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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。