基于DSP的斷路器智能化技術研究

王吉忠 鄧為 包涌泉

（1.海軍駐武漢712所軍事代表室，武漢430064；2.中國船舶重工集團公司712研究所，武漢430064）

1 引言

斷路器是用于接通、分斷電力系統及對各種故障進行保護控制的一種開關電器，廣泛用于各類電網的供配電系統中，一般具有過載、短路、漏電、接地等故障保護功能.傳統斷路器的檢測和保護功能多由電磁元件完成，其動作時間長，保護精度低，整定困難。隨著社會的發展，技術的進步，人們對供電系統的自動化程度要求越來越高，傳統斷路器的功能已不能滿足供電系統自動化的需要，因此，對于單臺斷路器就要求其自動化、智能化、模塊化，對于供電系統中的多臺斷路器要求能實現聯網通信、集中監控等，即所謂的智能型斷路器.

智能型斷路器的中樞部件是智能測控單元。智能測控單元由于采用了計算機技術、數字處理技術、控制理論、可編程邏輯技術和串行通信技術等，實現各種保護、報警、顯示與控制功能。同時通過各種通信接口實現遙測、遙調、遙控、遙信等“四遙”功能，在網絡系統中可通過上位機集中監測和控制。因此，帶智能測控單元的斷路器在低壓配電系統中得到了廣泛應用。

2 智能型斷路器的硬件設計

智能型斷路器核心由DSP、外擴存儲器、模擬信號變換電路、通訊接口、固態繼電器等幾部分組成，原理框圖如圖1所示。

2.1 數字核心處理電路

我們選用了TI公司的TMS320F2407（以下簡稱F2407）型DSP作為核心控制芯片。相對于單片機來說，相同的時鐘頻率下，DSP有著更快的指令執行速度，大部分的指令可以在一個時鐘周期內完成。F2407的工作電壓是3.3V，兼容5V TTL電平，內嵌32K字的flashROM、544字的DRAM和2K字的SRAM；此外F2407還配置有CAN控制器、異步串行通訊口（SCI）、同步外設接口（SPI）、2×8路10位的A/D轉換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數字I/O端口。我們使用F2407片內的存儲器存放程序，外擴RAM 芯片作數據存儲器。擴展一片串行EEPROM用于存放參數,具體參數包括長短延時電流整定值,長短延時時間整定值等。

圖1 原理框圖

主回路的電流信號經過隔離變換電路后送到DSP片內的A/D轉換通道采樣；當回路過流時I/O口輸出動作信號，經光電隔離后驅動脫扣器線圈分斷斷路器。

CAN是一種典型的現場總線，應用CAN總線可以滿足智能斷路器數據通信的可靠性、實時性和節點的易擴充等要求。通過CAN接口，上位機和計算機可以設定斷路器的電流整定值和時間整定值等參數；同時主回路電流、斷路器的狀態等各種信息能實時的傳遞給上位機顯示。

裝置本身的狀態能通過裝置面板指示燈顯示，通過按鈕可對裝置進行檢測，本裝置同時具有自診斷功能。

由于充分的使用了F2407片內的資源，使得硬件電路得到簡化，提高了整個裝置的可靠性。

2.2 分閘線圈操作單元

傳統斷路器是用電磁繼電器來控制分閘線圈的。由于電磁繼電器的動作時間一般為10～20 ms，斷路器動作時間較長，難以滿足系統快速分斷的要求。而固態繼電器其動作時間不大于1 ms；同時它的驅動電路的設計也較方便。本裝置中DSP的I/O口信號通過緩沖電路驅動光電隔器，光電隔離器將3.3 V信號變換成24 V信號控制固態繼電器的導通，實現斷路器快速分斷。

3 軟件設計

3.1 保護特性的實現

斷路器脫扣特性中核心部分是三種保護特性：過載長延時保護特性、短路短延時保護特性和電流逆向保護特性。

3.2 軟件結構

保護軟件主要由主程序和中斷程序兩部分組成。其中主程序流程如圖2所示，保護裝置在上電或硬件復位后，開始初始化,然后程序執行全面上電自檢。若自檢不能通過將發出告警信號并閉鎖保護；若上電自檢通過，數字保護裝置進入主循環。在主循環過程中進行按健掃描，可以隨時手動自檢；并將主回路電流、斷路器的狀態等各種信息實時的傳遞給上位機。定時器每隔一個周期產生一次中斷。定時周期設為100 μs。在定時請求中斷信號到來時，DSP可相應中斷，執行中斷服務程序。定時中斷服務程序流程如圖3所示，程序首先進行數據的采集和處理，然后執行保護算法，最后進行保護判斷完成保護功能。

4 結論

本文提出的基于DSP芯片的智能型斷路器的設計，充分利用了DSP芯片強大的處理能力，同時使用固態繼電器控制脫扣器動作，實現快速精確保護。

[1]羅超, 李凡. 智能斷路器的特點及應用.

[2]王善偉, 戴瑜興. 基于CAN總線的低壓智能斷路器的設計.

[3]TMS320LF／Lc24ox DSP Controllers System and Peripherals, 2000.