專(zhuān)為智能設備安全打造 | 基于A(yíng)CM32 MCU的智能斷路器方案

隨著(zhù)我國電網(wǎng)建設的快速發(fā)展，數字化變電站成為建設和研究的熱點(diǎn)，數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(luò )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(shí)現有十分重要的意義，斷路器智能化在于運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監測、通斷精確、智能控制和信息傳遞網(wǎng)絡(luò )化等。隨著(zhù)電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論的廣泛應用，計算機與網(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A(yíng)CM32F070的智能斷路器方案，有效實(shí)現電路的智能化控制，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(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統。其主要特點(diǎn)是由電力電了技術(shù)、數字化控制裝置組成執行單元，代替常規機械結構的輔助開(kāi)關(guān)和輔助繼電器。新型傳感器與數字化控制裝置相配合，獨立采集運行數據，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(shí)現電子操動(dòng)，變機械儲能為電容儲能，變機械傳動(dòng)為變頻器經(jīng)電機直接驅動(dòng)，機械系統可靠性提高。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(xiàn)劃分比較模糊，一般將3kV以上的稱(chēng)為高壓電器。

圖 | 智能斷路器

低壓斷路器又稱(chēng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，它是一種既有手動(dòng)開(kāi)關(guān)作用，又能自動(dòng)進(jìn)行失壓、欠壓、過(guò)載、和短路保護的電器。它可用來(lái)分配電能，不頻繁地啟動(dòng)異步電動(dòng)機，對電源線(xiàn)路及電動(dòng)機等實(shí)行保護，當它們發(fā)生嚴重的過(guò)載或者短路及欠壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電路，其功能相當于熔斷器式開(kāi)關(guān)與過(guò)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(chēng)高壓開(kāi)關(guān)）是變電所主要的電力控制設備，具有滅弧特性，當系統正常運行時(shí)，它能切斷和接通線(xiàn)路及各種電氣設備的空載和負載電流；當系統發(fā)生故障時(shí)，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的安全運行。

智能斷路器原理

智能斷路器由數據采集、智能識別和調節裝置3個(gè)基本模塊構成，智能識別模塊是智能控制單元的核心，由微處理器構成的微機控制系統，能根據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)，根據對斷路器仿真分析的結果決定出合適的分合閘運動(dòng)特性，并對執行機構發(fā)出調節信息，待調節完成后再發(fā)出分合閘信號；數據采集模塊主要由新型傳感器組成，隨時(shí)把電網(wǎng)的數據以數字信號的形式提供給智能識別模塊，以進(jìn)行處理分析；調節裝置由能接收定量控制信息的部件和驅動(dòng)執行器組成，用來(lái)調整操動(dòng)機構的參數，以便改變每次操作時(shí)的運動(dòng)特性。此外，還可根據需要加裝顯示模塊、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(jiǎn)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，內置高性能定時(shí)器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等豐富的通訊外設，內建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(jìn)行設計，整體的方案框圖如下所示：

圖 | 基于A(yíng)CM32F070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(guān)部件組成整個(gè)控制系統。單片機上電以后，用互感器不斷采集各路的電壓電流信號，并轉換為單片機能夠接受的 0-3.3V 電壓信號（數字信號的分辨率由 ADC 模塊的位數決定，一般為 12 或 16 位），之后通過(guò) ADC 接口接入 MCU，經(jīng)過(guò)計算分析，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(guò)程中，MCU 發(fā)送數據到屏幕上，屏幕上可實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、時(shí)間等參數，這些參數可以向操作者直觀(guān)的顯示各種需要的信息，從而達到了人機交互的目的。

01. 數據采集

電流信號采集首先采集的是工頻的大電流，通過(guò)互感器輸出一個(gè)小電流，通過(guò)采樣電阻得到相應的輸出電壓范圍，考慮到到電流采集過(guò)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(gè)高精度ADC，ADC支持單端信號轉換和差分信號轉換，多達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(guò)運算放大器處理后再通過(guò) ADC 模數轉換，將采集的模擬量按照比例轉化為數字量，供單片機計算處理，經(jīng)過(guò)計算分析，并對閾值進(jìn)行比較，得出是否觸發(fā)開(kāi)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交互的作用，可以顯示當前電路的電壓電流、 時(shí)間、功率、功率因數等實(shí)時(shí)參數?，F場(chǎng)操作人員能夠根據觀(guān)察到的各種運行信息來(lái) 進(jìn)行監控并清除故障，ACM32F0X0芯片內部集成一款適用于單色無(wú)源液晶顯示器（LCD）的數字控制器/驅動(dòng)器，可以更方便驅動(dòng)智能斷路器的顯示屏。

04. 供電電路

通過(guò)AC/DC轉換電路將外部220V電源轉換為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(gè)子系統，組成整個(gè)系統，比如有 ADC 轉換、液晶顯示、模擬看門(mén)狗檢測、定時(shí)和中斷等多個(gè)部分。首先初始化系統時(shí)鐘、ADC、LCD、定時(shí)器、模擬看門(mén)狗等，之后驅動(dòng)MOS管，通過(guò)ADC連續采樣，將采樣數據通過(guò)DMA存儲到BUFFER，然后傳輸到LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將采樣數據與設置的電流閾值作比較，一旦過(guò)流將產(chǎn)生模擬看門(mén)狗中斷，在中斷里關(guān)閉MOS管以此起到過(guò)流保護作用。軟件流程圖如下所示：

結語(yǔ)  

智能斷路器目前在工業(yè)與民用市場(chǎng)有著(zhù)廣泛的前景，隨著(zhù)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(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(kāi)，減少斷路器斷開(kāi)時(shí)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(huì )效益。