基于HC32的智能斷路器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何偉俊 武素蓮 袁嫣紅

0 引言

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和智能電網(wǎng)布局的展開，斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的配電管理設(shè)備，其智能化發(fā)展已成大勢所趨[1-2]。而傳統(tǒng)的斷路器存在著功能單一，通信方式落后等問題，已逐漸不能適應(yīng)智能電網(wǎng)對新型斷路器的要求。未來電力系統(tǒng)將朝著智能化、集成化方向發(fā)展，而斷路器和電能表作為電力系統(tǒng)常見的電器設(shè)備，將二者功能集成是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

本文提出一種基于國產(chǎn)單片機(jī)HC32 的智能斷路器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了電流雙通道采樣電路，將傳統(tǒng)斷路器的電流保護(hù)功能和電能表的計(jì)量功能集成于一體，使斷路器功能更加豐富的同時，其測量精度也顯著提高。另外設(shè)計(jì)HPLC 通信作為系統(tǒng)通信方式，相比于傳統(tǒng)斷路器的通信方式，其通信速率、可靠性顯著提升，符合未來配電物聯(lián)的發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以華大半導(dǎo)體公司的HC32F460KCTA 作為主控單元，該芯片使用基于ARMv7-M 架構(gòu)的32 位Cortex-M4 CPU，最高工作主頻達(dá)200MHz，CPU 性能的提高對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及程序執(zhí)行速度的提高尤為重要。此外該芯片多達(dá)11 個串行通信接口包括3 個IIC、4 個UART 和4 個SPI 接口以及豐富的GPIO 口，可以大幅度提高系統(tǒng)的可拓展性，能兼顧本系統(tǒng)所需要使用的多種外設(shè)。

由被保護(hù)回路的電壓和電流來提供維持系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的電源，由外部時鐘模塊來提供系統(tǒng)運(yùn)行的時間基準(zhǔn)，重要數(shù)據(jù)存儲在外部EEPROM 模塊。主控芯片主要完成對被保護(hù)回路的電壓、電流信號的采集、運(yùn)算、顯示和判斷。當(dāng)故障發(fā)生時，智能識別故障類型并控制脫扣器動作。可通過控制器的本地人機(jī)交互模塊讀取斷路器的運(yùn)行狀態(tài)、對各項(xiàng)整定參數(shù)進(jìn)行讀寫、對故障信息進(jìn)行查詢等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

1.2.1 通信方式

目前市場上使用的可通信型斷路器通信方式主要以RS485、CAN、窄帶載波和微功率無線通信方式為主，本系統(tǒng)使用的HPLC 通信方式與之相比如表1 所示。

由表1 可知，相較于其他通信方式，本系統(tǒng)使用的HPLC 通信具有免于布線、通信速率高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著配電物聯(lián)的發(fā)展和HPLC 通信技術(shù)的成熟，HPLC 通信將成為電力系統(tǒng)本地通信方式的未來發(fā)展方向。

1.2.2 測量精度

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22710-2008 中對斷路器的測量參數(shù)范圍及顯示精度有相關(guān)要求，但本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上要求不僅具有斷路器的電流保護(hù)功能，并且可兼顧電能表的計(jì)量功能，因此在測量精度上要遠(yuǎn)高于市場上傳統(tǒng)斷路器和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22710-2008 的測量精度要求，并達(dá)到0.5 級電能表的要求，如表2 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

考慮到斷路器在使用過程中需要長時間不間斷的運(yùn)行，對電源供電的穩(wěn)定性和可靠性有著較高的要求，因此電源設(shè)計(jì)也是其中的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)采用自生電源與相電壓供電相結(jié)合的方式進(jìn)行冗余供電，當(dāng)一個電源出現(xiàn)故障時，另一個電源立刻投入使用，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在國標(biāo)GB/T 22710-2008中對自生電源的定義為“由被保護(hù)回路中的電流通過電流互感器感應(yīng)產(chǎn)生的、在一定條件下可維持控制器基本功能的電源。”其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 中Iin 是通過將保護(hù)通道的四相電流互感器二次側(cè)的電流信號進(jìn)行疊加得到，再通過電容C1 和C2 進(jìn)行濾波處理，經(jīng)過電阻R2 和R3 轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過HT7055A 電源監(jiān)控芯片與MOS 管配合，來維持穩(wěn)定的12V 輸出供電，再經(jīng)過降壓穩(wěn)壓電路輸出5V，低壓差穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為3.3V 為MCU 供電。其穩(wěn)壓原理為：當(dāng)R3 兩端電壓小于5V 時，MOS 管不導(dǎo)通；R3兩端電壓大于5V 時，MOS 管導(dǎo)通，R3 兩端電壓隨即降低。通過MOS 管的快速通/斷切換，可以將工作電壓維持在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。而相電壓供電需使用AC-DC12V 模塊將AC 電源轉(zhuǎn)換為12V 的直流電壓，再轉(zhuǎn)換為5V 和3.3V 供電，如圖3 所示。

2.2 電流雙通道協(xié)同采樣設(shè)計(jì)

考慮到電能計(jì)量芯片量程的問題，將電流信號采樣分為兩個通道：由MCU 內(nèi)部的ADC 模塊構(gòu)成的保護(hù)通道和由電能計(jì)量芯片構(gòu)成的計(jì)量通道。當(dāng)被保護(hù)回路的電流大于1.2 倍的額定電流時，以保護(hù)通道的采樣數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，反之以計(jì)量通道的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.2.1 保護(hù)通道電路設(shè)計(jì)

保護(hù)通道是由MCU 的ADC 模塊對電流信號進(jìn)行采樣計(jì)算，被保護(hù)回路的大電流經(jīng)過斷路器四相電流互感器轉(zhuǎn)換成小電流信號，經(jīng)過橋式整流電路整流后得到Ia2，其電流采樣電路原理圖如圖4 所示，考慮到雜波的影響，在電路后級加上一個電阻R24和電容C14組成一階低通濾波電路。最后通過集成運(yùn)放電路處理之后得到IA2，再由MCU 的ADC 模塊對IA2進(jìn)行采樣，通過變比即可計(jì)算出該相電流的實(shí)際值。

2.2.2 計(jì)量通道電路設(shè)計(jì)

計(jì)量芯片是智能電網(wǎng)用電信息計(jì)量系統(tǒng)的核心元器件，直接關(guān)系到電能表的計(jì)量精度和工作可靠性以及穩(wěn)定性。本系統(tǒng)使用的HT7036系列多功能高精度三相電能專用計(jì)量芯片集成了六路二階sigma-deltaADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。能夠分別測量各相以及合相的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率等參數(shù)，充分滿足本系統(tǒng)對電能參數(shù)計(jì)量的要求，HT7036 電路原理圖如圖5 所示。

HT7036 芯片所有的計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)均可通過SPI 接口與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。考慮到SPI 傳輸時信號線可能受到干擾或者出現(xiàn)抖動，可以根據(jù)SPI 通信速率以及外部MCU 的信號進(jìn)行分析，選擇參數(shù)合適的電阻和寄生電容組成一個低通濾波器，消除SPI通信時的干擾和抖動。AVCC 端的電容Ce12、Ce13、Ce14 和Ce15 主要是對電源進(jìn)行去耦，減少AVCC 的波動，從而保證芯片的正常工作。同理VCC、VDD、和REFCAP 均采用電容進(jìn)行去耦，以保證穩(wěn)定性。RESET 引腳作為芯片的復(fù)位引腳，內(nèi)部有47K 的上拉電阻，低電平有效，也可以通過SPI 通信接口發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。

2.3 HPLC 通信模塊

HPLC 電力載波通信的工作原理如圖6 所示，主站將待發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送至載波模塊，載波模塊接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和編碼后通過電力線耦合接口傳輸?shù)诫娏€上。接收端同樣通過電力線耦合接口將接收到的信號進(jìn)行解調(diào)后再發(fā)送給從站通信設(shè)備，至此完成通信[3-5]。

本系統(tǒng)采用青島鼎信的HPLC 單相載波模塊進(jìn)行載波通信。該HPLC 通信模塊接口需要+12V 供電，分為強(qiáng)電接口和弱電接口兩個部分，弱電接口部分用于與MCU 的UART 串口進(jìn)行連接，強(qiáng)電接口部分分為信號耦合L 和信號耦合N，分別與電力線的火線和零線進(jìn)行耦合。HPLC 模塊通過檢測和接收電力線路中的載波信號，將載波信號經(jīng)過處理后通過UART 串口發(fā)送至MCU；MCU 也可將數(shù)據(jù)幀由UART 發(fā)送至HPLC 模塊，由HPLC 模塊轉(zhuǎn)換成載波信號，發(fā)送至目標(biāo)，其電路原理圖如圖7 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在交流電的頻率為50Hz 的情況下，當(dāng)AD 采樣程序設(shè)計(jì)為間隔0.5ms 完成一次信號采樣時，經(jīng)過20ms可采集到A，B，C，N 四相一個周期的電流波形數(shù)據(jù)，使用離散序列的均方根算法分別計(jì)算各相電流的有效值，取其中最大值Imax 作為參數(shù)進(jìn)行判斷。

3.1 過載長延時保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)

過載長延時保護(hù)其原理是根據(jù)電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生的能量Q 來進(jìn)行判斷的，呈反時限特性，即故障電流越大，動作時間相應(yīng)越短。延時動作時間計(jì)算公式如下：

過載長延時保護(hù)可配合熱記憶功能實(shí)現(xiàn)，即模擬雙金屬片特性，當(dāng)線路中發(fā)生過載電流而引起保護(hù)動作后，再次發(fā)生過載故障時，其延時動作時間在過載保護(hù)特性基礎(chǔ)上會相應(yīng)變短。過載長延時保護(hù)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8 所示。

3.2 短路短延時保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)

短路短延時保護(hù)分為反時限和定時限保護(hù)兩種情況。

3.2.1 反時限保護(hù)

當(dāng)故障電流Isd ≤ I ≤ 8*Ir 時，具有反時限保護(hù)特性，故障電流越大，動作時間越短，短路短延時反時限保護(hù)的動作時間計(jì)算公式如公式⑶所示，短路短延時保護(hù)的能量閾值計(jì)算公式如下：

3.2.2 定時限保護(hù)

當(dāng)故障電流I ≥ Isd 且I ≥ 8*Ir 時，具有定時限保護(hù)特性，即在此范圍內(nèi)無論電流如何變化，到達(dá)設(shè)定時間后都會發(fā)出脫扣信號，此時脫扣器有脫扣動作，動作時間T = Tsd。短路短延時保護(hù)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖9 所示。

3.3 短路瞬時保護(hù)算法實(shí)現(xiàn)

相比于過載長延時保護(hù)和短路短延時保護(hù)所監(jiān)控的電流范圍而言，觸發(fā)短路瞬時保護(hù)的電流值極大，要求斷路器能以最快速度迅速斷開回路以保證其他設(shè)備不受損害，故對短路瞬時保護(hù)的判斷在0.5ms定時器中斷中進(jìn)行。當(dāng)連續(xù)兩次采樣得到的電流值大于短路瞬時保護(hù)所設(shè)置的閾值時，控制器發(fā)脫扣信號使脫扣器動作，否則視為線路電流處于正常狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試

將系統(tǒng)的額定電流In 設(shè)置為400A，使用PTC-8300D 三相便攜式電能表校驗(yàn)裝置來測試系統(tǒng)的計(jì)量精度，該裝置準(zhǔn)確度等級為0.1 級，可對0.2 級及以下三相電能表進(jìn)行精度校驗(yàn)。將系統(tǒng)A 相通入一定大小的電壓和電流，與系統(tǒng)LCD 界面顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比測試計(jì)量精度，測試結(jié)果如表3 和表4 所示。

由測試結(jié)果可知，系統(tǒng)在0.1In～1.0In 的電流范圍內(nèi)和（0.2～1.0）*220V 電壓范圍內(nèi)的計(jì)量誤差在0.5%之內(nèi)，符合0.5 級電能表的計(jì)量精度要求。

5 結(jié)論

本文提出的基于國產(chǎn)單片機(jī)的智能斷路器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，具備三段電流保護(hù)功能即過載長延時保護(hù)、短路短延時保護(hù)和短路瞬時保護(hù)，同時還兼顧電能表的計(jì)量功能，且計(jì)量誤差在0.5% 以內(nèi)。相比于工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛使用的RS485 和CAN 總線通信方式，本系統(tǒng)使用HPLC 通信方式，具有施工方便、利于維護(hù)的特點(diǎn)，是未來智能電網(wǎng)領(lǐng)域的主要通信方式，也是未來斷路器的發(fā)展方向之一。本文為國產(chǎn)芯片在斷路器領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣積累了開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。