馬曉昆 薛 莉 張傳遠(yuǎn) 高振偉 史文輝

基于雙芯模塊化的低壓智能斷路器設(shè)計與實現(xiàn)

馬曉昆 薛 莉 張傳遠(yuǎn) 高振偉 史文輝

（北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100086）

為了保證斷路器保護(hù)功能穩(wěn)定可靠，本文將保護(hù)模塊和管理模塊相互獨立，設(shè)計了“保護(hù)芯+管理芯”的雙芯低壓智能斷路器方案。本文對保護(hù)芯、管理芯、電源和信號采樣四個模塊的硬件關(guān)鍵技術(shù)和保護(hù)軟件、管理軟件的設(shè)計進(jìn)行介紹，并通過試驗對測量精度進(jìn)行測試。保護(hù)采樣和測量采樣相互獨立，保護(hù)芯模塊通過自生電源可滿足自身獨立供電需求，保證保護(hù)芯模塊脫離管理芯模塊后能夠獨立工作。該設(shè)計可使斷路器的斷路保護(hù)部分與管理監(jiān)控部分分離，提高斷路器保護(hù)功能的穩(wěn)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(tǒng)永磁斷路器的基礎(chǔ)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?！爸悄艽竽X”負(fù)責(zé)外圍部件的協(xié)調(diào)控制工作，從而達(dá)到測量、通信、顯示等智能功能?！爸悄艽竽X”常采用單微處理器（advanced RISC machine, ARM）[1-3]或單數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）方案[4]。DSP的強項是強數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，但外圍接口和控制能力不如ARM。結(jié)合兩者的優(yōu)缺點，提出DSP+ARM雙核方案，使兩者的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮[5-7]。針對總線通信的應(yīng)用場合，提出ARM+現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）的雙核斷路器設(shè)計方案，解決高速通信時數(shù)據(jù)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(fā)揮每種芯片的優(yōu)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(hù)和管理分別配置片上系統(tǒng)（system on chip, SOC），采用“保護(hù)芯+管理芯”雙芯模塊化技術(shù)，將斷路保護(hù)功能和管理監(jiān)控功能設(shè)計成相互獨立的模塊。在功能上，該設(shè)計既保留并完善了常規(guī)斷路器已有的保護(hù)功能，確保其穩(wěn)定可靠，又針對保護(hù)部分采用獨立設(shè)計的思路，使其不受其他部分影響，即使管理功能失效，保護(hù)功能仍能可靠工作。在效率上，雙芯設(shè)計能夠減少單個芯片需要完成的算法，節(jié)約內(nèi)存，提高系統(tǒng)的速度和效率。

1 總體設(shè)計

雙芯模塊化方案以保護(hù)芯和管理芯為核心，劃分為保護(hù)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(xiàn)保護(hù)和管理兩大功能。雙芯方案總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙芯方案總體架構(gòu)

管理芯模塊為整個斷路器的指揮中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、非電流保護(hù)（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?fù)渥R別等功能。保護(hù)芯模塊實現(xiàn)斷路器的溫度保護(hù)功能和基本電流保護(hù)（包括長延時保護(hù)、短延時保護(hù)、瞬動保護(hù)和漏電保護(hù)）功能。保護(hù)芯模塊可脫離管理芯模塊獨立工作，以確保保護(hù)功能安全可靠。保護(hù)芯模塊通過電流取電可實現(xiàn)自身獨立供電需求[10]。

雙芯之間的通信不進(jìn)行總線擴展，通過專用串口實現(xiàn)信息互通，在硬件上可以直接相連。保護(hù)芯模塊將故障信息發(fā)送給管理芯模塊，管理芯模塊負(fù)責(zé)整定參數(shù)的修改，將參數(shù)值傳送給保護(hù)芯模塊，從而實現(xiàn)事件、參數(shù)等信息的傳輸。

2 硬件關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

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(yōu)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(jié)構(gòu)緊湊、空間有限的斷路器設(shè)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(shù)據(jù)存儲空間，滿足智能斷路器對凍結(jié)、統(tǒng)計、事件數(shù)據(jù)的記錄功能和對保護(hù)事件、電能事件、參數(shù)變更事件的記錄功能。

管理芯模塊設(shè)計框圖如圖2所示，根據(jù)智能斷路器的功能需求對管理芯模塊進(jìn)行設(shè)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(jìn)行高精度采集，有力支持電能量計量、非電流保護(hù)（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(shè)計“合閘”、“分閘”控制操作按鍵，以及“重合閘”、“藍(lán)牙”投退功能按鍵等，滿足對智能斷路器進(jìn)行人機交互的功能需求；LED（light emitting diode）指示模塊設(shè)計運行燈、告警燈、故障燈等，從而能夠直觀地觀察當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)；設(shè)計分合閘輸出控制功能和分合閘狀態(tài)輸入監(jiān)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(rèn)分合閘操作是否成功；設(shè)計拓?fù)渥R別模塊對特征電流信號進(jìn)行產(chǎn)生、接收、分析，從而實現(xiàn)拓?fù)渥R別功能。3路通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）分別連接符合國家電網(wǎng)公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的可插拔單相高速電力線載波模塊、485通信MAX13487E芯片和藍(lán)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(jìn)行遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程升級的功能需求，以及通過485和藍(lán)牙進(jìn)行本地維護(hù)、本地升級的功能需求；2路UART設(shè)計為TTL電平分別與保護(hù)芯在硬件上直連進(jìn)行通信，以及預(yù)留程序開發(fā)的調(diào)試串口；1路I2C（inter-intergrated circuit）連接時鐘模塊R8025 AC實現(xiàn)智能斷路器的時鐘召喚和對時功能。

圖2 管理芯模塊設(shè)計框圖

2.2 保護(hù)芯模塊

綜合考慮成本和通用性，保護(hù)芯選用32位Cortex—M3 ARM芯片STM32F103，其主頻最高可達(dá)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(hù)芯模塊設(shè)計框圖如圖3所示，根據(jù)智能斷路器的功能需求對保護(hù)芯模塊進(jìn)行設(shè)計。信號采樣模塊將電流信號輸入保護(hù)芯模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集功能和電流保護(hù)（包括長延時保護(hù)、短延時保護(hù)、瞬動保護(hù)和漏電保護(hù)）功能；保護(hù)芯通過輸出驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)控制的斷路器分合閘操作并對分合閘狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)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(xiàn)智能斷路器的控制器超溫、母排或觸頭溫度監(jiān)測的自診斷功能和溫度保護(hù)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(shù)和保護(hù)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(hù)芯模塊設(shè)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(yīng)產(chǎn)生，專為保護(hù)部分提供電源支持。輔助電源由交流電壓通過交流轉(zhuǎn)直流的方式提供。輔助電源和后備電源可為整個系統(tǒng)（管理和保護(hù)）提供電源支持。輔助電源在正常工作時還需要負(fù)責(zé)后備電源（超級電容）的充電工作，當(dāng)輔助電源供電不足時，后備電源能保證系統(tǒng)（管理和保護(hù)）的正常工作。

1）自生電源

自生電源專為保護(hù)部分提供電源支持，采用專為低壓斷路器設(shè)計的取電電源管理芯片ADP2450實現(xiàn)。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(zhuǎn)換為4.5～36V電壓源和一個輸入電壓為4.5～36V的降壓型穩(wěn)壓器，兼具取電和電源管理功能；②集成四個低失調(diào)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(diào)理功能；③集成一個執(zhí)行器的功率驅(qū)動電路，具有模擬脫扣功能[11]。自生電源設(shè)計框圖如圖5所示。

圖5 自生電源設(shè)計框圖

DRV連接場效應(yīng)管DMT69M8LSS的柵極，F(xiàn)B1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(nèi)置的穩(wěn)壓器從SW輸出3.3V電壓為保護(hù)芯供電，其驅(qū)動電流可達(dá)500mA。三相電流互感器輸出信號經(jīng)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(hù)芯的ADC采樣模塊進(jìn)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(hù)芯通過從TRG輸出觸發(fā)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(guān)電源方式實現(xiàn)，為整個系統(tǒng)（管理和保護(hù)）提供電源支持，設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6 輔助電源設(shè)計框圖

開關(guān)器件選用PN8145T，其內(nèi)部集成了脈寬調(diào)制控制器和功率金屬-氧化層-半導(dǎo)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(tǒng)（管理和保護(hù)）提供電源支持。本設(shè)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(shè)計選用5只35F/ 2.7V的單體超級電容串聯(lián)或4只28F/3.0V的單體超級電容串聯(lián)。

2.4 信號采樣模塊

信號采樣模塊采用保護(hù)采樣和測量采樣獨立設(shè)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(jù)額定電流參數(shù)設(shè)計匹配的輸入電阻為400kW，輸出負(fù)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(hù)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(hù)互感器側(cè)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(zhǔn)確性和精度要求較高，而對保護(hù)互感器側(cè)重響應(yīng)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(yōu)點是無磁滯效應(yīng)，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(hù)互感器采用硅鋼片鐵心材料，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 互感器技術(shù)參數(shù)

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(tǒng)正常運行時，保護(hù)互感器將保護(hù)線路的電流信號轉(zhuǎn)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(jīng)過整流橋MB6S整流且經(jīng)過ADP2450處理后送入保護(hù)芯ADC處理模塊，保護(hù)芯軟件中設(shè)定的三段保護(hù)整定值進(jìn)行邏輯保護(hù)、比較和處理，輸出相應(yīng)保護(hù)信號，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)等電能量進(jìn)行計量。

3 軟件設(shè)計

3.1 管理軟件

管理程序分為系統(tǒng)部分和應(yīng)用部分，這兩部分能分離開發(fā)、獨立升級，便于維護(hù)和移植。管理軟件架構(gòu)如圖10所示。

圖10 管理軟件架構(gòu)

系統(tǒng)部分采用嵌入式SW-RTOS（smart switch real time operation system），支持內(nèi)核空間內(nèi)存保護(hù)，使內(nèi)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(xiàn)對多進(jìn)程與動態(tài)裝載應(yīng)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(jù)管理軟件的功能劃分，應(yīng)用部分為5個并發(fā)運行的App且App之間支持共享內(nèi)存和管道單向通信。

計量中心App：分配ID號為1，發(fā)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(shù)據(jù)，對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。

拓?fù)渥R別App：分配ID號為2，發(fā)送管道pipe 2，接收管道pipe 3，負(fù)責(zé)斷路器的拓?fù)渥R別功能。

保護(hù)通信App：分配ID號為3，發(fā)送管道pipe 4，接收管道pipe 5，負(fù)責(zé)通過協(xié)議與保護(hù)芯進(jìn)行交互通信。

配電物聯(lián)App：分配ID號為4，發(fā)送管道pipe 6，接收管道pipe 7，負(fù)責(zé)斷路器的上行載波通信、下行485串口通信、藍(lán)牙等通信。

路由App：分配ID號為5，負(fù)責(zé)以上4個App間的互相通信，實現(xiàn)通信橋梁的作用。

3.2 保護(hù)軟件

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

圖11 保護(hù)軟件主任務(wù)流程

保護(hù)軟件初始化對GPIO、定時器、中斷、串口、ADC等外設(shè)進(jìn)行配置。采樣任務(wù)配置ADC以4個通道每個周波64個點進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hù)芯利用定時中斷的方式啟動ADC對輸入信號進(jìn)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(jù)校準(zhǔn)標(biāo)志位對結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。計算得到電流的有效值后，保護(hù)芯根據(jù)三段保護(hù)曲線及算法判斷其是否滿足短延時、長延時或瞬時保護(hù)條件[20-22]，并在操動機構(gòu)執(zhí)行控制保護(hù)動作后，為管理芯提供報警指示，通知管理芯進(jìn)行告警事件記錄及告警指示。

保護(hù)芯通過UART與管理芯進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互內(nèi)容主要包括：接收管理芯下發(fā)的保護(hù)參數(shù)，響應(yīng)管理芯下發(fā)的操動機構(gòu)控制命令，響應(yīng)并回復(fù)當(dāng)前保護(hù)狀態(tài)。保護(hù)軟件通信任務(wù)流程如圖12所示。

圖12 保護(hù)軟件通信任務(wù)流程

4 測量精度試驗

在實際工程應(yīng)用中，智能斷路器的測量精度是一個重要的技術(shù)指標(biāo)，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(chǔ)。因此本文對雙芯低壓智能斷路器系統(tǒng)的電流、電壓進(jìn)行進(jìn)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(tài)進(jìn)行測試（額定電流n=250A），對測量值2和理論值1進(jìn)行相對誤差計算(2-1)/1×100%，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 電流測量精度數(shù)據(jù)

（續(xù)表2）

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

表3 電壓測量精度數(shù)據(jù)

在一般的工程應(yīng)用中，斷路器測量精度的參考標(biāo)準(zhǔn)為：電流準(zhǔn)確度，電流值范圍0.1n≤≤0.4n，誤差極限±0.5%；電壓準(zhǔn)確度，電壓值范圍0.6e≤≤1.3e，誤差極限±0.5%。以上試驗數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計的斷路器測量精度滿足實際應(yīng)用需求。

5 結(jié)論

本文通過模塊化方式將斷路器的斷路保護(hù)功能和管理監(jiān)控功能相互獨立，設(shè)計了一種“保護(hù)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(hù)部分提供電源支持，輔助電源和后備電源可為整個系統(tǒng)（管理和保護(hù)）提供電源支持。信號采樣模塊中測量采樣和保護(hù)采樣相互獨立，保護(hù)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(hù)軟件的架構(gòu)設(shè)計。依據(jù)此方案設(shè)計了一種集智慧保護(hù)和智能管理功能于一體的智能斷路器系統(tǒng)，最后通過試驗驗證了該系統(tǒng)的電流、電壓測量精度滿足實際應(yīng)用需求。雙芯模式可以使斷路器的斷路保護(hù)部分與管理監(jiān)控部分分離，使斷路器保護(hù)功能的穩(wěn)定性、可靠性、安全性得到極大提高，滿足智能電網(wǎng)對現(xiàn)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(chǎn)品開發(fā)、配電自動化及移動通信技術(shù)方面的工作。

低壓智能斷路器技術(shù)研究及應(yīng)用項目（546806210001）