基于DSP的断路器智能化技术研究

王吉忠 邓为 包涌泉

（1.海军驻武汉712所军事代表室，武汉430064；2.中国船舶重工集团公司712研究所，武汉430064）

1 引言

断路器是用于接通、分断电力系统及对各种故障进行保护控制的一种开关电器，广泛用于各类电网的供配电系统中，一般具有过载、短路、漏电、接地等故障保护功能.传统断路器的检测和保护功能多由电磁元件完成，其动作时间长，保护精度低，整定困难。随着社会的发展，技术的进步，人们对供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电系统自动化的需要，因此，对于单台断路器就要求其自动化、智能化、模块化，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，即所谓的智能型断路器.

智能型断路器的中枢部件是智能测控单元。智能测控单元由于采用了计算机技术、数字处理技术、控制理论、可编程逻辑技术和串行通信技术等，实现各种保护、报警、显示与控制功能。同时通过各种通信接口实现遥测、遥调、遥控、遥信等“四遥”功能，在网络系统中可通过上位机集中监测和控制。因此，带智能测控单元的断路器在低压配电系统中得到了广泛应用。

2 智能型断路器的硬件设计

智能型断路器核心由DSP、外扩存储器、模拟信号变换电路、通讯接口、固态继电器等几部分组成，原理框图如图1所示。

2.1 数字核心处理电路

我们选用了TI公司的TMS320F2407（以下简称F2407）型DSP作为核心控制芯片。相对于单片机来说，相同的时钟频率下，DSP有着更快的指令执行速度，大部分的指令可以在一个时钟周期内完成。F2407的工作电压是3.3V，兼容5V TTL电平，内嵌32K字的flashROM、544字的DRAM和2K字的SRAM；此外F2407还配置有CAN控制器、异步串行通讯口（SCI）、同步外设接口（SPI）、2×8路10位的A/D转换通道、硬件看门狗电路、以及大量的数字I/O端口。我们使用F2407片内的存储器存放程序，外扩RAM 芯片作数据存储器。扩展一片串行EEPROM用于存放参数,具体参数包括长短延时电流整定值,长短延时时间整定值等。

图1 原理框图

主回路的电流信号经过隔离变换电路后送到DSP片内的A/D转换通道采样；当回路过流时I/O口输出动作信号，经光电隔离后驱动脱扣器线圈分断断路器。

CAN是一种典型的现场总线，应用CAN总线可以满足智能断路器数据通信的可靠性、实时性和节点的易扩充等要求。通过CAN接口，上位机和计算机可以设定断路器的电流整定值和时间整定值等参数；同时主回路电流、断路器的状态等各种信息能实时的传递给上位机显示。

装置本身的状态能通过装置面板指示灯显示，通过按钮可对装置进行检测，本装置同时具有自诊断功能。

由于充分的使用了F2407片内的资源，使得硬件电路得到简化，提高了整个装置的可靠性。

2.2 分闸线圈操作单元

传统断路器是用电磁继电器来控制分闸线圈的。由于电磁继电器的动作时间一般为10～20 ms，断路器动作时间较长，难以满足系统快速分断的要求。而固态继电器其动作时间不大于1 ms；同时它的驱动电路的设计也较方便。本装置中DSP的I/O口信号通过缓冲电路驱动光电隔器，光电隔离器将3.3 V信号变换成24 V信号控制固态继电器的导通，实现断路器快速分断。

3 软件设计

3.1 保护特性的实现

断路器脱扣特性中核心部分是三种保护特性：过载长延时保护特性、短路短延时保护特性和电流逆向保护特性。

3.2 软件结构

保护软件主要由主程序和中断程序两部分组成。其中主程序流程如图2所示，保护装置在上电或硬件复位后，开始初始化,然后程序执行全面上电自检。若自检不能通过将发出告警信号并闭锁保护；若上电自检通过，数字保护装置进入主循环。在主循环过程中进行按健扫描，可以随时手动自检；并将主回路电流、断路器的状态等各种信息实时的传递给上位机。定时器每隔一个周期产生一次中断。定时周期设为100 μs。在定时请求中断信号到来时，DSP可相应中断，执行中断服务程序。定时中断服务程序流程如图3所示，程序首先进行数据的采集和处理，然后执行保护算法，最后进行保护判断完成保护功能。

4 结论

本文提出的基于DSP芯片的智能型断路器的设计，充分利用了DSP芯片强大的处理能力，同时使用固态继电器控制脱扣器动作，实现快速精确保护。

[1]罗超, 李凡. 智能断路器的特点及应用.

[2]王善伟, 戴瑜兴. 基于CAN总线的低压智能断路器的设计.

[3]TMS320LF／Lc24ox DSP Controllers System and Peripherals, 2000.