基于雙芯模塊化的低壓智能斷路器設計與實現

馬曉昆 薛 莉 張傳遠 高振偉 史文輝

基于雙芯模塊化的低壓智能斷路器設計與實現

馬曉昆 薛 莉 張傳遠 高振偉 史文輝

（北京國電通網絡技術有限公司，北京 100086）

為了保證斷路器保護功能穩定可靠，本文將保護模塊和管理模塊相互獨立，設計了“保護芯+管理芯”的雙芯低壓智能斷路器方案。本文對保護芯、管理芯、電源和信號采樣四個模塊的硬件關鍵技術和保護軟件、管理軟件的設計進行介紹，并通過試驗對測量精度進行測試。保護采樣和測量采樣相互獨立，保護芯模塊通過自生電源可滿足自身獨立供電需求，保證保護芯模塊脫離管理芯模塊后能夠獨立工作。該設計可使斷路器的斷路保護部分與管理監控部分分離，提高斷路器保護功能的穩定性和可靠性。

智能斷路器；雙芯；模塊化；自生電源

0 引言

低壓智能斷路器是在傳統永磁斷路器的基礎上增加了智能功能。智能部分的核心是“智能大腦”，一般是高度集成、高性能的微處理器。智能部分的外圍是采樣、通信、存儲、指示等硬件部分。“智能大腦”負責外圍部件的協調控制工作，從而達到測量、通信、顯示等智能功能。“智能大腦”常采用單微處理器（advanced RISC machine, ARM）[1-3]或單數字信號處理器（digital signal processor, DSP）方案[4]。DSP的強項是強數據處理能力和高運行速度，但外圍接口和控制能力不如ARM。結合兩者的優缺點，提出DSP+ARM雙核方案，使兩者的優勢得到充分發揮[5-7]。針對總線通信的應用場合，提出ARM+現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）的雙核斷路器設計方案，解決高速通信時數據易丟失的問題[8]。針對高壓斷路器，提出ARM+DSP+FPGA三核方案[9]，這能夠充分發揮每種芯片的優勢，但是顯然比雙核方案成本高。

本文綜合考慮成本和功能需求，為保護和管理分別配置片上系統（system on chip, SOC），采用“保護芯+管理芯”雙芯模塊化技術，將斷路保護功能和管理監控功能設計成相互獨立的模塊。在功能上，該設計既保留并完善了常規斷路器已有的保護功能，確保其穩定可靠，又針對保護部分采用獨立設計的思路，使其不受其他部分影響，即使管理功能失效，保護功能仍能可靠工作。在效率上，雙芯設計能夠減少單個芯片需要完成的算法，節約內存，提高系統的速度和效率。

1 總體設計

雙芯模塊化方案以保護芯和管理芯為核心，劃分為保護芯模塊、管理芯模塊、信號采樣模塊和電源模塊四個模塊，實現保護和管理兩大功能。雙芯方案總體架構如圖1所示。

圖1 雙芯方案總體架構

管理芯模塊為整個斷路器的指揮中心，實現數據采集、數據管理、非電流保護（包括過電壓、欠電壓、缺相等）、指示交互、上/下行通信、時鐘對時、拓撲識別等功能。保護芯模塊實現斷路器的溫度保護功能和基本電流保護（包括長延時保護、短延時保護、瞬動保護和漏電保護）功能。保護芯模塊可脫離管理芯模塊獨立工作，以確保保護功能安全可靠。保護芯模塊通過電流取電可實現自身獨立供電需求[10]。

雙芯之間的通信不進行總線擴展，通過專用串口實現信息互通，在硬件上可以直接相連。保護芯模塊將故障信息發送給管理芯模塊，管理芯模塊負責整定參數的修改，將參數值傳送給保護芯模塊，從而實現事件、參數等信息的傳輸。

2 硬件關鍵技術的實現

2.1 管理芯模塊

管理芯選用智芯微電子的SCMB9005核心板，其最大的優點是不僅集成了高性能的32位的Cortex—M4 ARM SCM402F主控芯片，還包含具有高精度測量功能的SC1186E計量芯片。板卡尺寸僅有27.5mm×48mm，而且可插拔，專為結構緊湊、空間有限的斷路器設計。管理芯自帶128Kbit的電可擦可編程只讀存儲器（electrically erasable program- mable read only memory, EEPROM）和128Mbit的Flash作為程序和數據存儲空間，滿足智能斷路器對凍結、統計、事件數據的記錄功能和對保護事件、電能事件、參數變更事件的記錄功能。

管理芯模塊設計框圖如圖2所示，根據智能斷路器的功能需求對管理芯模塊進行設計。信號采樣模塊的信號輸入管理芯，由計量芯片SC1186E對三相電壓、三相電流進行高精度采集，有力支持電能量計量、非電流保護（如過電壓、欠電壓、缺相等）、故障研判、線損分析等功能。通用輸入/輸出口（general purpose input output, GPIO）功能分配如下：按鍵輸入模塊設計“合閘”、“分閘”控制操作按鍵，以及“重合閘”、“藍牙”投退功能按鍵等，滿足對智能斷路器進行人機交互的功能需求；LED（light emitting diode）指示模塊設計運行燈、告警燈、故障燈等，從而能夠直觀地觀察當前設備狀態；設計分合閘輸出控制功能和分合閘狀態輸入監測功能，從而管理芯模塊能直接控制斷路器的分合閘，以及確認分合閘操作是否成功；設計拓撲識別模塊對特征電流信號進行產生、接收、分析，從而實現拓撲識別功能。3路通用異步收發傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）分別連接符合國家電網公司相關標準和規范的可插拔單相高速電力線載波模塊、485通信MAX13487E芯片和藍牙通信DX—BT24—M模塊，滿足智能斷路器通過上行載波與融合終端進行遠程通信、遠程升級的功能需求，以及通過485和藍牙進行本地維護、本地升級的功能需求；2路UART設計為TTL電平分別與保護芯在硬件上直連進行通信，以及預留程序開發的調試串口；1路I2C（inter-intergrated circuit）連接時鐘模塊R8025 AC實現智能斷路器的時鐘召喚和對時功能。

圖2 管理芯模塊設計框圖

2.2 保護芯模塊

綜合考慮成本和通用性，保護芯選用32位Cortex—M3 ARM芯片STM32F103，其主頻最高可達72MHz，具有512K Flash和64K隨機存儲器（random access memory, RAM），在程序編程方面有很大的空間保障。

保護芯模塊設計框圖如圖3所示，根據智能斷路器的功能需求對保護芯模塊進行設計。信號采樣模塊將電流信號輸入保護芯模數轉換器（analog to digital converter, ADC）處理模塊滿足智能斷路器三相電流和漏電流的數據采集功能和電流保護（包括長延時保護、短延時保護、瞬動保護和漏電保護）功能；保護芯通過輸出驅動執行機構控制的斷路器分合閘操作并對分合閘狀態進行監測；測溫模塊選用高精度的單總線溫度測量芯片DS18B20，從而實現智能斷路器的控制器超溫、母排或觸頭溫度監測的自診斷功能和溫度保護功能；存儲模塊選用EEPROM芯片BL24C256A，存儲容量256Kbit，從而滿足智能斷路器的參數和保護定值的存儲功能、存儲器故障識別的自診斷功能需求。

圖3 保護芯模塊設計框圖

2.3 電源模塊

電源模塊包括自生電源、輔助電源、后備電源三部分，原理框圖如圖4所示。

圖4 電源模塊原理框圖

自生電源由交流電流通過取電互感器感應產生，專為保護部分提供電源支持。輔助電源由交流電壓通過交流轉直流的方式提供。輔助電源和后備電源可為整個系統（管理和保護）提供電源支持。輔助電源在正常工作時還需要負責后備電源（超級電容）的充電工作，當輔助電源供電不足時，后備電源能保證系統（管理和保護）的正常工作。

1）自生電源

自生電源專為保護部分提供電源支持，采用專為低壓斷路器設計的取電電源管理芯片ADP2450實現。該芯片主要有三部分功能：①集成一個低功耗分流升壓控制器將電流源（電流互感器的輸出）轉換為4.5～36V電壓源和一個輸入電壓為4.5～36V的降壓型穩壓器，兼具取電和電源管理功能；②集成四個低失調低功耗可編增益放大器和一個通用運算放大器，具有信號調理功能；③集成一個執行器的功率驅動電路，具有模擬脫扣功能[11]。自生電源設計框圖如圖5所示。

圖5 自生電源設計框圖

DRV連接場效應管DMT69M8LSS的柵極，FB1通過反饋分壓電阻得到12V電壓。將該電壓連接到VIN后，可通過內置的穩壓器從SW輸出3.3V電壓為保護芯供電，其驅動電流可達500mA。三相電流互感器輸出信號經過整流橋MB6S整流輸出后連接到EIN1～EIN3，EIN5_N和EIN5_P連接漏電流互感器的輸出，EOUT1～EOUT3、EOUT5輸出的模擬信號連接保護芯的ADC采樣模塊進行電流采樣，可編程增益運放使相電流測量精度更高、范圍更寬。GATE連接斷路器的脫扣器，保護芯通過從TRG輸出觸發信號來控制斷路器的脫扣器。

2）輔助電源

輔助電源采用反激式AC-DC開關電源方式實現，為整個系統（管理和保護）提供電源支持，設計框圖如圖6所示。

圖6 輔助電源設計框圖

開關器件選用PN8145T，其內部集成了脈寬調制控制器和功率金屬-氧化層-半導體場效晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET），其空載待機功耗小于50mW，輸出功率為8～10W。

3）后備電源

后備電源采用超級電容，對整個系統（管理和保護）提供電源支持。本設計以功率為3W，工作時間為110s，電壓從1=11V放電到2=5V，計算能量為

因此，超級電容=6.875F，本設計選用5只35F/ 2.7V的單體超級電容串聯或4只28F/3.0V的單體超級電容串聯。

2.4 信號采樣模塊

信號采樣模塊采用保護采樣和測量采樣獨立設計的原則，原理框圖如圖7所示。

圖7 信號采樣模塊原理框圖

單相電壓采樣電路如圖8所示，電壓測量采用電流型電壓互感器ZMPT101B，其額定輸入電流為2mA，額定輸出電流為2mA，變比為1:1，根據額定電流參數設計匹配的輸入電阻為400kW，輸出負載電阻為121W，U_L和U_N為交流220V電壓輸入端，U_P為直流小電壓輸出端。其余兩相采樣電路與此原理一致[12]。

圖8 單相電壓采樣電路

電流測量采用互感器方式，測量互感器和保護互感器的工作原理一致，但是在選型方面有各自的特點：①測量互感器要測量的是線路正常運行時的電流，而保護互感器側重線路故障時的大電流，對測量范圍要求盡量大；②對測量互感器的準確性和精度要求較高，而對保護互感器側重響應速度，需要其盡可能快地采樣變化的電流[13-15]。

電流互感器選用空心互感器，優點是無磁滯效應，線性度比較理想。電流測量互感器采用納米晶磁心材料，電流保護互感器采用硅鋼片鐵心材料，主要技術參數見表1。

表1 互感器技術參數

單相電流采樣電路如圖9所示，CT_P和CT_N為電流測量互感器的輸出端，差分信號端I_P和I_N的輸出信號直接輸入計量模塊。其余兩相采樣電路與此原理一致。

圖9 單相電流采樣電路

在斷路器系統正常運行時，保護互感器將保護線路的電流信號轉換成與一次電流成正比且可以處理的低電平信號，將信號經過整流橋MB6S整流且經過ADP2450處理后送入保護芯ADC處理模塊，保護芯軟件中設定的三段保護整定值進行邏輯保護、比較和處理，輸出相應保護信號，驅動執行機構控制的斷路器分合閘[16-18]。同時電流測量互感器和電壓采樣電路將線路的電流和電壓信號轉換成可以處理的低電平信號，將其送入管理芯的SC1186E計量模塊，從而對分相電壓、分相電流、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數等電能量進行計量。

3 軟件設計

3.1 管理軟件

管理程序分為系統部分和應用部分，這兩部分能分離開發、獨立升級，便于維護和移植。管理軟件架構如圖10所示。

圖10 管理軟件架構

系統部分采用嵌入式SW-RTOS（smart switch real time operation system），支持內核空間內存保護，使內核有非常高的安全性。SW-RTOS在資源極其稀少的處理器上可實現對多進程與動態裝載應用的支持，不需要占用很大的存儲資源及CPU性能，大大降低了硬件成本。

根據管理軟件的功能劃分，應用部分為5個并發運行的App且App之間支持共享內存和管道單向通信。

計量中心App：分配ID號為1，發送管道pipe 0，接收管道pipe 1，其他App可從計量中心讀取電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率等計量數據，對電能質量進行監測。

拓撲識別App：分配ID號為2，發送管道pipe 2，接收管道pipe 3，負責斷路器的拓撲識別功能。

保護通信App：分配ID號為3，發送管道pipe 4，接收管道pipe 5，負責通過協議與保護芯進行交互通信。

配電物聯App：分配ID號為4，發送管道pipe 6，接收管道pipe 7，負責斷路器的上行載波通信、下行485串口通信、藍牙等通信。

路由App：分配ID號為5，負責以上4個App間的互相通信，實現通信橋梁的作用。

3.2 保護軟件

保護功能對實時性要求較高，因此保護軟件平臺不配置操作系統，將整個程序按照各個功能模塊進行劃分，編寫各部分的功能程序。保護軟件主任務流程如圖11所示。

圖11 保護軟件主任務流程

保護軟件初始化對GPIO、定時器、中斷、串口、ADC等外設進行配置。采樣任務配置ADC以4個通道每個周波64個點進行數據采樣，采樣時間間隔為0.312 5ms，即采樣頻率為3 200Hz，滿足Nyquist采樣原理[19]。

初始化完成后，保護芯利用定時中斷的方式啟動ADC對輸入信號進行采樣，采樣完成一個周期后，計算得出各相電流的有效值，并根據校準標志位對結果進行校準。計算得到電流的有效值后，保護芯根據三段保護曲線及算法判斷其是否滿足短延時、長延時或瞬時保護條件[20-22]，并在操動機構執行控制保護動作后，為管理芯提供報警指示，通知管理芯進行告警事件記錄及告警指示。

保護芯通過UART與管理芯進行數據交互，數據交互內容主要包括：接收管理芯下發的保護參數，響應管理芯下發的操動機構控制命令，響應并回復當前保護狀態。保護軟件通信任務流程如圖12所示。

圖12 保護軟件通信任務流程

4 測量精度試驗

在實際工程應用中，智能斷路器的測量精度是一個重要的技術指標，并且電流、電壓的測量是有功功率、無功功率、視在功率等其余電能量的計量基礎。因此本文對雙芯低壓智能斷路器系統的電流、電壓進行進一步的測量精度試驗。

電流測試方法：給斷路器A、B、C三相加220V電壓，在不同電流值、不同相角狀態進行測試（額定電流n=250A），對測量值2和理論值1進行相對誤差計算(2-1)/1×100%，測試數據見表2。

表2 電流測量精度數據

（續表2）

電壓測試方法：給斷路器A、B、C三相加對應電壓值（額定電壓e=220V），對測量值2和理論值1進行相對誤差計算(2-1)/1×100%，測試數據見表3。

表3 電壓測量精度數據

在一般的工程應用中，斷路器測量精度的參考標準為：電流準確度，電流值范圍0.1n≤≤0.4n，誤差極限±0.5%；電壓準確度，電壓值范圍0.6e≤≤1.3e，誤差極限±0.5%。以上試驗數據表明，本文設計的斷路器測量精度滿足實際應用需求。

5 結論

本文通過模塊化方式將斷路器的斷路保護功能和管理監控功能相互獨立，設計了一種“保護芯+管理芯”的雙芯低壓智能斷路器方案。從硬件方面介紹了雙芯模塊和滿足該方案的電源模塊、信號采樣模塊。電源模塊中自生電源專為保護部分提供電源支持，輔助電源和后備電源可為整個系統（管理和保護）提供電源支持。信號采樣模塊中測量采樣和保護采樣相互獨立，保護互感器兼有取電互感器的功能。從軟件方面分別介紹了管理軟件和保護軟件的架構設計。依據此方案設計了一種集智慧保護和智能管理功能于一體的智能斷路器系統，最后通過試驗驗證了該系統的電流、電壓測量精度滿足實際應用需求。雙芯模式可以使斷路器的斷路保護部分與管理監控部分分離，使斷路器保護功能的穩定性、可靠性、安全性得到極大提高，滿足智能電網對現代斷路器的要求，具有較大的研究意義和實用價值。

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Design and implementation of low voltage intelligent circuit breaker based on dual-core modularization

MA Xiaokun XUE Li ZHANG Chuanyuan GAO Zhenwei SHI Wenhui

(Beijing Guodiantong Network Technology Co., Ltd, Beijing 100086)

In order to ensure the circuit breaker protection function is stable and reliable, the protection and management are modularized into two independent parts, and a dual-core low voltage intelligent circuit breaker scheme of “protection core and management core” is designed in this paper. The architecture of protection core, management core, power supply and signal sampling module, the architecture of protection software and management software are introduced. The measurement accuracy is tested by experiment. The protection transformer and the measurement transformer are independent of each other, and the protection core can realize its own independent power supply through the self-produced power supply. This ensures that the protection core can work independently from the management core. The design can isolate the protection part and the management part of the circuit breaker, and improve the stability and reliability of circuit breaker protection function.

intelligent circuit breaker; dual-core; modularization; self-produced power supply

2022-03-30

2022-04-14

馬曉昆（1983—），男，河北人，工程師，從事輸配電產品開發、配電自動化及移動通信技術方面的工作。

低壓智能斷路器技術研究及應用項目（546806210001）