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(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí),，高速,、高精地采集信號(hào)是十分重要的。文章對(duì)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(jì),，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)信號(hào)的采集,、跟蹤和顯示，其中所涉及的電路包括信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換電路,、選通采集電路與鎖相倍頻電路,，并通過(guò)示波器觀測(cè)各個(gè)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(jì),。
0 引言
在電能的產(chǎn)生,、輸送,、使用過(guò)程中，配電是一個(gè)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(lái)處理由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致線路出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)載,、短路、過(guò)電壓,、欠電壓,、過(guò)電流、剩余電流等故障的一種電器,。它可以及時(shí)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(shí)分?jǐn)嚯娏鳌?br />
從上世紀(jì)50 年代開(kāi)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(cè)量,、控制、報(bào)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(duì)電網(wǎng)信號(hào)的采集要準(zhǔn)確、快速,、無(wú)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(hào),，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(hào)的采集系統(tǒng)的硬件主要分為3 個(gè)部分:① 信號(hào)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(kāi)關(guān)。該3 部分相互連接形成一個(gè)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(jì)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(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)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(kāi)關(guān)，同時(shí)應(yīng)用鎖相環(huán)提供微控制器中斷信號(hào),，利用微控制器LPC2294 外部中斷功能進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)采樣,，最終將采樣信號(hào)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(hào)調(diào)理單元
信號(hào)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(hào)調(diào)理單元將7 路輸出信號(hào):I1,、I2,、I3、U1,、U2,、U1、L 送入多路轉(zhuǎn)換開(kāi)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(zhǎng),，電網(wǎng)電壓等級(jí)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(diǎn),，如體積大,、易磁飽和、有鐵磁諧振,、動(dòng)態(tài)范圍小,、使用頻帶窄等。本設(shè)計(jì)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(diǎn),，采用非磁性材料作為傳感器，無(wú)飽和,、無(wú)剩磁,、體積小、頻帶寬,，最重要的是其二次側(cè)輸出不是一個(gè)電流量而是一個(gè)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(kāi)路的限制。采用空心電流互感器輸出的小電壓信號(hào)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,。空心電流互感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示,，其中Ix為被測(cè)信號(hào)電流,，e(t)為空心電流互感器線圈輸出電動(dòng)勢(shì)。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(cè)電流
為了求得輸出信號(hào)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(guò)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(guò)空心電流互感器,，將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成所需的小電壓信號(hào)，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(jì)系統(tǒng)所設(shè)置的條件下故障電流值和電流通過(guò)空心互感器輸出的電壓值,，其中，IN為額定電流,。通過(guò)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(guò)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(hào)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(yùn)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(shí)現(xiàn)了低通,、高通濾波,，其截止頻率為1 /2πRC。
經(jīng)過(guò)計(jì)算,，選擇了合適的低通,、高通濾波電容與電阻值，使得通過(guò)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(gè)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(shí)輸出電壓U0的波形如圖4 所示,。經(jīng)測(cè)量，在空心互感器采樣不同電流值時(shí),，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(guò)高會(huì)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(guò)低則不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,，過(guò)電壓或欠電壓指電壓幅值超過(guò)或小于了標(biāo)稱電壓，且持續(xù)時(shí)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(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)分析判斷，在電網(wǎng)出現(xiàn)過(guò)電壓,、欠電壓時(shí)及時(shí)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(yùn)放LM 224 U1A,、U1B 實(shí)現(xiàn)二階濾波，U1C 作為電壓跟隨器,，實(shí)現(xiàn)了隔離,，提高了輸入阻抗,，降低輸出阻抗，提高了小信號(hào)帶負(fù)載能力,。電壓采樣實(shí)際中,，觀測(cè)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(guó)家對(duì)用電安全有強(qiáng)制性要求,，在許多場(chǎng)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(duì)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(dòng)作信號(hào),，靈敏度高、動(dòng)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(duì)于該兩種接觸保護(hù),，當(dāng)動(dòng)作電流小于 30 mA 時(shí),，若保護(hù)器流過(guò)的零序電流為30 mA 以上，動(dòng)作時(shí)間限定0. 2 s;60 mA 以上,，動(dòng)作時(shí)間限定0. 1 s;當(dāng)達(dá)到250 mA 時(shí),，動(dòng)作時(shí)間限定只有0. 04 s。對(duì)于防止直接接觸帶電體保護(hù)的動(dòng)作電流為30 mA,，要求在0. 1 s 內(nèi)動(dòng)作,。剩余電流采樣電路如圖6 所示。其中,，輸入電流信號(hào)為電網(wǎng)電流經(jīng)過(guò)零序電流互感器輸出信號(hào),，2 個(gè)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(hào),。
R2、C2構(gòu)成RC 低通濾波器,，放大器將小電壓信號(hào)放大,。圖7(a)、圖7( b) 分別為剩余電流采樣電路實(shí)際應(yīng)用中在示波器觀察到的圖形,。圖7( a)為輸入信號(hào)I1 = 30 mA(故障) 時(shí)輸出電壓U2波形,。圖7(b)為輸入信號(hào)I2 = 28 mA( 正常) 時(shí)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(shí)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(kāi)關(guān)
設(shè)計(jì)中，需要對(duì)3 路電壓,、4 路電流總共7 路信號(hào)進(jìn)行采樣,，并將采樣信號(hào)送入LPC 2294 A/D口,。若占用微控制器7 個(gè)A/D 口，會(huì)造成資源的浪費(fèi),。因此,，應(yīng)用多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使得多路輸入模擬量經(jīng)過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的切換,，共用1 個(gè)A/D口,。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)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(hào)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(kāi)關(guān)電路
圖8 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路
4 鎖相環(huán)部分
電力系統(tǒng)的信號(hào)頻率在50 Hz 附近波動(dòng),，若采用定時(shí)采樣,，使得采樣頻率保持恒定，電網(wǎng)頻率一旦發(fā)生波動(dòng),，就不能保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效,。
而動(dòng)態(tài)采樣可以實(shí)時(shí)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(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用鎖相環(huán),，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(hào)送入智能斷路器的微控制器LPC 2294 的外部中斷引腳來(lái)停止、起動(dòng)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(dòng)態(tài)功耗小,，屬于微功耗器件。因此,，本設(shè)計(jì)應(yīng)用CD 4046 構(gòu)成鎖相倍頻電路,。CD 4046 輸入端需方波信號(hào)，利用鎖相環(huán)前期整形電路,，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ吞?hào);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(jì)數(shù)器構(gòu)成分頻器，將其級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)64 倍頻,。另外,，鎖相環(huán)電路外接發(fā)光二極管，通過(guò)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(shí)際降壓后電網(wǎng)信號(hào)，輸入鎖相環(huán)信號(hào),，鎖相環(huán)鎖相倍頻后信號(hào)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(shí)際降壓后電網(wǎng),、輸入鎖相環(huán),、鎖相環(huán)鎖相倍頻后信號(hào)的示波圖形
圖11 實(shí)際降壓后電網(wǎng),、輸入鎖相環(huán)、鎖相環(huán)鎖相倍頻后信號(hào)的示波圖形,。
5 結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)完成了電網(wǎng)信號(hào)采集,，將電流采樣環(huán)節(jié)的3 路信號(hào)、電壓采樣環(huán)節(jié)3 路信號(hào)以及剩余電流采樣環(huán)節(jié)信號(hào)送入多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),，利用多路裝換開(kāi)關(guān)對(duì)采樣信號(hào)選通,，最后送入微控制器LPC 2294;同時(shí)，應(yīng)用鎖相集成芯片CD 4046 鎖相倍頻輸入信號(hào),，倍頻后信號(hào)作用于微控制器中斷引腳產(chǎn)生中斷,，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)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(diǎn)，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,。