CN101106262A - 塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于塑壳式低压断路器的双核智能型可通讯控制器，其硬件结构主要包括有空心电流互感器、霍尔电流互感器、零序电流互感器、电压互感器，上述各互感器分别连接有校正电路，并通过该校正电路同时与一个16路模拟开关相连。16路模拟开关依次连接有信号调理模块、10位串行A/D转换器和信号处理器。信号处理器与一个主控制器构成双微处理器，完成对信号的检测、分析和处理。信号处理器还接有触头温度传感器和断路器状态传感器以及驱动电路，驱动电路和快速脱扣电磁铁相连；快速脱扣电磁铁还通过一个模拟比较电路和空心电流互感器相连。主控制器上有键盘、串行E²PROM、液晶显示器和通讯接口，以及通过该通讯接口连接的声光报警器。

Description

塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器

技术领域

本发明属于电工电能技术领域，涉及一种塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器。该双核智能型可通讯控制器也适用于在电力系统中进行电能分配和电机拖动控制的其他断路器，同时对采取特殊工作频率的行业也有重要的实际应用价值。

背景技术

我国目前生产的低压断路器分四代，其中第四代智能型可通讯低压断路器的市场份额约占30％，但它们大多属智能型万能式断路器，而可通讯智能型塑壳式低压断路器非常少。随着电力系统容量的不断提高，利用性价比高的智能型可通讯塑壳式低压断路器替代智能型可通讯万能式低压断路器是当今国内外智能断路器研究的一个方向，目前国内在开发同类产品方面技术还不成熟、处于起步阶段，市场对产品的需求旺盛、应用前景十分广阔。

随着电力系统的发展和塑壳式低压断路器开断能力的不断提高，利用体积和成本比万能式明显少得多的智能型可通讯塑壳式低压断路器替代智能型可通讯万能式低压断路器已经成为电器行业共同追求的目标。但是，无论是哪种智能型低压断路器，它们采用的电流特性曲线都是沿袭传统断路器的模拟热效应而设计的特性曲线，存在算法复杂、动作保护特性不够科学、无触头温度检测等缺陷。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器，且该双核智能型可通讯控制器也能广泛应用于电力系统的电能分配和电机拖动控制以及采取特殊工作频率的其他类型断路器。

为实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器，其特征在于，其硬件结构主要包括有空心电流互感器、霍尔电流互感器、零序电流互感器，电压互感器，上述各互感器上分别连接有校正电路，并通过该校正电路同时与一个16路模拟开关相连，16路模拟开关连接有信号调理模块，信号调理模块与一个10位串行A/D转换器连接；10位串行A/D转换器与一个用于电量检测和分析的信号处理器连接，所述的信号处理器还同时与一个主控制器构成双核微处理器，分别对数据进行分析和处理；

信号处理器上分别连接有触头温度传感器和断路器状态传感器、以及驱动电路，驱动电路和快速脱扣电磁铁相连；快速脱扣电磁铁还通过一个模拟比较电路和一个空心电流互感器相连；

主控制器上有键盘、串行E²PROM、液晶显示器和通讯接口，通过该通讯接口连接声光报警器。

本技术发明的塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器具有下列特点：

1、首次在可通讯智能型塑壳式低压断路器中采用双微处理器(双核)构架。其中，一个微处理器采用单时钟/机器周期的高速MCU，专用于信号检测和分析，另一个微处理器采用普通形式，负责通讯、显示、键盘输入等工作，这样更适于对电流的实时监控。这种方法既能同时执行两个任务，又降低了成本。

2、在该控制器中采用包括“全段电流保护”、“电流/触头温度复合监控”、“不均等循环电量检测”等新型故障保护方法(该保护方法已另申报发明专利)，因此塑壳式低压断路器本体中可省去双金属片热保护装置。

3、首次提出利用传感器将辅助开关信号提供给智能控制器以记录和显示断路器的工作状态，此方法相对光电开关方式可靠性更高、电磁兼容性更强，能完成对断路器正常工作状态不间断的监测和显示，以及记录断路器每次开断的电流大小、开断类型、拒分或拒合等信息。

4、研发的新型控制单元能与上位机进行通信，其具有适应能力强、通讯距离较远、抗干扰能力强等特点，可实现“四遥”功能。

附图说明

图1是本发明的塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器的硬件组成框图；

图2是电压传感及电源电路；

图3是信号选择与调理电路；

图4是短路保护电路；

图5是RT1602A与SST89E564的接口电路；

图6是DS1302时钟电路；

图7是通信接口及冗余电源电路；

图8是主程序总框图；

图9是部分软件子程序；

图10是CRC校验子程序流程图；

图11是Modbus通信协议RTU接收中断程序流程图；

图12是主机Modbus通信流程图；

图13是与双核可通讯智能控制器通讯的微机界面图；

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

一、主要的硬件和软件

1、硬件电路设计：

1)组成框图

由于需要处理的数据较多，不但要数据运算，还要判断、显示、键盘输入、通讯，而且要求实时性强，能及时发现、处理线路故障。如果采用单MCU，不但速度要求极高，而且I/O口的数量也难以符合需要。于是本设计采用双MCU的构架，并且有针对性地选用了STC12C4052和SST89E564，分别用于信号的采集、判断和通信、显示、键盘等。

塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器的硬件结构框图如图1所示，主要包括空心电流互感器、霍尔电流互感器、零序电流互感器和电压互感器。上述各互感器上分别连接有校正电路，并通过校正电路同时与一个16路模拟开关相连，16路模拟开关连接有信号调理模块，信号调理模块与一个10位串行A/D转换器连接；10位串行A/D转换器与一个用于信号检测和分析的信号处理器(STC12C4052)连接，所述的信号处理器与一个主控制器(SST89E564)构成双微处理器分别对数据进行分析和处理。

信号处理器(STC12C4052)上还连接有触头温度传感器、断路器状态传感器以及驱动电路，驱动电路和快速脱扣电磁铁相连；快速脱扣电磁铁还通过一个模拟比较电路和空心电流互感器相连。

主控制器(SST89E564)上有4×4键盘、串行E²pROM、液晶显示器(1602)和通讯接口(485)，通过该通讯接口连接声光报警器。键盘上有功能键、上翻、下翻、确认、返回、复位及其数字。液晶显示器能滚动显示电压、电流、功率、温度、开关、状态、菜单，并优先显示故障状态。

2)电压传感及电源设计

为减少智能控制器体积，本设计采用电压互感器供电，以消除因负荷电流的不确定性而给电源所带来的影响。控制器采用冗余供电技术，即在主回路有电的情况下由电压互感器提供全机±12V、+5V工作电源；在主回路断电时，经过通讯接口的多余线路由UPS统一为控制器供电。因此，只需一个UPS便可使多个断路器工作，从而减小了包含智能控制器在内的断路器的体积，节省了成本。该控制器还可实现各种故障状态指示、报警等辅助功能，从而保证控制器正常工作。上述两种电源可自动切换，电路如图2所示。

因为电压互感器兼做电源，其容量很小，在短路情况下，线路上的电压很低，而分断断路器的电磁铁脱扣器需要较大的电流。为解决这一矛盾，设计了电阻串联电容的方式存储电能。图中电阻的作用是限制电流，避免刚开机时因电容吸收电流太大使电压互感器的电压下降太多，以致影响测量并产生误动作。同时，利用电容放电速度快的特点提供瞬间的大电流，满足电磁铁脱扣的工作需要，同时兼有滤波的作用。

由于智能断路器需要测量的电量很多，各种电量测量的要求也不同，因此要分别对待。线路上的电压变化较电流的变化小得多，通常是在负载变化很大时才有一定的变化。因此，本设计采用整流、滤波后送入多路模拟开关。在数据采集时，采集时间可小于半个电压周期。

3)信号选择与调理

被测线路中的电信号在正常和非正常情况下相差10倍以上(根据保护要求而定)。因此，必须首先提高小电流时的测量精度，同时兼顾电流的测量范围，实现全范围电流的精确测量。

若采用单一互感器来实现这个功能显然是困难的。霍尔电流传感器的精度虽然很高，但测量范围有限；空心互感器的测量范围宽，但测量小电流时误差很大。因此，参考实验结果，并充分考虑测量要求、技术、成本等因素，决定同时采用霍尔电流传感器和空心互感器。它们的作用互不相同，霍尔电流传感器主要是用来实现2倍额定电流以下的电流测量，而空心电流互感器则在大于2倍额定电流时的过载、短路情况下起作用。这样就兼顾了电流的测量精度和测量范围。

本控制器需要采样的电量很多、信号较强、处理的电路有相同部分。为简化电路，首先采用两片8通道模拟开关CD4051进行通道选择，然后进行信号调理。信号经模拟开关进入信号缓冲器，通过由两个运算放大器组成的精密整流电路完成绝对值的运算。为避免瞬间大信号影响正常工作，在运放输入端并入两个反接的5V稳压二极管。虽然运算放大器选择的是最常用的LM324芯片，其各项指标不高，但本设计不是用于计量，因而能满足使用要求。同时LM324不用校准，成本也很低。具体电路如图3所示。

4)短路保护电路

在出现短路电流的情况下，其电流值可达到正常电流值的10倍甚至更高，在这种情况下，如果再采用小过流倍数时的经过滤波、采集、A/D转换后由CPU进行处理的办法，在时间上将达不到分断特性的要求，断路器将来不及进行保护，从而造成事故。为此，特别设计了可独立控制执行单元的模拟电路，以便在出现短路情况时实现瞬时动作。电路如图4所示。

图中，LM324芯片中的2个运算放大器用于整定值比较电路。电流互感器的信号经过三相整流后产生的信号，经差动放大后送入电压比较器。由于差动放大器有抑制共模信号、放大差模信号的功能，因此，只要同向输入端电压和反向输入端电压有微小的差异，运算放大器就会立即翻转，这对于提高整定值的精度无疑是大有好处的。当线路上出现短路情况，立刻向单片机发出中断请求，并控制电磁驱动电路，使低压断路器脱扣。由于电磁脱扣为机械运动，不能瞬间完成，在这个过程中，单片机有足够的时间响应中断、测量故障电流和进行查询。

5)键盘显示与时钟单元

键盘是测控单元的人机对话界面，通过它可以方便地了解断路器的各种信息。本发明采用液晶显示模块RT1602A和4×4矩阵键盘。RT1602A液晶显示模块属行列驱动及控制合一的小规模液晶显示驱动芯片，电路简单，经济实用，内含振荡器，只须外接振荡电阻即可工作。模块工作的稳定性好。与AT89S52组态时RT1602A的工作接口方式如图5所示。

液晶显示模块能循环显示电路运行参数、故障状态下的故障电流和故障的类型。在正常运行状态下，用户使用控制器面板上的键盘或者上位机和编程器的通讯可进行定位显示、电流整定值调整、延时脱扣时间调整、试验、存储、复位等各项操作。DS1302时钟电路如图6所示。

为了满足系统的实时性需要，需由一时钟电路给系统提供时钟信号。系统时钟信号由串行时钟芯片DS1302产生，采用串行通讯方式，只需三条线即可与单片机通讯。虽没有采用光电隔离，但由于读写数据靠时序控制且具有写保护位，抗干扰效果明显；同时具有体积小、连线少的特点，外围只有32.768kHz晶振，使用灵活。

6)通信接口及冗余电源电路

本控制器的通信单元包含MCU与PC机的通信以及MCU之间的通信两部分。SST89E564通过模拟开关选择STC12C4052和PC之间的通信。

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点而成为首选的串行接口。SST89E564与PC的通信采用RS485接口。RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，可利用其余的线作电源线提供5V的电压。当主回路断电时，智能控制器的微处理器仍可以继续工作，保证主设备和从设备之间的通信。通信接口及冗余电源电路如图7所示。

2、软件设计

1)软件总体设计

软件全部采用汇编语言编写。相对高级语言编写的执行语句，具有效率更高、时间空间准确的特点，这为用软件来实现Modbus协议的转换提供了可行性和可靠性，同时为断路器采集大电流与小电流等参数的轮询时间精确控制提供了有效的编程环境。

采用模块化程序设计的主程序总框图如图8所示。

主程序主要包括故障处理子程序、通信处理子程序、键盘处理子程序和显示处理子程序等；中断程序主要包括外部中断子程序、定时器中断子程序、通信中断子程序和键盘中断子程序等。中断优先级依次为外部中断、定时器中断、通信中断和键盘中断。本设计的部分软件子程序如图9所示。

2)冗余循环码校验

图10为CRC校验子程序流程图。冗余循环码(CRC)包括2个字节，即16位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到的信息的CRC码，比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。计算CRC码的步骤如图10所示。

3)通信

图11为Modbus通信协议RTU接收中断程序流程图。采用RTU模式的Modbus通信协议，首先要解决传输过程中的时间间隔问题，例如起始和停止是否大于等于3.5个字符时间间隔，以及数据传输中要求其间隔必须大于1.5个字符间隔。这里采用一个定时器来计算这两个字符时间，定时0.5个字符，程序中结合两个累加寄存器来分别计数并判断是否相应的时间间隔已到。

图12为主机Modbus通信流程图。首先，主设备应对Modbus通信进行初始化，以便主从设备能够正常通信；如果发送消息给了某个断路器，接着应等待指定断路器的回应，并且实时判断断路器的回答消息是否正确。无论是帧错误还是响应超时都将产生一个错误，并会重发这个消息；重复这个过程，直到重发次数最大而进行通信错误处理。

控制器与主机之间转递的主要数据有：

(1)控制器的所有整定参数(电流和时间)；

(2)各相和中性线电流的有效值；

(3)三相电流最大值(有效值)；

(4)过载状态指示信息；

(5)故障状态指示信息；

(6)开关的分断/合闸信息。

与双核可通讯智能控制器通讯的主机界面如图13所示。

二、主要技术条件：

1.用途与使用范围

本发明的塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器能对低压断路器的过载、短路、欠压等故障进行保护，能保护线路和电源设备不受损坏。装有本发明控制器的低压断路器的额定绝缘电压800V，适用于交流50～1500Hz、额定工作电压660V及以下、额定工作电流6300A及以下的电路中，可作为配电电路和交通工具电路的通断、电动机不频繁起动用。该类智能断路器具有体积小，分断高、飞弧短、抗振动等特点。该断路器的技术要求符合GB14048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》和IEC60947-2《低压开关设备和控制设备断路器》等标准。

2.正常工作条件和安装条件：

环境温度为-5℃～+40℃，24h内的平均值不超过+35℃；安装地点海拔不超过2000m；防护等级为IP30；使用类别是B类或A类；该断路器可水平或垂直安装。如垂直安装，其垂直倾斜度不超过±5度。

3.智能控制器的主要技术指标：

(1)额定电量：电压220V，频率：50Hz；

(2)测量精度：电压±1.5％，电流±1.0％，频率±0.5％，温度±0.5℃；

(3)适用环境：周围空气温度-5℃～-40℃，24小时的平均值不超过35℃，安装地点的海拔高度不超过2000m，污染等级为3级；

(4)通信协议：Modbus-RTU；

(5)通信接口：标准RS485接口；速率：9.6K，19.2K；帧格式：一位起始位，一位停止位，八位数据，无奇偶校验。

4.智能控制器的使用：

通过智能控制器的键盘设定断路器的整定值。本控制器设5组推荐值，用户也可对控制量进行自定义。用户可通过计算机对断路器进行远程控制。

三、技术特点及优势

1、本发明的塑壳式低压断路器用双核智能型可通讯控制器的特点是采用了双微处理器的构架，实时性强。能与PC机和同类可通讯电器进行双向通信，利用现场总线达到“四遥”的目的。由于采用常用芯片和传感器，在拥有良好性能的同时降低了成本、易于实现批量生产。

2、与上位机进行通信的控制单元将完成对断路器正常工作状态不间断的监测和显示，以及记录断路器每次开断的电流大小、开断类型、拒分或拒合等信息。

四、适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测

本发明虽然针对适用于塑壳式低压断路器的控制器，但该双核智能型可通讯控制器也适用于电力系统的电能分配和电机拖动控制以及采取特殊工作频率的各类型断路器，市场对此类产品的需求旺盛、应用前景十分广阔。

Claims (3)

1.一种塑壳式低压断路器用的双核智能型可通讯控制器，其特征在于，其硬件结构主要包括有空心电流互感器、霍尔电流互感器、零序电流互感器，电压互感器，上述各互感器上分别连接有校正电路，并通过该校正电路同时与一个16路模拟开关相连，16路模拟开关连接有信号调理模块，信号调理模块与一个10位串行A/D转换器连接；10位串行A/D转换器与一个用于电量检测和分析的信号处理器连接，所述的信号处理器还同时与一个主控制器构成双核微处理器，分别对数据进行分析和处理；

信号处理器上分别连接有触头温度传感器和断路器状态传感器、以及驱动电路，驱动电路和快速脱扣电磁铁相连；快速脱扣电磁铁还通过一个模拟比较电路和一个空心电流互感器相连；

主控制器上有键盘、串行E²PROM、液晶显示器和通讯接口，通过该通讯接口连接声光报警器。

2.如权利要求1所述的双核智能型可通讯控制器，其特征在于，所述的键盘为4×4键盘，上有功能键、上翻、下翻、确认、返回、复位及其数字。

3.如权利要求1所述的双核智能型可通讯控制器，其特征在于，所述的液晶显示器能滚动显示电压、电流、功率、温度、开关、状态、菜单，并优先显示故障状态。

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