CN214150961U

CN214150961U - 一种断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路

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Publication number: CN214150961U
Application number: CN202022802791.3U
Authority: CN
Inventors: 李开平; 窦体权; 宁小飞; 冯跃; 段永生; 曾尹; 袁春
Original assignee: Wenshan Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Current assignee: Wenshan Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2030-11-27

Abstract

本实用新型涉及断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路。本实用新型包括微处理器、电源模块、采集模块、分压隔离电路、整流滤波电路、ADC转换电路、通信模块；电源模块用于供电，采集模块分别与分压隔离电路、整流滤波电路连接，分压隔离电路、整流滤波电路均分别与ADC转换电路连接，ADC转换电路与微处理器连接，微处理器通过串口与上位机平台连接，微处理器与通信模块连接。本实用新型能对电流和电压数据进行采集和检测，将采集的数据经过ADC转换后送给DSP进行处理和显示。当检测到短路或其他故障时，本实用新型经过综合判断后给相应的断路器发出跳闸命令并存储当前故障数据和时间，同时通过串口将相关数据发送给主机。

Description

一种断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路

技术领域

本实用新型涉及一种断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，属于电力设备技术领域。

背景技术

高压断路器作用是保护电气设备的安全运转。经过对其的控制，可以完成电能的转移、连接、关闭以及运送；在出现问题时，能够及时的关闭开关，避免大范围的事故和火灾产生。高压断路器运动特性检测对它的工作状态是否出现异常进行判定，因此获得巨大关注。断路器运动特性检测装置的控制系统是检测装置的核心，而控制系统的硬件电路将决定了控制系统工作的效率、可靠性等一些列关键指标。控制系统是智能断路器的核心，也是生产智能化和生活智能化得以实现的可靠后盾。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供一种断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，能对电流和电压数据进行采集和检测，将采集的数据经过ADC转换后送给DSP进行处理和显示。当检测到短路或其他故障时，本实用新型能给相应的断路器发出跳闸命令并存储当前故障数据和时间，同时通过串口将相关数据发送给主机。上位机可以通过总线实现参数的设置，查看设备的运行状态，历史故障。

本实用新型技术方案是：一种断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，包括微处理器、电源模块、采集模块、分压隔离电路、整流滤波电路、ADC转换电路、通信模块；所述电源模块用于供电，所述采集模块分别与分压隔离电路、整流滤波电路连接，分压隔离电路、整流滤波电路均分别与ADC转换电路连接，ADC转换电路与微处理器连接，微处理器通过串口与上位机平台连接，微处理器与通信模块连接。

进一步地，所述微处理器还与光电隔离电路连接，光电隔离电路分别与开关量输入信号处理模块、开关量输出电路连接。

进一步地，所述微处理器采用TMS320F28335。

进一步地，所述电源模块采用双电源电路用于提供3.3V和1.9V电源。

进一步地，所述采集模块包括电流传感器、电压传感器；电流传感器采用闭环霍尔传感器TBC-LXH电流传感器，电压传感器采用CHV-25P。

进一步地，所述滤波电路采用二阶有源滤波电路，也被称作KRC滤波。

进一步地，所述ADC转换电路采用ADS8557芯片。

进一步地，所述通信模块采用Modbus通信电路，Modbus通信电路包括Modbus集中器、从机和双绞线电缆；每个从机通过并联的方式挂接在双绞线电缆上，Modbus通信电路由Modbus集中器向单个从机发送信息，对应子站收到指令后才会发送应答信息给Modbus集中器。

进一步地，所述Modbus集中器包括发送电路和接收电路两种。

进一步地，还包括外部存储电路、GPS校时电路；外部存储电路采用IS6ILV256I6，GPS校时电路采用授时模块NE0-5Q作为接收芯片。

本实用新型的有益效果是：本实用新型能对电流和电压数据进行采集和检测，将采集的数据经过ADC转换后送给DSP进行处理和显示。当检测到短路或其他故障时，本实用新型能给相应的断路器发出跳闸命令并存储当前故障数据和时间，同时通过串口将相关数据发送给主机。上位机可以通过总线实现参数的设置，查看设备的运行状态，历史故障。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型双电源供电框图；

图3是本实用新型双电源电路图；

图4是本实用新型电流采样电路原理图；

图5是本实用新型电压采样电路原理图；

图6是本实用新型二阶滤波原理图；

图7是本实用新型低通滤波器的特性示意图；

图8是本实用新型对比特性分析示意图；

图9是本实用新型ADC转换电路原理图；

图10是本实用新型Modbus从机通信电路原理图；

图11是本实用新型集中器发送电路原理图；

图12是本实用新型集中器接收电路原理图；

图13是本实用新型集中器接收电路模型示意图；

图14是本实用新型XINTF存储器映射结构图；

图15是本实用新型外部存储电路原理图；

图16是本实用新型GPS校时电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，包括微处理器、电源模块、采集模块、分压隔离电路、整流滤波电路、ADC转换电路、通信模块；所述电源模块用于供电，所述采集模块分别与分压隔离电路、整流滤波电路连接，分压隔离电路、整流滤波电路均分别与ADC转换电路连接，ADC转换电路与微处理器连接，微处理器通过串口与上位机平台连接，微处理器与通信模块连接。还包括人机接口电路，人机接口电路与液晶显示、打印机输出连接，还与键盘输入连接。

首先，需要对电流和电压数据进行采集和检测，将采集的数据经过ADC转换后送给DSP进行判断和显示。当检测到短路或其他故障时，控制系统经过综合判断后给相应的断路器发出跳闸命令并存储当前故障数据和时间，同时通过串口将相关数据发送给主机。上位机可以通过总线实现参数的设置，查看设备的运行状态，历史故障，并且可以进行远程分断操作。

进一步地，所述微处理器采用TMS320F28335。本次选用TMS320F28335作为核心控制器件。它既保留了DSP芯片以往的优点又可以执行更为复杂的浮点运算，既加速了代码的运行时间又降低了代码存储需要的内存。总之，它的计算能力、开发成本、体积、存储规模等特性都是其他芯片无法比拟的。TMS320F28335釆用LQFP封装，所以即使有176个引脚它的体积也非常小。具体性能可以总结为以下几点：

(1)高性能静态CMOS技术，指令周期为6.67ns，主频高达150MHZ，有低功耗和节电模式两种工作模式。

(2)中断响应迅速，C/C++或者是汇编语言三种语言可供选择。

(3)片内含有SARAM存储器、Boot ROM存储器、Flash存储器和OTPROM存储器。这些存储器可以根据需要设置安全码。

(4)88个独立可编程多路复用I/O接口，有四种工作模式供用户选择。

(5)6路DMA模块，为外设和存储器之间的数据传输提供硬件支持。

(6)丰富的通信模块。它们都包括CAN模块、SCI(UART)模块、McBSP模块、SPI模块和I2C模块。

(7)丰富的开发工具。C/C++编译汇编/连接器，CCS软件，评估板和XDS510仿真器。其中，CCS的用户较多。

TMS320F28335具有高速运算功能且能够对外围资源进行扩展。这些优点使它能够快速实现数字信息的分析和计算。再与控制系统的逻辑运算相结合，使它能够轻松实现保护功能。该芯片由于采用了流水线工作模式，因而具有很好的并行处理能力。所以对于大规模的数据运算也有很好的处理速度。总之，该芯片在硬件系统和软件开发平台上都具有很大的优势，所以被广泛应用于故障保护中。

进一步地，所述电源模块采用双电源电路用于提供3.3V和1.9V电源。DSP内核的电压为1.9V，而I/O引脚上的电压为3.3V。F28335片上外设则需要+5V电源，该电源由开关电源直接供电。所以，在设计时需要进行电源转换，转换为供内核和引脚可以使用的3.3V和1.9V。通常，当它们分别采用独立电源供电时，如果上电或掉电的起点和上升速度出现差异就会在内核和I/O模块之间产生电流，一般只对系统的初始化有影响，严重时就会影响元件的使用寿命，更危险的是在隔离模块之间出现电流就会触发元件自身的闭锁保护。虽然TI公司设计的芯片允许它们在上电的过程中存在一定的时间差，但为了系统的稳定性和元件的使用寿命，在给设备供电时应该把上电和掉电的问题考虑进去。

对于TMS320F28335而言，所有模块准确复位时对上电/掉电次序没有特定的需求，但是，如果I/O输出缓冲的3.3V电源比内核1.9V电源先上电，则可能会使输出缓冲被打开，导致上电的过程中产生脉冲干扰。为了避免此类情况，通常要求V_DD先于V_DDIO达到0.7V，同时对复位引脚

有如下要求:

在上电期间，

须在输入时钟t_w(RSL1)稳定之前始终保持低电平，为元件上电后处于确定状态提供保障；在掉电期间，为了稳定Flash，

引脚需要保持低电平8μs，也就是需要在V_DD达到1.5V之前保持低电平。如图2所示，该图是双电源供电的原理图。DSP双电源供电电路图如图3所示。

1.电流传感器

电流采集使用闭环霍尔传感器TBC-LXH。首先，将被采集的电路穿入传感器内，当电路接通后，会在导线周围产生磁力线，它们被传感器的磁芯气隙包围。最后，通过磁芯气隙中的霍尔电片会产生与磁力线成正比的感应电压。该电压非常小，需要通过电子电路转成等比例的电流信号后，才能用作传感器的输出。它的测量范围是0～±200A，匝数比为1:2000。该电流传感器需要的电压为±15V，其它参数依次为：线性度小于0.2％FS，响应时间也小于1μs，工作温度为-40℃～+85℃均满足控制系统的要求。如图4所示，采样电路将待测导线穿入传感器内部，A端口就是等比例减小的电流，也就是传感器的输出。它流经采样电阻后形成压降，由于另一端接地，所以电阻两端的输出U_o就是转换后的电压信号。

2.电压传感器

电压传感器采用的型号是CHV-25P。额定输入为10mA，测量范围为0～±400V，匝数比为2500:1000。工作电压为±15V，线性度是0.1％FS，响应时间40μs。如图5所示，CHV-25P霍尔传感器的额定输入很小，所以，与传感器相连时，需要在输入端串联限流电阻R₁，以防电流太大损坏传感器。由于传感器的电压范围是0～±400V，通过计算R₁为44KΩ。限流电阻的精度对测量精度影响很大，所以，在挑选电阻时应使精度控制在1％以内。由匝数比可知，副边的电流为0～±25mA。当输出电阻R₂＝400Ω时，输出电压U_o在±10V之间，这已经满足ADS8557对输入信号的要求(当参考电压为2.5V时(CRbitC18＝0)，输入电压范围可以是±10V或±5V)。

由于不同场合对应的电源质量参差不齐，一些场所的电源中掺杂一些高次谐波，甚至在一些电源中会出现较大的浪涌电压，浪涌电流，这会严重影响电子跳闸单元的采样精度，进而对跳闸时间产生影响。所以，对电流、电压进行滤波是非常必要的。相比较而言，一阶RC滤波的效果并不理想。因此，在设计滤波电路时应选用具有更好滤波效果的电路。滤波后，对小量程电流采样电路进行调整，能减少滤波器的数量，降低成本。

如图6所示，它是二阶有源滤波电路的原理图，也被称作KRC滤波器。

该滤波电路的传递函数为

其中，A₀代表直流增益，图6为A₀＝1时的二阶有源滤波电路。可得

贝赛尔、巴特沃斯、切比雪夫是常见的高阶低通滤波器，它们的系数如表1所示。

表1低通滤波器系数表

通过Matlab对三种低通滤波器的幅频特性和相频特性进行分析。需要注意的是，仿真时切比雪夫的波动一般选取为3dB。

从仿真结果图7可以看出，巴特沃斯具有很好的通带平坦度。这种滤波器常用在信号转换电路中的抗混叠滤波器，因为在通带中能够保持精确的增益特性。切比雪夫的特性在于，通带内的增益具有波动，当频率大于滤波电路的转折频率后，它的增益迅速下降。而3dB切比雪夫滤波器是指通带的纹波为3dB。对切比雪夫来说，它在通带内的波动越大，转折频率后它的增益下降就会越陡。所以，对切比雪夫来说，将输入信号的某个频率进行分离比保持信号的幅值效果更好。贝赛尔的特点是可以在很宽的频率范围内都有很好的线性响应，还可以获得一个恒定的群延迟。所以，它具有很好的方波传输特性。不过，贝赛尔滤波器在通带的增益不像巴特沃斯那样稳定，从通态到阻态的过渡过程，也不像切比雪夫那样陡哨。

对于智能断路器来说，滤除高频杂波、保持通带增益的稳定性，保障采样精度才是滤波的根本意义。所以，选用二阶巴特沃斯低通滤波器。

如图8所示，是参数为R₂₂＝820Ω，R₂₁＝3.9KΩ，C₇＝22nF，C₆为20nF时巴特沃斯的滤波特性与三种二阶有源低通滤波器的比较图。在智能控制系统中，低于1kHz的信号相位延迟带来的保护时间滞后可以忽略不计，所以对于50Hz的基波信号来说，滤波带来的延时非常小可以忽略不计。

进一步地，所述ADC转换电路采用ADS8557芯片。

高速度、高精度的数据采集系统必须与高精度、高速的转换芯片相结合才能发挥作用。虽然F28335内部集成了AD釆集单元，但它只能采集0～3.3V的单极性电压信号，不满足电力系统需要的同时对6路信号进行不延时釆集。而且，模拟信号经过调理电路后，电压的输出范围为±10V。所以，DSP内部的采集单元并不适合智能控制系统。经过分析，选择TI公司的ADS8557芯片做采集系统。ADS8557是一款具有6通道12位模数转换器，采用连续逼近寄存器原理工作，对高分辨率、多通道、高转化率和低功耗的要求均能满足，主要在电力监控、仪器控制等场合使用。

六个模拟输入可以形成三个通道组对信号进行并行采样，因此，可以保留信号的相对相位信息。相互独立的开始转换信号可以控制每个通道的转换，也能4个通道或6个通道一起转换。ADS8557支持单端差分模拟信号输入，输入的范围既可以是±4Vref，也可以是±2Vref，最大可以输入±12V。图9为ADC转换电路。

Modbus通信电路主要包括集中器、从机和双绞线电缆。每个从机通过并联的方式挂接在双绞线上，Modbus通信系统由集中器向单个从机发送命令，对应子站收到指令后才会发送应答信息给集中器。但是，集中器每次只能与一个从机通信。

Modbus通过半双工模式通信。主机与从机通过电压调制的方式发送信息，从机到主机则通过电流调制进行通信。“逻辑0”由流过总线上为1.5mA的恒定电流表示，“逻辑1”通过在总线上增加llmA～20mA后的电流来表示(实际所加的电流值取决于线路上从机设备的个数，但是增加的最大值为20mA)。Modbus总线通信主要通过TI公司的Modbus总线收发芯片TSS721A来实现，该芯片有两种供电方式。可以通过总线供电或者由从机直接供电。此外，还需要用光耦实现从机与TSS721A进行隔离，达到降低通信过程的干扰的目的。如图10所示是Modbus从机通信电路。

进一步地，所述Modbus集中器需要完成逻辑电平转换和收发PC机信号。相应的有发送电路和接收电路两种。

图11为发送电路。为了避免干扰用光耦将串口与集中器的发送电路进行隔离。TXD端口通过输出不同的电压来控制光耦的通断，光耦通过三极管来控制场效应管的通断，从而使总线的输出电压能够在36V和24V之间转换。

接收电路如图12所示，它的功能是检测总线上电流的变化情况。当从机向集中器传输数据时，将变化的电流转化为相应的逻辑电平实现信息的传输。接收电路中对电流的测量是在总线中串联一个采样电阻，通过测量电阻两端的电压变化情况就可以计算出电流的值。但是需要在采样电阻两端增加驱动才能实现逻辑电平的转换。最终，选用RC充放电路和比较电路相结合的方式对采样电阻两端的逻辑电平进行转换。

通过Multisim对采样电阻两端输出的电压波形和比较器输出的电压波形进行对比，仿真模型如图13所示。在搭建实际电路时需要借助示波器观察后再进行调整。

外部存储电路的设计：尽管TMS320F28335具有34K*16的RAM存储区，但考虑到存储大量操作信息和故障信息的需要，则在片上进行扩展，还能够为大量程序的运行提供保障。通过XINTF接口可以实现RAM的扩展。XINTF在分类上属于非多路复用异步总线，根据规则，XINTF可以映射到Zone1、Zone6和Zone7这3个固定的内存区域。当需要它们做外部资源使用时，就需要经过片选信号进行相关的设定就可以实现。此次，选择Zone6作为映射区域。图14为XINTF存储器映射结构图。外部存储的电路如图15所示。

GPS校时电路的设计：智能控制系统对时间的统一性和同步精度要求很高，目的是为了便于对系统进行统一的调度和管理。GPS授时功能在大部分情况下都是借助美国的GPS定位系统来实现的。通过GPS信号接收设备进行相应的处理后就可以将里面的时间信息读取出来。不论任何地方，它们的偏差不会超过1μs，完全能够满足塑壳式断路器智能控制系统想要实现对时的要求。

智能控制系统选用高精度授时模块NE0-5Q作为接收芯片，该芯片的工作电压为2.7V～3.6V。在该校时电路中，通过1575R-A来接收空间中的GPS信号，然后通过GPS接收器进行数据格式的识别与信息的提取，最后将提取的时间信息通过PC接口发送给DSP。硬件电路如图16所示。

上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：包括微处理器、电源模块、采集模块、分压隔离电路、整流滤波电路、ADC转换电路、通信模块；所述电源模块用于供电，所述采集模块分别与分压隔离电路、整流滤波电路连接，分压隔离电路、整流滤波电路均分别与ADC转换电路连接，ADC转换电路与微处理器连接，微处理器通过串口与上位机平台连接，微处理器与通信模块连接。

2.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述微处理器还与光电隔离电路连接，光电隔离电路分别与开关量输入信号处理模块、开关量输出电路连接。

3.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述微处理器采用TMS320F28335。

4.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述电源模块采用双电源电路用于提供3.3V和1.9V电源。

5.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述采集模块包括电流传感器、电压传感器；电流传感器采用闭环霍尔传感器TBC-LXH电流传感器，电压传感器采用CHV-25P。

6.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述滤波电路采用二阶有源滤波电路，也被称作KRC滤波。

7.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述ADC转换电路采用ADS8557芯片。

8.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述通信模块采用Modbus通信电路，Modbus通信电路包括Modbus集中器、从机和双绞线电缆；每个从机通过并联的方式挂接在双绞线电缆上，Modbus通信电路由Modbus集中器向单个从机发送信息，对应子站收到指令后才会发送应答信息给Modbus集中器。

9.根据权利要求8所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：所述Modbus集中器包括发送电路和接收电路两种。

10.根据权利要求1所述的断路器运动特性检测装置控制系统的硬件电路，其特征在于：还包括外部存储电路、GPS校时电路；外部存储电路采用IS6ILV256I6，GPS校时电路采用授时模块NE0-5Q作为接收芯片。