基于HC32的智能断路器控制系统设计

何伟俊 武素莲 袁嫣红

0 引言

随着泛在电力物联网概念的提出和智能电网布局的展开，断路器作为电力系统中重要的配电管理设备，其智能化发展已成大势所趋[1-2]。而传统的断路器存在着功能单一，通信方式落后等问题，已逐渐不能适应智能电网对新型断路器的要求。未来电力系统将朝着智能化、集成化方向发展，而断路器和电能表作为电力系统常见的电器设备，将二者功能集成是未来电力系统的发展方向之一。

本文提出一种基于国产单片机HC32 的智能断路器控制系统设计方案，设计了电流双通道采样电路，将传统断路器的电流保护功能和电能表的计量功能集成于一体，使断路器功能更加丰富的同时，其测量精度也显著提高。另外设计HPLC 通信作为系统通信方式，相比于传统断路器的通信方式，其通信速率、可靠性显著提升，符合未来配电物联的发展方向。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

系统以华大半导体公司的HC32F460KCTA 作为主控单元，该芯片使用基于ARMv7-M 架构的32 位Cortex-M4 CPU，最高工作主频达200MHz，CPU 性能的提高对系统的稳定性、可靠性以及程序执行速度的提高尤为重要。此外该芯片多达11 个串行通信接口包括3 个IIC、4 个UART 和4 个SPI 接口以及丰富的GPIO 口，可以大幅度提高系统的可拓展性，能兼顾本系统所需要使用的多种外设。

由被保护回路的电压和电流来提供维持系统正常运行所需的电源，由外部时钟模块来提供系统运行的时间基准，重要数据存储在外部EEPROM 模块。主控芯片主要完成对被保护回路的电压、电流信号的采集、运算、显示和判断。当故障发生时，智能识别故障类型并控制脱扣器动作。可通过控制器的本地人机交互模块读取断路器的运行状态、对各项整定参数进行读写、对故障信息进行查询等。系统总体结构图如图1所示。

1.2 系统特点

1.2.1 通信方式

目前市场上使用的可通信型断路器通信方式主要以RS485、CAN、窄带载波和微功率无线通信方式为主，本系统使用的HPLC 通信方式与之相比如表1 所示。

由表1 可知，相较于其他通信方式，本系统使用的HPLC 通信具有免于布线、通信速率高、抗干扰能力强的特点。随着配电物联的发展和HPLC 通信技术的成熟，HPLC 通信将成为电力系统本地通信方式的未来发展方向。

1.2.2 测量精度

国家标准GB/T 22710-2008 中对断路器的测量参数范围及显示精度有相关要求，但本系统在设计上要求不仅具有断路器的电流保护功能，并且可兼顾电能表的计量功能，因此在测量精度上要远高于市场上传统断路器和国家标准GB/T 22710-2008 的测量精度要求，并达到0.5 级电能表的要求，如表2 所示。

2 系统硬件设计

2.1 电源模块

考虑到断路器在使用过程中需要长时间不间断的运行，对电源供电的稳定性和可靠性有着较高的要求，因此电源设计也是其中的关键部分。本系统采用自生电源与相电压供电相结合的方式进行冗余供电，当一个电源出现故障时，另一个电源立刻投入使用，不影响系统的正常运行。在国标GB/T 22710-2008中对自生电源的定义为“由被保护回路中的电流通过电流互感器感应产生的、在一定条件下可维持控制器基本功能的电源。”其电路原理图如图2 所示。

图2 中Iin 是通过将保护通道的四相电流互感器二次侧的电流信号进行叠加得到，再通过电容C1 和C2 进行滤波处理，经过电阻R2 和R3 转换成电压信号，通过HT7055A 电源监控芯片与MOS 管配合，来维持稳定的12V 输出供电，再经过降压稳压电路输出5V，低压差稳压器转换为3.3V 为MCU 供电。其稳压原理为：当R3 两端电压小于5V 时，MOS 管不导通；R3两端电压大于5V 时，MOS 管导通，R3 两端电压随即降低。通过MOS 管的快速通/断切换，可以将工作电压维持在一个比较稳定的范围内。而相电压供电需使用AC-DC12V 模块将AC 电源转换为12V 的直流电压，再转换为5V 和3.3V 供电，如图3 所示。

2.2 电流双通道协同采样设计

考虑到电能计量芯片量程的问题，将电流信号采样分为两个通道：由MCU 内部的ADC 模块构成的保护通道和由电能计量芯片构成的计量通道。当被保护回路的电流大于1.2 倍的额定电流时，以保护通道的采样数据为准，反之以计量通道的数据为准。

2.2.1 保护通道电路设计

保护通道是由MCU 的ADC 模块对电流信号进行采样计算，被保护回路的大电流经过断路器四相电流互感器转换成小电流信号，经过桥式整流电路整流后得到Ia2，其电流采样电路原理图如图4 所示，考虑到杂波的影响，在电路后級加上一个电阻R24和电容C14组成一阶低通滤波电路。最后通过集成运放电路处理之后得到IA2，再由MCU 的ADC 模块对IA2进行采样，通过变比即可计算出该相电流的实际值。

2.2.2 计量通道电路设计

计量芯片是智能电网用电信息计量系统的核心元器件，直接关系到电能表的计量精度和工作可靠性以及稳定性。本系统使用的HT7036系列多功能高精度三相电能专用计量芯片集成了六路二阶sigma-deltaADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路。能够分别测量各相以及合相的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率等参数，充分满足本系统对电能参数计量的要求，HT7036 电路原理图如图5 所示。

HT7036 芯片所有的计量参数和校表参数均可通过SPI 接口与MCU 进行数据传输。考虑到SPI 传输时信号线可能受到干扰或者出现抖动，可以根据SPI 通信速率以及外部MCU 的信号进行分析，选择参数合适的电阻和寄生电容组成一个低通滤波器，消除SPI通信时的干扰和抖动。AVCC 端的电容Ce12、Ce13、Ce14 和Ce15 主要是对电源进行去耦，减少AVCC 的波动，从而保证芯片的正常工作。同理VCC、VDD、和REFCAP 均采用电容进行去耦，以保证稳定性。RESET 引脚作为芯片的复位引脚，内部有47K 的上拉电阻，低电平有效，也可以通过SPI 通信接口发送命令，实现软件复位。

2.3 HPLC 通信模块

HPLC 电力载波通信的工作原理如图6 所示，主站将待发送的数据发送至载波模块，载波模块接收到数据后将数据进行调制和编码后通过电力线耦合接口传输到电力线上。接收端同样通过电力线耦合接口将接收到的信号进行解调后再发送给从站通信设备，至此完成通信[3-5]。

本系统采用青岛鼎信的HPLC 单相载波模块进行载波通信。该HPLC 通信模块接口需要+12V 供电，分为强电接口和弱电接口两个部分，弱电接口部分用于与MCU 的UART 串口进行连接，强电接口部分分为信号耦合L 和信号耦合N，分别与电力线的火线和零线进行耦合。HPLC 模块通过检测和接收电力线路中的载波信号，将载波信号经过处理后通过UART 串口发送至MCU；MCU 也可将数据帧由UART 发送至HPLC 模块，由HPLC 模块转换成载波信号，发送至目标，其电路原理图如图7 所示。

3 系统软件设计

在交流电的频率为50Hz 的情况下，当AD 采样程序设计为间隔0.5ms 完成一次信号采样时，经过20ms可采集到A，B，C，N 四相一个周期的电流波形数据，使用离散序列的均方根算法分别计算各相电流的有效值，取其中最大值Imax 作为参数进行判断。

3.1 过载长延时保护算法实现

过载长延时保护其原理是根据电流的热效应产生的能量Q 来进行判断的，呈反时限特性，即故障电流越大，动作时间相应越短。延时动作时间计算公式如下：

过载长延时保护可配合热记忆功能实现，即模拟双金属片特性，当线路中发生过载电流而引起保护动作后，再次发生过载故障时，其延时动作时间在过载保护特性基础上会相应变短。过载长延时保护程序设计流程图如图8 所示。

3.2 短路短延时保护算法实现

短路短延时保护分为反时限和定时限保护两种情况。

3.2.1 反时限保护

当故障电流Isd ≤ I ≤ 8*Ir 时，具有反时限保护特性，故障电流越大，动作时间越短，短路短延时反时限保护的动作时间计算公式如公式⑶所示，短路短延时保护的能量阈值计算公式如下：

3.2.2 定时限保护

当故障电流I ≥ Isd 且I ≥ 8*Ir 时，具有定时限保护特性，即在此范围内无论电流如何变化，到达设定时间后都会发出脱扣信号，此时脱扣器有脱扣动作，动作时间T = Tsd。短路短延时保护程序设计流程图如图9 所示。

3.3 短路瞬时保护算法实现

相比于过载长延时保护和短路短延时保护所监控的电流范围而言，触发短路瞬时保护的电流值极大，要求断路器能以最快速度迅速断开回路以保证其他设备不受损害，故对短路瞬时保护的判断在0.5ms定时器中断中进行。当连续两次采样得到的电流值大于短路瞬时保护所设置的阈值时，控制器发脱扣信号使脱扣器动作，否则视为线路电流处于正常状态。

4 系统测试

将系统的额定电流In 设置为400A，使用PTC-8300D 三相便携式电能表校验装置来测试系统的计量精度，该装置準确度等级为0.1 级，可对0.2 级及以下三相电能表进行精度校验。将系统A 相通入一定大小的电压和电流，与系统LCD 界面显示的数据进行对比测试计量精度，测试结果如表3 和表4 所示。

由测试结果可知，系统在0.1In～1.0In 的电流范围内和（0.2～1.0）*220V 电压范围内的计量误差在0.5%之内，符合0.5 级电能表的计量精度要求。

5 结论

本文提出的基于国产单片机的智能断路器控制系统设计方案，具备三段电流保护功能即过载长延时保护、短路短延时保护和短路瞬时保护，同时还兼顾电能表的计量功能，且计量误差在0.5% 以内。相比于工业控制领域广泛使用的RS485 和CAN 总线通信方式，本系统使用HPLC 通信方式，具有施工方便、利于维护的特点，是未来智能电网领域的主要通信方式，也是未来断路器的发展方向之一。本文为国产芯片在断路器领域的应用与推广积累了开发经验。