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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


        隨著我國電網建設的快速發展,數字化變電站成為建設和研究的熱點,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,其智能化的實現有十分重要的意義,斷路器智能化在于運行狀態實時監測、通斷精確、智能控制和信息傳遞網絡化等。隨著電力電子技術和自動控制理論的廣泛應用,計算機與網絡通信技術的飛速發展,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。其主要特點是由電力電了技術、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關和輔助繼電器。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,在缺陷變為故障前發出報警信號,以便采取措施避免事故發生。智能斷路器實現電子操動,變機械儲能為電容儲能,變機械傳動為變頻器經電機直接驅動,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;當系統發生故障時,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信息和主控制室發出的操作信號,自動地識別操作時斷路器所處的電網工作狀態,根據對斷路器仿真分析的結果決定出合適的分合閘運動特性,并對執行機構發出調節信息,待調節完成后再發出分合閘信號;數據采集模塊主要由新型傳感器組成,隨時把電網的數據以數字信號的形式提供給智能識別模塊,以進行處理分析;調節裝置由能接收定量控制信息的部件和驅動執行器組成,用來調整操動機構的參數,以便改變每次操作時的運動特性。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。


        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。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 ADC 接口接入 MCU,經過計算分析,并對閾值進行比較,得出是否觸發分合閘的指令。在此過程中,MCU 發送數據到屏幕上,屏幕上可實時顯示電壓、電流、時間等參數,這些參數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. 數據采集


        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,先經過運算放大器處理后再通過 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,經過計算分析,并對閾值進行比較,得出是否觸發開關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、功率因數等實時參數?,F場操作人員能夠根據觀察到的各種運行信息來 進行監控并清除故障,ACM32F0X0芯片內部集成一款適用于單色無源液晶顯示器(LCD)的數字控制器/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,組成整個系統,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。首先初始化系統時鐘、ADC、LCD、定時器、模擬看門狗等,之后驅動MOS管,通過ADC連續采樣,將采樣數據通過DMA存儲到BUFFER,然后傳輸到LCD顯示屏實時顯示,同時將采樣數據與設置的電流閾值作比較,一旦過流將產生模擬看門狗中斷,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濟效益和社會效益。



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