基于MSP430的分界負荷開關低功耗控制系統設計

章廣清 劉建鋒

（上海電力學院 電力與自動化工程學院，上海200090）

1 引言

我國農村配網主要使用架空線路輸電。而這些架空線路往往是多分支線路，安全可靠性差，遇到刮風下雨等惡劣的天氣，接地和短路故障頻發，嚴重影響了電網的安全可靠供電。城網用戶密集，重要部門多，多采用架空電纜混合供電模式，要求有極高的供電可靠性。國網公司對配網的建設進一步加大，使主干網線的事故率得到明顯改善，線路故障率大幅度下降，則用戶界內事故造成的線路故障凸顯出來，用戶故障在全部故障中的比例明顯增加[1,2]。因此采用融合最新技術的用戶分界開關一方面大幅減少由于用戶線路故障造成其它線路的連帶故障，同時大大縮短了故障線路的停電時間，對于提高配網供電可高性，以及提高配電網自動化發展水平都有重要意義。

2 低功耗運行方式下的負荷分界開關結構分析

傳統分界用戶開關都是通過 PT從高壓線上取得交流電源，經電源轉換模塊轉為直流電源。在相間發生短路，變電站端保護跳閘后，裝置為了在無壓狀態下記憶故障，需要配置一套蓄電池及采用與其相關的保護措施。其主要缺陷包括：一方面電源提起困難，中間環節多，電源維護工作量大，一旦電源供給出現故障，將給用戶支路的供電帶來極大的影響。另一方面，所配置的蓄電池長期處于充電而不放電狀態，影響蓄電池壽命。傳統的分界開關示意圖如圖1所示。

為了改進上述缺點，使分界開關真正達到免維護，本論文設計出低功耗，由大容量電池供電的分界負荷開關，其示意圖如圖2所示。

圖1 傳統分界開關控制器

圖2 低功耗分界開關控制器

采用電池給整套裝置供電，省略了很多的環節，使得裝置供電可靠性大為提高，對用戶供電的狀況也大為改善。為了盡可能延長電池的壽命，就既需要選擇低功耗、性能好的各種元器件，同時在軟件設計上也需力求低功耗。

3 分界用戶開關低功耗運行硬件設計

MSP430 系列為超低功耗應用軟件，其工作模式狀態如圖3所示。運行模式主要考慮到三個不同的需求：低功耗、速度和數據的吞吐量、單個外圍設備電流消耗的最小限度。

MSP430典型電流消耗如圖4所示[7]。在狀態寄存器中，用CPU Off 、OSC Off 、SCG0 和SCG1位配置低功耗方式0～4。含以上方式控制位的優點是在中斷服務程序中，當前工作狀態可以保存在堆棧之上。如果在中斷服務程序期間SR 值未改變,那么程序溢出返回到先前工作狀態。利用在中斷服務程序內堆棧SR值,程序溢出能返回到不同的工作狀態。模式控制位和堆棧能被任何指令訪問。當設置任一種模式的控制位時，被選擇的工作狀態立刻響應。如果時鐘未被激活，任何禁用時鐘操作的外圍設備都禁用，而且外圍設備也可通過設置自身控制寄存器禁用。所有的I/ O 端口引腳和RAM/ 寄存器不被改變,所有的中斷都可實現喚醒功能[3,4]。

圖3 MSP430工作模式狀態

4 值守電路設計

單片機低功耗系統中，在無謂等待時間里都要使系統進入低功耗運行狀態或關機狀態，只保留一個微功耗的值守電路處于運行監控狀態，當發生過流時，微功耗值守電路發出脈沖信號觸發喚醒CPU、使單片機系統進入正常功耗的有效運行，在本次觸發任務結束，系統將重新進入低功耗運行狀態。

按以上思路，本裝置設計的低功耗電路如圖5所示。

圖5 低功耗電路

5 控制器軟件設計

低功耗用戶分界開關主要功能即：用戶側正常運行，系統在低功耗LPM0模式下運行。

1）當系統發生單相接地故障，裝置經判斷后為界內故障，立刻發跳閘信號，切除故障，保障其他分支用戶安全供電；2)當系統發生相間故障，裝置記憶故障，經變電站側掉閘后，分界開關在無壓無流的條件下自動分閘，隔離故障線路，線路重合成功后其他用戶支線恢復正常供電[5,6]；3）當出現過流，但經計算判斷后不符合跳閘條件，則裝置發越限告警信號后進入低功耗LPM0工作運行方式。此功能模塊程序如圖6所示。

低功耗分界負荷開關除過流喚醒CPU外，在人機界面需要設置定值或者顯示某測量的電流電壓值，以及定時自檢也采用中斷觸發。當定值設置完成或自檢結束，經延時后系統重新進入低功耗狀態。此功能流程框圖如圖7所示。

6 分界負荷開關低功耗效果分析

本文以標稱電壓3.3 V，容量S為10 Ah的鋰電池作為設計單位，如果用此容量電池給裝置供電，設定10年免維護，即：

裝置平均消耗電流：

即使用容量為10 Ah的電池給裝置供電，如果希望10年以上電池免更換，則裝置消耗的平均電流約為114.2 μA。

圖6 系統功能流程框圖

表1對幾款常見CPU 的功耗作簡單比較。通過表1比較亦可知MSP430單片機是實現低功耗裝置較理想的機型。運用電子元器件的標稱電流，可計算出裝置低功耗值守電流消耗電流約為：

即當整個裝置運行在活動狀態（CPU），消耗的工作電流約為：

在低功耗模式下運行消耗的工作電流：

因此設計的值守電路對于低功耗的重要意義在于：當用戶側正常運行時，系統處于低功耗狀態，此時整個系統所消耗的電流僅為80 μA，當需要調試裝置或者發生故障跳閘時，包括跳閘繼電器消耗約5 mA電流在內，消耗的電流亦僅為5.3 mA。設用戶側每天發生兩次故障，裝置每次處理故障的時間約5 min，則裝置每天消耗的平均電流Iav約為：

即裝置每天平均消耗電流為116 μA，如前所述，如采用標稱電壓3.3 V，容量為10 Ah的鋰電池作為電源，則此裝置在正常運行的狀況下，幾乎可以工作十年免維護。

表1 幾款CPU某些功能特點比較

7 結束語

根據國內外負荷開關的研究最新成果，結合繼電保護原理，設計了低功耗、免維護用戶分界負荷開關。結果證明使用高性能、大容量一次使用的鋰電池供電，通過相適應的系統軟、硬件設計，高性能、低功耗的元器件選擇，配套一些相應的附件，就能減少裝置的整體功耗，從而使一次性鋰電池供電十年免維護。

圖7 鍵盤中斷功能

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