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專為智(zhi)(zhi)能設備安全打造 | 基于ACM32 MCU的(de)智(zhi)(zhi)能斷路器(qi)方案


隨著我國電(dian)(dian)網建(jian)設(she)的(de)(de)快速發展,數(shu)(shu)字化變電(dian)(dian)站(zhan)(zhan)成(cheng)為建(jian)設(she)和研究(jiu)的(de)(de)熱點(dian),數(shu)(shu)字化變電(dian)(dian)站(zhan)(zhan)的(de)(de)核心在于一次(ci)(ci)設(she)備(bei)的(de)(de)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化與二次(ci)(ci)設(she)備(bei)的(de)(de)網絡(luo)化,對于斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)這(zhe)種極其(qi)(qi)重要的(de)(de)電(dian)(dian)力一次(ci)(ci)設(she)備(bei)而言,其(qi)(qi)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化的(de)(de)實現有十分重要的(de)(de)意義(yi),斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)化在于運行狀態實時(shi)監(jian)測、通(tong)(tong)斷精(jing)確、智(zhi)能(neng)(neng)(neng)控(kong)制和信息(xi)傳(chuan)遞(di)網絡(luo)化等。隨著電(dian)(dian)力電(dian)(dian)子技(ji)(ji)術(shu)和自動控(kong)制理論的(de)(de)廣泛(fan)應用,計算機與網絡(luo)通(tong)(tong)信技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)飛速發展,以及(ji)對傳(chuan)感器(qi)技(ji)(ji)術(shu)和人工智(zhi)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)深入(ru)研究(jiu)和綜合(he)應用,智(zhi)能(neng)(neng)(neng)斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)的(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)得(de)到了極大的(de)(de)擴展和完(wan)善。


本文將介紹基于ACM32F070的智能(neng)斷路器方案,有效實現電(dian)(dian)路的智能(neng)化控制,讓用電(dian)(dian)更安(an)全(quan)更智能(neng)。


智能(neng)斷路(lu)器概述


智能(neng)(neng)斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)是用(yong)微電(dian)子、計算機(ji)(ji)技術和新型傳感器(qi)(qi)建立新的(de)(de)斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)二(er)次系(xi)統。其主要(yao)特點是由電(dian)力電(dian)了技術、數(shu)字化(hua)控制裝置組成執行單元,代替常規(gui)機(ji)(ji)械結(jie)構的(de)(de)輔助開關(guan)和輔助繼電(dian)器(qi)(qi)。新型傳感器(qi)(qi)與(yu)數(shu)字化(hua)控制裝置相配合,獨立采集運行數(shu)據(ju),可檢測設(she)備缺(que)陷(xian)和故(gu)障(zhang),在缺(que)陷(xian)變(bian)(bian)為故(gu)障(zhang)前發出報警信號(hao),以(yi)(yi)便(bian)采取措施避(bi)免事故(gu)發生。智能(neng)(neng)斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)實現電(dian)子操動(dong),變(bian)(bian)機(ji)(ji)械儲(chu)能(neng)(neng)為電(dian)容儲(chu)能(neng)(neng),變(bian)(bian)機(ji)(ji)械傳動(dong)為變(bian)(bian)頻(pin)器(qi)(qi)經電(dian)機(ji)(ji)直接(jie)驅動(dong),機(ji)(ji)械系(xi)統可靠性(xing)提高(gao)(gao)。斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)按其使用(yong)范圍分為高(gao)(gao)壓斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi)和低壓斷路(lu)(lu)(lu)器(qi)(qi),高(gao)(gao)低壓界線劃分比較(jiao)模(mo)糊,一(yi)般(ban)將3kV以(yi)(yi)上的(de)(de)稱為高(gao)(gao)壓電(dian)器(qi)(qi)。



圖 | 智能斷路器


低(di)壓(ya)(ya)斷(duan)(duan)路器(qi)又稱自動開(kai)關,它是一(yi)種既有手(shou)動開(kai)關作用,又能(neng)自動進行失壓(ya)(ya)、欠壓(ya)(ya)、過(guo)載、和短(duan)路保護(hu)的電(dian)(dian)器(qi)。它可用來分配電(dian)(dian)能(neng),不(bu)頻繁(fan)地(di)啟動異步電(dian)(dian)動機,對電(dian)(dian)源線路及電(dian)(dian)動機等實(shi)行保護(hu),當它們發(fa)生嚴重的過(guo)載或(huo)者短(duan)路及欠壓(ya)(ya)等故(gu)障時能(neng)自動切斷(duan)(duan)電(dian)(dian)路,其功(gong)能(neng)相(xiang)當于熔斷(duan)(duan)器(qi)式(shi)開(kai)關與過(guo)欠熱(re)繼電(dian)(dian)器(qi)等的組合。而且在分斷(duan)(duan)故(gu)障電(dian)(dian)流后一(yi)般(ban)不(bu)需要變(bian)更零部件,己獲得了廣(guang)泛(fan)的應(ying)用。


高(gao)壓斷(duan)路器(qi)(或稱高(gao)壓開(kai)關)是變電(dian)(dian)所主要的(de)電(dian)(dian)力(li)控制(zhi)設備,具有滅弧特(te)性(xing),當系(xi)統(tong)(tong)正(zheng)常運(yun)(yun)行(xing)時(shi),它能切斷(duan)和接(jie)通線路及各(ge)種電(dian)(dian)氣設備的(de)空載和負載電(dian)(dian)流(liu)(liu);當系(xi)統(tong)(tong)發生故(gu)障時(shi),它和繼電(dian)(dian)保護(hu)配合,能迅速切斷(duan)故(gu)障電(dian)(dian)流(liu)(liu),以防止擴(kuo)大事故(gu)范圍。因此,高(gao)壓斷(duan)路器(qi)工作的(de)好壞,直接(jie)影響到(dao)電(dian)(dian)力(li)系(xi)統(tong)(tong)的(de)安全(quan)運(yun)(yun)行(xing)。


智能斷路器原理


智能(neng)(neng)(neng)(neng)斷路(lu)器(qi)(qi)由數據(ju)采集(ji)、智能(neng)(neng)(neng)(neng)識(shi)別(bie)(bie)和調(diao)節(jie)裝(zhuang)置3個基(ji)本(ben)模(mo)塊(kuai)(kuai)構成,智能(neng)(neng)(neng)(neng)識(shi)別(bie)(bie)模(mo)塊(kuai)(kuai)是智能(neng)(neng)(neng)(neng)控制(zhi)單元的(de)核心,由微處(chu)理(li)器(qi)(qi)構成的(de)微機(ji)控制(zhi)系統,能(neng)(neng)(neng)(neng)根(gen)據(ju)操(cao)作(zuo)前所(suo)采集(ji)到的(de)電(dian)(dian)網信(xin)息(xi)和主控制(zhi)室發(fa)(fa)出(chu)的(de)操(cao)作(zuo)信(xin)號(hao),自動(dong)(dong)地識(shi)別(bie)(bie)操(cao)作(zuo)時斷路(lu)器(qi)(qi)所(suo)處(chu)的(de)電(dian)(dian)網工作(zuo)狀態(tai),根(gen)據(ju)對(dui)斷路(lu)器(qi)(qi)仿真分(fen)析的(de)結(jie)果決定(ding)出(chu)合(he)適的(de)分(fen)合(he)閘(zha)運動(dong)(dong)特性,并對(dui)執行機(ji)構發(fa)(fa)出(chu)調(diao)節(jie)信(xin)息(xi),待調(diao)節(jie)完成后再發(fa)(fa)出(chu)分(fen)合(he)閘(zha)信(xin)號(hao);數據(ju)采集(ji)模(mo)塊(kuai)(kuai)主要(yao)由新型(xing)傳(chuan)感器(qi)(qi)組(zu)成,隨時把電(dian)(dian)網的(de)數據(ju)以(yi)數字信(xin)號(hao)的(de)形式(shi)提供給智能(neng)(neng)(neng)(neng)識(shi)別(bie)(bie)模(mo)塊(kuai)(kuai),以(yi)進(jin)行處(chu)理(li)分(fen)析;調(diao)節(jie)裝(zhuang)置由能(neng)(neng)(neng)(neng)接收(shou)定(ding)量控制(zhi)信(xin)息(xi)的(de)部件(jian)和驅動(dong)(dong)執行器(qi)(qi)組(zu)成,用來調(diao)整(zheng)操(cao)動(dong)(dong)機(ji)構的(de)參(can)數,以(yi)便改變每次(ci)操(cao)作(zuo)時的(de)運動(dong)(dong)特性。此(ci)外(wai),還可(ke)根(gen)據(ju)需要(yao)加裝(zhuang)顯示模(mo)塊(kuai)(kuai)、通(tong)信(xin)模(mo)塊(kuai)(kuai)以(yi)及(ji)各種檢測模(mo)塊(kuai)(kuai),以(yi)擴大智能(neng)(neng)(neng)(neng)操(cao)作(zuo)斷路(lu)器(qi)(qi)的(de)智能(neng)(neng)(neng)(neng)化功能(neng)(neng)(neng)(neng)。


芯片(pian)簡介


ACM32F0X0 系(xi)列是一款(kuan)支持(chi)(chi)多(duo)(duo)種低功耗(hao)模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度(du)ADC以(yi)及比較器、運(yun)放(fang)、觸控(kong)按鍵(jian)控(kong)制器、段式LCD控(kong)制器,內置高性(xing)能定時器、多(duo)(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設(she),內建AES、TRNG等信息安全模塊,支持(chi)(chi)多(duo)(duo)種低功耗(hao)模式,具有(you)高整合度(du)、高抗干擾、高可靠性(xing)的特點。


設計方(fang)案


本文描述的(de)智能斷路器方案,基于(yu)上海航芯ACM32F070系列的(de)MCU進(jin)行設計,整體的(de)方案框圖如下所示:



圖 | 基于ACM32F070智能斷路器設計方(fang)案(an)框圖


本次(ci)設計方案的智能斷路(lu)(lu)器主要(yao)是(shi)以 ACM32F070單片機(ji)作為(wei)主處(chu)理(li)芯片,并使用外部相關部件組成整個控制系統。單片機(ji)上電(dian)以后,用互(hu)感器不斷采(cai)集各(ge)路(lu)(lu)的電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)(liu)信號(hao)(hao),并轉(zhuan)換為(wei)單片機(ji)能夠(gou)接(jie)受的 0-3.3V 電(dian)壓(ya)信號(hao)(hao)(數字信號(hao)(hao)的分(fen)辨率由 ADC 模塊的位(wei)數決定,一般(ban)為(wei) 12 或 16 位(wei)),之(zhi)后通過(guo) ADC 接(jie)口接(jie)入 MCU,經過(guo)計算分(fen)析,并對閾值進(jin)行比較(jiao),得出是(shi)否觸發分(fen)合(he)閘(zha)的指令。在此過(guo)程中(zhong),MCU 發送數據到屏幕上,屏幕上可實(shi)時顯(xian)(xian)示(shi)電(dian)壓(ya)、電(dian)流(liu)(liu)、時間等參數,這些參數可以向操作者直(zhi)觀的顯(xian)(xian)示(shi)各(ge)種(zhong)需(xu)要(yao)的信息,從而達(da)到了人機(ji)交互(hu)的目的。


01. 數據采集


電(dian)(dian)流(liu)信(xin)號采(cai)(cai)集首(shou)先采(cai)(cai)集的(de)是工(gong)頻(pin)的(de)大電(dian)(dian)流(liu),通過(guo)(guo)(guo)互感器輸(shu)出一個(ge)小電(dian)(dian)流(liu),通過(guo)(guo)(guo)采(cai)(cai)樣電(dian)(dian)阻得到(dao)相應的(de)輸(shu)出電(dian)(dian)壓范圍(wei),考(kao)慮到(dao)到(dao)電(dian)(dian)流(liu)采(cai)(cai)集過(guo)(guo)(guo)程中不僅(jin)要保留正半周(zhou)的(de)信(xin)號,也要保留負半周(zhou)的(de)信(xin)號,而 ACM32F070 能夠處理(li)的(de)是 0-3.3V 的(de)信(xin)號,因此(ci)要加(jia)入其(qi)它元器件,除了增加(jia) RC 濾波(bo)電(dian)(dian)路,還要增加(jia)運算(suan)放(fang)大器。電(dian)(dian)壓信(xin)號與電(dian)(dian)流(liu)信(xin)號的(de)采(cai)(cai)集方法基(ji)本相同。


02. 智能識別


ACM32F070主控芯片(pian)有一個(ge)高精(jing)度ADC,ADC支持單端信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)(huan)和差分信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)(huan),多達21個(ge)通(tong)(tong)道,電流互感器接收(shou)到的(de)電流和電壓信(xin)號(hao),先經過運(yun)算(suan)放大器處理(li)后再通(tong)(tong)過 ADC 模(mo)(mo)數轉(zhuan)換(huan)(huan),將采集的(de)模(mo)(mo)擬量按照比(bi)例轉(zhuan)化為數字量,供(gong)單片(pian)機計(ji)算(suan)處理(li),經過計(ji)算(suan)分析,并(bing)對閾值(zhi)進(jin)行比(bi)較(jiao),得(de)出(chu)是否觸發開關MOS管的(de)指令。


03. 顯示模塊


智能(neng)(neng)斷路(lu)器的(de)顯(xian)示(shi)(shi)屏主(zhu)要(yao)起到人機交互(hu)的(de)作(zuo)用,可以(yi)顯(xian)示(shi)(shi)當前電(dian)路(lu)的(de)電(dian)壓電(dian)流(liu)、 時間、功(gong)率、功(gong)率因(yin)數(shu)等實時參數(shu)。現場操作(zuo)人員能(neng)(neng)夠根據觀察(cha)到的(de)各種運(yun)行信息來 進(jin)行監(jian)控(kong)并清(qing)除故(gu)障,ACM32F0X0芯片內(nei)部集成一款(kuan)適用于單色無源液(ye)晶顯(xian)示(shi)(shi)器(LCD)的(de)數(shu)字控(kong)制器/驅動(dong)器,可以(yi)更(geng)方(fang)便驅動(dong)智能(neng)(neng)斷路(lu)器的(de)顯(xian)示(shi)(shi)屏。


04. 供電電路


通過AC/DC轉(zhuan)(zhuan)換電(dian)(dian)(dian)(dian)路將外部220V電(dian)(dian)(dian)(dian)源轉(zhuan)(zhuan)換為(wei)3.3V電(dian)(dian)(dian)(dian)源供電(dian)(dian)(dian)(dian),還有一個紐扣(kou)電(dian)(dian)(dian)(dian)池作(zuo)為(wei)備用電(dian)(dian)(dian)(dian)源,AC/DC轉(zhuan)(zhuan)換電(dian)(dian)(dian)(dian)路如下圖所示:




軟件(jian)設計(ji)


智能斷(duan)路器軟(ruan)件(jian)部分包括多個子系(xi)統(tong),組成整(zheng)個系(xi)統(tong),比如有(you) ADC 轉(zhuan)換、液晶(jing)顯示(shi)、模擬(ni)看門狗檢測、定時和(he)中(zhong)斷(duan)等多個部分。首先初始化系(xi)統(tong)時鐘、ADC、LCD、定時器、模擬(ni)看門狗等,之后驅動MOS管,通(tong)過ADC連(lian)續采樣(yang),將(jiang)(jiang)采樣(yang)數據(ju)通(tong)過DMA存儲到(dao)(dao)BUFFER,然后傳輸(shu)到(dao)(dao)LCD顯示(shi)屏實時顯示(shi),同時將(jiang)(jiang)采樣(yang)數據(ju)與設置的電(dian)流閾值作比較(jiao),一旦過流將(jiang)(jiang)產生模擬(ni)看門狗中(zhong)斷(duan),在中(zhong)斷(duan)里關閉MOS管以此起到(dao)(dao)過流保護作用。軟(ruan)件(jian)流程圖如下所示(shi):




結語  


智(zhi)(zhi)能(neng)斷(duan)路(lu)器目前在工(gong)(gong)業與民(min)用市場有(you)著廣(guang)泛的前景(jing),隨(sui)著芯片(pian)技(ji)術和軟(ruan)件技(ji)術的進(jin)步,使得電(dian)氣(qi)科研(yan)人員可(ke)以更好地去(qu)研(yan)究智(zhi)(zhi)能(neng)斷(duan)路(lu)器的控制技(ji)術。本(ben)文提出的設計方案的主旨也就(jiu)是將斷(duan)路(lu)器智(zhi)(zhi)能(neng)化,采(cai)用智(zhi)(zhi)能(neng)斷(duan)路(lu)器技(ji)術后(hou),對(dui)于非故障(zhang)性的操作,斷(duan)路(lu)器都(dou)可(ke)以在較低的速度下斷(duan)開(kai),減少斷(duan)路(lu)器斷(duan)開(kai)時的沖擊力和機械(xie)磨(mo)損,從而提高斷(duan)路(lu)器的使用壽命,在工(gong)(gong)程上達到(dao)較好的經濟(ji)效益和社會效益。