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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．其作用是保護電氣配電網(wǎng)絡和丁業(yè)設備免受短路、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。通過斷路器的通信功能互聯(lián)成區(qū)域網(wǎng)．實現(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)自動化領域應用的不斷深入，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)場總線標準中，綜合性價比、抗干擾能力與控制器本體的銜接等因素．選擇CAN(Controller alea network)總線來實現(xiàn)可通信功能。CAN是一種典型的現(xiàn)場總線．應用CAN總線可以滿足智能斷路器數(shù)據(jù)通信的可靠性、實時性和節(jié)點的易充等要求。 1 設計要求 (1)本文設計的智能斷路器殼架額定電流為800A，有長延時、短延時和瞬動的三段保護功能．有額定電流、瞬動電流、報警電流、長，短延時時間可調(diào)功能。 (2)實驗電流為1.05Ir(Ir為整定電流)時，2個小時之內(nèi)不脫扣：實驗電流為.2Ir時。1小時內(nèi)脫扣動作。 (3)瞬時脫扣電流的整定允許誤差：±10％；長延時和短延時動作時間允許誤差：±15％。 (4)具有通信功能，可通過計算機網(wǎng)絡精確地檢測、計算電路的參數(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。進行數(shù)據(jù)通信和交換。 2 硬件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 2．1總體方案設計 本文所設計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，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，單片機將輸入的模擬信號采樣與A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號并對其進行處理。同時通過撥碼開關(guān)輸入設定的參數(shù)(如：整定電流倍數(shù)，脫扣時間等)至單片機。自生電源通過單片機的控制將整流以后的信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電源信號，為整個線路供電。通信模塊主要完成與上位機的通信。指示燈包括正常工作、過載燈、預報警燈和通訊燈。 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的采樣精度。本文將整流以后的信號分兩路輸入到單片機系統(tǒng)。兩路信號采用不同的放大倍數(shù)。信號較小時，單片機系統(tǒng)以較大放大倍數(shù)一路為準；信號較大時，單片機系統(tǒng)以較小放大倍數(shù)一路為準，然后在單片機內(nèi)轉(zhuǎn)換成相同的標準進行處理。 2．3電源設計 本文設計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。通過單片機對電源模塊進行檢測，并輸出PWM信號來調(diào)節(jié)場效應管的導通率，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A/D 采樣電壓高于2V時場效應管的導通率變大，使得7808輸入電壓降低。當A/D采樣電壓低于1.7V時，場效應管的導通率變小，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。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。本文設計的斷路器外接6個撥碼開關(guān)進行參數(shù)設定，要用到18個I/0口，而M68HC908GP32的I/O口多達33個，能夠滿足要求。此外。M68HC908GP32具有抗干擾能力強、外圍電路簡單、成本低、保密性好、易于小型化等特點。是MC68HC08家族中性價比較高的一員。 2．5通信單元 CAN總線是現(xiàn)場總線領域應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。本設計中CAN控制器和收發(fā)器選用philips公司生產(chǎn)的SJAl000和82C250芯片。單片機對SJAl000進行控制及接收發(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 軟件設計 軟件設計主要分為兩部分。主程序和中斷程序，中斷程序包括通信中斷和定時器中斷．定時器中斷處理是軟件設計的核心部分。下面給出了定時器中斷程序的流程，見圖3。 3．1信號采集與處理 單片機采用0．5ms定時中斷對輸入的電流信號進行采樣．每個周期采20個點。經(jīng)信號調(diào)理后，各相電流分大小兩個通道進入單片機，通過設置標志位選擇通道．當小通道采樣值為FF時啟用大通道重新采樣。在每個周期信號的第一個采樣點之后掃描撥碼開關(guān)的輸入，進行參數(shù)的設定。20個采樣點后對采集到的每路信號進行一般的去除最大值、最小值和求平均值的軟件濾波。然后用一個周期電流的采樣值Ii進行平方求和，近似得到電流的有效值。
3．2智能斷路器的保護動作特性 (1)三段保護特性 智能斷路器具有長延時、短延時、瞬時三段保護特性．如圖所示。
圖3定時器中斷子程序流程圖
圖4電流的三段保護特性曲線 常規(guī)的三段選擇保護脫扣器．短延時通常為定時限特性，這種定時限特性容易造成前一級斷路器和厚級斷路器的保護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)動作而分斷了前級電路，破壞了選擇性動作的要求。智能斷路器的短延時特性分為兩段。前一段是斜坡特性(I2t 特性)．后一段為定時限特件．斷路器先是按I2t等于常數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)反時限特性，電流達到I2t后變?yōu)槎〞r限特性，這就滿足了前后級斷路器特性的匹配．實現(xiàn)選擇性保護要求。 (2)脫扣能量的計算 通過撥碼開關(guān)設置斷路器的參數(shù)，每隔10ms(一個周期)掃描一次撥碼開關(guān)的輸入，并根據(jù)設定值計算脫扣能量。例如2倍電流、16s脫扣，脫扣能量就是：
其中電流In用有效值計算，100表示時間換算。 本文設計的斷路器有熱記憶功能，采用能量分段累加的方式，當電流未達到需要脫扣的啟動電流(a*In)時，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：
當電流大于脫扣啟動電流，小于1.05倍整定電流時，累加的能量值每個周期增加一個很小的恒定值，這樣就能保證1.05倍實驗電流時2個小時不脫扣；當電流大于1.05倍整定電流時，將每個周期的能量都疊加在熱記憶能量中。在能量累加后，和設定的脫扣能鼉相比較，當大于脫扣能量時，單片機輸出高電平驅(qū)動脫扣線圈動作。 3．3 CAN節(jié)點通信軟件設計 CAN的協(xié)議規(guī)范只是一低層的協(xié)議，實現(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)實現(xiàn)了低層的功能．所以軟件設計也就是根據(jù)用戶的實際需要編寫應用層的程序。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)點在任意時刻均可主動與其他節(jié)點通信。所以各節(jié)點的通信程序類似。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) 本文設計的基于CAN總線的智能斷路器不僅可以精確、靈活地實現(xiàn)三段保護功能。還提供了友好的人機界面．可以實現(xiàn)故障報警、斷路器在線監(jiān)測等功能。通過CAN總線與上位機進行通信．適合于低壓配、用電網(wǎng)的信息交換．可遠距離控制斷路器及快速進行故障診斷減少停電和停機時間：也可在系統(tǒng)中靈活的改變斷路器的參數(shù)設置，使系統(tǒng)達到最佳的配合。 本文的創(chuàng)新點：(1)對每相電流進行兩路不同倍數(shù)的放大后送至單片機采樣，保證了大電流范圍內(nèi)的采樣精度；(2)利用單片機產(chǎn)生PWM信號控制場效應管導通率。實現(xiàn)穩(wěn)定的自生電源；(3)提出能量分段累加的方法，實現(xiàn)斷路器的瞬動、短延時、長延時的三段保護功能；(4)通過CAN總線實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)通信功能。 作者：王善偉，戴瑜興 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第8-2期 |
