CN209402146U - 一种基于多核结构的低压断路器智能控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多核结构的低压断路器智能控制器，包括数据采集单元、第一从处理器、第二从处理器、主处理器，数据采集单元包括电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块，电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输入端分别采集电流、电压、开关量信号，电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输出端分别连接第一从处理器，第一从处理器、第二从处理器、主处理器依次相连，主处理器通过功率放大电路后连接驱动电路。本实用新型构建多核结构的低压断路器智能控制器，将断路器的功能分为数据采集、数据运算和整体控制三个部分，该方案充分发挥三个控制核心的优势，从而满足智能电网的发展要求。

Description

一种基于多核结构的低压断路器智能控制器

技术领域

本实用新型涉及断路器领域，特别涉及一种基于多核结构的低压断路器智能控制器。

背景技术

低压断路器是低压电网和电力系统中非常重要的开关控制电器。在输配电控制、承载和关合运行电流、保护电网和保障用电设备安全运行方面低压断路器担负着重要职责。随着我国智能电网的发展，对低压断路器提出了较高的要求，使低压断路器向智能方向发展。低压智能断路器的核心是智能控制器。

实用新型专利201420314725.3公开了一种用于智能低压断路器的智能控制器，该智能控制器采用双核结构，即ARM+DSP的形式，双核之间通过I2C进行通信。首先，整体控制和人机交互部分采用ARM做处理器，但ARM相对STM32而言，单芯片价格昂贵，且外围接口没有STM32丰富。其次，ARM与DSP之间采用I2C通信，I2C通信属于串行通信，硬件设计简单，但是软件实现复杂。此外，DSP 善于数据运算，但由于其串行执行指令的特点，采集数据能力不能够充分满足断路器的实时多重保护的要求。

实用新型专利201420317218.5公开了一种用于智能低压断路器上的智能控制器，该智能断路器采用单核结构，以FPGA处理器作为CPU，现场采集的数据通过总线传递到断路器中进行数据处理。FPGA的强项是数据处理，但它的外围接口不如STM32丰富，标准化通用性不如STM32好，对整个系统的控制能力也不及STM32强。

实用新型专利201621094173.5公开了一种高压断路器在线监测系统，该断路器的智能监测终端采用单核结构，以STM32作为微控制器，断路器的电压、电流信号通过总线传递到CPU中进行数据处理。STM32的接口非常丰富，控制能力强，非常适合做整体控制和人机交互，但是其数据处理能力不强，难以满足断路器在复杂电网中的系统处理要求。

现有的低压断路器智能控制器以单核或者双核结构的形式为主。虽然单核或者双核处理器的处理能力强大，但是随着智能电网的发展要求，为了提高断路器的系统处理速度，实时响应电网的故障，需要开发多核处理器的低压断路器智能控制器。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、处理能力强、稳定性好的基于多核结构的低压断路器智能控制器。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种基于多核结构的低压断路器智能控制器，包括数据采集单元、第一从处理器、第二从处理器、主处理器，所述数据采集单元包括电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块，所述电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输入端分别采集电流、电压、开关量信号，电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输出端分别连接第一从处理器，第一从处理器与第二从处理器相连，第二从处理器与主处理器相连，主处理器通过功率放大电路后连接驱动电路，以实现断路器的开断和闭合。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，所述电流量采集模块包括电流互感器、多路开关及放大电路、A/D转换器Ⅰ，电流互感器采集电流量信号，电流互感器的输出端与多路开关及放大电路的输入端相连，多路开关及放大电路的输出端与A/D转换器Ⅰ的输入端相连，A/D转换器Ⅰ的输出端与第一从处理器相连。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，所述电压量采集模块包括电压互感器、电压信号调理电路、A/D转换器Ⅱ，电压互感器采集电压量信号，电压互感器的输出端与电压信号调理电路的输入端相连，电压信号调理电路的输出端与A/D转换器Ⅱ的输入端相连，A/D转换器Ⅱ的输出端与第一从处理器相连。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，所述电压信号调理电路包括差分运放电路、滤波电路和限压电路，差分运放电路、滤波电路和限压电路依次串接。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，所述开关量采集模块包括接收电路、光耦、触发器，接收电路接收开关量信号，接收电路、光耦、触发器依次连接后再接至第一从处理器。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，还包括LCD屏和键盘，LCD屏、键盘和主处理器相连。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，还包括有线通信模块和无线通信模块，有线通信模块、无线通信模块均与主处理器相连，主处理器通过有线通信模块与PC机相连。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，所述第一从处理器采用FPGA芯片，型号为EP3C40F324；所述第二从处理器采用数字信号处理器DSP，型号为TMS320UC5402；所述主处理器采用单片机STM32，型号为STM32F407ZGT6。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，所述的数字信号处理器DSP包括存储模块，存储模块包括NOR FLASH和SDRAM；所述的单片机STM32包括存储模块，存储模块包括NOR FLASH、SRAM。

上述基于多核结构的低压断路器智能控制器，所述DSP与STM32之间基于Syslink通过共享内存区域进行通信，所述电流互感器采用Rogowski 线圈。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型包括数据采集单元和多核处理器，数据采集单元采集断路器的电流量、电压量和开关量信号，并将检测到的信号以模拟电信号的形式送入多核处理器，多核处理器包括STM32、DSP、FPGA，其中FPGA负责控制A/D转换器、开关量采集模块的数据采样，并将分析与处理后的数据送入DSP，DSP将正常采样数据与故障分析结果送入STM32，STM32作为主CPU负责完成整体控制以及人机交互功能，STM32根据分析结果输出相应的控制信号，控制信号经功率放大电路后送至驱动电路，以实现断路器的开断和闭合。

2、本实用新型采用多核处理器，利用STM32卓越的事务管理能力让它作为主核，负责系统的整体控制。利用 DSP极强的数据处理能力，让它作为从核完成对采样数据的处理，DSP 不需要直接进行数据采集或者对整体系统进行控制，节省内存，大大提升了断路器数据监测的准确性和实时性；利用 FPGA突出的数据采样能力完成模拟量和开关量的数据采集；相比于基于单核或双核结构的断路器，多核处理器可以有效分担系统的数据采集、处理和控制的任务，使得断路器运行更加流畅，监测更加准确。

3、本实用新型利用LCD 进行人机交互，省去了上位机，提升了断路器软件运行的速度和流畅性，并利用 STM32优秀的事务管理能力让它作为主核，负责系统的整体控制。

4、本实用新型利用DSP极强的数据处理能力，让它作为从核完成对采样数据的处理。DSP不需要直接进行数据采集或者对整体系统进行控制，节省内存，大大提升了系统在线监测的准确性和实时性。

5、本实用新型的DSP与STM32之间基于Syslink 通过共享内存区域进行通信，对比通过SPI 通信节省了硬件空间资源，系统稳定性好，软硬件升级更加方便。

6、本实用新型采用Rogowski 线圈作为电流互感器。Rogowski 线圈是一种特殊结构的空心线圈，其特点在于被测电流范围宽，反映速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，将 Rogowski 线圈与集成电路相结合，克服了传统铁芯电磁式互感器因铁芯饱和使测量误差增加的缺陷，通过电子放大环节，提高了测量灵敏度，扩大了电流测量范围。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图。

图2为本实用新型的具体结构框图。

图3为本实用新型电流量采集模块的工作原理框图。

图4为本实用新型主处理器模块的工作原理框图。

图5为本实用新型主处理器STM32部分的原理图1。

图6为本实用新型主处理器STM32部分的原理图2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1-图2所示，一种基于多核结构的低压断路器智能控制器，包括数据采集单元、第一从处理器、第二从处理器、主处理器、LCD屏、键盘、有线通信模块、无线通信模块、存储器模块、电源，所述数据采集单元包括电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块，所述电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输入端分别采集电流、电压、开关量信号，电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输出端分别连接第一从处理器，第一从处理器与第二从处理器相连，第二从处理器与主处理器相连，主处理器通过功率放大电路后连接驱动电路，以实现断路器的开断和闭合，LCD屏、键盘、电源和主处理器相连。有线通信模块、无线通信模块均与主处理器相连，主处理器通过有线通信模块与PC机相连。存储模块分别与从处理器DSP和主处理器STM32相连。

所述电流量采集模块包括电流互感器、多路开关及放大电路、A/D转换器Ⅰ，电流互感器采集电流量信号，电流互感器的输出端与多路开关及放大电路的输入端相连，多路开关及放大电路的输出端与A/D转换器Ⅰ的输入端相连，A/D转换器Ⅰ的输出端与第一从处理器相连。

所述电压量采集模块包括电压互感器、电压信号调理电路、A/D转换器Ⅱ，电压互感器采集电压量信号，电压互感器的输出端与电压信号调理电路的输入端相连，电压信号调理电路的输出端与A/D转换器Ⅱ的输入端相连，A/D转换器Ⅱ的输出端与第一从处理器相连。采用电压互感器（选用霍尔电压互感器）进行电网电压的监测，测量结果先通过电压信号调理电路中，随后经A/D转换器Ⅱ进行内部处理，转换成相应的电压值数字量，交由DSP进行数据诊断。所述电压信号调理电路包括差分运放电路、滤波电路和限压电路，差分运放电路、滤波电路和限压电路依次串接，其中的运算放大器采用ADI公司AD822芯片。

所述开关量采集模块包括接收电路、光耦、施密特触发器，接收电路包括限流电阻、吸收电路、滤波电路，接收电路接收开关量信号，接收电路、光耦、触发器依次连接后再接至第一从处理器。限流电阻用于接收采集的开关量，开关量信号经由滤波电路进行滤波处理，滤波后的信号与光耦TLV847相连，进行隔离处理。隔离后的开关量信号与施密特触发器相连，最后将信号输入给FPGA进行数据诊断。

第一从处理器采用Altera的FPGA芯片EP3C40F324，主要完成的工作为变电站内馈线数据的采集调理。FPGA负责控制A/D转换器、开关量采集模块的数据采样，并将分析与处理后的数据送入DSP。电流量、电压量等模拟量的数据采集由FPGA芯片控制A/D芯片以10kHz的采样频率进行电流和电压信号的采样，FPGA 通过片选信号选中A/D 芯片，将一个通道的16 位数据存入数据寄存器中。读取8 次后，将数据通过数据并行总线发送给FPGA，FPGA 对数据进行预处理，然后送入先入先出队列( First Input First Output ，FIFO)缓存。所述的A/D芯片采用TI公司的ADS8586模数转换芯片。

第二从处理器采用TI公司的数字信号处理器DSP芯片TMS320UC5402，用于实现所有功率、能量、有效值、功率因素等数字信号处理电路。DSP利用其强大的运算能力进行数据运算，并将正常采样数据与故障分析结果送入STM32。

所述主处理器采用意法半导体公司的32位单片机STM32F407ZGT6，以Coretex为内核，集成丰富的外围功能模块，适宜于实时控制，非常适合于对于实时性、速度、精度、低成本、低功耗等要求的智能断路器中使用，主要用于整体控制和人机交互。

所述的FPGA、DSP和STM32之间的接口工作原理如下，首先是FPGA与DSP之间通过UPP接口进行连接，采用数据总线的方式进行通信，即DSP 在读数据、写数据的过程中用相应的状态标志位来置位以指示FIFO 的状态，通过计算数据写入和读出的计数，来判断FIFO中的数据量，DSP 持续从FIFO 中读出数据直到FIFO 为空为止。其次，DSP 和STM32之间基于Syslink采用共享内存区域进行数据通信以及消息收发，DSP对FPGA 所发送的数据进行处理，将结果发送给STM32，最终由STM32把数据结构呈现在LCD 屏上，接收工作人员对装置的操作，完成整体控制和人机交互。

本实用新型的STM32和DSP之间的通信方式如下，DSP端完成数据处理之后需要将数据和结果发送给STM32，STM32上运行 Linux系统，DSP上运行SYS / BIOS系统，双核之间通过共享内存区基于 Syslink 进行异构双核通信。

本实用新型的通信模块包含有线通信和无线通信两种方式，通信模块采用双向通信的方式。有线通信采用以太网通信的方式，无线通信采用GPRS通信。断路器不仅可以将采集的遥控、遥信、SOE等信息上传到监控中心和调度中心。此外，工作人员也可以在监控中心或者调度中心通过通信对低压断路器实现遥控和遥调控制，即实现断路器的“四遥”功能，大大提高电网的智能化水平。

本实用新型主要实现电流量、电压量和开关量三种状态量的监测。模拟信号的采集过程中，首先将信号互感器监测的断路器状态量以模拟电信号的形式送入系统，经过A/D转换之后再发到DSP处理器。数字信号的采集是开关量的数据监测，依次通过信号接收电路、隔离光耦和触发器将数字信号直接送入DSP进行处理。数据诊断过程主要是DSP处理器对采集到的数据进行计算，并根据数据库中的数据再与历史数据进行比较和分析，并将数据诊断结果送入STM32，STM32根据诊断结果输出控制信号，控制信号经功率放大电路进行功率放大后送入驱动电路，随后断路器的机械部分执行动作，以实现断路器的开断和闭合。

如图3所示，电流量的采集选用罗氏（Rogowski）线圈作为电流互感器进行电网电流的测量。当被测交流电流通过 Rogowski 线圈时，线圈产生感应电动势输出信号，该电势信号再通过积分器环节，其输出的电压值与被测电流成正比，然后将积分器输入电压信号通过可编程增益放大器LH0084进行放大，其放大倍数由FPGA处理器来控制，并实现量程自动转换。最后，经A/D转换器进行内部处理，转换成相应的电流值数字量，交由DSP进行数据诊断。

Rogowski 线圈是一种特殊结构的空心线圈，其特点在于被测电流范围宽，反映速度快，可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流，将 Rogowski 线圈与集成电路相结合，克服了传统铁芯电磁式互感器因铁芯饱和使测量误差增加的缺陷，通过电子放大环节，提高了测量灵敏度，扩大了电流测量范围。

Rogowski 线圈与FPGA结合实现电流检测，通过外置的键盘电路模块，使用人员可以设定不同的电流整定值，选择不同范围的三段保护曲线。显示器模块可以将电流的检测结果实时显示。当出现瞬动电流过大、短路或过载等异常情况的时候，STM32就会发出故障检测输出的信号，根据电流值处于三段保护的范围区间决定执行相应的断路器脱扣动作。在正常情况下，使用人员可以通过键盘发出指令，通过STM32发出脱扣讯号指令执行脱扣动作。

如图4所示，主处理器的硬件部分主要包括主处理器芯片，LCD 触屏，键盘，功率放大电路，有线通信，无线通信，SRAM，Flash ROM，EEPROM，等。主处理器芯片STM32F407ZGT6的主频为168MHz，具有192KB 的运行内存和 1MB 的存储空间，其将承载智能控制器的嵌入式操作系统，图形界面内核（人机交互），外设驱动等功能，并控制其上FPGA，DSP 芯片等设备的工作，使断路器正常的运行。

此外，STM32 外扩了一块 512KB的 SRAM，这部分运行内存空间主要用于给LCD 触屏提供显存。SRAM 的型号为 IS61LV51216，具有 16 位的数据线，18 位的地址总线，接到FSMC总线上的NE3上。

STM32 还外扩了一块 16M bit的Flash ROM，加上其内部的1MB的Flash，保证了STM32有充足的存储空间运行较为复杂的程序，以保证断路器可以完成足够多且复杂的功能。Flash ROM的型号为M29W800DT70N6E，具有16 位数据总线和19位地址总线，接到FSMC总线的NE2上。

如图5所示，这部分主处理器电路主要包含的功能如下：唤醒功能（PA0）；DSP数据通信（PA4，PA5，PA6，PA7）；ADC控制与通信（PA1，PA5，PA6，PB6）；SWD下载调试接口（PA13，PA14）；FIFO读写控制（PA2，PA3，PC3，PC5，PD3，PD4，PD7）；FPGA通信（PA15，PB3，PB4，PB5，PB10，PB11）；GPS数据通信（PC6，PC7）；485转无线通信（PA9，PA10，PA11，PA12）；有线通信（PC8，PC9，PC10，PC11）；按键接口（PC1，PC2，PC3，PC4）；LED灯（PC12，PC13）；RTC时钟（PC14，PC15），电压监测（PB0，PB1）；BOOT模式选择（PB2）；LCD控制（PC0，PB7，PB12，PB13，PB14，PB15）；EEPROM读写（PB8，PB9）；FSMC总线数据线（PD0，PD1，PD2，PD8，PD9，PD10，PD14，PD15）；FSMC总线控制线（PD4，PD5，PD6）；FSMC总线地址线（PD11，PD12，PD13）。

如图6所示，这部分主处理器电路主要包含的功能如下：FSMC总线控制线（PE0，PE1）；FSMC总线地址线（PE3，FG0-PG5，PF0-PF5，PF12-PF15）；FSMC总线数据线（PE7-PE15）；ADC控制（PG6，PG7，PG8，PG11，PG13，PG14，PG15，PF9）；FSMC总线片选（PG9，PG10，PG12）；按键接口（PE2，PE4，PE5，PE6）；GPS时钟同步控制（PF6）；温度传感器控制（PF7）；报警器控制（PF8）；放大器控制（PF10,PF11）；时钟信号（PH0，PH1）；BOOT模式选择（BOOT0）；复位引脚（NRST）；断电复位（PDR_ON）；内部电压调节器（VCAP_1，VCAP_2）。

Claims (9)

1.一种基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：包括数据采集单元、第一从处理器、第二从处理器、主处理器，所述数据采集单元包括电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块，所述电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输入端分别采集电流、电压、开关量信号，电流量采集模块、电压量采集模块、开关量采集模块的输出端分别连接第一从处理器，第一从处理器与第二从处理器相连，第二从处理器与主处理器相连，主处理器通过功率放大电路后连接驱动电路，以实现断路器的开断和闭合；所述第一从处理器采用FPGA芯片，型号为EP3C40F324；所述第二从处理器采用数字信号处理器DSP，型号为TMS320UC5402；所述主处理器采用单片机STM32，型号为STM32F407ZGT6。

2.根据权利要求1所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：所述电流量采集模块包括电流互感器、多路开关及放大电路、A/D转换器Ⅰ，电流互感器采集电流量信号，电流互感器的输出端与多路开关及放大电路的输入端相连，多路开关及放大电路的输出端与A/D转换器Ⅰ的输入端相连，A/D转换器Ⅰ的输出端与第一从处理器相连。

3.根据权利要求1所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：所述电压量采集模块包括电压互感器、电压信号调理电路、A/D转换器Ⅱ，电压互感器采集电压量信号，电压互感器的输出端与电压信号调理电路的输入端相连，电压信号调理电路的输出端与A/D转换器Ⅱ的输入端相连，A/D转换器Ⅱ的输出端与第一从处理器相连。

4.根据权利要求3所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：所述电压信号调理电路包括差分运放电路、滤波电路和限压电路，差分运放电路、滤波电路和限压电路依次串接。

5.根据权利要求1所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：所述开关量采集模块包括接收电路、光耦、触发器，接收电路接收开关量信号，接收电路、光耦、触发器依次连接后再接至第一从处理器。

6.根据权利要求1所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：还包括LCD屏和键盘，LCD屏、键盘和主处理器相连。

7.根据权利要求1所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：还包括有线通信模块和无线通信模块，有线通信模块、无线通信模块均与主处理器相连，主处理器通过有线通信模块与PC机相连。

8.根据权利要求1所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：所述的数字信号处理器DSP包括存储模块，存储模块包括NOR FLASH和SDRAM；所述的单片机STM32包括存储模块，存储模块包括NOR FLASH、SRAM。

9.根据权利要求2所述的基于多核结构的低压断路器智能控制器，其特征在于：所述数字信号处理器DSP与单片机STM32之间基于Syslink 通过共享内存区域进行通信，所述电流互感器采用Rogowski 线圈。