基ARM微控制器实现智能脱扣器数据采集系统设计
引言
在电能的产生、输送、使用过程中，配电是一个极其重要的环节。低压断路器就是在低压配电系统中用来处理由于电网波动导致线路出现严重的过载、短路、过电压、欠电压、过电流、剩余电流等故障的一种电器。它可以及时切断电路，隔离故障，起到保护配电网络、电气设备的作用。脱扣器是断路器的核心部件，可以在电网发生故障情况时分断电流。
从上世纪50 年代开始生产仿苏断路器，至今已发展为带有微处理器的智能型脱扣器。智能脱扣器不仅囊括了传统脱扣器所有保护功能，而且还能够显示、设定和修改被控电路中参数并扩充了测量、控制、报警、数据记忆及传输、上下微机的通信等功能，其性能大大优于传统的常规断路器产品。智能脱扣器要在电网发生故障的情况下快速分断整体电路，又要对电网信号的采集要准确、快速、无误，这样，智能脱扣器的核心———微控制单元才能准确分析采集到的信号，正确判断电网是否故障。本文所介绍智能脱扣器电网信号的采集系统的硬件主要分为3 个部分:① 信号调理单元，包括电流采样、电压采样、剩余电流采样;②锁相环频率跟踪;③ 多路转换开关。该3 部分相互连接形成一个整体，不可分割。合理地处理好该3 部分，才能准确地了解当前的电网情况，保护电网和用电电器安全。
1 整体设计方案
智能脱扣器数据采集系统结构框图如图1 所示。电网信号经过信号调理单元的电流、电压、剩余电流采集电路，送入多路转换开关，同时应用锁相环提供微控制器中断信号，利用微控制器lpc2294 外部中断功能进行信号实时采样，最终将采样信号送入微控制器。
图1 智能脱扣器数据采集系统硬件整体结构框图。
2 信号调理单元
信号调理单元包括电流采样、电压采样以及剩余电流采样。信号调理单元将7 路输出信号:i1、i2、i3、u1、u2、u1、l 送入多路转换开关，以备后续循环采样。
2. 1 空心电流互感器
随着电力传输容量的不断增长，电网电压等级的不断提高，保护要求更加严格，铁心式互感器暴露出一些缺点，如体积大、易磁饱和、有铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄等。本设计使用了空心电流互感器，空心式电流互感器克服了传统铁心式互感器的缺点，采用非磁性材料作为传感器，无饱和、无剩磁、体积小、频带宽，最重要的是其二次侧输出不是一个电流量而是一个电压量，省去在二次侧接大功率采样电阻和二次侧不能开路的限制。采用空心电流互感器输出的小电压信号就可以直接应用到后续电路。
空心电流互感器由rogowski 空心线圈构成，是一种密绕于非磁性骨架上的空心螺线管。空心电流互感器结构如图2 所示，其中ix为被测信号电流，e(t)为空心电流互感器线圈输出电动势。e(t)与ix关系如式(1)所示:
图2 空心电流互感器结构图。
式中n———线圈总匝数
s———非磁性骨架截面积
ix———被测电流
为了求得输出信号和输入电流的线性关系，积分器是模拟电路的关键部分。因此，在空心互感器后面加入了积分环节，使输出电压与输入电流保持线性关系。ux即为经过积分器的输出电压，如式(2)所示:
式中r———非磁性骨架圈半径
r———空心线圈后接积分器的积分电阻
c———空心线圈后接积分器的积分电容
经过空心电流互感器，将被测信号转化成所需的小电压信号，且频率相位均未改变，准确度高，适合应用于智能断路器大电流采样中。按照生产空心电流互感器的厂家以及有关互感器资料文献［1］中的数据，表1 中列出了本设计系统所设置的条件下故障电流值和电流通过空心互感器输出的电压值，其中，in为额定电流。通过表1所列输入空心互感器电流ix和经积分电路后电压输出ux关系可看出，两者呈线性关系。
表1 电流值及经电流互感器输出电压值。
2. 2 电流采样
由空心电流互感器输出的小交流电压，需要经过调理电路才能输入微控制器的a/d( 模数转换)单元。调理电路主要完成信号的滤波、放大、提升。交流采样电路如图3所示，其中，r1、c1为空心电流互感器后积分电阻和电容。将r1的输出电压经运放lm 224 u1a、u1b 构成的放大电路进行放大，产生2. 5 v 左右的交流电压。c3、r7、c4、r6实现了低通、高通滤波，其截止频率为1 /2πrc。
经过计算，选择了合适的低通、高通滤波电容与电阻值，使得通过的频率在10. 61 ～ 123. 72 hz 之间。lm 224 u1c 放大器为前面产生的交流电压提供一个基准的直流电压，交流电压与直流电压叠加，使电压得到提升。最终，v0输出经调理后的单极性电压，将此电压直接输入lpc 2294 的a/d 单元。输入电流in = 630 a 时输出电压u0的波形如图4 所示。经测量，在空心互感器采样不同电流值时，经电流采样电路输出电压数值如表2 所示。其中，10. 61 ～ 123. 72 hz ua为电压波峰与波谷之间的距离。
图3 电流采样电路。
u0—波峰2 v;波谷—0. 7 v
图4 in = 630 a 示波图。
表2 电流采样电路输出电压值。
2. 3 电压采样
电压过高会危及电力设备的安全和降低电力设备的使用寿命，电压过低则不利于电网的安全稳定运行。根据国家标准的规定，过电压或欠电压指电压幅值超过或小于了标称电压，且持续时间大于60 s，数值在1. 1 ～ 1. 2 p. u. 或0. 8 ～ 0. 9 p. u. 。应用智能断路器对电网电压信号分析判断，在电网出现过电压、欠电压时及时分断系统连接，保护电网及用电器。交流电压采样电路如图5 所示。运放lm 224 u1a、u1b 实现二阶滤波，u1c 作为电压跟随器，实现了隔离，提高了输入阻抗，降低输出阻抗，提高了小信号带负载能力。电压采样实际中，观测图及其变化曲线与电流采样类似。
图5 交流电压采样电路。
2. 4 剩余电流采样
国家对用电安全有强制性要求，在许多场合都要求安装剩余电流保护器。剩余电流保护器用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效的保护，以剩余电流作为动作信号，灵敏度高、动作后能有效地切断电源，保障人身安全。剩余电流保护分为直接接触保护和间接接触保护。对于该两种接触保护，当动作电流小于30 ma 时，若保护器流过的零序电流为30 ma 以上，动作时间限定0. 2 s;60 ma 以上，动作时间限定0. 1 s;当达到250 ma 时，动作时间限定只有0. 04 s。对于防止直接接触带电体保护的动作电流为30 ma，要求在0. 1 s 内动作。剩余电流采样电路如图6 所示。其中，输入电流信号为电网电流经过零序电流互感器输出信号，2 个反向二极管防止大电流击穿，r1为采样电阻，将电流转化为电压信号。
r2、c2构成rc 低通滤波器，放大器将小电压信号放大。图7(a)、图7( b) 分别为剩余电流采样电路实际应用中在示波器观察到的图形。图7( a)为输入信号i1 = 30 ma(故障) 时输出电压u2波形。图7(b)为输入信号i2 = 28 ma( 正常) 时输出电压u2波形。
图6 剩余电流采样电路。
图7 实际应用中的剩余电流采样电路的示波图形。
3 多路转换开关
设计中，需要对3 路电压、4 路电流总共7 路信号进行采样，并将采样信号送入lpc 2294 a/d口。若占用微控制器7 个a/d 口，会造成资源的浪费。因此，应用多路转换开关，使得多路输入模拟量经过多路转换开关的切换，共用1 个a/d口。多路转换开关电路如图8 所示。其中，第11、10、9 管脚分别接lpc 2294 的i /o 口，利用i /o口不同的输出信号选通输入模拟量;13、14、15脚，12、1、5、2 脚分别为3 路电压、4 路电流的输入。
图8 多路转换开关电路
4 锁相环部分
电力系统的信号频率在50 hz 附近波动，若采用定时采样，使得采样频率保持恒定，电网频率一旦发生波动，就不能保证采样数据的准确有效。
而动态采样可以实时跟踪电网频率，根据频率变化自行调整采样频率，寻找到精确的相位，确定采样点。本设计利用锁相环，实现动态采样、跟踪电网频率。倍频电路倍频电网频率后，将信号送入智能断路器的微控制器lpc 2294 的外部中断引脚来停止、起动采样，严格保证了采样数据的正确。
cd 4046 是通用的cmos 锁相环集成电路，其电源电压范围宽，输入阻抗高，动态功耗小，属于微功耗器件。因此，本设计应用cd 4046 构成锁相倍频电路。cd 4046 输入端需方波信号，利用锁相环前期整形电路，将交流信号转变为方波型号;然后利用低通滤波器所构成的完整锁相环电路完成频率跟踪。74ls 393 双四位异步清零的二进制计数器构成分频器，将其级联实现64 倍频。另外，锁相环电路外接发光二极管，通过发光二极管可以很方便的看出环路入锁失锁状态。锁相环芯片工作原理图如图9 所示，锁相环锁相倍频电路如图10 所示。图11( a)、图11( b)、图11(c)分别为实际降压后电网信号，输入锁相环信号，锁相环锁相倍频后信号在示波器显示图像。
图9 锁相环芯片工作原理图。
图10 锁相环锁相倍频电路。
图11 实际降压后电网、输入锁相环、锁相环锁相倍频后信号的示波图形。
5 结语
本设计完成了电网信号采集，将电流采样环节的3 路信号、电压采样环节3 路信号以及剩余电流采样环节信号送入多路转换开关，利用多路装换开关对采样信号选通，最后送入微控制器lpc 2294;同时，应用锁相集成芯片cd 4046 锁相倍频输入信号，倍频后信号作用于微控制器中断引脚产生中断，以此来实现对信号实时采样。基于arm 智能断路器数据采集系统具有高速度、高精度的特点，且适用于智能断路器此类要求高速、高精的各种智能仪器的采样中。
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从上世纪50 年代开始生产仿苏断路器，至今已发展为带有微处理器的智能型脱扣器。智能脱扣器不仅囊括了传统脱扣器所有保护功能，而且还能够显示、设定和修改被控电路中参数并扩充了测量、控制、报警、数据记忆及传输、上下微机的通信等功能，其性能大大优于传统的常规断路器产品。智能脱扣器要在电网发生故障的情况下快速分断整体电路，又要对电网信号的采集要准确、快速、无误，这样，智能脱扣器的核心———微控制单元才能准确分析采集到的信号，正确判断电网是否故障。本文所介绍智能脱扣器电网信号的采集系统的硬件主要分为3 个部分:① 信号调理单元，包括电流采样、电压采样、剩余电流采样;②锁相环频率跟踪;③ 多路转换开关。该3 部分相互连接形成一个整体，不可分割。合理地处理好该3 部分，才能准确地了解当前的电网情况，保护电网和用电电器安全。
1 整体设计方案
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图1 智能脱扣器数据采集系统硬件整体结构框图。
2 信号调理单元
信号调理单元包括电流采样、电压采样以及剩余电流采样。信号调理单元将7 路输出信号:i1、i2、i3、u1、u2、u1、l 送入多路转换开关，以备后续循环采样。
2. 1 空心电流互感器
随着电力传输容量的不断增长，电网电压等级的不断提高，保护要求更加严格，铁心式互感器暴露出一些缺点，如体积大、易磁饱和、有铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄等。本设计使用了空心电流互感器，空心式电流互感器克服了传统铁心式互感器的缺点，采用非磁性材料作为传感器，无饱和、无剩磁、体积小、频带宽，最重要的是其二次侧输出不是一个电流量而是一个电压量，省去在二次侧接大功率采样电阻和二次侧不能开路的限制。采用空心电流互感器输出的小电压信号就可以直接应用到后续电路。
空心电流互感器由rogowski 空心线圈构成，是一种密绕于非磁性骨架上的空心螺线管。空心电流互感器结构如图2 所示，其中ix为被测信号电流，e(t)为空心电流互感器线圈输出电动势。e(t)与ix关系如式(1)所示:
图2 空心电流互感器结构图。
式中n———线圈总匝数
s———非磁性骨架截面积
ix———被测电流
为了求得输出信号和输入电流的线性关系，积分器是模拟电路的关键部分。因此，在空心互感器后面加入了积分环节，使输出电压与输入电流保持线性关系。ux即为经过积分器的输出电压，如式(2)所示:
式中r———非磁性骨架圈半径
r———空心线圈后接积分器的积分电阻
c———空心线圈后接积分器的积分电容
经过空心电流互感器，将被测信号转化成所需的小电压信号，且频率相位均未改变，准确度高，适合应用于智能断路器大电流采样中。按照生产空心电流互感器的厂家以及有关互感器资料文献［1］中的数据，表1 中列出了本设计系统所设置的条件下故障电流值和电流通过空心互感器输出的电压值，其中，in为额定电流。通过表1所列输入空心互感器电流ix和经积分电路后电压输出ux关系可看出，两者呈线性关系。
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2. 2 电流采样
由空心电流互感器输出的小交流电压，需要经过调理电路才能输入微控制器的a/d( 模数转换)单元。调理电路主要完成信号的滤波、放大、提升。交流采样电路如图3所示，其中，r1、c1为空心电流互感器后积分电阻和电容。将r1的输出电压经运放lm 224 u1a、u1b 构成的放大电路进行放大，产生2. 5 v 左右的交流电压。c3、r7、c4、r6实现了低通、高通滤波，其截止频率为1 /2πrc。
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图3 电流采样电路。
u0—波峰2 v;波谷—0. 7 v
图4 in = 630 a 示波图。
表2 电流采样电路输出电压值。
2. 3 电压采样
电压过高会危及电力设备的安全和降低电力设备的使用寿命，电压过低则不利于电网的安全稳定运行。根据国家标准的规定，过电压或欠电压指电压幅值超过或小于了标称电压，且持续时间大于60 s，数值在1. 1 ～ 1. 2 p. u. 或0. 8 ～ 0. 9 p. u. 。应用智能断路器对电网电压信号分析判断，在电网出现过电压、欠电压时及时分断系统连接，保护电网及用电器。交流电压采样电路如图5 所示。运放lm 224 u1a、u1b 实现二阶滤波，u1c 作为电压跟随器，实现了隔离，提高了输入阻抗，降低输出阻抗，提高了小信号带负载能力。电压采样实际中，观测图及其变化曲线与电流采样类似。
图5 交流电压采样电路。
2. 4 剩余电流采样
国家对用电安全有强制性要求，在许多场合都要求安装剩余电流保护器。剩余电流保护器用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效的保护，以剩余电流作为动作信号，灵敏度高、动作后能有效地切断电源，保障人身安全。剩余电流保护分为直接接触保护和间接接触保护。对于该两种接触保护，当动作电流小于30 ma 时，若保护器流过的零序电流为30 ma 以上，动作时间限定0. 2 s;60 ma 以上，动作时间限定0. 1 s;当达到250 ma 时，动作时间限定只有0. 04 s。对于防止直接接触带电体保护的动作电流为30 ma，要求在0. 1 s 内动作。剩余电流采样电路如图6 所示。其中，输入电流信号为电网电流经过零序电流互感器输出信号，2 个反向二极管防止大电流击穿，r1为采样电阻，将电流转化为电压信号。
r2、c2构成rc 低通滤波器，放大器将小电压信号放大。图7(a)、图7( b) 分别为剩余电流采样电路实际应用中在示波器观察到的图形。图7( a)为输入信号i1 = 30 ma(故障) 时输出电压u2波形。图7(b)为输入信号i2 = 28 ma( 正常) 时输出电压u2波形。
图6 剩余电流采样电路。
图7 实际应用中的剩余电流采样电路的示波图形。
3 多路转换开关
设计中，需要对3 路电压、4 路电流总共7 路信号进行采样，并将采样信号送入lpc 2294 a/d口。若占用微控制器7 个a/d 口，会造成资源的浪费。因此，应用多路转换开关，使得多路输入模拟量经过多路转换开关的切换，共用1 个a/d口。多路转换开关电路如图8 所示。其中，第11、10、9 管脚分别接lpc 2294 的i /o 口，利用i /o口不同的输出信号选通输入模拟量;13、14、15脚，12、1、5、2 脚分别为3 路电压、4 路电流的输入。
图8 多路转换开关电路
4 锁相环部分
电力系统的信号频率在50 hz 附近波动，若采用定时采样，使得采样频率保持恒定，电网频率一旦发生波动，就不能保证采样数据的准确有效。
而动态采样可以实时跟踪电网频率，根据频率变化自行调整采样频率，寻找到精确的相位，确定采样点。本设计利用锁相环，实现动态采样、跟踪电网频率。倍频电路倍频电网频率后，将信号送入智能断路器的微控制器lpc 2294 的外部中断引脚来停止、起动采样，严格保证了采样数据的正确。
cd 4046 是通用的cmos 锁相环集成电路，其电源电压范围宽，输入阻抗高，动态功耗小，属于微功耗器件。因此，本设计应用cd 4046 构成锁相倍频电路。cd 4046 输入端需方波信号，利用锁相环前期整形电路，将交流信号转变为方波型号;然后利用低通滤波器所构成的完整锁相环电路完成频率跟踪。74ls 393 双四位异步清零的二进制计数器构成分频器，将其级联实现64 倍频。另外，锁相环电路外接发光二极管，通过发光二极管可以很方便的看出环路入锁失锁状态。锁相环芯片工作原理图如图9 所示，锁相环锁相倍频电路如图10 所示。图11( a)、图11( b)、图11(c)分别为实际降压后电网信号，输入锁相环信号，锁相环锁相倍频后信号在示波器显示图像。
图9 锁相环芯片工作原理图。
图10 锁相环锁相倍频电路。
图11 实际降压后电网、输入锁相环、锁相环锁相倍频后信号的示波图形。
5 结语
本设计完成了电网信号采集，将电流采样环节的3 路信号、电压采样环节3 路信号以及剩余电流采样环节信号送入多路转换开关，利用多路装换开关对采样信号选通，最后送入微控制器lpc 2294;同时，应用锁相集成芯片cd 4046 锁相倍频输入信号，倍频后信号作用于微控制器中断引脚产生中断，以此来实现对信号实时采样。基于arm 智能断路器数据采集系统具有高速度、高精度的特点，且适用于智能断路器此类要求高速、高精的各种智能仪器的采样中。
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