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。“智能大腦”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。“智能大腦”常采用單微處理器（advanced RISC machine, ARM）或單數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）方案。DSP的強(qiáng)項是強(qiáng)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。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。針對高壓斷路器，提出ARM+DSP+FPGA三核方案，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。

雙芯之間的通信不進(jìn)行總線擴(kuò)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。

圖2 管理芯模塊設(shè)計框圖

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(jī)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。

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(jī)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。

圖3 保護(hù)芯模塊設(shè)計框圖

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(jī)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。

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。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(jī)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P為3W，工作時間T為110s，電壓從U1=11V放電到U2=5V，計算能量為

式（1）

因此，超級電容C=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400kΩ，輸出負(fù)載電阻為121Ω，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。

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。

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(jī)構(gòu)控制的斷路器分合閘。

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0.3125ms，即采樣頻率為3 200Hz，滿足Nyquist采樣原理。

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，并在操動機(jī)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(jī)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In=250A），對測量值I2和理論值I1進(jìn)行相對誤差計算(I2-I1)/I1×100%，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 電流測量精度數(shù)據(jù)

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Ue=220V），對測量值U2和理論值U1進(jìn)行相對誤差計算(U2-U1)/U1×100%，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0.1In≤I≤0.4In，誤差極限±0.5%；電壓準(zhǔn)確度，電壓值范圍0.6Ue≤ U≤1.3Ue，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。

本文編自2022年第9期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于雙芯模塊化的低壓智能斷路器設(shè)計與實現(xiàn)”，作者為馬曉昆、薛莉 等，本課題得到低壓智能斷路器技術(shù)研究及應(yīng)用項目的支持。