基于DSP和Modbus总线的智能断路器控制器设计

作者：时间：2010-04-01来源：网络收藏

作为输配电网络中保护用的电力断路器(包括框架式断路器和塑壳式断路器），在设备过载、短路时，能安全、可靠地切断故障电流，防止事故扩大危及到整个输配电系统。随着科学技术的进步，人们对供配电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供配电系统自动化的需要。断路器控制器正在向智能化、多功能、模块化及可通信的方向发展。对于供电系统中的多台断路器要求能实现联网通信、集中监控等功能，即第四代断路器，同时对高分断能力、多保护功能、高可靠性提出了更高的应用要求。本文着重研究和设计了一种基于 DSP的Modbus总线的新型可通信智能断路器控制器，并给出结合断路器的上位监控软件的完整应用实现。该控制器不仅具有三段保护的基本功能，还能实现在串行链路Modbus总线通信的“四遥”(遥讯、遥测、遥调、遥控)及附加的电力质量监控等功能。
1 智能断路器硬件结构
1.1 硬件总体结构
由断路器、智能控制器和上位机构成的监控系统总体框图如图1所示。上位机与下位机采用Modbus现场总线相连接，下位机完成整个测控系统的基础工作，实现对输电线路的保护以及电力质量监控；上位机通过Modbus总线与智能控制器进行数据传输，实现对多个智能控制器节点的集中控制和管理。

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/163171.htm

智能控制器采用TI的高性能DSP芯片TMS320F2812，电路主要由电压电流输入信号的调理电路、自生电源和外部电源控制模块、RS485通信模块、显示和按键模块及外围检测信号输入电路、脱扣控制电路等组成。电流互感器和电阻分压前端分别检测供电线路中的电流和电压信号，并将其转换为数字电路和DSP可处理的电平信号，经过模拟信号调理电路(隔离、滤波、放大等)送入DSP，DSP自带的A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号，供DSP进行逻辑运算和处理。DSP将检测到的电流信号与整定值相比较，判断是否脱扣，从而实现三段保护功能。同时在系统中采用Modbus总线协议与上位机通信，实现智能控制器的“四遥”功能。
1.2 采样与信号调理
采用空芯电流互感器检测电流信号，以保证有较好的线性范围。采用串联的电阻分压提供电压信号。电流和电压信号经过RC滤波后，分2路进行采样，以解决量程变换问题。当互感器输出电压比较小时，电压经过LM324放大，由A/D采样；而当互感器输出电压比较大时，LM324输出出现饱和，则直接由A/D采样。其中通道的选择由软件完成,以使采样信号在阀值处能较好衔接起来。电流采样电路如图2。R11、R12、R21、R22将交流信号提升为A/D可识别的3.3 V直流信号，D1、D2、D7、D8构成限幅保护电路。电压通道除了电阻分压不同，其他部分相似。

1.3 通信接口
采用SP485E芯片的通信接口如图3。由于断路器的分断会对电路产生干扰，为保证可靠的通信，电路附加了一些保护。其中8.2 V的TVS管V1、V2、V3都是用来保护RS485总线的，以避免RS485总线在受外界干扰时(雷击、浪涌)产生的高压损坏RS485收发器。电路中的L1、L2、C7、C8元件，用于提高电路的EMI性能，并对SP485E芯片起到良好的保护效果。

2 智能控制器软件设计
2.1 智能控制器软件结构
智能控制器软件主要包括：采样数据处理、通信处理、按键和显示处理及能量记忆处理等模块。主程序流程图如图4。在主程序中，智能控制器上电初始化后，查询通信事件状态，处理Modbus协议状态机，并做相应的通信处理。通过采样获取主线路的电流信号，每周期20 ms采样40点，采用0.5 ms的定时器，实现非失真采样。而线路的三段保护，即电流速断、限时电流速断、定时过电流均依据一定的算法在这些采样点的基础上进行。根据测得的电流信号进行有效值计算（40个采样点采用加权平滑滤波，取均值），进行热记忆能量累加或消退，先后比较是否达到或超过瞬时脱扣整定值Ii、短延时脱扣电流整定值Isd、过载长延时脱扣电流整定值Ir，判断是否大于整定的脱扣能量从而发出分断命令，动作时间延时T根据断路器控制器的电流－时间特性曲线决定(可参考断路器行业标准[3])，从而实现对线路中的过载、短路、接地等故障的保护。