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專(zhuan)為智能設備安(an)全打造(zao) | 基于ACM32 MCU的智能斷(duan)路(lu)器(qi)方案

隨著我國(guo)電網(wang)建(jian)設(she)的(de)快速發展(zhan)，數(shu)字(zi)化變(bian)電站成為建(jian)設(she)和(he)(he)研究的(de)熱(re)點，數(shu)字(zi)化變(bian)電站的(de)核心在于一(yi)次(ci)設(she)備(bei)的(de)智(zhi)能(neng)化與(yu)二次(ci)設(she)備(bei)的(de)網(wang)絡化，對于斷(duan)(duan)(duan)路(lu)器這種極其重(zhong)要(yao)的(de)電力(li)一(yi)次(ci)設(she)備(bei)而言(yan)，其智(zhi)能(neng)化的(de)實現有十分重(zhong)要(yao)的(de)意義，斷(duan)(duan)(duan)路(lu)器智(zhi)能(neng)化在于運行狀態實時監測、通斷(duan)(duan)(duan)精(jing)確(que)、智(zhi)能(neng)控制和(he)(he)信(xin)息傳遞網(wang)絡化等(deng)。隨著電力(li)電子技術和(he)(he)自動(dong)控制理(li)論的(de)廣泛應用，計算機與(yu)網(wang)絡通信(xin)技術的(de)飛速發展(zhan)，以及(ji)對傳感器技術和(he)(he)人工智(zhi)能(neng)的(de)深入研究和(he)(he)綜(zong)合(he)應用，智(zhi)能(neng)斷(duan)(duan)(duan)路(lu)器的(de)功能(neng)得到了極大的(de)擴展(zhan)和(he)(he)完善。

本文(wen)將介紹(shao)基于ACM32F070的(de)智(zhi)能(neng)斷路(lu)器方(fang)案(an)，有效實現電路(lu)的(de)智(zhi)能(neng)化控制，讓用電更(geng)安(an)全更(geng)智(zhi)能(neng)。

智能斷路(lu)器概述

智能斷路(lu)(lu)器(qi)是用微(wei)電子、計算機(ji)(ji)(ji)技(ji)術和(he)新型(xing)傳感器(qi)建立新的斷路(lu)(lu)器(qi)二(er)次系統。其主要特點是由(you)電力(li)電了技(ji)術、數字化控制裝置(zhi)(zhi)組成(cheng)執行單(dan)元(yuan)，代替常規機(ji)(ji)(ji)械(xie)結構的輔助(zhu)開關和(he)輔助(zhu)繼電器(qi)。新型(xing)傳感器(qi)與數字化控制裝置(zhi)(zhi)相(xiang)配合，獨立采集運(yun)行數據，可檢測設備缺陷和(he)故(gu)(gu)障，在缺陷變(bian)(bian)為(wei)(wei)(wei)故(gu)(gu)障前發(fa)出報警信號(hao)，以便(bian)采取措施(shi)避免事故(gu)(gu)發(fa)生。智能斷路(lu)(lu)器(qi)實現電子操動，變(bian)(bian)機(ji)(ji)(ji)械(xie)儲能為(wei)(wei)(wei)電容儲能，變(bian)(bian)機(ji)(ji)(ji)械(xie)傳動為(wei)(wei)(wei)變(bian)(bian)頻(pin)器(qi)經電機(ji)(ji)(ji)直(zhi)接驅(qu)動，機(ji)(ji)(ji)械(xie)系統可靠性提高(gao)。斷路(lu)(lu)器(qi)按其使用范圍分為(wei)(wei)(wei)高(gao)壓(ya)(ya)斷路(lu)(lu)器(qi)和(he)低壓(ya)(ya)斷路(lu)(lu)器(qi)，高(gao)低壓(ya)(ya)界線劃分比(bi)較模糊，一(yi)般(ban)將(jiang)3kV以上的稱為(wei)(wei)(wei)高(gao)壓(ya)(ya)電器(qi)。

圖(tu) | 智能斷(duan)路器

低壓斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)又稱自(zi)動(dong)(dong)開(kai)(kai)關，它是一種既有手動(dong)(dong)開(kai)(kai)關作用(yong)，又能(neng)(neng)(neng)自(zi)動(dong)(dong)進(jin)行(xing)失壓、欠壓、過載、和短(duan)路(lu)(lu)保護(hu)的(de)電(dian)器(qi)。它可(ke)用(yong)來分配電(dian)能(neng)(neng)(neng)，不頻(pin)繁地啟動(dong)(dong)異步(bu)電(dian)動(dong)(dong)機(ji)，對電(dian)源(yuan)線路(lu)(lu)及(ji)電(dian)動(dong)(dong)機(ji)等(deng)實行(xing)保護(hu)，當它們(men)發生嚴重的(de)過載或者短(duan)路(lu)(lu)及(ji)欠壓等(deng)故障(zhang)時(shi)能(neng)(neng)(neng)自(zi)動(dong)(dong)切(qie)斷(duan)電(dian)路(lu)(lu)，其功(gong)能(neng)(neng)(neng)相當于(yu)熔斷(duan)器(qi)式開(kai)(kai)關與過欠熱繼電(dian)器(qi)等(deng)的(de)組合。而(er)且在分斷(duan)故障(zhang)電(dian)流(liu)后一般(ban)不需(xu)要變更零部件，己獲(huo)得了(le)廣泛的(de)應用(yong)。

高壓(ya)斷路器(qi)（或稱高壓(ya)開關）是變電(dian)所主要的(de)(de)電(dian)力控制設備(bei)，具有滅弧特性，當系(xi)統(tong)正常運行時(shi)，它能切(qie)斷和(he)接通線路及(ji)各種電(dian)氣設備(bei)的(de)(de)空載(zai)和(he)負載(zai)電(dian)流；當系(xi)統(tong)發生故障(zhang)(zhang)時(shi)，它和(he)繼電(dian)保護配合，能迅速切(qie)斷故障(zhang)(zhang)電(dian)流，以防止擴大事故范圍。因(yin)此，高壓(ya)斷路器(qi)工作的(de)(de)好(hao)壞(huai)，直接影響(xiang)到電(dian)力系(xi)統(tong)的(de)(de)安(an)全運行。

智能(neng)斷(duan)路器原(yuan)理

智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)由(you)數(shu)據(ju)(ju)采集(ji)、智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)識(shi)別(bie)(bie)和(he)(he)調節裝置3個基本模塊(kuai)(kuai)(kuai)構(gou)成(cheng)，智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)識(shi)別(bie)(bie)模塊(kuai)(kuai)(kuai)是智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)控(kong)制單元的(de)(de)(de)(de)(de)(de)核心，由(you)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)(qi)構(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)機控(kong)制系統，能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)根據(ju)(ju)操(cao)(cao)作前所(suo)(suo)采集(ji)到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)網(wang)信(xin)(xin)(xin)息(xi)和(he)(he)主控(kong)制室發出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)操(cao)(cao)作信(xin)(xin)(xin)號，自(zi)動(dong)地識(shi)別(bie)(bie)操(cao)(cao)作時(shi)斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)所(suo)(suo)處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)網(wang)工作狀態，根據(ju)(ju)對斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)仿真(zhen)分(fen)析的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果決定出合適的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)合閘運(yun)動(dong)特性，并對執(zhi)行(xing)機構(gou)發出調節信(xin)(xin)(xin)息(xi)，待調節完(wan)成(cheng)后再發出分(fen)合閘信(xin)(xin)(xin)號；數(shu)據(ju)(ju)采集(ji)模塊(kuai)(kuai)(kuai)主要(yao)由(you)新型傳(chuan)感器(qi)(qi)組成(cheng)，隨時(shi)把(ba)電(dian)網(wang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)以(yi)(yi)(yi)數(shu)字(zi)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形式提供給(gei)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)識(shi)別(bie)(bie)模塊(kuai)(kuai)(kuai)，以(yi)(yi)(yi)進行(xing)處(chu)理(li)分(fen)析；調節裝置由(you)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)接收定量控(kong)制信(xin)(xin)(xin)息(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)件和(he)(he)驅(qu)動(dong)執(zhi)行(xing)器(qi)(qi)組成(cheng)，用來調整操(cao)(cao)動(dong)機構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)參(can)數(shu)，以(yi)(yi)(yi)便改變每(mei)次操(cao)(cao)作時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)特性。此外(wai)，還可根據(ju)(ju)需(xu)要(yao)加裝顯示模塊(kuai)(kuai)(kuai)、通(tong)信(xin)(xin)(xin)模塊(kuai)(kuai)(kuai)以(yi)(yi)(yi)及各種(zhong)檢測模塊(kuai)(kuai)(kuai)，以(yi)(yi)(yi)擴大(da)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)操(cao)(cao)作斷(duan)(duan)路器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)化(hua)功能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)。

芯片簡介

ACM32F0X0 系列是一款支(zhi)持多(duo)種低功耗模(mo)(mo)(mo)式的通用(yong)MCU。集成12位1.6 Msps高(gao)(gao)精度(du)(du)ADC以(yi)及比較器、運放(fang)、觸控(kong)按(an)鍵控(kong)制器、段式LCD控(kong)制器，內置(zhi)高(gao)(gao)性能定時器、多(duo)路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設，內建AES、TRNG等信(xin)息安全(quan)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)，支(zhi)持多(duo)種低功耗模(mo)(mo)(mo)式，具有高(gao)(gao)整合度(du)(du)、高(gao)(gao)抗干擾、高(gao)(gao)可靠性的特點。

設計(ji)方案

本文描述的智(zhi)能斷路器方案(an)，基于上海(hai)航芯(xin)ACM32F070系(xi)列(lie)的MCU進行(xing)設(she)計，整體(ti)的方案(an)框圖如下所(suo)示：

圖 | 基于ACM32F070智能斷(duan)路器設(she)計方(fang)案框(kuang)圖

本次設計(ji)方案的智(zhi)能斷(duan)路(lu)器(qi)主要(yao)是以(yi) ACM32F070單片(pian)(pian)機(ji)作(zuo)為主處(chu)理芯片(pian)(pian)，并使用外部相關(guan)部件組成整(zheng)個控(kong)制系統。單片(pian)(pian)機(ji)上電(dian)以(yi)后(hou)，用互感(gan)器(qi)不斷(duan)采集(ji)各路(lu)的電(dian)壓(ya)電(dian)流信(xin)號，并轉換為單片(pian)(pian)機(ji)能夠接受的 0-3.3V 電(dian)壓(ya)信(xin)號（數(shu)(shu)字(zi)信(xin)號的分辨率(lv)由 ADC 模塊的位數(shu)(shu)決定，一般為 12 或 16 位），之后(hou)通(tong)過 ADC 接口接入 MCU，經過計(ji)算分析，并對閾(yu)值進(jin)行(xing)比較，得出是否觸發分合閘的指令。在(zai)此過程(cheng)中，MCU 發送數(shu)(shu)據到屏幕上，屏幕上可實時顯(xian)示(shi)電(dian)壓(ya)、電(dian)流、時間(jian)等參(can)數(shu)(shu)，這些參(can)數(shu)(shu)可以(yi)向操作(zuo)者直觀的顯(xian)示(shi)各種需要(yao)的信(xin)息，從而達到了人機(ji)交互的目的。

01. 數據采(cai)集

電(dian)流(liu)信號采(cai)(cai)(cai)集(ji)首先(xian)采(cai)(cai)(cai)集(ji)的(de)(de)是工頻(pin)的(de)(de)大(da)電(dian)流(liu)，通過互感器輸出(chu)一個小電(dian)流(liu)，通過采(cai)(cai)(cai)樣(yang)電(dian)阻(zu)得到相(xiang)應的(de)(de)輸出(chu)電(dian)壓(ya)范(fan)圍，考慮到到電(dian)流(liu)采(cai)(cai)(cai)集(ji)過程中(zhong)不僅要(yao)(yao)保(bao)留(liu)正半(ban)(ban)周的(de)(de)信號，也要(yao)(yao)保(bao)留(liu)負半(ban)(ban)周的(de)(de)信號，而 ACM32F070 能夠處理的(de)(de)是 0-3.3V 的(de)(de)信號，因(yin)此要(yao)(yao)加入(ru)其它元器件(jian)，除了增加 RC 濾(lv)波電(dian)路，還要(yao)(yao)增加運(yun)算放(fang)大(da)器。電(dian)壓(ya)信號與電(dian)流(liu)信號的(de)(de)采(cai)(cai)(cai)集(ji)方法基(ji)本相(xiang)同。

02. 智能識別(bie)

ACM32F070主控芯(xin)片(pian)有一個高精度ADC，ADC支(zhi)持單端信號(hao)轉(zhuan)換(huan)和差分(fen)信號(hao)轉(zhuan)換(huan)，多達(da)21個通道，電(dian)流(liu)互(hu)感器接(jie)收到的(de)電(dian)流(liu)和電(dian)壓信號(hao)，先經過運算放大(da)器處理(li)后再通過 ADC 模數轉(zhuan)換(huan)，將(jiang)采集的(de)模擬量(liang)(liang)按照比例轉(zhuan)化為數字量(liang)(liang)，供單片(pian)機計(ji)算處理(li)，經過計(ji)算分(fen)析，并對閾值(zhi)進(jin)行比較，得出(chu)是否觸發開關(guan)MOS管的(de)指(zhi)令。

03. 顯示模塊(kuai)

智能(neng)(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)的(de)顯示屏主要起到人機(ji)交互的(de)作(zuo)用(yong)，可以(yi)顯示當前電路(lu)的(de)電壓電流、 時(shi)間、功率、功率因數等實時(shi)參數。現場操(cao)作(zuo)人員能(neng)(neng)夠根據觀察到的(de)各(ge)種(zhong)運行信息來 進行監控并清除(chu)故障，ACM32F0X0芯片內部集成一款適用(yong)于(yu)單色(se)無源液晶(jing)顯示器(qi)(qi)（LCD）的(de)數字控制器(qi)(qi)/驅動器(qi)(qi)，可以(yi)更方便驅動智能(neng)(neng)斷(duan)路(lu)器(qi)(qi)的(de)顯示屏。

04. 供電電路

通過AC/DC轉換(huan)電(dian)(dian)路(lu)(lu)將外部220V電(dian)(dian)源轉換(huan)為(wei)(wei)3.3V電(dian)(dian)源供電(dian)(dian)，還有一個紐扣(kou)電(dian)(dian)池作為(wei)(wei)備用電(dian)(dian)源，AC/DC轉換(huan)電(dian)(dian)路(lu)(lu)如下圖所示：

軟件設計

智(zhi)能斷路器(qi)軟件部分(fen)包括多個子系(xi)統(tong)，組(zu)成(cheng)整個系(xi)統(tong)，比(bi)如有 ADC 轉換、液晶顯(xian)示(shi)、模(mo)擬看(kan)門狗檢測、定時(shi)和中斷等(deng)(deng)多個部分(fen)。首先初(chu)始化(hua)系(xi)統(tong)時(shi)鐘、ADC、LCD、定時(shi)器(qi)、模(mo)擬看(kan)門狗等(deng)(deng)，之后驅動MOS管，通過ADC連(lian)續采樣，將采樣數(shu)據(ju)通過DMA存儲到(dao)BUFFER，然后傳輸到(dao)LCD顯(xian)示(shi)屏實(shi)時(shi)顯(xian)示(shi)，同時(shi)將采樣數(shu)據(ju)與設置的電流閾值作比(bi)較，一(yi)旦過流將產生(sheng)模(mo)擬看(kan)門狗中斷，在(zai)中斷里(li)關(guan)閉MOS管以此起到(dao)過流保護作用(yong)。軟件流程圖如下(xia)所示(shi)：

結語  

智能斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)目前在(zai)工業(ye)與民用(yong)市場有著(zhu)廣(guang)泛的(de)(de)前景，隨著(zhu)芯片技術(shu)(shu)和軟件(jian)技術(shu)(shu)的(de)(de)進步，使得電氣科研人員可以更好地去研究智能斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)的(de)(de)控制技術(shu)(shu)。本文提出的(de)(de)設計方案的(de)(de)主旨也就是(shi)將斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)智能化(hua)，采(cai)用(yong)智能斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)技術(shu)(shu)后，對于非故障性(xing)的(de)(de)操作(zuo)，斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)都可以在(zai)較(jiao)低的(de)(de)速(su)度下斷(duan)開，減少(shao)斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)斷(duan)開時(shi)的(de)(de)沖擊力(li)和機械磨損，從而提高斷(duan)路(lu)(lu)器(qi)的(de)(de)使用(yong)壽命(ming)，在(zai)工程上達到較(jiao)好的(de)(de)經濟效益(yi)和社會效益(yi)。