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專為智能設(shè)備安全打造 | 基于ACM32 MCU的智能斷路器方案
隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，數(shù)字化變電站成為建設(shè)和研究的熱點(diǎn)，數(shù)字化變電站的核心在于一次設(shè)備的智能化與二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，對于斷路器這種極其重要的電力一次設(shè)備而言，其智能化的實(shí)現(xiàn)有十分重要的意義，斷路器智能化在于運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、通斷精確、智能控制和信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化等。隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對傳感器技術(shù)和人工智能的深入研究和綜合應(yīng)用，智能斷路器的功能得到了極大的擴(kuò)展和完善。
本文將介紹基于ACM32F070的智能斷路器方案，有效實(shí)現(xiàn)電路的智能化控制，讓用電更安全更智能。
智能斷路器概述
智能斷路器是用微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是由電力電了技術(shù)、數(shù)字化控制裝置組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器。新型傳感器與數(shù)字化控制裝置相配合，獨(dú)立采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，可檢測設(shè)備缺陷和故障，在缺陷變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出報(bào)警信號，以便采取措施避免事故發(fā)生。智能斷路器實(shí)現(xiàn)電子操動(dòng)，變機(jī)械儲能為電容儲能，變機(jī)械傳動(dòng)為變頻器經(jīng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，機(jī)械系統(tǒng)可靠性提高。斷路器按其使用范圍分為高壓斷路器和低壓斷路器，高低壓界線劃分比較模糊，一般將3kV以上的稱為高壓電器。
圖 | 智能斷路器
低壓斷路器又稱自動(dòng)開關(guān)，它是一種既有手動(dòng)開關(guān)作用，又能自動(dòng)進(jìn)行失壓、欠壓、過載、和短路保護(hù)的電器。它可用來分配電能，不頻繁地啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，對電源線路及電動(dòng)機(jī)等實(shí)行保護(hù)，當(dāng)它們發(fā)生嚴(yán)重的過載或者短路及欠壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電路，其功能相當(dāng)于熔斷器式開關(guān)與過欠熱繼電器等的組合。而且在分?jǐn)喙收想娏骱笠话悴恍枰兏悴考韩@得了廣泛的應(yīng)用。
高壓斷路器（或稱高壓開關(guān)）是變電所主要的電力控制設(shè)備，具有滅弧特性，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，它能切斷和接通線路及各種電氣設(shè)備的空載和負(fù)載電流；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它和繼電保護(hù)配合，能迅速切斷故障電流，以防止擴(kuò)大事故范圍。因此，高壓斷路器工作的好壞，直接影響到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
智能斷路器原理
智能斷路器由數(shù)據(jù)采集、智能識別和調(diào)節(jié)裝置3個(gè)基本模塊構(gòu)成，智能識別模塊是智能控制單元的核心，由微處理器構(gòu)成的微機(jī)控制系統(tǒng)，能根據(jù)操作前所采集到的電網(wǎng)信息和主控制室發(fā)出的操作信號，自動(dòng)地識別操作時(shí)斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài)，根據(jù)對斷路器仿真分析的結(jié)果決定出合適的分合閘運(yùn)動(dòng)特性，并對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)節(jié)信息，待調(diào)節(jié)完成后再發(fā)出分合閘信號；數(shù)據(jù)采集模塊主要由新型傳感器組成，隨時(shí)把電網(wǎng)的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式提供給智能識別模塊，以進(jìn)行處理分析；調(diào)節(jié)裝置由能接收定量控制信息的部件和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器組成，用來調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)，以便改變每次操作時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性。此外，還可根據(jù)需要加裝顯示模塊、通信模塊以及各種檢測模塊，以擴(kuò)大智能操作斷路器的智能化功能。
芯片簡介
ACM32F0X0 系列是一款支持多種低功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比較器、運(yùn)放、觸控按鍵控制器、段式LCD控制器，內(nèi)置高性能定時(shí)器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設(shè)，內(nèi)建AES、TRNG等信息安全模塊，支持多種低功耗模式，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點(diǎn)。
設(shè)計(jì)方案
本文描述的智能斷路器方案，基于上海航芯ACM32F070系列的MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體的方案框圖如下所示：
圖 | 基于ACM32F070智能斷路器設(shè)計(jì)方案框圖
本次設(shè)計(jì)方案的智能斷路器主要是以 ACM32F070單片機(jī)作為主處理芯片，并使用外部相關(guān)部件組成整個(gè)控制系統(tǒng)。單片機(jī)上電以后，用互感器不斷采集各路的電壓電流信號，并轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠接受的 0-3.3V 電壓信號（數(shù)字信號的分辨率由 ADC 模塊的位數(shù)決定，一般為 12 或 16 位），之后通過 ADC 接口接入 MCU，經(jīng)過計(jì)算分析，并對閾值進(jìn)行比較，得出是否觸發(fā)分合閘的指令。在此過程中，MCU 發(fā)送數(shù)據(jù)到屏幕上，屏幕上可實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)，這些參數(shù)可以向操作者直觀的顯示各種需要的信息，從而達(dá)到了人機(jī)交互的目的。
01. 數(shù)據(jù)采集
電流信號采集首先采集的是工頻的大電流，通過互感器輸出一個(gè)小電流，通過采樣電阻得到相應(yīng)的輸出電壓范圍，考慮到到電流采集過程中不僅要保留正半周的信號，也要保留負(fù)半周的信號，而 ACM32F070 能夠處理的是 0-3.3V 的信號，因此要加入其它元器件，除了增加 RC 濾波電路，還要增加運(yùn)算放大器。電壓信號與電流信號的采集方法基本相同。
02. 智能識別
ACM32F070主控芯片有一個(gè)高精度ADC，ADC支持單端信號轉(zhuǎn)換和差分信號轉(zhuǎn)換，多達(dá)21個(gè)通道，電流互感器接收到的電流和電壓信號，先經(jīng)過運(yùn)算放大器處理后再通過 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集的模擬量按照比例轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，供單片機(jī)計(jì)算處理，經(jīng)過計(jì)算分析，并對閾值進(jìn)行比較，得出是否觸發(fā)開關(guān)MOS管的指令。
03. 顯示模塊
智能斷路器的顯示屏主要起到人機(jī)交互的作用，可以顯示當(dāng)前電路的電壓電流、 時(shí)間、功率、功率因數(shù)等實(shí)時(shí)參數(shù)。現(xiàn)場操作人員能夠根據(jù)觀察到的各種運(yùn)行信息來 進(jìn)行監(jiān)控并清除故障，ACM32F0X0芯片內(nèi)部集成一款適用于單色無源液晶顯示器（LCD）的數(shù)字控制器/驅(qū)動(dòng)器，可以更方便驅(qū)動(dòng)智能斷路器的顯示屏。
04. 供電電路
通過AC/DC轉(zhuǎn)換電路將外部220V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源供電，還有一個(gè)紐扣電池作為備用電源，AC/DC轉(zhuǎn)換電路如下圖所示：
軟件設(shè)計(jì)
智能斷路器軟件部分包括多個(gè)子系統(tǒng)，組成整個(gè)系統(tǒng)，比如有 ADC 轉(zhuǎn)換、液晶顯示、模擬看門狗檢測、定時(shí)和中斷等多個(gè)部分。首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、ADC、LCD、定時(shí)器、模擬看門狗等，之后驅(qū)動(dòng)MOS管，通過ADC連續(xù)采樣，將采樣數(shù)據(jù)通過DMA存儲到BUFFER，然后傳輸?shù)絃CD顯示屏實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將采樣數(shù)據(jù)與設(shè)置的電流閾值作比較，一旦過流將產(chǎn)生模擬看門狗中斷，在中斷里關(guān)閉MOS管以此起到過流保護(hù)作用。軟件流程圖如下所示：
結(jié)語
智能斷路器目前在工業(yè)與民用市場有著廣泛的前景，隨著芯片技術(shù)和軟件技術(shù)的進(jìn)步，使得電氣科研人員可以更好地去研究智能斷路器的控制技術(shù)。本文提出的設(shè)計(jì)方案的主旨也就是將斷路器智能化，采用智能斷路器技術(shù)后，對于非故障性的操作，斷路器都可以在較低的速度下斷開，減少斷路器斷開時(shí)的沖擊力和機(jī)械磨損，從而提高斷路器的使用壽命，在工程上達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
