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)并擴充了測量、控制,、報警,、數(shù)據(jù)記憶及傳輸、上下微機的通信等功能,，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［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器,。剩余電流保護器用以對低壓電網(wǎng)直接觸電和間接觸電進行有效的保護,，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。剩余電流保護分為直接接觸保護和間接接觸保護,。對于該兩種接觸保護,，當(dāng)動作電流小于 30 mA 時，若保護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,。