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专为智能设备安全打造 | 基于ACM32 MCU的智能断路器方案


随着我国电网建设的快速发展，数字化变电站成为建设和研究的热点，数字化变电站的核心在于一次设备的智能化与二次设备的网络化，对于断路器这种极其重要的电力一次设备而言，其智能化的实现有十分重要的意义，断路器智能化在于运行状态实时监测、通断精确、智能控制和信息传递网络化等。随着电力电子技术和自动控制理论的广泛应用，计算机与网络通信技术的飞速发展，以及对传感器技术和人工智能的深入研究和综合应用，智能断路器的功能得到了极大的扩展和完善。


本文将介绍基于ACM32F070的智能断路器方案，有效实现电路的智能化控制，让用电更安全更智能。


智能断路器概述


智能断路器是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二次系统。其主要特点是由电力电了技术、数字化控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器。新型传感器与数字化控制装置相配合，独立采集运行数据，可检测设备缺陷和故障，在缺陷变为故障前发出报警信号，以便采取措施避免事故发生。智能断路器实现电子操动，变机械储能为电容储能，变机械传动为变频器经电机直接驱动，机械系统可靠性提高。断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。



图 | 智能断路器


低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，己获得了广泛的应用。


高压断路器（或称高压开关）是变电所主要的电力控制设备，具有灭弧特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。因此，高压断路器工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。


智能断路器原理


智能断路器由数据采集、智能识别和调节装置3个基本模块构成，智能识别模块是智能控制单元的核心，由微处理器构成的微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动地识别操作时断路器所处的电网工作状态，根据对断路器仿真分析的结果决定出合适的分合闸运动特性，并对执行机构发出调节信息，待调节完成后再发出分合闸信号；数据采集模块主要由新型传感器组成，随时把电网的数据以数字信号的形式提供给智能识别模块，以进行处理分析；调节装置由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，用来调整操动机构的参数，以便改变每次操作时的运动特性。此外，还可根据需要加装显示模块、通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路器的智能化功能。


芯片简介


ACM32F0X0 系列是一款支持多种低功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比较器、运放、触控按键控制器、段式LCD控制器，内置高性能定时器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等丰富的通讯外设，内建AES、TRNG等信息安全模块，支持多种低功耗模式，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性的特点。


设计方案


本文描述的智能断路器方案，基于上海航芯ACM32F070系列的MCU进行设计，整体的方案框图如下所示：



图 | 基于ACM32F070智能断路器设计方案框图


本次设计方案的智能断路器主要是以 ACM32F070单片机作为主处理芯片，并使用外部相关部件组成整个控制系统。单片机上电以后，用互感器不断采集各路的电压电流信号，并转换为单片机能够接受的 0-3.3V 电压信号（数字信号的分辨率由 ADC 模块的位数决定，一般为 12 或 16 位），之后通过 ADC 接口接入 MCU，经过计算分析，并对阈值进行比较，得出是否触发分合闸的指令。在此过程中，MCU 发送数据到屏幕上，屏幕上可实时显示电压、电流、时间等参数，这些参数可以向操作者直观的显示各种需要的信息，从而达到了人机交互的目的。


01. 数据采集


电流信号采集首先采集的是工频的大电流，通过互感器输出一个小电流，通过采样电阻得到相应的输出电压范围，考虑到到电流采集过程中不仅要保留正半周的信号，也要保留负半周的信号，而 ACM32F070 能够处理的是 0-3.3V 的信号，因此要加入其它元器件，除了增加 RC 滤波电路，还要增加运算放大器。电压信号与电流信号的采集方法基本相同。


02. 智能识别


ACM32F070主控芯片有一个高精度ADC，ADC支持单端信号转换和差分信号转换，多达21个通道，电流互感器接收到的电流和电压信号，先经过运算放大器处理后再通过 ADC 模数转换，将采集的模拟量按照比例转化为数字量，供单片机计算处理，经过计算分析，并对阈值进行比较，得出是否触发开关MOS管的指令。


03. 显示模块


智能断路器的显示屏主要起到人机交互的作用，可以显示当前电路的电压电流、 时间、功率、功率因数等实时参数。现场操作人员能够根据观察到的各种运行信息来 进行监控并清除故障，ACM32F0X0芯片内部集成一款适用于单色无源液晶显示器（LCD）的数字控制器/驱动器，可以更方便驱动智能断路器的显示屏。


04. 供电电路


通过AC/DC转换电路将外部220V电源转换为3.3V电源供电，还有一个纽扣电池作为备用电源，AC/DC转换电路如下图所示：




软件设计


智能断路器软件部分包括多个子系统，组成整个系统，比如有 ADC 转换、液晶显示、模拟看门狗检测、定时和中断等多个部分。首先初始化系统时钟、ADC、LCD、定时器、模拟看门狗等，之后驱动MOS管，通过ADC连续采样，将采样数据通过DMA存储到BUFFER，然后传输到LCD显示屏实时显示，同时将采样数据与设置的电流阈值作比较，一旦过流将产生模拟看门狗中断，在中断里关闭MOS管以此起到过流保护作用。软件流程图如下所示：




结语  


智能断路器目前在工业与民用市场有着广泛的前景，随着芯片技术和软件技术的进步，使得电气科研人员可以更好地去研究智能断路器的控制技术。本文提出的设计方案的主旨也就是将断路器智能化，采用智能断路器技术后，对于非故障性的操作，断路器都可以在较低的速度下断开，减少断路器断开时的冲击力和机械磨损，从而提高断路器的使用寿命，在工程上达到较好的经济效益和社会效益。