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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)機械結構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(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果決定出合適的分合閘運動特性,，并對執(zhí)行機構發(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動執(zhí)行器組成,，用來調(diào)整操動機構的參數(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支持單端信號轉換和差分信號轉換,，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)轉換,，將采集的模擬量按照比例轉化為數(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/驅動器,，可以更方便驅動智能斷路器的顯示屏。
04. 供電電路
通過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子系統(tǒng)，組成整個系統(tǒng),，比如有 ADC 轉換,、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,。
