一種智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

   摘要: 隨著現(xiàn)代電氣智能化的發(fā)展，智能電器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的分配控制方面，在監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀態(tài)時，高速、高精地采集信號是十分重要的。文章對微控制器的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了電網(wǎng)信號的采集、跟蹤和顯示，其中所涉及的電路包括信號采集和轉(zhuǎn)換電路、選通采集電路與鎖相倍頻電路，并通過示波器觀測各個電路的輸出情況，完成整體智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。

0 引言

在電能的產(chǎn)生、輸送、使用過程中，配電是一個極其重要的環(huán)節(jié)。低壓斷路器就是在低壓配電系統(tǒng)中用來處理由于電網(wǎng)波動導(dǎo)致線路出現(xiàn)嚴(yán)重的過載、短路、過電壓、欠電壓、過電流、剩余電流等故障的一種電器。它可以及時切斷電路，隔離故障，起到保護(hù)配電網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備的作用。脫扣器是斷路器的核心部件，可以在電網(wǎng)發(fā)生故障情況時分?jǐn)嚯娏鳌?br />
從上世紀(jì)50 年代開始生產(chǎn)仿蘇斷路器，至今已發(fā)展為帶有微處理器的智能型脫扣器。智能脫扣器不僅囊括了傳統(tǒng)脫扣器所有保護(hù)功能，而且還能夠顯示、設(shè)定和修改被控電路中參數(shù)并擴(kuò)充了測量、控制、報警、數(shù)據(jù)記憶及傳輸、上下微機(jī)的通信等功能，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的常規(guī)斷路器產(chǎn)品。智能脫扣器要在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下快速分?jǐn)嗾w電路，又要對電網(wǎng)信號的采集要準(zhǔn)確、快速、無誤，這樣，智能脫扣器的核心———微控制單元才能準(zhǔn)確分析采集到的信號，正確判斷電網(wǎng)是否故障。本文所介紹智能脫扣器電網(wǎng)信號的采集系統(tǒng)的硬件主要分為3 個部分:① 信號調(diào)理單元，包括電流采樣、電壓采樣、剩余電流采樣;②鎖相環(huán)頻率跟蹤;③ 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。該3 部分相互連接形成一個整體，不可分割。合理地處理好該3 部分，才能準(zhǔn)確地了解當(dāng)前的電網(wǎng)情況，保護(hù)電網(wǎng)和用電電器安全。

1 整體設(shè)計方案

智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。電網(wǎng)信號經(jīng)過信號調(diào)理單元的電流、電壓、剩余電流采集電路，送入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，同時應(yīng)用鎖相環(huán)提供微控制器中斷信號，利用微控制器LPC2294 外部中斷功能進(jìn)行信號實時采樣，最終將采樣信號送入微控制器。

智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

圖1 智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖。

2 信號調(diào)理單元

信號調(diào)理單元包括電流采樣、電壓采樣以及剩余電流采樣。信號調(diào)理單元將7 路輸出信號:I1、I2、I3、U1、U2、U1、L 送入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，以備后續(xù)循環(huán)采樣。

2. 1 空心電流互感器

隨著電力傳輸容量的不斷增長，電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，保護(hù)要求更加嚴(yán)格，鐵心式互感器暴露出一些缺點，如體積大、易磁飽和、有鐵磁諧振、動態(tài)范圍小、使用頻帶窄等。本設(shè)計使用了空心電流互感器，空心式電流互感器克服了傳統(tǒng)鐵心式互感器的缺點，采用非磁性材料作為傳感器，無飽和、無剩磁、體積小、頻帶寬，最重要的是其二次側(cè)輸出不是一個電流量而是一個電壓量，省去在二次側(cè)接大功率采樣電阻和二次側(cè)不能開路的限制。采用空心電流互感器輸出的小電壓信號就可以直接應(yīng)用到后續(xù)電路。

空心電流互感器由Rogowski 空心線圈構(gòu)成，是一種密繞于非磁性骨架上的空心螺線管?？招碾娏骰ジ衅鹘Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中Ix為被測信號電流，e(t)為空心電流互感器線圈輸出電動勢。e(t)與Ix關(guān)系如式(1)所示:

空心電流互感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 空心電流互感器結(jié)構(gòu)圖。



式中N———線圈總匝數(shù)

S———非磁性骨架截面積

Ix———被測電流

為了求得輸出信號和輸入電流的線性關(guān)系，積分器是模擬電路的關(guān)鍵部分。因此，在空心互感器后面加入了積分環(huán)節(jié)，使輸出電壓與輸入電流保持線性關(guān)系。Ux即為經(jīng)過積分器的輸出電壓，如式(2)所示:


式中r———非磁性骨架圈半徑

R———空心線圈后接積分器的積分電阻

C———空心線圈后接積分器的積分電容

經(jīng)過空心電流互感器，將被測信號轉(zhuǎn)化成所需的小電壓信號，且頻率相位均未改變，準(zhǔn)確度高，適合應(yīng)用于智能斷路器大電流采樣中。按照生產(chǎn)空心電流互感器的廠家以及有關(guān)互感器資料文獻(xiàn)［1］中的數(shù)據(jù)，表1 中列出了本設(shè)計系統(tǒng)所設(shè)置的條件下故障電流值和電流通過空心互感器輸出的電壓值，其中，IN為額定電流。通過表1所列輸入空心互感器電流Ix和經(jīng)積分電路后電壓輸出Ux關(guān)系可看出，兩者呈線性關(guān)系。

表1 電流值及經(jīng)電流互感器輸出電壓值。

電流值及經(jīng)電流互感器輸出電壓值

2. 2 電流采樣

由空心電流互感器輸出的小交流電壓，需要經(jīng)過調(diào)理電路才能輸入微控制器的A/D( 模數(shù)轉(zhuǎn)換)單元。調(diào)理電路主要完成信號的濾波、放大、提升。交流采樣電路如圖3所示，其中，R1、C1為空心電流互感器后積分電阻和電容。將R1的輸出電壓經(jīng)運放LM 224 U1A、U1B 構(gòu)成的放大電路進(jìn)行放大，產(chǎn)生2. 5 V 左右的交流電壓。C3、R7、C4、R6實現(xiàn)了低通、高通濾波，其截止頻率為1 /2πRC。

經(jīng)過計算，選擇了合適的低通、高通濾波電容與電阻值，使得通過的頻率在10. 61 ～ 123. 72 Hz 之間。LM 224 U1C 放大器為前面產(chǎn)生的交流電壓提供一個基準(zhǔn)的直流電壓，交流電壓與直流電壓疊加，使電壓得到提升。最終，V0輸出經(jīng)調(diào)理后的單極性電壓，將此電壓直接輸入LPC 2294 的A/D 單元。輸入電流IN = 630 A 時輸出電壓U0的波形如圖4 所示。經(jīng)測量，在空心互感器采樣不同電流值時，經(jīng)電流采樣電路輸出電壓數(shù)值如表2 所示。其中，10. 61 ～ 123. 72 Hz Ua為電壓波峰與波谷之間的距離。

電流采樣電路

圖3 電流采樣電路。

U0—波峰2 V;波谷—0. 7 V

圖4 IN = 630 A 示波圖。

表2 電流采樣電路輸出電壓值。

電流采樣電路輸出電壓值

2. 3 電壓采樣

電壓過高會危及電力設(shè)備的安全和降低電力設(shè)備的使用壽命，電壓過低則不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，過電壓或欠電壓指電壓幅值超過或小于了標(biāo)稱電壓，且持續(xù)時間大于60 s，數(shù)值在1. 1 ～ 1. 2 p. u. 或0. 8 ～ 0. 9 p. u. 。應(yīng)用智能斷路器對電網(wǎng)電壓信號分析判斷，在電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓、欠電壓時及時分?jǐn)嘞到y(tǒng)連接，保護(hù)電網(wǎng)及用電器。交流電壓采樣電路如圖5 所示。運放LM 224 U1A、U1B 實現(xiàn)二階濾波，U1C 作為電壓跟隨器，實現(xiàn)了隔離，提高了輸入阻抗，降低輸出阻抗，提高了小信號帶負(fù)載能力。電壓采樣實際中，觀測圖及其變化曲線與電流采樣類似。

交流電壓采樣電路

圖5 交流電壓采樣電路。

2. 4 剩余電流采樣

國家對用電安全有強制性要求，在許多場合都要求安裝剩余電流保護(hù)器。剩余電流保護(hù)器用以對低壓電網(wǎng)直接觸電和間接觸電進(jìn)行有效的保護(hù)，以剩余電流作為動作信號，靈敏度高、動作后能有效地切斷電源，保障人身安全。剩余電流保護(hù)分為直接接觸保護(hù)和間接接觸保護(hù)。對于該兩種接觸保護(hù)，當(dāng)動作電流小于 30 mA 時，若保護(hù)器流過的零序電流為30 mA 以上，動作時間限定0. 2 s;60 mA 以上，動作時間限定0. 1 s;當(dāng)達(dá)到250 mA 時，動作時間限定只有0. 04 s。對于防止直接接觸帶電體保護(hù)的動作電流為30 mA，要求在0. 1 s 內(nèi)動作。剩余電流采樣電路如圖6 所示。其中，輸入電流信號為電網(wǎng)電流經(jīng)過零序電流互感器輸出信號，2 個反向二極管防止大電流擊穿，R1為采樣電阻，將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號。

R2、C2構(gòu)成RC 低通濾波器，放大器將小電壓信號放大。圖7(a)、圖7( b) 分別為剩余電流采樣電路實際應(yīng)用中在示波器觀察到的圖形。圖7( a)為輸入信號I1 = 30 mA(故障) 時輸出電壓U2波形。圖7(b)為輸入信號I2 = 28 mA( 正常) 時輸出電壓U2波形。

剩余電流采樣電路

圖6 剩余電流采樣電路。

圖7 實際應(yīng)用中的剩余電流采樣電路的示波圖形。

3 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)

設(shè)計中，需要對3 路電壓、4 路電流總共7 路信號進(jìn)行采樣，并將采樣信號送入LPC 2294 A/D口。若占用微控制器7 個A/D 口，會造成資源的浪費。因此，應(yīng)用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，使得多路輸入模擬量經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換，共用1 個A/D口。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路如圖8 所示。其中，第11、10、9 管腳分別接LPC 2294 的I /O 口，利用I /O口不同的輸出信號選通輸入模擬量;13、14、15腳，12、1、5、2 腳分別為3 路電壓、4 路電流的輸入。

多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路

圖8 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)電路

4 鎖相環(huán)部分

電力系統(tǒng)的信號頻率在50 Hz 附近波動，若采用定時采樣，使得采樣頻率保持恒定，電網(wǎng)頻率一旦發(fā)生波動，就不能保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效。

而動態(tài)采樣可以實時跟蹤電網(wǎng)頻率，根據(jù)頻率變化自行調(diào)整采樣頻率，尋找到精確的相位，確定采樣點。本設(shè)計利用鎖相環(huán)，實現(xiàn)動態(tài)采樣、跟蹤電網(wǎng)頻率。倍頻電路倍頻電網(wǎng)頻率后，將信號送入智能斷路器的微控制器LPC 2294 的外部中斷引腳來停止、起動采樣，嚴(yán)格保證了采樣數(shù)據(jù)的正確。

CD 4046 是通用的CMOS 鎖相環(huán)集成電路，其電源電壓范圍寬，輸入阻抗高，動態(tài)功耗小，屬于微功耗器件。因此，本設(shè)計應(yīng)用CD 4046 構(gòu)成鎖相倍頻電路。CD 4046 輸入端需方波信號，利用鎖相環(huán)前期整形電路，將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ吞?然后利用低通濾波器所構(gòu)成的完整鎖相環(huán)電路完成頻率跟蹤。74LS 393 雙四位異步清零的二進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成分頻器，將其級聯(lián)實現(xiàn)64 倍頻。另外，鎖相環(huán)電路外接發(fā)光二極管，通過發(fā)光二極管可以很方便的看出環(huán)路入鎖失鎖狀態(tài)。鎖相環(huán)芯片工作原理圖如圖9 所示，鎖相環(huán)鎖相倍頻電路如圖10 所示。圖11( a)、圖11( b)、圖11(c)分別為實際降壓后電網(wǎng)信號，輸入鎖相環(huán)信號，鎖相環(huán)鎖相倍頻后信號在示波器顯示圖像。

鎖相環(huán)芯片工作原理圖
 

圖9 鎖相環(huán)芯片工作原理圖。

實際降壓后電網(wǎng)、輸入鎖相環(huán)、鎖相環(huán)鎖相倍頻后信號的示波圖形

圖11 實際降壓后電網(wǎng)、輸入鎖相環(huán)、鎖相環(huán)鎖相倍頻后信號的示波圖形。

5 結(jié)語

本設(shè)計完成了電網(wǎng)信號采集，將電流采樣環(huán)節(jié)的3 路信號、電壓采樣環(huán)節(jié)3 路信號以及剩余電流采樣環(huán)節(jié)信號送入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，利用多路裝換開關(guān)對采樣信號選通，最后送入微控制器LPC 2294;同時，應(yīng)用鎖相集成芯片CD 4046 鎖相倍頻輸入信號，倍頻后信號作用于微控制器中斷引腳產(chǎn)生中斷，以此來實現(xiàn)對信號實時采樣?；贏RM 智能斷路器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高速度、高精度的特點，且適用于智能斷路器此類要求高速、高精的各種智能儀器的采樣中。