基于HC32的智能斷路器控制系統設計

何偉俊 武素蓮 袁嫣紅

0 引言

隨著泛在電力物聯網概念的提出和智能電網布局的展開，斷路器作為電力系統中重要的配電管理設備，其智能化發展已成大勢所趨[1-2]。而傳統的斷路器存在著功能單一，通信方式落后等問題，已逐漸不能適應智能電網對新型斷路器的要求。未來電力系統將朝著智能化、集成化方向發展，而斷路器和電能表作為電力系統常見的電器設備，將二者功能集成是未來電力系統的發展方向之一。

本文提出一種基于國產單片機HC32 的智能斷路器控制系統設計方案，設計了電流雙通道采樣電路，將傳統斷路器的電流保護功能和電能表的計量功能集成于一體，使斷路器功能更加豐富的同時，其測量精度也顯著提高。另外設計HPLC 通信作為系統通信方式，相比于傳統斷路器的通信方式，其通信速率、可靠性顯著提升，符合未來配電物聯的發展方向。

1 系統總體設計

1.1 系統結構

系統以華大半導體公司的HC32F460KCTA 作為主控單元，該芯片使用基于ARMv7-M 架構的32 位Cortex-M4 CPU，最高工作主頻達200MHz，CPU 性能的提高對系統的穩定性、可靠性以及程序執行速度的提高尤為重要。此外該芯片多達11 個串行通信接口包括3 個IIC、4 個UART 和4 個SPI 接口以及豐富的GPIO 口，可以大幅度提高系統的可拓展性，能兼顧本系統所需要使用的多種外設。

由被保護回路的電壓和電流來提供維持系統正常運行所需的電源，由外部時鐘模塊來提供系統運行的時間基準，重要數據存儲在外部EEPROM 模塊。主控芯片主要完成對被保護回路的電壓、電流信號的采集、運算、顯示和判斷。當故障發生時，智能識別故障類型并控制脫扣器動作。可通過控制器的本地人機交互模塊讀取斷路器的運行狀態、對各項整定參數進行讀寫、對故障信息進行查詢等。系統總體結構圖如圖1所示。

1.2 系統特點

1.2.1 通信方式

目前市場上使用的可通信型斷路器通信方式主要以RS485、CAN、窄帶載波和微功率無線通信方式為主，本系統使用的HPLC 通信方式與之相比如表1 所示。

由表1 可知，相較于其他通信方式，本系統使用的HPLC 通信具有免于布線、通信速率高、抗干擾能力強的特點。隨著配電物聯的發展和HPLC 通信技術的成熟，HPLC 通信將成為電力系統本地通信方式的未來發展方向。

1.2.2 測量精度

國家標準GB/T 22710-2008 中對斷路器的測量參數范圍及顯示精度有相關要求，但本系統在設計上要求不僅具有斷路器的電流保護功能，并且可兼顧電能表的計量功能，因此在測量精度上要遠高于市場上傳統斷路器和國家標準GB/T 22710-2008 的測量精度要求，并達到0.5 級電能表的要求，如表2 所示。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

考慮到斷路器在使用過程中需要長時間不間斷的運行，對電源供電的穩定性和可靠性有著較高的要求，因此電源設計也是其中的關鍵部分。本系統采用自生電源與相電壓供電相結合的方式進行冗余供電，當一個電源出現故障時，另一個電源立刻投入使用，不影響系統的正常運行。在國標GB/T 22710-2008中對自生電源的定義為“由被保護回路中的電流通過電流互感器感應產生的、在一定條件下可維持控制器基本功能的電源。”其電路原理圖如圖2 所示。

圖2 中Iin 是通過將保護通道的四相電流互感器二次側的電流信號進行疊加得到，再通過電容C1 和C2 進行濾波處理，經過電阻R2 和R3 轉換成電壓信號，通過HT7055A 電源監控芯片與MOS 管配合，來維持穩定的12V 輸出供電，再經過降壓穩壓電路輸出5V，低壓差穩壓器轉換為3.3V 為MCU 供電。其穩壓原理為：當R3 兩端電壓小于5V 時，MOS 管不導通；R3兩端電壓大于5V 時，MOS 管導通，R3 兩端電壓隨即降低。通過MOS 管的快速通/斷切換，可以將工作電壓維持在一個比較穩定的范圍內。而相電壓供電需使用AC-DC12V 模塊將AC 電源轉換為12V 的直流電壓，再轉換為5V 和3.3V 供電，如圖3 所示。

2.2 電流雙通道協同采樣設計

考慮到電能計量芯片量程的問題，將電流信號采樣分為兩個通道：由MCU 內部的ADC 模塊構成的保護通道和由電能計量芯片構成的計量通道。當被保護回路的電流大于1.2 倍的額定電流時，以保護通道的采樣數據為準，反之以計量通道的數據為準。

2.2.1 保護通道電路設計

保護通道是由MCU 的ADC 模塊對電流信號進行采樣計算，被保護回路的大電流經過斷路器四相電流互感器轉換成小電流信號，經過橋式整流電路整流后得到Ia2，其電流采樣電路原理圖如圖4 所示，考慮到雜波的影響，在電路后級加上一個電阻R24和電容C14組成一階低通濾波電路。最后通過集成運放電路處理之后得到IA2，再由MCU 的ADC 模塊對IA2進行采樣，通過變比即可計算出該相電流的實際值。

2.2.2 計量通道電路設計

計量芯片是智能電網用電信息計量系統的核心元器件，直接關系到電能表的計量精度和工作可靠性以及穩定性。本系統使用的HT7036系列多功能高精度三相電能專用計量芯片集成了六路二階sigma-deltaADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數及頻率測量的數字信號處理等電路。能夠分別測量各相以及合相的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率等參數，充分滿足本系統對電能參數計量的要求，HT7036 電路原理圖如圖5 所示。

HT7036 芯片所有的計量參數和校表參數均可通過SPI 接口與MCU 進行數據傳輸。考慮到SPI 傳輸時信號線可能受到干擾或者出現抖動，可以根據SPI 通信速率以及外部MCU 的信號進行分析，選擇參數合適的電阻和寄生電容組成一個低通濾波器，消除SPI通信時的干擾和抖動。AVCC 端的電容Ce12、Ce13、Ce14 和Ce15 主要是對電源進行去耦，減少AVCC 的波動，從而保證芯片的正常工作。同理VCC、VDD、和REFCAP 均采用電容進行去耦，以保證穩定性。RESET 引腳作為芯片的復位引腳，內部有47K 的上拉電阻，低電平有效，也可以通過SPI 通信接口發送命令，實現軟件復位。

2.3 HPLC 通信模塊

HPLC 電力載波通信的工作原理如圖6 所示，主站將待發送的數據發送至載波模塊，載波模塊接收到數據后將數據進行調制和編碼后通過電力線耦合接口傳輸到電力線上。接收端同樣通過電力線耦合接口將接收到的信號進行解調后再發送給從站通信設備，至此完成通信[3-5]。

本系統采用青島鼎信的HPLC 單相載波模塊進行載波通信。該HPLC 通信模塊接口需要+12V 供電，分為強電接口和弱電接口兩個部分，弱電接口部分用于與MCU 的UART 串口進行連接，強電接口部分分為信號耦合L 和信號耦合N，分別與電力線的火線和零線進行耦合。HPLC 模塊通過檢測和接收電力線路中的載波信號，將載波信號經過處理后通過UART 串口發送至MCU；MCU 也可將數據幀由UART 發送至HPLC 模塊，由HPLC 模塊轉換成載波信號，發送至目標，其電路原理圖如圖7 所示。

3 系統軟件設計

在交流電的頻率為50Hz 的情況下，當AD 采樣程序設計為間隔0.5ms 完成一次信號采樣時，經過20ms可采集到A，B，C，N 四相一個周期的電流波形數據，使用離散序列的均方根算法分別計算各相電流的有效值，取其中最大值Imax 作為參數進行判斷。

3.1 過載長延時保護算法實現

過載長延時保護其原理是根據電流的熱效應產生的能量Q 來進行判斷的，呈反時限特性，即故障電流越大，動作時間相應越短。延時動作時間計算公式如下：

過載長延時保護可配合熱記憶功能實現，即模擬雙金屬片特性，當線路中發生過載電流而引起保護動作后，再次發生過載故障時，其延時動作時間在過載保護特性基礎上會相應變短。過載長延時保護程序設計流程圖如圖8 所示。

3.2 短路短延時保護算法實現

短路短延時保護分為反時限和定時限保護兩種情況。

3.2.1 反時限保護

當故障電流Isd ≤ I ≤ 8*Ir 時，具有反時限保護特性，故障電流越大，動作時間越短，短路短延時反時限保護的動作時間計算公式如公式⑶所示，短路短延時保護的能量閾值計算公式如下：

3.2.2 定時限保護

當故障電流I ≥ Isd 且I ≥ 8*Ir 時，具有定時限保護特性，即在此范圍內無論電流如何變化，到達設定時間后都會發出脫扣信號，此時脫扣器有脫扣動作，動作時間T = Tsd。短路短延時保護程序設計流程圖如圖9 所示。

3.3 短路瞬時保護算法實現

相比于過載長延時保護和短路短延時保護所監控的電流范圍而言，觸發短路瞬時保護的電流值極大，要求斷路器能以最快速度迅速斷開回路以保證其他設備不受損害，故對短路瞬時保護的判斷在0.5ms定時器中斷中進行。當連續兩次采樣得到的電流值大于短路瞬時保護所設置的閾值時，控制器發脫扣信號使脫扣器動作，否則視為線路電流處于正常狀態。

4 系統測試

將系統的額定電流In 設置為400A，使用PTC-8300D 三相便攜式電能表校驗裝置來測試系統的計量精度，該裝置準確度等級為0.1 級，可對0.2 級及以下三相電能表進行精度校驗。將系統A 相通入一定大小的電壓和電流，與系統LCD 界面顯示的數據進行對比測試計量精度，測試結果如表3 和表4 所示。

由測試結果可知，系統在0.1In～1.0In 的電流范圍內和（0.2～1.0）*220V 電壓范圍內的計量誤差在0.5%之內，符合0.5 級電能表的計量精度要求。

5 結論

本文提出的基于國產單片機的智能斷路器控制系統設計方案，具備三段電流保護功能即過載長延時保護、短路短延時保護和短路瞬時保護，同時還兼顧電能表的計量功能，且計量誤差在0.5% 以內。相比于工業控制領域廣泛使用的RS485 和CAN 總線通信方式，本系統使用HPLC 通信方式，具有施工方便、利于維護的特點，是未來智能電網領域的主要通信方式，也是未來斷路器的發展方向之一。本文為國產芯片在斷路器領域的應用與推廣積累了開發經驗。