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引言 低壓斷路器作為供配電系統(tǒng)中的重要電器元件之一．其作用是保護(hù)電氣配電網(wǎng)絡(luò)和丁業(yè)設(shè)備免受短路、過載等故障的損壞。智能斷路器除了具有傳統(tǒng)斷路器的功能外．還有智能化、模塊化、可通信化的特點(diǎn)。通過斷路器的通信功能互聯(lián)成區(qū)域網(wǎng)．實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、集中監(jiān)控。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展及下業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，現(xiàn)場控制系統(tǒng)已成為控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。在多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中，綜合性價(jià)比、抗干擾能力與控制器本體的銜接等因素．選擇CAN(Controller alea network)總線來實(shí)現(xiàn)可通信功能。CAN是一種典型的現(xiàn)場總線．應(yīng)用CAN總線可以滿足智能斷路器數(shù)據(jù)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性和節(jié)點(diǎn)的易充等要求。 1 設(shè)計(jì)要求 (1)本文設(shè)計(jì)的智能斷路器殼架額定電流為800A，有長延時(shí)、短延時(shí)和瞬動的三段保護(hù)功能．有額定電流、瞬動電流、報(bào)警電流、長，短延時(shí)時(shí)間可調(diào)功能。 (2)實(shí)驗(yàn)電流為1.05Ir(Ir為整定電流)時(shí)，2個(gè)小時(shí)之內(nèi)不脫扣：實(shí)驗(yàn)電流為.2Ir時(shí)。1小時(shí)內(nèi)脫扣動作。 (3)瞬時(shí)脫扣電流的整定允許誤差：±10％；長延時(shí)和短延時(shí)動作時(shí)間允許誤差：±15％。 (4)具有通信功能，可通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)精確地檢測、計(jì)算電路的參數(shù)、監(jiān)視斷路器和電路的狀態(tài)，并可把電路的狀態(tài)傳送到控制中心。進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和交換。 2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2．1總體方案設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的智能脫扣器由電流互感器、整流模塊、信號調(diào)理模塊、單片機(jī)基本系統(tǒng)模塊、自生電源、開關(guān)量輸入模塊、通信模塊等部分電路組成。其原理框圖見圖1。 
圖1系統(tǒng)框圖 斷路器工作時(shí)，電網(wǎng)參數(shù)被鐵心電流互感器轉(zhuǎn)換成可操作的模擬信號．經(jīng)整流濾波及信號調(diào)理后送人單片機(jī)，單片機(jī)將輸入的模擬信號采樣與A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號并對其進(jìn)行處理。同時(shí)通過撥碼開關(guān)輸入設(shè)定的參數(shù)(如：整定電流倍數(shù)，脫扣時(shí)間等)至單片機(jī)。自生電源通過單片機(jī)的控制將整流以后的信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電源信號，為整個(gè)線路供電。通信模塊主要完成與上位機(jī)的通信。指示燈包括正常工作、過載燈、預(yù)報(bào)警燈和通訊燈。 2．2信號調(diào)理單元 低壓電網(wǎng)中電流變化范圍很大．短路電流比正常負(fù)荷電流大很多。而接地電流卻很小，且容易受到干擾。因此．為提高小電流輸入時(shí)的采樣精度。本文將整流以后的信號分兩路輸入到單片機(jī)系統(tǒng)。兩路信號采用不同的放大倍數(shù)。信號較小時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)以較大放大倍數(shù)一路為準(zhǔn)；信號較大時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)以較小放大倍數(shù)一路為準(zhǔn)，然后在單片機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)換成相同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。 2．3電源設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的斷路器控制電路從電流百感器中取電，無需外接電源，原理電路見圖2。通過單片機(jī)對電源模塊進(jìn)行檢測，并輸出PWM信號來調(diào)節(jié)場效應(yīng)管的導(dǎo)通率，以獲取穩(wěn)定的電源。圖中R2=5R3，利用R3上的采樣電壓控制7808的輸入電壓。當(dāng)A/D 采樣電壓高于2V時(shí)場效應(yīng)管的導(dǎo)通率變大，使得7808輸入電壓降低。當(dāng)A/D采樣電壓低于1.7V時(shí)，場效應(yīng)管的導(dǎo)通率變小，使得7808輸入電壓增大。因此7808的輸入能夠穩(wěn)定在IOV-12V之間，給脫扣器供電，并且可以保證7808輸出穩(wěn)定的8V電壓給信號調(diào)理電路供電，再通過精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431并配置外 部電阻R5=R6就可以輸出穩(wěn)定的5V電壓給單片機(jī)供電。
圖2電源模塊電路 2．4微處理單元 智能控制器采用Motorola公司的M68HC908GP32單片機(jī)。片內(nèi)集成了32K字節(jié)的Flash存儲器與512字節(jié)的RAM，8路8位A/D轉(zhuǎn)換口和8個(gè)鍵盤中斷位等，并有watchdog監(jiān)視器、通信接口和PWM輸出等功能。本文設(shè)計(jì)的斷路器外接6個(gè)撥碼開關(guān)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，要用到18個(gè)I/0口，而M68HC908GP32的I/O口多達(dá)33個(gè)，能夠滿足要求。此外。M68HC908GP32具有抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡單、成本低、保密性好、易于小型化等特點(diǎn)。是MC68HC08家族中性價(jià)比較高的一員。 2．5通信單元 CAN總線是現(xiàn)場總線領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一種通信技術(shù)．用CAN代替以往的RS-485能從根本上改善監(jiān)控系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)中CAN控制器和收發(fā)器選用philips公司生產(chǎn)的SJAl000和82C250芯片。單片機(jī)對SJAl000進(jìn)行控制及接收發(fā)送數(shù)據(jù)均通過對SJAl000的內(nèi)部寄存器的讀寫訪問來實(shí)現(xiàn)的．操作如同訪問外部RAM。SJAl000通過82C250連接到物理總線上．82C250提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，將SJAl000輸出信號轉(zhuǎn)換成差分形式向外發(fā)送，以增強(qiáng)信號的抗干擾能力。另外．在SJAl000和82C250之間接6N137光電隔離芯片以隔離兩側(cè)電信號，防止總線上的干擾侵入系統(tǒng)。 3 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分。主程序和中斷程序，中斷程序包括通信中斷和定時(shí)器中斷．定時(shí)器中斷處理是軟件設(shè)計(jì)的核心部分。下面給出了定時(shí)器中斷程序的流程，見圖3。 3．1信號采集與處理 單片機(jī)采用0．5ms定時(shí)中斷對輸入的電流信號進(jìn)行采樣．每個(gè)周期采20個(gè)點(diǎn)。經(jīng)信號調(diào)理后，各相電流分大小兩個(gè)通道進(jìn)入單片機(jī)，通過設(shè)置標(biāo)志位選擇通道．當(dāng)小通道采樣值為FF時(shí)啟用大通道重新采樣。在每個(gè)周期信號的第一個(gè)采樣點(diǎn)之后掃描撥碼開關(guān)的輸入，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。20個(gè)采樣點(diǎn)后對采集到的每路信號進(jìn)行一般的去除最大值、最小值和求平均值的軟件濾波。然后用一個(gè)周期電流的采樣值Ii進(jìn)行平方求和，近似得到電流的有效值。
3．2智能斷路器的保護(hù)動作特性 (1)三段保護(hù)特性 智能斷路器具有長延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)三段保護(hù)特性．如圖所示。
圖3定時(shí)器中斷子程序流程圖
圖4電流的三段保護(hù)特性曲線 常規(guī)的三段選擇保護(hù)脫扣器．短延時(shí)通常為定時(shí)限特性，這種定時(shí)限特性容易造成前一級斷路器和厚級斷路器的保護(hù)特性相交而影響斷路器的選擇性動作。即在某一短路電流下，前級斷路器先于后級開關(guān)動作而分?jǐn)嗔饲凹夒娐罚茐牧诉x擇性動作的要求。智能斷路器的短延時(shí)特性分為兩段。前一段是斜坡特性(I2t 特性)．后一段為定時(shí)限特件．?dāng)嗦菲飨仁前碔2t等于常數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)反時(shí)限特性，電流達(dá)到I2t后變?yōu)槎〞r(shí)限特性，這就滿足了前后級斷路器特性的匹配．實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)要求。 (2)脫扣能量的計(jì)算 通過撥碼開關(guān)設(shè)置斷路器的參數(shù)，每隔10ms(一個(gè)周期)掃描一次撥碼開關(guān)的輸入，并根據(jù)設(shè)定值計(jì)算脫扣能量。例如2倍電流、16s脫扣，脫扣能量就是：
其中電流In用有效值計(jì)算，100表示時(shí)間換算。 本文設(shè)計(jì)的斷路器有熱記憶功能，采用能量分段累加的方式，當(dāng)電流未達(dá)到需要脫扣的啟動電流(a*In)時(shí)，就釋放熱記憶的能量，熱記憶能量的釋放公式選用最簡單的工程算式：
當(dāng)電流大于脫扣啟動電流，小于1.05倍整定電流時(shí)，累加的能量值每個(gè)周期增加一個(gè)很小的恒定值，這樣就能保證1.05倍實(shí)驗(yàn)電流時(shí)2個(gè)小時(shí)不脫扣；當(dāng)電流大于1.05倍整定電流時(shí)，將每個(gè)周期的能量都疊加在熱記憶能量中。在能量累加后，和設(shè)定的脫扣能鼉相比較，當(dāng)大于脫扣能量時(shí)，單片機(jī)輸出高電平驅(qū)動脫扣線圈動作。 3．3 CAN節(jié)點(diǎn)通信軟件設(shè)計(jì) CAN的協(xié)議規(guī)范只是一低層的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)的是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，而CAN的能力必須由高層協(xié)議來體現(xiàn)。在該智能斷路器中．由于sJAl000和82C250芯片硬件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低層的功能．所以軟件設(shè)計(jì)也就是根據(jù)用戶的實(shí)際需要編寫應(yīng)用層的程序。通信軟件由三部分組成：初始化程序、發(fā)送程序和接收程序。由于CAN構(gòu)成的系統(tǒng)為多主系統(tǒng)，系統(tǒng)中任一節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻均可主動與其他節(jié)點(diǎn)通信。所以各節(jié)點(diǎn)的通信程序類似。由于初始化程序和發(fā)送子程序都比較簡單．在此只寫出接收子程序的流程圖。如圖5。
圖5接收子程序流程圖 4 總結(jié) 本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線的智能斷路器不僅可以精確、靈活地實(shí)現(xiàn)三段保護(hù)功能。還提供了友好的人機(jī)界面．可以實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、斷路器在線監(jiān)測等功能。通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信．適合于低壓配、用電網(wǎng)的信息交換．可遠(yuǎn)距離控制斷路器及快速進(jìn)行故障診斷減少停電和停機(jī)時(shí)間：也可在系統(tǒng)中靈活的改變斷路器的參數(shù)設(shè)置，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的配合。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)：(1)對每相電流進(jìn)行兩路不同倍數(shù)的放大后送至單片機(jī)采樣，保證了大電流范圍內(nèi)的采樣精度；(2)利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號控制場效應(yīng)管導(dǎo)通率。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自生電源；(3)提出能量分段累加的方法，實(shí)現(xiàn)斷路器的瞬動、短延時(shí)、長延時(shí)的三段保護(hù)功能；(4)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)通信功能。 作者：王善偉，戴瑜興 來源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第8-2期 |
