专为智能设备安全打造 | 基于ACM32 MCU的智能断路器方案

互推小编 2023-06-25

随着我国电网建设的快速发展，数字化变电站成为建设和研究的热点，数字化变电站的核心在于一次设备的智能化与二次设备的网络化，对于断路器这种极其重要的电力一次设备而言，其智能化的实现有十分重要的意义，断路器智能化在于运行状态实时监测、通断精确、智能控制和信息传递网络化等。随着电力电子技术和自动控制理论的广泛应用，计算机与网络通信技术的飞速发展，以及对传感器技术和人工智能的深入研究和综合应用，智能断路器的功能得到了极大的扩展和完善。

本文将介绍基于ACM32F070的智能断路器方案，有效实现电路的智能化控制，让用电更安全更智能。

智能断路器概述

智能断路器是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二次系统。其主要特点是由电力电了技术、数字化控制装置组成执行单元，代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器。新型传感器与数字化控制装置相配合，独立采集运行数据，可检测设备缺陷和故障，在缺陷变为故障前发出报警信号，以便采取措施避免事故发生。智能断路器实现电子操动，变机械储能为电容储能，变机械传动为变频器经电机直接驱动，机械系统可靠性提高。断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。

图 | 智能断路器

低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，己获得了广泛的应用。

高压断路器（或称高压开关）是变电所主要的电力控制设备，具有灭弧特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。因此，高压断路器工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。

智能断路器原理

智能断路器由数据采集、智能识别和调节装置3个基本模块构成，智能识别模块是智能控制单元的核心，由微处理器构成的微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动地识别操作时断路器所处的电网工作状态，根据对断路器仿真分析的结果决定出合适的分合闸运动特性，并对执行机构发出调节信息，待调节完成后再发出分合闸信号；数据采集模块主要由新型传感器组成，随时把电网的数据以数字信号的形式提供给智能识别模块，以进行处理分析；调节装置由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，用来调整操动机构的参数，以便改变每次操作时的运动特性。此外，还可根据需要加装显示模块、通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路器的智能化功能。

芯片简介

ACM32F0X0 系列是一款支持多种低功耗模式的通用MCU。集成12位1.6 Msps高精度ADC以及比较器、运放、触控按键控制器、段式LCD控制器，内置高性能定时器、多路UART、LPUART、SPI、I2C等丰富的通讯外设，内建AES、TRNG等信息安全模块，支持多种低功耗模式，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性的特点。

设计方案

本文描述的智能断路器方案，基于上海航芯ACM32F070系列的MCU进行设计，整体的方案框图如下所示：

图 | 基于ACM32F070智能断路器设计方案框图

本次设计方案的智能断路器主要是以 ACM32F070单片机作为主处理芯片，并使用外部相关部件组成整个控制系统。单片机上电以后，用互感器不断采集各路的电压电流信号，并转换为单片机能够接受的 0-3.3V 电压信号（数字信号的分辨率由 ADC 模块的位数决定，一般为 12 或 16 位），之后通过 ADC 接口接入 MCU，经过计算分析，并对阈值进行比较，得出是否触发分合闸的指令。在此过程中，MCU 发送数据到屏幕上，屏幕上可实时显示电压、电流、时间等参数，这些参数可以向操作者直观的显示各种需要的信息，从而达到了人机交互的目的。

01. 数据采集

电流信号采集首先采集的是工频的大电流，通过互感器输出一个小电流，通过采样电阻得到相应的输出电压范围，考虑到到电流采集过程中不仅要保留正半周的信号，也要保留负半周的信号，而 ACM32F070 能够处理的是 0-3.3V 的信号，因此要加入其它元器件，除了增加 RC 滤波电路，还要增加运算放大器。电压信号与电流信号的采集方法基本相同。

02. 智能识别

ACM32F070主控芯片有一个高精度ADC，ADC支持单端信号转换和差分信号转换，多达21个通道，电流互感器接收到的电流和电压信号，先经过运算放大器处理后再通过 ADC 模数转换，将采集的模拟量按照比例转化为数字量，供单片机计算处理，经过计算分析，并对阈值进行比较，得出是否触发开关MOS管的指令。

03. 显示模块

智能断路器的显示屏主要起到人机交互的作用，可以显示当前电路的电压电流、时间、功率、功率因数等实时参数。现场操作人员能够根据观察到的各种运行信息来进行监控并清除故障，ACM32F0X0芯片内部集成一款适用于单色无源液晶显示器（LCD）的数字控制器/驱动器，可以更方便驱动智能断路器的显示屏。

04. 供电电路

通过AC/DC转换电路将外部220V电源转换为3.3V电源供电，还有一个纽扣电池作为备用电源，AC/DC转换电路如下图所示：

软件设计

智能断路器软件部分包括多个子系统，组成整个系统，比如有 ADC 转换、液晶显示、模拟看门狗检测、定时和中断等多个部分。首先初始化系统时钟、ADC、LCD、定时器、模拟看门狗等，之后驱动MOS管，通过ADC连续采样，将采样数据通过DMA存储到BUFFER，然后传输到LCD显示屏实时显示，同时将采样数据与设置的电流阈值作比较，一旦过流将产生模拟看门狗中断，在中断里关闭MOS管以此起到过流保护作用。软件流程图如下所示：

结语

智能断路器目前在工业与民用市场有着广泛的前景，随着芯片技术和软件技术的进步，使得电气科研人员可以更好地去研究智能断路器的控制技术。本文提出的设计方案的主旨也就是将断路器智能化，采用智能断路器技术后，对于非故障性的操作，断路器都可以在较低的速度下断开，减少断路器断开时的冲击力和机械磨损，从而提高断路器的使用寿命，在工程上达到较好的经济效益和社会效益。

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