包涌泉，汪 浩，喬卿陽(yáng)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能化成為開關(guān)電器的發(fā)展趨勢(shì)[1]。智能低壓直流斷路器是直流系統(tǒng)中一種重要的智能開關(guān)電器設(shè)備，它具有通斷直流回路的開關(guān)功能和可靠切斷故障電流的保護(hù)功能；同時(shí)通過各種通信接口實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙調(diào)、遙控、遙信等功能，便于電力系統(tǒng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

1 智能低壓直流斷路器的組成

本文所設(shè)計(jì)的智能低壓直流斷路器為框架式固定結(jié)構(gòu)，組成框圖如圖1所示，主要部分包括觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)、框架支撐系統(tǒng)、脫扣器、輔助開關(guān)、智能保護(hù)裝置和信號(hào)變換器。智能斷路器的中樞部件是智能保護(hù)裝置，基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的保護(hù)裝置已較多地用于線路保護(hù)中[2～3]。

圖1 智能低壓直流斷路器組成圖

2 智能低壓直流斷路器控制系統(tǒng)

智能低壓直流斷路器的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。直流母線主回路電流用分流器測(cè)量，經(jīng)過隔離變送器變換后輸入給AD7606采集；直流母線電壓經(jīng)過隔離變送器測(cè)量變換后輸入給AD7606采集；采樣的電流電壓信號(hào)送給DSP處理器進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)回路過載時(shí)，DSP經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，經(jīng)CPLD芯片驅(qū)動(dòng)繼電器接通分勵(lì)脫扣器回路使斷路器觸頭打開，分?jǐn)嘀骰芈?；?dāng)回路過流時(shí)，DSP經(jīng)短延時(shí)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，經(jīng)CPLD芯片驅(qū)動(dòng)光纖口接通快速脫扣器回路使斷路器觸頭打開，分?jǐn)嘀骰芈?。為了提高智能保護(hù)裝置的可靠性，我們將保護(hù)裝置的核心部件DSP、AD7606和EEPROM進(jìn)行了雙機(jī)熱備容錯(cuò)設(shè)計(jì)，兩部分硬件結(jié)構(gòu)和軟件配置完全一樣，當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，CPLD芯片能自動(dòng)切換到備用機(jī)進(jìn)行工作。

圖2 智能低壓直流斷路器控制系統(tǒng)圖

2.1 智能保護(hù)裝置

綜合考慮運(yùn)算速度、精度、片內(nèi)硬件資源等因素，選用TI公司的 TMS320F28335型DSP做裝置的處理器。TMS320F28335型數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司的一款32位浮點(diǎn)型DSP控制器，它主頻可達(dá)150 MHz，內(nèi)嵌256 K×16位的flashROM、34 K×16位的SRAM和8 K×16位的BootROM；還配置有CAN控制器、異步串行通訊口（SCI）、同步外設(shè)接口（SPI）、2×8路12位的A/D轉(zhuǎn)換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數(shù)字I/O端口[4]。該器件具有速度快，性能高，信號(hào)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足故障電流快速分?jǐn)嗟募夹g(shù)要求。

本裝置選用ADI公司推出的新一代16位、8通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7606進(jìn)行母線電流電壓采集。AD7606器件每通道的采樣率能達(dá)到200 ksps，可以在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，對(duì)雙極性信號(hào)進(jìn)行采樣。

在本裝置中，使用TMS320F28335片內(nèi)的存儲(chǔ)器存放程序和變量，使用SPI接口擴(kuò)展一片串行EEPROM芯片25LC512用于存放參數(shù)，具體參數(shù)包括電流整定值、時(shí)間整定值等。

本裝置使用CAN總線接口，與系統(tǒng)的上位機(jī)通信。裝置向上位機(jī)傳送直流母線電壓電流信號(hào)、斷路器狀態(tài)、各種整定參數(shù)；同時(shí)上位機(jī)可設(shè)定各種整定參數(shù)以及對(duì)斷路器進(jìn)行分合操作。裝置通過RS485接口外擴(kuò)西門子人機(jī)界面，根據(jù)中文菜單和提示可以簡(jiǎn)單地完成定值輸人、測(cè)量數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)管理等功能。

2.2 快速脫扣器驅(qū)動(dòng)模塊

斷路器的速斷是由快速脫扣器驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)線圈來完成，由于要求機(jī)構(gòu)動(dòng)作快，因此需使用半導(dǎo)體開關(guān)器件作驅(qū)動(dòng)開關(guān)。圖3為快速脫扣器分閘原理圖。圖中，L為分閘線圈；C為分閘儲(chǔ)能電容；K1是可控硅；R1是限流電阻。

圖3 快速脫扣器分閘原理圖

每次動(dòng)作前，AC220 V通過整流橋和限流電阻R1對(duì)電容C進(jìn)行充電。為了提高斷路器的抗干擾能力，智能保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)用光信號(hào)傳輸。當(dāng)分閘信號(hào)到來時(shí)，智能保護(hù)裝置的光纖信號(hào)經(jīng)光電驅(qū)動(dòng)板觸發(fā)可控硅K1，使其導(dǎo)通，電容C對(duì)勵(lì)磁線圈L放電，產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)開關(guān)進(jìn)行分?jǐn)?，電容C和線圈L的諧振電路使得可控硅K1能自關(guān)斷，控制電重新對(duì)電容器充電，為下次操作做好儲(chǔ)能準(zhǔn)備。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能斷路器軟件主要由主程序和中斷程序兩部分組成。

主程序流程如圖4所示，斷路器在上電或硬件復(fù)位后，開始初始化，讀取EEPROM數(shù)據(jù)后進(jìn)行系統(tǒng)自檢判斷，若自檢不能通過將發(fā)出告警信號(hào)并閉鎖保護(hù)；若通過進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)過程中進(jìn)行事件記錄和故障錄波；最后執(zhí)行CAN發(fā)送程序和modbus協(xié)議處理程序。

圖4 軟件主程序結(jié)構(gòu)圖

定時(shí)器每隔一個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷，定時(shí)周期設(shè)為100 μs。在定時(shí)請(qǐng)求中斷信號(hào)到來時(shí)，DSP可相應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。定時(shí)中斷服務(wù)程序流程如圖5所示，程序首先對(duì)AD7606進(jìn)行診斷，若正常則進(jìn)行直流母線電流電壓等模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集和處理，然后執(zhí)行電流電壓保護(hù)算法，最后進(jìn)行保護(hù)判斷完成保護(hù)功能并進(jìn)行事件記錄和故障錄波。

圖5 定時(shí)器中斷程序流程圖

4 應(yīng)用對(duì)象和實(shí)驗(yàn)

本文研制的智能斷路器用于船舶直流配電系統(tǒng)中，當(dāng)回路中出現(xiàn)過載和短路電流時(shí)，斷路器能可靠地自動(dòng)斷開電路。智能斷路器具有信息記錄和通信功能，能記錄開關(guān)狀態(tài)、故障電流、保護(hù)動(dòng)作類型等信息并通過總線向主站傳輸這些信息；同時(shí)接收主站命令進(jìn)行相關(guān)分、合操作。

該斷路器在中國(guó)船舶工業(yè)電工產(chǎn)品試驗(yàn)檢測(cè)中心進(jìn)行了分?jǐn)嘣囼?yàn)，試驗(yàn)電壓為900 V，試驗(yàn)回路時(shí)間常數(shù)為10 ms，試驗(yàn)波形見圖6，斷路器從故障電流達(dá)到整定值800 A開始經(jīng)過不到4 ms時(shí)間觸頭打開，大約16.4 ms完成全分?jǐn)?，故障電流變?yōu)榱恪?/p>

圖6 試驗(yàn)波形圖

5 結(jié)論

本文提出的智能斷路器具有測(cè)量、保護(hù)、通訊等功能；雙機(jī)熱備等技術(shù)的使用保證了設(shè)備的高可靠性。試驗(yàn)證明設(shè)備能快速分?jǐn)喙收想娏?，滿足船舶電力系統(tǒng)使用要求。