摘 要: 为满足供配电系统的要求研制一种在前人工作基础上改进的新型智能控制器，文中阐述了它的软件和硬件设计，并简单介绍了软件及硬件的抗干扰措施。该控制器体积小、性能优，具备完善的保护功能。
关键词: 智能控制器; 软件; 硬件; 抗干扰
1前言
控制器是供配电系统中的重要设备，是用于电力系统中接通、分断线路及对各种故障进行保护控制的一种开关电器。随着用电系统规模和等级不断扩大，系统的网络结构和运行方式日趋复杂，传统的控制器已越来越难以满足系统的可靠性、准确性和实时性的要求。智能型控制器是以微处理机为核心的控制器，其主要特点是在传统的控制器基础上充分应用了微电子技术、计算机控制技术及网络通信等新技术，具有较高的性能和可靠性。智能型断路器不仅具有传统的过载、短路、瞬时脱扣等故障的保护功能，同时具有显示、存储、记忆、判断、选择和通讯等功能。采用网络通信技术，使多台智能型断路器组成智能供配电系统，具有遥测、遥控、遥讯和遥调功能。本文介绍一种笔者在前人工作的基础上改进的功能比较完善的智能控制器。
2新型智能控制器的保护功能
与传统的控制器相比，智能控制器能够实现多种测试、计量和显示。能测量和计算多种模拟量和数字量，包括电压、电流、功率、频率、不平衡率等电力参数以及断路器的分合状态，并且能够实时显示电路运行参数。新型智能控制器不仅具有一般的长延时、短延时、瞬时的三段保护功能，还具有不平衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能，而且可做到一种保护功能多种动作特性，具有数字量脱扣和模拟量脱扣两种脱扣方式，提高了系统的可靠性。由于采用了高速嵌入式微处理器，采用FFT的方法计算电流有效值，根据此值发出动作指令，提高了动作的准确性，把动作范围缩小到1.05~1.20倍的整定电流。新型智能控制器能将故障信息储存，如故障类型、故障电流值、动作时间和故障时间等，有助于工作人员做出正确的分析和判断，减少线路维修时间；能够对构成智能控制器的电子元件的工作状态进行自诊断，如触头磨损率、CT断线等，当出现自诊断故障时发出报警信号，并使断路器分断。此外，微处理器能进行脱扣与非脱扣两种方式的试验，以及模拟信号进行长延时、短延时和瞬时整定值的试验；新型控制器还能够模拟热积累，具有热记忆功能。如果供电线路中的故障是间歇性的，则故障电流会反复断续出现。若故障电流持续时间在达到整定的动作时间之前其值又恢复到电流整定值以下，智能控制器可把故障电流超过整定值的时间迭加起来，一旦累计时间达到整定时间，控制器动作，切断故障电流；在线路故障电流超过负载监控整定值而未达到过载电流整定值时，智能控制器能发出报警和控制信号，利用控制信号进行负载调度；上位机每隔几秒轮流查询各测控单元即控制器，发操作命令指挥控制器完成某个任务，包括上送计量信息或故障数据，校验系统时间和参数整定，上报系统的工作状况及控制断路器分合闸。
3工作原理
智能控制器主要由电源、信号采集、CPU、显示和键盘、执行机构等几个部分组成，其结构框图如图1所示。
空芯互感器检测供电线路中的电流，并将其转换为数字电路和单片机可处理的电平信号。信号经隔离滤波、放大等处理后进入采样保持电路，微处理器内的A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，供CPU进行逻辑运算与处理，各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定并存于串行EEPROM中，CPU将检测到的电流信号与整定值比较，在极短的时间内完成各种外部电路故障的检测与判断。动作时记录时间并发控制信号及报警信号，显示故障电流和故障类型；否则控制器刷新显示，并进行自诊断和温度检测。
4硬件和软件的设计
4.1电源设计
智能化电气开关电路可以有三种供电方式：专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电，后者也称为自供电。这三种供电方式可以单独使用，也可以配合使用，形成冗余供电系统。本控制器由电压变换器提供全机24V、+5V和－5V工作电源。电压变换器的输入由两部分组成：一是速饱和电流互感器，在预先设定的电流范围内，供给控制器稳定的工作电压；二是辅助工作电源，在线路电流不足以提供控制器工作电压时给控制器供电。在断路器故障分断后，亦可实现各种故障状态指示、报警触点输出等辅助功能，从而保证控制器正常工作。电压变换器自动切换上述两种电源，自动释放速饱和电压互感器提供的多余能量。
4.2信号采集与处理单元
线路电流传感器采用空芯互感器，保证在整个电流范围内采样信号的线性度。空芯互感器、速饱和铁芯互感器是互相独立的部件，同时套装在断路器主回路的母排上。考虑到一次回路电流高达50kA/75kA，进入A/D转换器的电流信号范围较大，为了提高精度和采样分辨率，把电流信号分为小信号和大信号两组，对于小信号利用硬件电路进行放大处理，而大信号直接输入。接地电流信号一般较小，需经放大处理，其取样方式有两种：
一种方式为测量中线电流。直接取三相电流信号矢量和IN=IA+IB+IC。正常运行情况下，系统平衡，IA+IB+IC=0；在系统不平衡时或接地故障情况下，矢量和不等于零，取出此电流信号作为中线保护电流信号。这种方式不能区分系统不平衡电流和接地故障电流。
另一种方式为测量接地电流。接地信号取于中线互感器信号IL与三相电流信号矢量和IA+IB+IC-IL=IG，仅与接地电流有关而与中线电流无关，此电流可作为接地电流的保护信号。
A、B、C三相电流大信号、电流小信号、电压信号和接地漏电信号共10路输入经过滤波、隔离、放大等处理后送嵌入式系统的A/D转换器的输入端，输入端被配置为单端输入方式，温度采样的输入由嵌入式系统内部的温度传感器完成，嵌入式系统控制电子开关选通所需的各路信号进行轮流采样。10路信号采样处理周期为0.625ms。瞬动短路故障采用峰值采样，考虑抗尖峰干扰，信号处理时间为双周期1.25ms，短路故障电流较大时瞬动处理较快。
4.3微处理器单元
控制器微处理器采用嵌入式微处理器C8051系列，该系统是真正能独立工作的集成的混合信号片上系统（SOC），它具有与MCS51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，减少了系统的外围元件，有利于提高系统的抗干扰能力。内部的数字资源通过优先权交叉开关译码器分配I/O口，可完全由用户支配。系统具有几种串行总线接口，通过交叉开关可配置到端口，可方便地与上位机及编程器通讯。嵌入式系统采用流水线结构，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。每个系统都能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭暂时不工作的外设以降低功耗。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件，这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。片内JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
嵌入式系统内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。扩展的中断系统向嵌入式系统提供22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的系统干预，却有更高的执行效率。在智能控制器多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。
4.4键盘显示单元
显示曾采用液晶显示方案，但是由于液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在部分现场环境较暗时，控制器是否正常运行不便监察，因此，采用LED显示。系统通过一个高效的键盘显示管理芯片BC7281，利用3个信号线便完成了主要的面板显示和按键操作。采用数码管和LED发光二极管循环显示电路运行参数及故障状态下的故障电流和指示故障类型。在正常运行状态下，用户使用控制器面板上的键盘或者上位机和编程器的通讯可进行定位显示、电流整定值调整、延时脱扣时间调整、试验、存储、复位等各项操作。由于其中两个按键要求有连续按键功能，因此单独接到系统的普通I/O口上。
为了满足系统的实时性需要，需由一时钟电路给系统提供时钟信号。系统时钟信号由串行时钟芯片DS1302产生，采用串行通讯方式, 只需三条线即可与单片机通讯；虽没有采用光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果明显；同时体积小，连线少，外围只有32.768kHz晶振，使用灵活。
4.5软件的设计
软件主要由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要完成键盘输入（采用查询方式）、数据处理及显示刷新、故障检测及处理和故障脱扣等功能；中断服务程序主要完成电压、电流的采样、频率、功率因数的计量以及瞬时故障检测和连续按键等功能。主程序开始上电初始化，配置I/O端口，系统自检，然后进行FFT对电压、电流的采样数据处理，求取各项电路参数，并判断是否有故障需要进行延时脱扣。若有故障，则需跳转到各项故障处理子程序，此期间以查询方式处理键盘程序，定时刷新显示。中断服务程序主要包括各个定时器中断和两个外部中断INT1、INT2。INT1是电压方波中断，INT2是电流方波中断，两个外部中断通过定时器0经过处理得到电路的频率和功率因数。定时器1中断作为延时时间计数和刷新显示计数及其它的计数。为了防止中断及显示冲突，刷新显示及延时程序放在主程序里完成。定时器2中断作为和上位机及编程器的串行通讯。定时器3中断中进行电压、电流采样和瞬时脱扣处理，基于同样的原因，采样的数据处理应该放在主程序里完成。
5软硬件的抗干扰措施
单片机应用系统的输入信号常含有噪声和干扰，干扰主要有传导型和辐射型两大类：前者一般表现为干扰电流和电压，后者表现为干扰电场和磁场，最终都形成为波形、幅度异常复杂的干扰电压，叠加在地线、系统的信号线和微处理机的数据线、地址线、控制线上。
5.1硬件的抗干扰
干扰源产生的电磁干扰不仅干扰本机的工作，而且干扰周围的用电设备，如果干扰严重，将使控制器发生故障，具体表现为系统死机，电流、时间等值显示不准确，以及非正常脱扣，尤其是发生瞬时脱扣，造成错误的分断动作。为了提高测量和控制精度，必须消除信号中的噪声和干扰。由于晶振也是一个高频干扰源，选择晶振时，在满足系统性能的前提下，尽量降低系统频率。在芯片的选择上，考虑尽可能采用较小的芯片封装，优先采用抗干扰性能较好的串口通讯的外围元件，同时减少外围元件，使电路板布线简单，布局合理，以提高稳定性；在采样电路和电源部分的设计中，采用了多级跟随器和高频滤波电路，力图提高系统抗干扰能力。
5.2软件的抗干扰
控制器测量的是工频信号，但在实际线路中由于负载、干扰等原因，其多叠加有高频信号和非周期分量信号。为真实、有效地反映被测量信号的本质，采用FFT算法从测量数据中计算出线路信号的基波参数和各高次谐波。采用基于信号完整性分析的软件方法，每路信号在20ms时间窗内被采样后，如果未受干扰，应能恢复为一个完整的正弦波。用过零监测法、对称检查法、周期性检查法及单调性检查可以判别已采集信号与完整正弦模板间的差距。基于软件滤波的方法：①对采集到的每路信号进行一般的去除最大值、最小值和求平均值的软件滤波；②用限幅滤波法抗干扰。用近似值替换那些采集到的阶跃很大的脉冲干扰值。设线路信号V(t)=Vmsinωt，采样间隔ΔT=T/N
在K-1采样时刻VK-1=VmsinωtK-1=Vmsin2π(K-1)/N
在K采样时刻VK=VmsinωtK=Vmsin 2πK/N
所以两次采样的差值ΔV=VK-VK-1=Vmsin 2πK/N-Vmsin 2π(K-1)/N
可以求出ΔVmax=Vm·2·sin（π/N），即正弦信号相邻两点间增量的最大值ΔVmax与Vm成正比，与采样点数N有关。因此，对每路信号的采样点逐点进行比较运算，保留那些相邻数据差值小于增量最大值的采样值，否则用上一次值替代。对那些由大脉冲性随机干扰而引起采样值大幅度跳跃而使电流值不准的情况，有很好的抗干扰效果。
6结语
笔者改进的智能脱扣器，在保留传统设备优点的基础上，在保护多样性、动作准确性和快速性、内置通讯、测量监控等方面突出了优势，且使用方便，因而具有良好的发展前景。
