一種智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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)中用來處理由于電網(wǎng)波動(dòng)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(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?？招碾娏骰ジ衅鹘Y(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(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。