基于单片机的智能化断路器设计

基于单片机的智能化断路器设计Design of Intelligent Circuit Breaker Based

on MCU

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基于单片机的智能断路器的控制与研究

目录

摘要...................................................................................................I ABSTRACT.............................................................................................II 第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 国内外现状和发展趋势 (1)

1.2.1 发展现状 (1)

1.2.2 发展趋势 (2)

1.3 智能断路器的基本原理 (2)

1.4 本文的主要内容 (3)

第2章控制器的硬件设计 (4)

2.1 单片机系统 (4)

2.2 电压、电流互感器 (6)

2.3 AD转换模块 (6)

2.3 人机交互模块 (7)

2.4 温度检测与时钟电路 (8)

2.5 通信模块 (9)

2.6 本章小结 (9)

第3章控制器的软件设计 (11)

3.1 主程序 (11)

3.2 保护模块软件设计 (12)

3.2.1 三段电流保护软件设计 (12)

3.2.2 接地故障保护软件设计 (14)

3.2.3 过电压、欠电压保护设计 (15)

3.3 通信模块软件设计 (15)

3.4 本章小结 (16)

第4章控制器的仿真及分析 (17)

4.1 基于Proteus的保护仿真模块 (17)

4.2 过载长延时保护性能测试 (20)

4.3 短路延时保护性能测试 (20)

4.3 单相接地保护性能测试 (21)

4.3 过压保护性能测试 (21)

4.4 本章小结 (22)

I

基于单片机的智能断路器的控制与研究

结论 (23)

参考文献 ······································································错误！未定义书签。致谢··········································································错误！未定义书签。

I

基于单片机的智能断路器的控制与研究

摘要

低压断路器是供配电系统中的一种控制与安保装置，对供电系统起着举足轻重的作用。本文在断路器智能功能实现的基本原理上，对主控制单元进行了硬件和软件的研究与设计，从而实现断路器的智能保护功能。

在学习和总结国内外文献和资料的基础上，设计了以Atmel公司的AT89C51芯片作为系统的控制核心，对现场的状态信息进行实时读取和判断，以实现故障判断及保护功能。硬件设计主要包括：CPU系统、数据采集模块、AD转换模块、人机交互模块、通信模块、温度检测与时钟电路；软件设计包括：三段电流保护、接地保护、过电压和欠电压保护、通信模块等软件的设计。最后，为了验控制器的智能保护效果，在proteus 仿真环境下搭建了仿真模型，并对仿真结果进行了分析，数据表明控制器达到了设计要求。

关键词：断路器；智能控制；单片机；proteus

I

ABSTRACT

Low voltage circuit breakers is a distribution network control and protection devices for safe and reliable operation of the entire power grid plays a vital role. In this paper, the basic principle of intelligent circuit breaker, intelligent control unit hardware and software design, intelligent circuit breaker protection.

On the basis of studying abroad and summary information on the design with Atmel's microcontroller AT89C51 bit control core, on-site data collection and real-time judge, in order to achieve fault protection. Hardware design includes: CPU system, data acquisition module, AD converter module, human-computer interaction module, communication module, temperature detection and clock circuit; software design includes: three sections designed current protection, ground fault protection design, overvoltage and undervoltage voltage protection design, communication module software design. Finally, in order to verify that the protective effect of the controller in proteus simulation software to build a simulation model, and the simulation results are analyzed, the data indicate that the function controllers meet the design requirements.

Key words: Breaker；Intelligent control；MCU；proteus

II

第1章绪论

第1章绪论

第1章1.1 课题背景

随着现代科技的飞速发展、经济的迅猛增长，各种高精度电子设备得到了广泛的应用，对电网的供电质量提出了严重的挑战，这就要求电力行业不断更新完善供电技术，使整个电网安全、经济、可靠、高效的运行[1]。

断路器是保护电网和负载发生故障的低压开关设备，对整个供电系统起到至关重要的保护作用。传统断路器的保护功能是通过电磁部件实现的，其保护精度差，抗干扰能力低，可靠性不高，若器件故障，容易引起误动作[2]。随着自动化和智能化水平的逐渐提升，早期的断路器已不能满足现代技术发展的要求。在电力电子技术、微处理器技术以及传感器的发展推动下，提出了可智能化的断路器使，使其在性能上得到了质的飞跃和发展。

智能断路器采用高性能的微处理器为主控制芯片，可对电压、电流、频率、温度等各种现场信息进行实时采样、显示和处理，其内部具有电流保护、接地保护、过电压及欠电压等保护功能[3]。此外，用户可以根据实际情况来设置整定值，通常具有故障诊断、故障信息查询、报警及实验等功能。本文主要是基于单片机的智能断路器的控制与研究。

第2章1.2 国内外现状和发展趋势

1.2.1 发展现状

国外对电力自动化保护的研究起步相对较早，在60年代中期，由英美等发达国家率先提出使用计算机来实现电力自动化保护的概念，但受到当时微处理技术的制约，该概念在实验初期就搁置了[4]。在80年代初期，随着集成电路技术的不断成熟，使功能较完备的断路器得以实现。到上世纪末期，电力系统自动化保护技术得到了快速的发展，已经在全世界范围内逐渐推广。目前，在国外产品中具有代表性的主要有施耐德公司的Masterpact MT系列、ABB公司的F系列、梅兰日兰的M系列、三菱公司的AE系列、西门子公司的3WN系列。

国内对于这方面的研究起步较晚，可追溯到上世纪七、八十年代。目前国内的产品可分为三代：第一代以DW10、DZ10等系列产品为代表，由于当时的技术功能不完善，所以没有在市场上得到推广。第二代主要包括自开发产品和引进产品两种系列，自开发系列以DW15、DZ20为代表，引进技术系列主要以ME、TO、TG、3TB、B系列为代表，其性能较第一代产品得到了相对的提升[5]。第三代产品则以DW45、S等系列为主，其性能与国外90年代产品类似。目前，智能化的断路器在国内得到了广泛的使用，并提出了可通信的智能功能，其主要是在智能化的基础上加入了CAN总线通信

1

第1章绪论

功能，可使断路器和微控制器进行双向数据通信，从而实现遥控、遥测、遥调和遥讯的功能[6]。

1.2.2 发展趋势

根据国内外的产品和技术发展方向，目前断路器的发展趋势主要表现为以下几个方面：

1、智能化及功能多样化

智能化就是在断路器中采用微处理器技术，从而实现自身的保护功能，还可对现场的各种信息进行采样和处理，并对其进行显示[7]。此外，一部分断路器还具有诊断、实验和监控等功能；有的断路器还可对供电质量进行分析；高级的断路器还实现了无线通信的功能。

2、可通信化

将微处理技术和CAN总线技术应用到断路器中，使智能断路器的工作状况和现场参数通过CAN总线与其它设备进行通讯，使系统实现网络化，以适应电气设备逐渐智能化的趋势。

3、模块化和通用性

将智能断路器的控制系统、触头系统、操作机构等主要功能部件分开设计，根据实际的需求选择相应的模块进行组装[8]。模块化设计降低了产品的开发成本，易于实现产品的生产，有利于断路器的维护和功能拓展。同时，其各个模块部件具有通用性，用户可根据需要选择不同厂家的功能模块，实现满足功能的最优组合。

第3章1.3 智能断路器的基本原理

智能断路器的控制原理图如图1.1所示，图中虚线部分为断路器的控制中指。控制器主要由智能识别、数据采集和调节三个功能模块构成。

数据模块将采集到的电网模拟信号通过A/D模块转换为供MCU识别的数字信号，然后传输给智能模块进行分析，智能识别模块是整个控制系统的核心，其内部为一个或多个微处理器，根据系统的设定参数和当前采集的数据来识别和判断当前电网的工作状态[9]。

当系统出现故障，微处理器对其进行判断，若满足需要切断供电的条件时，则发出断电信号，驱动相应的执行部件完成断电工作。调节模块由人机界面和通讯端口构成，通过交互界面可以根据实际要求来设置保护动作触发的条件[10]。上位机可通过通讯端口对当前电网的运行情况进行监控，还可以通过通信接口调整保护功能动作的条件和其它系统参数。

2

第1章绪论

3

智能控制器

图1.1 智能控制器的原理图

智能控制相对于传统的断路保护具有可靠性高、适应性强、保护性好、体积小等优点，近年来得到了越来越广泛的应用。

第4章1.4 本文的主要内容

本设计的内容是基于单片机控制的智能断路器设计，主要包括硬件和软件两方面的设计。通过硬件和软件的结合，实现断路器的智能保护功能。

本文的结构如下：

第一章为绪论，阐述了课题背景、国内外现状及发展趋势、智能断路器的基本原理；

第二章为控制单元的硬件设计；

第三章为控制单元的软件设计；

第四章为控制器系统保护功能的仿真及分析。

第2章控制器的硬件设计

第2章控制器的硬件设计

本文设计的控制器应实现的功能如下所示：

1、测量功能

对现场的三相电压和电流、中线电流与接地电流、现场温度等参数进行实时检测。

2、保护功能

该功能包括：三段电流保护，其主要由过载延时保护、短路延时保护及短路瞬时保护三部分组成；接地故障保护；温度保护；过电压及欠电压保护[11]。

3、显示功能

显示现场的接地电流、三相电压及电流等参数，以及显示现场温度及时间和日期的功能。

4、自诊断功能

控制器可对断路器的工作状态进行自诊断，当系统出现如EEPROM故障、采样错误、参数丢失、RAM或ROM出错等问题时，显示模块均可对其进行显示，并提示报警信息[12]。

5、通信功能

支持Modbus协议，上位机可通过RS485接口与控制单元实现通讯功能。

综上所述，智能控制部分主要包括以下几个模块：单片机控制模块、数据采集模块、人机交互模块、通信模块及电源模块，如图2.1所示。

图2.1 控制器的结构框图

第5章2.1 单片机系统

单片机是断路器控制单元的中央处理器，所以单片机的性能对整个控制系统产生直接的影响。本文选用Atmel公司的AT89C51系列单片机作为控制单元的CPU。AT89C51

4

第2章 控制器的硬件设计

5

单片机是一款低功耗、高性能的8位微控制器，与80C51产品指令和引脚完全兼容。片内Flash 存储器可在线重新编程，从而使AT89C51功能更完善，应用更加灵活，在控制系统中有着广泛的应用前景，其引脚封装图如图2.2所示[13]

。

图2.2 AT89C51引脚封装图

AT89C51单片机的主要性能如下：

1、与MCS 51 单片机产品完全兼容；

2、8K 字节在系统可编程Flash 存储器，可在线编程，擦写次数不少于1000次；

3、具有256字节的片内RAM ；

4、全静态工作模式：0Hz 3MHz ～；

5、具有三级程序锁定位；

6、32根可编程I /O 口线（P0、P1、P2和P3口）；

7、3个16位定时器/计数器T0，T1和T2，一个看门狗定时器； 8、8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断结构； 9、1个全双工UART 串行通道；

10、2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；

第2章 控制器的硬件设计

6

11、双数据指针TPTR0和TPTR1； 12、具有掉电标识符POF ； 13、工作电源电压：4.0～5.5V [14]

。

第6章

2.2 电压、电流互感器 控制器需要采集电压和电流信号，所以采用电压、电流互感器对信号进行测量，并将一次侧数值较大的信号转换为二次侧数值较小的信号，输送给微处理器，来实现测量、保护等功能。

本文采用AV100750-电压互感器采集电压信号，其内部为初、次级匝比为1:1的电流互感器。输入侧串接限流电阻，将采集到的电压信号转换为以mA 为单位的电流信号，二次侧获得一个相同的电流信号，经运放和处理后，将该电流信号转换为电压信号，其原理图如图2.3所示，输入电压1u 在限流电阻1R 的作用下，使一次侧产生电流1i ，初、次级的匝比为1:1，所以2i =1i ，经采样电阻2R 后得到输出电压2u 。

i 1:1

i

图2.3 电流型电压互感器原理图

采用LT208S7-电流传互感器采集电流信号。该互感器测量范围宽、响应速率快、精度高、体积小、结构简单等优点，同时还具有较高的电气隔离和抗干扰功能，可安全可靠的稳定工作[15]

。

第7章

2.3 AD 转换模块 AD 转换模块可将现场采集到的模拟量转换为可供单片机识别的数字量，本文选

用美国TI 公司的转换芯片TLC1543，该芯片采用串行通信接口，具有多路输入通道、较高的性价比、易于实现和单片机通信的特点，广泛应用于现场数据采集系统中。

单片机与TLC1543芯片的原理图如图2.4所示，其中AIN0～AIN10为11个模拟输入端，REF +和REF -为基准正负信号，CS 为片选信号，通过CS 信号的下降沿可复位

计数器及使能ADDRESS 、

I /OCLOCK 和DATA OUT 。ADDRESS 为串行数据输入端，其为一个4位的串行地址，可选择下一个要被转换的模拟数字信号[18]

。DATA OUT 为

A /D 转换完成3态串行输出端，可与MCU 或外围的串行口进行通信。I /O CLOCK 为

数据输入/输出提供同步时钟信号，系统时钟由片内产生。在转换结束时，EOC 输出端

第2章控制器的硬件设计

变高表明转换完成[21]。

图2.4 TLC1543芯片与单片机的接线原理图

第8章2.3 人机交互模块

在实际运行过程中，需要对系统当前的运行参数及状态进行显示，所以断路器应具有良好的人机交互功能及键盘接口电路。采用4个LED数码管表示现场的工作状况，分别是故障、过载、温度和电源等信息。当断路器因短路、过电压、欠电压等错误发生动作时，故障LED灯将变亮；当过载电流比过载长延时保护设置值大时，过载LED灯将变亮；当现场工作温度在正常范围时，温度LED为熄灭状态，温度超出正常范围，温度LED将变亮；当电源正常工作时，电源LED灯亮，切断电源时，LED灯将熄灭[16]。

键盘模块采用4个按键，分别为左、右、取消和确认功能。单片机与液晶显示器、LED指示灯、键盘的原理图如图2.5所示。

7

第2章控制器的硬件设计

图2.5 人机交互模块与单片机的接线原理图

第9章2.4 温度检测与时钟电路

采用高性能的温度传感器DS18B20检测现场的工作温度，以防止断路器因温度过高而发生错误或损坏，该传感器为数字式且仅需要一条数据线传输，易于与CPU连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路，具有精度高、结构简单、体积小、功耗小、使用方便等优点[21]。

基于DS18B20的温度检测电路如图2.6所示。

图2.6 温度检测电路

DS1302是一款高性能、低功耗的涓流充电时钟芯片，内部具有实时时钟、日历和31字节的RAM存储时间数据，通过简单的I2C三线串行接口与CPU进行同步通信，支持单字节和突发式数据传输模式。可根据月份和闰年的情况自动调整月份的结束时间，还可由用户决定时钟是以24小时制式还是12小时制式工作。芯片有着2.0V～5.5V的供电范围，在5V时其接口与TTL电平兼容并功且耗很低[22]。

8

第2章 控制器的硬件设计

9

时钟电路如图2.7所示，在引脚2和引脚3之间接32768Hz 的晶振以及10pF 的电容构成稳定的自激振荡器，为内部时钟电路提供脉冲，引脚5、6、7连接到单片机的I /O 口，此处的3个引脚串接上拉电阻。

图2.7 DS1302与单片机的连接电路

第10章 2.5 通信模块

本文的通信模块采用Modbus 协议及RS485通信接口，RS485接口电路采用美国TI 公司的SN65LBC184芯片，其引脚图如图2.7所示，该芯片具有如下特点：

1、片内集成4个瞬时过压保护管；

2、具有承受高达400W 功率的瞬时电压脉冲；

3、具有稳定的传输速率；

4、具有自动热关断和ESD 保护功能；

5、总线可挂接128个节点[17]

。

图2.8 SN65LBC184芯片

第11章 2.6 本章小结

本章介绍了断路器控制单元的硬件设计，主要完成了单片机系统、电压电流互感器、

AD

转换模块、人机交换模块、温度检测与时钟电路、通信模块的设计。通过单片机系

第2章控制器的硬件设计统对各个功能模块的控制，可实现所需要的功能。

10

第3章控制器的软件设计

第3章控制器的软件设计第12章 3.1 主程序

图3.1 主程序流程图

11

第3章控制器的软件设计

C语言是目前单片机开发中较常用的高级语言，其程序的可读性、易维护性和移植性都很好，对硬件有较强的控制能力，所以本文选择C语言进行软件设计[19]。

编程采用Keil C51这个集成开发环境，Keil C51是德国Keil S oftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，其可提供丰富的库函数和功能强大的开发调试工具u Vision3，现已成为应用最为广泛的单片机开发软件。

主程序模块是整个系统的控制核心，流程框图如图3.1所示。

第13章 3.2 保护模块软件设计

保护模块是整个控制器系统最重要的功能，通过采集电路中的各项参数，经单片机处理和运算后，对现场的情况进行判断和保护。

3.2.1 三段电流保护软件设计

图3.2 三段电流保护流程图

12

第3章 控制器的软件设计

13

过流保护功能主要由过载长延时保护、短路短延时保护和短路瞬时保护三部分构成，123r r r I I I 、、为对应的整定电流阈值，以18r I 为短路短延时反时限保护和定时限制保护的分界点。当1r I I <时，正常运行；当12r r I I I <<时，进行过载长延时保护；当

218r r I I I <<时，进行短路短延时反时限制保护；当138r r I I I <<时，进行短路瞬时保护。其流程图如图3.2所示。

过载长延时反时限制保护的流程图如图3.3所示，其中Q 为能量累加值，m Q 为脱扣能量值。

图3.3 过载长延时保护流程图

短路短延时保护分为反时限和定时限两种情况，当18r I I <时，为反时限情况，脱扣时间与电流成反比；当18r I I ≥时，为定时限情况。程序流程图如图3.4所示。

瞬时保护没有累积能力，可以根据采样到的电流与3r I 进行比较，若连续两个周期的电流均不小于3r I ，则发出脱扣信号。

第3章 控制器的软件设计

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图3.4 短路短延时保护流程图

3.2.2 接地故障保护软件设计

图3.5 接地故障保护流程图

该保护采取定时限制保护特性，当接地电流1g r I I >、并超过规定的时间时，则发出

第3章 控制器的软件设计

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脱扣信号，其保护流程图如图3.5所示。

3.2.3 过电压、欠电压保护设计

图3.6 过电压保护流程图 图3.7 欠电压保护流程图 过电压和欠电压保护模块采取定时限制护特性，当其中任意一相的电压值大于过电压保护的设置值或低于欠电压保护的设置值，且超过规定时间，则发出脱扣信号。

第14章 3.3 通信模块软件设计

通信模块的运行如图3.8所示，其为上层任务提供串口数据接收和数据发送两组函数，分别为接收和发送缓冲资源服务，每套资源包括接收环形缓冲、环形缓冲头指示、尾指示及调用接口的命令[20]

。