan)液晶顯示器(qi)（LCD）的(de)數(shu)字控制器(qi)/驅動(dong)器(qi)，可以更方便驅動(dong)智能斷(duan)路器(qi)的(de)顯示屏(ping)。

04. 供電(dian)電(dian)路

通過AC/DC轉換(huan)電(dian)(dian)路(lu)將外部220V電(dian)(dian)源(yuan)轉換(huan)為3.3V電(dian)(dian)源(yuan)供電(dian)(dian)，還有一個紐扣(kou)電(dian)(dian)池作(zuo)為備用電(dian)(dian)源(yuan)，AC/DC轉換(huan)電(dian)(dian)路(lu)如下圖所(suo)示：

軟(ruan)(ruan)件(jian)設計

智能斷(duan)(duan)路器(qi)軟件部(bu)分包括(kuo)多個(ge)子系統，組成整個(ge)系統，比如(ru)有 ADC 轉換、液(ye)晶顯(xian)(xian)示(shi)(shi)、模擬看(kan)門(men)狗(gou)檢測、定時和中(zhong)斷(duan)(duan)等多個(ge)部(bu)分。首先初始化(hua)系統時鐘、ADC、LCD、定時器(qi)、模擬看(kan)門(men)狗(gou)等，之(zhi)后驅動MOS管(guan)(guan)，通(tong)過ADC連續采樣，將(jiang)采樣數(shu)據(ju)通(tong)過DMA存儲到(dao)BUFFER，然后傳輸(shu)到(dao)LCD顯(xian)(xian)示(shi)(shi)屏(ping)實(shi)時顯(xian)(xian)示(shi)(shi)，同時將(jiang)采樣數(shu)據(ju)與(yu)設置的電流閾(yu)值作(zuo)比較，一旦過流將(jiang)產(chan)生模擬看(kan)門(men)狗(gou)中(zhong)斷(duan)(duan)，在中(zhong)斷(duan)(duan)里關閉MOS管(guan)(guan)以(yi)此起到(dao)過流保護作(zuo)用(yong)。軟件流程圖如(ru)下所示(shi)(shi)：

結語  

智能(neng)斷(duan)路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)目前在工業與民(min)用市(shi)場有(you)著(zhu)廣(guang)泛的(de)前景，隨著(zhu)芯片(pian)技(ji)術和軟件(jian)技(ji)術的(de)進步(bu)，使得電氣科研人(ren)員(yuan)可(ke)以更好(hao)地去研究智能(neng)斷(duan)路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)的(de)控制技(ji)術。本文提(ti)出的(de)設計(ji)方案的(de)主旨(zhi)也就是(shi)將斷(duan)路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)智能(neng)化，采用智能(neng)斷(duan)路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)技(ji)術后，對于非故障(zhang)性的(de)操作，斷(duan)路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)都可(ke)以在較低(di)的(de)速度下斷(duan)開(kai)(kai)，減(jian)少斷(duan)路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)斷(duan)開(kai)(kai)時的(de)沖擊力和機(ji)械磨損(sun)，從而提(ti)高斷(duan)路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)的(de)使用壽命，在工程上達到較好(hao)的(de)經濟效益(yi)和社(she)會效益(yi)。