儲能電機保護裝置的研究與硬件設計

西安工程大學機電工程學院 李忠欣 張 敏

西安工程大學計算機學院 黃國兵

一、引言

目前國內電機保護裝置一般采用單片機作為核心控制器，由于自身資源和速度的限制，加之GIS組合開關的分合閘過程中會產生非常高的共模電壓，電磁干擾十分嚴重，儲能電機的工作環境惡劣，受到的干擾較強。本文針對儲能電機的工作環境，選用PHILIPS公司ARM7系列工作頻率高、系統資源豐富的LPC2138芯片作為控制核心。它內嵌512KB的高速Flash存儲器和32KB的RAM，具有豐富的外圍模塊和較大的處理和控制功能，還能進行JTAG仿真調試和ISP編程等[1]。LPC2138應用于電動機保護裝置中，使保護裝置硬件結構緊湊，實時性高，并進行抗干擾設計，系統可靠性和穩定性加強。

二、儲能電機保護裝置的硬件設計

該保護裝置硬件包括電源電路、復位電路、數據采集模塊、信號調理及A/D轉換模塊、繼電器輸出模塊以及通訊模塊。儲能電機保護裝置的硬件設計如圖1所示。

其中，數據采集模塊主要對回路的電流和電壓信號進行采集，電流信號采集來自現場電流互感器的二次側輸出，根據采集電壓與工況環境需求選用CSM025A霍爾電流傳感器與VSM025A霍爾電壓傳感器進行數據采樣。

（一）電源電路

LPC2138的高速、低功耗、低工作電壓導致其噪聲容限很低，對電源的紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性要求很高。裝置電源輸入端和開關裝置距離很近，GIS組合開關在動作時會產生較大的差模噪聲和共模噪聲，并且AC220V的電源自身也存在較大的干擾，在電源電路中要進行一系列的抗干擾處理，為裝置的不同模塊分別提供3.3V、5V、±15V、24V穩定的直流電源[2]。電源電路設計如圖2所示。

圖2中，在電路中串聯自恢復保險絲LRV100S，進行過電流和熱保護。在電源電路中開機的瞬間會產生浪涌電流，用熱敏電阻5D-9和突波吸收器471KD10，有效地抑制開機時的浪涌電流，并且在完成抑制浪涌電流作用以后，由于其電流的持續作用，熱敏電阻器的電阻值將降到非常小的程度，它消耗的功率可以忽略不計，不會對正常的工作電流造成影響，它還進行防雷和過壓保護。用共模扼流線圈L1抑制共模噪聲，在回路中運用安規電容Cx1、Cy1和Cy2，其中跨線電容Cx1(X型電容器)抑制差模噪聲；線間旁路電容器Cy1和Cy2(Y型電容器)抑制共模噪聲。用LH10-10D0524 AC-DC轉換器進行電壓轉換，該轉換器具有寬輸入電壓、直流和交流集成、輸出低紋波和噪聲、高效率、能實現過載保護及短路保護、低功耗、安全隔離等特點，輸出5V、24V的直流電。在輸出直流端分別串聯差模扼流線圈L2、L3抑制差模噪聲和電容(如圖2所示)來進一步抑制差模噪聲。經過一系列的抗干擾處理，使輸出的電源擾動小，達到裝置的電源要求。用WRA2415L DC-DC轉換器將24V轉換成±15V直流電，在輸出端使用電容器抑制差模噪聲，選用低壓差線性調壓器LM1117將5V轉換成3.3V直流電，同樣在輸出端選用電容器抑制差模噪聲。開關電源產生的干擾信號通過這一系列的抗干擾處理，輸出信號波動較小，使得電源部分的抗干擾性加強，加強了系統的穩定性。

（二）復位電路

使用MAX706芯片和74HC125芯片搭建復位電路如圖3所示。

圖3中MAX706芯片是一組CMOS監控電路，能夠監控電源電壓、微處理器或微控制器的工作狀態。按鍵S1可以完成手動復位，nTST和和CPU的復位引腳相連可以完成上電自動復位。當程序“跑飛”時，通過執行軟件，周期性的向看門狗發送WDI信號，進行看門狗復位。使用該復位電路為系統的穩定性與可靠性提供強有力的保證。

（三）信號調理及A/D轉換模塊

對數據采集模塊采集的模擬信號，需要進行功率放大，用OPA2251精密放大器，該放大器采用單電源供電，具有高共模抑制、高開環增益、低偏移電壓的特點，在外部提供±15V的電壓時，輸出電壓范圍為2.7-36V。使用外部參考電壓VREF時，輸入模擬量達到0-2VREF，設定ADS芯片VREF為2.5V。輸出的電壓信號進入ADS7818芯片進行A/D轉換，ADS7818采用SPI總線方式與CPU進行通信。在CPU控制端只需進行三路信號隔離，簡化了隔離電路。ADS7818是12位的高速轉換芯片，采樣時間為350nS，時鐘的最高頻率為8MHz。信號調理電路及A/D轉換電路設計如圖4所示。

圖4中，數據采集模塊采集的電流信號Ismp和電壓信號Vsmp通過模擬開關ADG1219進行輸入A/D控制，模擬開關與CPU之間用光電耦合器FODM611進行隔離。裝置工作時，設定CPU的MUX連接端口產生高低電平的周期，使采集的兩類數據進行周期性A/D轉換。CPU的連接端口與SCLK連接端口為AD7818的控制線，SDO連接端口為數據線，ADS7818芯片與CPU間用FODM611來隔離[3]。在每一器件的電源端使用耦合電容器進行濾波，使系統抗干擾能力提高。

（四）繼電器輸出模塊

繼電器輸出模塊是儲能電機保護裝置的執行機構，用DS2E-S-DC24V繼電器作為動作機構，該繼電器靈敏度高，擊穿電壓可達1500V。繼電器輸出模塊電路設計如圖5所示。

繼電器輸出模塊設有光電隔離電路，一方面，采用光電隔離電路可以將CPU發出的控制數字信號與繼電器電路輸出端的模擬信號很好的隔離，抑制模擬信號的噪聲干擾；另一方面，當系統發生運行故障時，

由保護裝置向動作響應電路輸出高電平，經光電隔離驅動中間繼電器，使斷路器跳閘，從而切斷故障回路電源。

（五）通訊模塊

采用RS485和RS232兩個通訊串口模塊，實現下位機與上位機的通信功能。設計RS232通訊串口的設計主要是方便內部人員的調試使用。在現場用RS485串口通訊來克服RS232傳輸距離和傳輸速率上的短板，并且RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強[4]。通訊模塊電路設計如圖6所示。

圖6中，RS485使用5V隔離器式的收發器ISO3082工作在半雙工模式狀態進行數據收發。采用數字隔離器相對傳統的高速光耦而言，數字隔離器件具有功耗低、傳輸速率高、兼容3V/5V系統和外設簡單等優點[5][6]。用B0505 DC-DC芯片為收發器提供第二電源，實現電源隔離，抑制電源噪聲干擾，為RS485的穩定性與可靠性作以保障。

三、結束語

本文針對GIS開關儲能電機的工作環境，采用LPC2138微控制器為核心設計了儲能電機保護裝置。針對GIS開關分合閘過程中會產生相當高的共模和差模電壓，電磁干擾十分嚴重的情況，裝置硬件設計時對輸入/輸出過程通道和電源通道的抗干擾手段進行了研究分析，在電源部分、各種開關信號輸入部分、通信電路部分、輸出控制部分均采用光耦與CPU部分的電路進行了隔離，采取了一系列抗干擾措施保障自身可靠運行。為確保保護器電磁的兼容性，在PCB板設計時將模擬地、數字地進行了分開，并在各主要器件的電源和地引腳之間加耦合電容進行濾波。試驗結果表明，裝置的功能和抗干擾能力滿足相關技術規范的要求。

[1] 周立功.深入淺出ARM7-LPC213X[M].北京:北京航天大學出版社,2005.

[2] 劉光斌.單片機系統實用抗干擾技術[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[3] 張軍.AVR單片機應用系統開發典型實例[M].北京:中國電力出版社.2005,11:012-098.

[4] 李朝青.PC機及單片機數據通信技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000.

[5] 郝迎吉,李良富.基于80C196單片機的智能監測電機保護系統的研制[J].工業儀表與自動化裝置,2001.

[6] 黃圣國,肖紀立,蔡樹國,等.多功能智能電機保護裝置的研制[J].電子測量與儀器學報,1998,Vol.12,No,1.