專為智能設備安全打造 | 基于ACM32 MCU的智能斷路器方案

隨著我國電網(wǎng)建設的快速發(fā)展，數(shù)字化變電站成為建設和研究的熱點，數(shù)字化變電站的核心在于一次設備的智能化與二次設備的網(wǎng)絡化，對于斷路器這種極其重要的電力一次設備而言，其智能化的實現(xiàn)有十分重要的意義，斷路器智能化在于運行狀態(tài)實時監(jiān)測、通斷精確、智能控制和信息傳遞網(wǎng)絡化等。隨著電力電子技術和自動控制理論的廣泛應用，計算機與網(wǎng)絡通信技術的飛速發(fā)展，以及對傳感器技術和人工智能的深入研究和綜合應用，智能斷路器的功能得到了極大的擴展和完善。

本文將介紹基于ACM32F070的智能斷路器方案，有效實現(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、計算機技術和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)。其主要特點是由電力電了技術、數(shù)字化控制裝置組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機械結(jié)構(gòu)的輔助開關和輔助繼電器。新型傳感器與數(shù)字化控制裝置相配合，獨立采集運行數(shù)據(jù)，可檢測設備缺陷和故障，在缺陷變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出報警信號，以便采取措施避免事故發(fā)生。智能斷路器實現(xiàn)電子操動，變機械儲能為電容儲能，變機械傳動為變頻器經(jīng)電機直接驅(qū)動，機械系統(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開關，它是一種既有手動開關作用，又能自動進行失壓、欠壓、過載、和短路保護的電器。它可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護，當它們發(fā)生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路，其功能相當于熔斷器式開關與過欠熱繼電器等的組合。而且在分斷故障電流后一般不需要變更零部件，己獲得了廣泛的應用。

高壓斷路器（或稱高壓開關）是變電所主要的電力控制設備，具有滅弧特性，當系統(tǒng)正常運行時，它能切斷和接通線路及各種電氣設備的空載和負載電流；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，它和繼電保護配合，能迅速切斷故障電流，以防止擴大事故范圍。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，自動地識別操作時斷路器所處的電網(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動特性，并對執(zhí)行機構(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)動執(zhí)行器組成，用來調(diào)整操動機構(gòu)的參數(shù)，以便改變每次操作時的運動特性。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、運放、觸控按鍵控制器、段式LCD控制器，內(nèi)置高性能定時器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設，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。

設計方案

本文描述的智能斷路器方案，基于上海航芯ACM32F070系列的MCU進行設計，整體的方案框圖如下所示：

圖 | 基于ACM32F070智能斷路器設計方案框圖

本次設計方案的智能斷路器主要是以 ACM32F070單片機作為主處理芯片，并使用外部相關部件組成整個控制系統(tǒng)。單片機上電以后，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)過計算分析，并對閾值進行比較，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，屏幕上可實時顯示電壓、電流、時間等參數(shù)，這些參數(shù)可以向操作者直觀的顯示各種需要的信息，從而達到了人機交互的目的。

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小電流，通過采樣電阻得到相應的輸出電壓范圍，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主控芯片有一個高精度ADC，ADC支持單端信號轉(zhuǎn)換和差分信號轉(zhuǎn)換，多達21個通道，電流互感器接收到的電流和電壓信號，先經(jīng)過運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，供單片機計算處理，經(jīng)過計算分析，并對閾值進行比較，得出是否觸發(fā)開關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交互的作用，可以顯示當前電路的電壓電流、 時間、功率、功率因數(shù)等實時參數(shù)。現(xiàn)場操作人員能夠根據(jù)觀察到的各種運行信息來 進行監(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)動器，可以更方便驅(qū)動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：

軟件設計

智能斷路器軟件部分包括多個子系統(tǒng)，組成整個系統(tǒng)，比如有 ADC 轉(zhuǎn)換、液晶顯示、模擬看門狗檢測、定時和中斷等多個部分。首先初始化系統(tǒng)時鐘、ADC、LCD、定時器、模擬看門狗等，之后驅(qū)動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顯示屏實時顯示，同時將采樣數(shù)據(jù)與設置的電流閾值作比較，一旦過流將產(chǎn)生模擬看門狗中斷，在中斷里關閉MOS管以此起到過流保護作用。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，隨著芯片技術和軟件技術的進步，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。本文提出的設計方案的主旨也就是將斷路器智能化，采用智能斷路器技術后，對于非故障性的操作，斷路器都可以在較低的速度下斷開，減少斷路器斷開時的沖擊力和機械磨損，從而提高斷路器的使用壽命，在工程上達到較好的經(jīng)濟效益和社會效益。