基于双芯模块化的低压智能断路器设计与实现

马晓昆 薛 莉 张传远 高振伟 史文辉

基于双芯模块化的低压智能断路器设计与实现

马晓昆 薛 莉 张传远 高振伟 史文辉

（北京国电通网络技术有限公司，北京 100086）

为了保证断路器保护功能稳定可靠，本文将保护模块和管理模块相互独立，设计了“保护芯+管理芯”的双芯低压智能断路器方案。本文对保护芯、管理芯、电源和信号采样四个模块的硬件关键技术和保护软件、管理软件的设计进行介绍，并通过试验对测量精度进行测试。保护采样和测量采样相互独立，保护芯模块通过自生电源可满足自身独立供电需求，保证保护芯模块脱离管理芯模块后能够独立工作。该设计可使断路器的断路保护部分与管理监控部分分离，提高断路器保护功能的稳定性和可靠性。

智能断路器；双芯；模块化；自生电源

0 引言

低压智能断路器是在传统永磁断路器的基础上增加了智能功能。智能部分的核心是“智能大脑”，一般是高度集成、高性能的微处理器。智能部分的外围是采样、通信、存储、指示等硬件部分。“智能大脑”负责外围部件的协调控制工作，从而达到测量、通信、显示等智能功能。“智能大脑”常采用单微处理器（advanced RISC machine, ARM）[1-3]或单数字信号处理器（digital signal processor, DSP）方案[4]。DSP的强项是强数据处理能力和高运行速度，但外围接口和控制能力不如ARM。结合两者的优缺点，提出DSP+ARM双核方案，使两者的优势得到充分发挥[5-7]。针对总线通信的应用场合，提出ARM+现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）的双核断路器设计方案，解决高速通信时数据易丢失的问题[8]。针对高压断路器，提出ARM+DSP+FPGA三核方案[9]，这能够充分发挥每种芯片的优势，但是显然比双核方案成本高。

本文综合考虑成本和功能需求，为保护和管理分别配置片上系统（system on chip, SOC），采用“保护芯+管理芯”双芯模块化技术，将断路保护功能和管理监控功能设计成相互独立的模块。在功能上，该设计既保留并完善了常规断路器已有的保护功能，确保其稳定可靠，又针对保护部分采用独立设计的思路，使其不受其他部分影响，即使管理功能失效，保护功能仍能可靠工作。在效率上，双芯设计能够减少单个芯片需要完成的算法，节约内存，提高系统的速度和效率。

1 总体设计

双芯模块化方案以保护芯和管理芯为核心，划分为保护芯模块、管理芯模块、信号采样模块和电源模块四个模块，实现保护和管理两大功能。双芯方案总体架构如图1所示。

图1 双芯方案总体架构

管理芯模块为整个断路器的指挥中心，实现数据采集、数据管理、非电流保护（包括过电压、欠电压、缺相等）、指示交互、上/下行通信、时钟对时、拓扑识别等功能。保护芯模块实现断路器的温度保护功能和基本电流保护（包括长延时保护、短延时保护、瞬动保护和漏电保护）功能。保护芯模块可脱离管理芯模块独立工作，以确保保护功能安全可靠。保护芯模块通过电流取电可实现自身独立供电需求[10]。

双芯之间的通信不进行总线扩展，通过专用串口实现信息互通，在硬件上可以直接相连。保护芯模块将故障信息发送给管理芯模块，管理芯模块负责整定参数的修改，将参数值传送给保护芯模块，从而实现事件、参数等信息的传输。

2 硬件关键技术的实现

2.1 管理芯模块

管理芯选用智芯微电子的SCMB9005核心板，其最大的优点是不仅集成了高性能的32位的Cortex—M4 ARM SCM402F主控芯片，还包含具有高精度测量功能的SC1186E计量芯片。板卡尺寸仅有27.5mm×48mm，而且可插拔，专为结构紧凑、空间有限的断路器设计。管理芯自带128Kbit的电可擦可编程只读存储器（electrically erasable program- mable read only memory, EEPROM）和128Mbit的Flash作为程序和数据存储空间，满足智能断路器对冻结、统计、事件数据的记录功能和对保护事件、电能事件、参数变更事件的记录功能。

管理芯模块设计框图如图2所示，根据智能断路器的功能需求对管理芯模块进行设计。信号采样模块的信号输入管理芯，由计量芯片SC1186E对三相电压、三相电流进行高精度采集，有力支持电能量计量、非电流保护（如过电压、欠电压、缺相等）、故障研判、线损分析等功能。通用输入/输出口（general purpose input output, GPIO）功能分配如下：按键输入模块设计“合闸”、“分闸”控制操作按键，以及“重合闸”、“蓝牙”投退功能按键等，满足对智能断路器进行人机交互的功能需求；LED（light emitting diode）指示模块设计运行灯、告警灯、故障灯等，从而能够直观地观察当前设备状态；设计分合闸输出控制功能和分合闸状态输入监测功能，从而管理芯模块能直接控制断路器的分合闸，以及确认分合闸操作是否成功；设计拓扑识别模块对特征电流信号进行产生、接收、分析，从而实现拓扑识别功能。3路通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）分别连接符合国家电网公司相关标准和规范的可插拔单相高速电力线载波模块、485通信MAX13487E芯片和蓝牙通信DX—BT24—M模块，满足智能断路器通过上行载波与融合终端进行远程通信、远程升级的功能需求，以及通过485和蓝牙进行本地维护、本地升级的功能需求；2路UART设计为TTL电平分别与保护芯在硬件上直连进行通信，以及预留程序开发的调试串口；1路I2C（inter-intergrated circuit）连接时钟模块R8025 AC实现智能断路器的时钟召唤和对时功能。

图2 管理芯模块设计框图

2.2 保护芯模块

综合考虑成本和通用性，保护芯选用32位Cortex—M3 ARM芯片STM32F103，其主频最高可达72MHz，具有512K Flash和64K随机存储器（random access memory, RAM），在程序编程方面有很大的空间保障。

保护芯模块设计框图如图3所示，根据智能断路器的功能需求对保护芯模块进行设计。信号采样模块将电流信号输入保护芯模数转换器（analog to digital converter, ADC）处理模块满足智能断路器三相电流和漏电流的数据采集功能和电流保护（包括长延时保护、短延时保护、瞬动保护和漏电保护）功能；保护芯通过输出驱动执行机构控制的断路器分合闸操作并对分合闸状态进行监测；测温模块选用高精度的单总线温度测量芯片DS18B20，从而实现智能断路器的控制器超温、母排或触头温度监测的自诊断功能和温度保护功能；存储模块选用EEPROM芯片BL24C256A，存储容量256Kbit，从而满足智能断路器的参数和保护定值的存储功能、存储器故障识别的自诊断功能需求。

图3 保护芯模块设计框图

2.3 电源模块

电源模块包括自生电源、辅助电源、后备电源三部分，原理框图如图4所示。

图4 电源模块原理框图

自生电源由交流电流通过取电互感器感应产生，专为保护部分提供电源支持。辅助电源由交流电压通过交流转直流的方式提供。辅助电源和后备电源可为整个系统（管理和保护）提供电源支持。辅助电源在正常工作时还需要负责后备电源（超级电容）的充电工作，当辅助电源供电不足时，后备电源能保证系统（管理和保护）的正常工作。

1）自生电源

自生电源专为保护部分提供电源支持，采用专为低压断路器设计的取电电源管理芯片ADP2450实现。该芯片主要有三部分功能：①集成一个低功耗分流升压控制器将电流源（电流互感器的输出）转换为4.5～36V电压源和一个输入电压为4.5～36V的降压型稳压器，兼具取电和电源管理功能；②集成四个低失调低功耗可编增益放大器和一个通用运算放大器，具有信号调理功能；③集成一个执行器的功率驱动电路，具有模拟脱扣功能[11]。自生电源设计框图如图5所示。

图5 自生电源设计框图

DRV连接场效应管DMT69M8LSS的栅极，FB1通过反馈分压电阻得到12V电压。将该电压连接到VIN后，可通过内置的稳压器从SW输出3.3V电压为保护芯供电，其驱动电流可达500mA。三相电流互感器输出信号经过整流桥MB6S整流输出后连接到EIN1～EIN3，EIN5_N和EIN5_P连接漏电流互感器的输出，EOUT1～EOUT3、EOUT5输出的模拟信号连接保护芯的ADC采样模块进行电流采样，可编程增益运放使相电流测量精度更高、范围更宽。GATE连接断路器的脱扣器，保护芯通过从TRG输出触发信号来控制断路器的脱扣器。

2）辅助电源

辅助电源采用反激式AC-DC开关电源方式实现，为整个系统（管理和保护）提供电源支持，设计框图如图6所示。

图6 辅助电源设计框图

开关器件选用PN8145T，其内部集成了脉宽调制控制器和功率金属-氧化层-半导体场效晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET），其空载待机功耗小于50mW，输出功率为8～10W。

3）后备电源

后备电源采用超级电容，对整个系统（管理和保护）提供电源支持。本设计以功率为3W，工作时间为110s，电压从1=11V放电到2=5V，计算能量为

因此，超级电容=6.875F，本设计选用5只35F/ 2.7V的单体超级电容串联或4只28F/3.0V的单体超级电容串联。

2.4 信号采样模块

信号采样模块采用保护采样和测量采样独立设计的原则，原理框图如图7所示。

图7 信号采样模块原理框图

单相电压采样电路如图8所示，电压测量采用电流型电压互感器ZMPT101B，其额定输入电流为2mA，额定输出电流为2mA，变比为1:1，根据额定电流参数设计匹配的输入电阻为400kW，输出负载电阻为121W，U_L和U_N为交流220V电压输入端，U_P为直流小电压输出端。其余两相采样电路与此原理一致[12]。

图8 单相电压采样电路

电流测量采用互感器方式，测量互感器和保护互感器的工作原理一致，但是在选型方面有各自的特点：①测量互感器要测量的是线路正常运行时的电流，而保护互感器侧重线路故障时的大电流，对测量范围要求尽量大；②对测量互感器的准确性和精度要求较高，而对保护互感器侧重响应速度，需要其尽可能快地采样变化的电流[13-15]。

电流互感器选用空心互感器，优点是无磁滞效应，线性度比较理想。电流测量互感器采用纳米晶磁心材料，电流保护互感器采用硅钢片铁心材料，主要技术参数见表1。

表1 互感器技术参数

单相电流采样电路如图9所示，CT_P和CT_N为电流测量互感器的输出端，差分信号端I_P和I_N的输出信号直接输入计量模块。其余两相采样电路与此原理一致。

图9 单相电流采样电路

在断路器系统正常运行时，保护互感器将保护线路的电流信号转换成与一次电流成正比且可以处理的低电平信号，将信号经过整流桥MB6S整流且经过ADP2450处理后送入保护芯ADC处理模块，保护芯软件中设定的三段保护整定值进行逻辑保护、比较和处理，输出相应保护信号，驱动执行机构控制的断路器分合闸[16-18]。同时电流测量互感器和电压采样电路将线路的电流和电压信号转换成可以处理的低电平信号，将其送入管理芯的SC1186E计量模块，从而对分相电压、分相电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等电能量进行计量。

3 软件设计

3.1 管理软件

管理程序分为系统部分和应用部分，这两部分能分离开发、独立升级，便于维护和移植。管理软件架构如图10所示。

图10 管理软件架构

系统部分采用嵌入式SW-RTOS（smart switch real time operation system），支持内核空间内存保护，使内核有非常高的安全性。SW-RTOS在资源极其稀少的处理器上可实现对多进程与动态装载应用的支持，不需要占用很大的存储资源及CPU性能，大大降低了硬件成本。

根据管理软件的功能划分，应用部分为5个并发运行的App且App之间支持共享内存和管道单向通信。

计量中心App：分配ID号为1，发送管道pipe 0，接收管道pipe 1，其他App可从计量中心读取电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率等计量数据，对电能质量进行监测。

拓扑识别App：分配ID号为2，发送管道pipe 2，接收管道pipe 3，负责断路器的拓扑识别功能。

保护通信App：分配ID号为3，发送管道pipe 4，接收管道pipe 5，负责通过协议与保护芯进行交互通信。

配电物联App：分配ID号为4，发送管道pipe 6，接收管道pipe 7，负责断路器的上行载波通信、下行485串口通信、蓝牙等通信。

路由App：分配ID号为5，负责以上4个App间的互相通信，实现通信桥梁的作用。

3.2 保护软件

保护功能对实时性要求较高，因此保护软件平台不配置操作系统，将整个程序按照各个功能模块进行划分，编写各部分的功能程序。保护软件主任务流程如图11所示。

图11 保护软件主任务流程

保护软件初始化对GPIO、定时器、中断、串口、ADC等外设进行配置。采样任务配置ADC以4个通道每个周波64个点进行数据采样，采样时间间隔为0.312 5ms，即采样频率为3 200Hz，满足Nyquist采样原理[19]。

初始化完成后，保护芯利用定时中断的方式启动ADC对输入信号进行采样，采样完成一个周期后，计算得出各相电流的有效值，并根据校准标志位对结果进行校准。计算得到电流的有效值后，保护芯根据三段保护曲线及算法判断其是否满足短延时、长延时或瞬时保护条件[20-22]，并在操动机构执行控制保护动作后，为管理芯提供报警指示，通知管理芯进行告警事件记录及告警指示。

保护芯通过UART与管理芯进行数据交互，数据交互内容主要包括：接收管理芯下发的保护参数，响应管理芯下发的操动机构控制命令，响应并回复当前保护状态。保护软件通信任务流程如图12所示。

图12 保护软件通信任务流程

4 测量精度试验

在实际工程应用中，智能断路器的测量精度是一个重要的技术指标，并且电流、电压的测量是有功功率、无功功率、视在功率等其余电能量的计量基础。因此本文对双芯低压智能断路器系统的电流、电压进行进一步的测量精度试验。

电流测试方法：给断路器A、B、C三相加220V电压，在不同电流值、不同相角状态进行测试（额定电流n=250A），对测量值2和理论值1进行相对误差计算(2-1)/1×100%，测试数据见表2。

表2 电流测量精度数据

（续表2）

电压测试方法：给断路器A、B、C三相加对应电压值（额定电压e=220V），对测量值2和理论值1进行相对误差计算(2-1)/1×100%，测试数据见表3。

表3 电压测量精度数据

在一般的工程应用中，断路器测量精度的参考标准为：电流准确度，电流值范围0.1n≤≤0.4n，误差极限±0.5%；电压准确度，电压值范围0.6e≤≤1.3e，误差极限±0.5%。以上试验数据表明，本文设计的断路器测量精度满足实际应用需求。

5 结论

本文通过模块化方式将断路器的断路保护功能和管理监控功能相互独立，设计了一种“保护芯+管理芯”的双芯低压智能断路器方案。从硬件方面介绍了双芯模块和满足该方案的电源模块、信号采样模块。电源模块中自生电源专为保护部分提供电源支持，辅助电源和后备电源可为整个系统（管理和保护）提供电源支持。信号采样模块中测量采样和保护采样相互独立，保护互感器兼有取电互感器的功能。从软件方面分别介绍了管理软件和保护软件的架构设计。依据此方案设计了一种集智慧保护和智能管理功能于一体的智能断路器系统，最后通过试验验证了该系统的电流、电压测量精度满足实际应用需求。双芯模式可以使断路器的断路保护部分与管理监控部分分离，使断路器保护功能的稳定性、可靠性、安全性得到极大提高，满足智能电网对现代断路器的要求，具有较大的研究意义和实用价值。

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Design and implementation of low voltage intelligent circuit breaker based on dual-core modularization

MA Xiaokun XUE Li ZHANG Chuanyuan GAO Zhenwei SHI Wenhui

(Beijing Guodiantong Network Technology Co., Ltd, Beijing 100086)

In order to ensure the circuit breaker protection function is stable and reliable, the protection and management are modularized into two independent parts, and a dual-core low voltage intelligent circuit breaker scheme of “protection core and management core” is designed in this paper. The architecture of protection core, management core, power supply and signal sampling module, the architecture of protection software and management software are introduced. The measurement accuracy is tested by experiment. The protection transformer and the measurement transformer are independent of each other, and the protection core can realize its own independent power supply through the self-produced power supply. This ensures that the protection core can work independently from the management core. The design can isolate the protection part and the management part of the circuit breaker, and improve the stability and reliability of circuit breaker protection function.

intelligent circuit breaker; dual-core; modularization; self-produced power supply

2022-03-30

2022-04-14

马晓昆（1983—），男，河北人，工程师，从事输配电产品开发、配电自动化及移动通信技术方面的工作。

低压智能断路器技术研究及应用项目（546806210001）