基于DSP的斷路器智能化技術(shù)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(tuán)公司712研究所，武漢430064）

1 引言

斷路器是用于接通、分?jǐn)嚯娏ο到y(tǒng)及對各種故障進(jìn)行保護(hù)控制的一種開關(guān)電器，廣泛用于各類電網(wǎng)的供配電系統(tǒng)中，一般具有過載、短路、漏電、接地等故障保護(hù)功能.傳統(tǒng)斷路器的檢測和保護(hù)功能多由電磁元件完成，其動(dòng)作時(shí)間長，保護(hù)精度低，整定困難。隨著社會(huì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，人們對供電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度要求越來越高，傳統(tǒng)斷路器的功能已不能滿足供電系統(tǒng)自動(dòng)化的需要，因此，對于單臺(tái)斷路器就要求其自動(dòng)化、智能化、模塊化，對于供電系統(tǒng)中的多臺(tái)斷路器要求能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、集中監(jiān)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(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、控制理論、可編程邏輯技術(shù)和串行通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)、報(bào)警、顯示與控制功能。同時(shí)通過各種通信接口實(shí)現(xiàn)遙測、遙調(diào)、遙控、遙信等“四遙”功能，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可通過上位機(jī)集中監(jiān)測和控制。因此，帶智能測控單元的斷路器在低壓配電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2 智能型斷路器的硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 數(shù)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(jī)來說，相同的時(shí)鐘頻率下，DSP有著更快的指令執(zhí)行速度，大部分的指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。F2407的工作電壓是3.3V，兼容5V TTL電平，內(nèi)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(shè)接口（SPI）、2×8路10位的A/D轉(zhuǎn)換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數(shù)字I/O端口。我們使用F2407片內(nèi)的存儲(chǔ)器存放程序，外擴(kuò)RAM 芯片作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。擴(kuò)展一片串行EEPROM用于存放參數(shù),具體參數(shù)包括長短延時(shí)電流整定值,長短延時(shí)時(shí)間整定值等。

圖1 原理框圖

主回路的電流信號經(jīng)過隔離變換電路后送到DSP片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換通道采樣；當(dāng)回路過流時(shí)I/O口輸出動(dòng)作信號，經(jīng)光電隔離后驅(qū)動(dòng)脫扣器線圈分?jǐn)鄶嗦菲鳌?/p>

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)的易擴(kuò)充等要求。通過CAN接口，上位機(jī)和計(jì)算機(jī)可以設(shè)定斷路器的電流整定值和時(shí)間整定值等參數(shù)；同時(shí)主回路電流、斷路器的狀態(tài)等各種信息能實(shí)時(shí)的傳遞給上位機(jī)顯示。

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

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

2.2 分閘線圈操作單元

傳統(tǒng)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(dòng)作時(shí)間一般為10～20 ms，斷路器動(dòng)作時(shí)間較長，難以滿足系統(tǒng)快速分?jǐn)嗟囊?。而固態(tài)繼電器其動(dòng)作時(shí)間不大于1 ms；同時(shí)它的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也較方便。本裝置中DSP的I/O口信號通過緩沖電路驅(qū)動(dòng)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(tài)繼電器的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)斷路器快速分?jǐn)唷?/p>

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)特性的實(shí)現(xiàn)

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

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

保護(hù)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(hù)裝置在上電或硬件復(fù)位后，開始初始化,然后程序執(zhí)行全面上電自檢。若自檢不能通過將發(fā)出告警信號并閉鎖保護(hù)；若上電自檢通過，數(shù)字保護(hù)裝置進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)過程中進(jìn)行按健掃描，可以隨時(shí)手動(dòng)自檢；并將主回路電流、斷路器的狀態(tài)等各種信息實(shí)時(shí)的傳遞給上位機(jī)。定時(shí)器每隔一個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷。定時(shí)周期設(shè)為100 μs。在定時(shí)請求中斷信號到來時(shí)，DSP可相應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。定時(shí)中斷服務(wù)程序流程如圖3所示，程序首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，然后執(zhí)行保護(hù)算法，最后進(jìn)行保護(hù)判斷完成保護(hù)功能。

4 結(jié)論

本文提出的基于DSP芯片的智能型斷路器的設(shè)計(jì)，充分利用了DSP芯片強(qiáng)大的處理能力，同時(shí)使用固態(tài)繼電器控制脫扣器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)快速精確保護(hù)。

[1]羅超, 李凡. 智能斷路器的特點(diǎn)及應(yīng)用.

[2]王善偉, 戴瑜興. 基于CAN總線的低壓智能斷路器的設(shè)計(jì).

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