基于CAN总线的低压智能断路器的设计

引言

低压断路器作为供配电系统中的重要电器元件之一．其作用是保护电气配电网络和丁业设备免受短路、过载等故障的损坏。智能断路器除了具有传统断路器的功能外．还有智能化、模块化、可通信化的特点。通过断路器的通信功能互联成区域网．实现联网通信、集中监控。随着现场总线技术的发展及下业自动化领域应用的不断深入，现场控制系统已成为控制系统发展的方向。在多种现场总线标准中，综合性价比、抗干扰能力与控制器本体的衔接等因素．选择CAN(Controller alea network)总线来实现可通信功能。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、实时性和节点的易充等要求。

1 设计要求

(1)本文设计的智能断路器壳架额定电流为800A，有长延时、短延时和瞬动的三段保护功能．有额定电流、瞬动电流、报警电流、长，短延时时间可调功能。

(2)实验电流为1.05Ir(Ir为整定电流)时，2个小时之内不脱扣：实验电流为.2Ir时。1小时内脱扣动作。

(3)瞬时脱扣电流的整定允许误差：±10％；长延时和短延时动作时间允许误差：±15％。

(4)具有通信功能，可通过计算机网络精确地检测、计算电路的参数、监视断路器和电路的状态，并可把电路的状态传送到控制中心。进行数据通信和交换。

2 硬件系统的设计与实现

2．1总体方案设计

本文所设计的智能脱扣器由电流互感器、整流模块、信号调理模块、单片机基本系统模块、自生电源、开关量输入模块、通信模块等部分电路组成。其原理框图见图1。


图1系统框图

断路器工作时，电网参数被铁心电流互感器转换成可操作的模拟信号．经整流滤波及信号调理后送人单片机，单片机将输入的模拟信号采样与A/D转换变成数字信号并对其进行处理。同时通过拨码开关输入设定的参数(如：整定电流倍数，脱扣时间等)至单片机。自生电源通过单片机的控制将整流以后的信号转换成稳定的电源信号，为整个线路供电。通信模块主要完成与上位机的通信。指示灯包括正常工作、过载灯、预报警灯和通讯灯。

2．2信号调理单元

低压电网中电流变化范围很大．短路电流比正常负荷电流大很多。而接地电流却很小，且容易受到干扰。因此．为提高小电流输入时的采样精度。本文将整流以后的信号分两路输入到单片机系统。两路信号采用不同的放大倍数。信号较小时，单片机系统以较大放大倍数一路为准；信号较大时，单片机系统以较小放大倍数一路为准，然后在单片机内转换成相同的标准进行处理。

2．3电源设计

本文设计的断路器控制电路从电流百感器中取电，无需外接电源，原理电路见图2。通过单片机对电源模块进行检测，并输出PWM信号来调节场效应管的导通率，以获取稳定的电源。图中R2=5R3，利用R3上的采样电压控制7808的输入电压。当A/D 采样电压高于2V时场效应管的导通率变大，使得7808输入电压降低。当A/D采样电压低于1.7V时，场效应管的导通率变小，使得7808输入电压增大。因此7808的输入能够稳定在IOV-12V之间，给脱扣器供电，并且可以保证7808输出稳定的8V电压给信号调理电路供电，再通过精密并联稳压器TL431并配置外
部电阻R5=R6就可以输出稳定的5V电压给单片机供电。


图2电源模块电路

2．4微处理单元

智能控制器采用Motorola公司的M68HC908GP32单片机。片内集成了32K字节的Flash存储器与512字节的RAM，8路8位A/D转换口和8个键盘中断位等，并有watchdog监视器、通信接口和PWM输出等功能。本文设计的断路器外接6个拨码开关进行参数设定，要用到18个I/0口，而M68HC908GP32的I/O口多达33个，能够满足要求。此外。M68HC908GP32具有抗干扰能力强、外围电路简单、成本低、保密性好、易于小型化等特点。是MC68HC08家族中性价比较高的一员。

2．5通信单元

CAN总线是现场总线领域应用广泛的一种通信技术．用CAN代替以往的RS-485能从根本上改善监控系统的性能。本设计中CAN控制器和收发器选用philips公司生产的SJAl000和82C250芯片。单片机对SJAl000进行控制及接收发送数据均通过对SJAl000的内部寄存器的读写访问来实现的．操作如同访问外部RAM。SJAl000通过82C250连接到物理总线上．82C250提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，将SJAl000输出信号转换成差分形式向外发送，以增强信号的抗干扰能力。另外．在SJAl000和82C250之间接6N137光电隔离芯片以隔离两侧电信号，防止总线上的干扰侵入系统。

3 软件设计

软件设计主要分为两部分。主程序和中断程序，中断程序包括通信中断和定时器中断．定时器中断处理是软件设计的核心部分。下面给出了定时器中断程序的流程，见图3。

3．1信号采集与处理

单片机采用0．5ms定时中断对输入的电流信号进行采样．每个周期采20个点。经信号调理后，各相电流分大小两个通道进入单片机，通过设置标志位选择通道．当小通道采样值为FF时启用大通道重新采样。在每个周期信号的第一个采样点之后扫描拨码开关的输入，进行参数的设定。20个采样点后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。然后用一个周期电流的采样值Ii进行平方求和，近似得到电流的有效值。


3．2智能断路器的保护动作特性

(1)三段保护特性

智能断路器具有长延时、短延时、瞬时三段保护特性．如图所示。


图3定时器中断子程序流程图


图4电流的三段保护特性曲线

常规的三段选择保护脱扣器．短延时通常为定时限特性，这种定时限特性容易造成前一级断路器和厚级断路器的保护特性相交而影响断路器的选择性动作。即在某一短路电流下，前级断路器先于后级开关动作而分断了前级电路，破坏了选择性动作的要求。智能断路器的短延时特性分为两段。前一段是斜坡特性(I2t 特性)．后一段为定时限特件．断路器先是按I2t等于常数关系呈现反时限特性，电流达到I2t后变为定时限特性，这就满足了前后级断路器特性的匹配．实现选择性保护要求。

(2)脱扣能量的计算

通过拨码开关设置断路器的参数，每隔10ms(一个周期)扫描一次拨码开关的输入，并根据设定值计算脱扣能量。例如2倍电流、16s脱扣，脱扣能量就是：

其中电流In用有效值计算，100表示时间换算。

本文设计的断路器有热记忆功能，采用能量分段累加的方式，当电流未达到需要脱扣的启动电流(a*In)时，就释放热记忆的能量，热记忆能量的释放公式选用最简单的工程算式：

当电流大于脱扣启动电流，小于1.05倍整定电流时，累加的能量值每个周期增加一个很小的恒定值，这样就能保证1.05倍实验电流时2个小时不脱扣；当电流大于1.05倍整定电流时，将每个周期的能量都叠加在热记忆能量中。在能量累加后，和设定的脱扣能鼍相比较，当大于脱扣能量时，单片机输出高电平驱动脱扣线圈动作。

3．3 CAN节点通信软件设计

CAN的协议规范只是一低层的协议，实现的是物理层和数据链路层的功能，而CAN的能力必须由高层协议来体现。在该智能断路器中．由于sJAl000和82C250芯片硬件已经实现了低层的功能．所以软件设计也就是根据用户的实际需要编写应用层的程序。通信软件由三部分组成：初始化程序、发送程序和接收程序。由于CAN构成的系统为多主系统，系统中任一节点在任意时刻均可主动与其他节点通信。所以各节点的通信程序类似。由于初始化程序和发送子程序都比较简单．在此只写出接收子程序的流程图。如图5。


图5接收子程序流程图

4 总结

本文设计的基于CAN总线的智能断路器不仅可以精确、灵活地实现三段保护功能。还提供了友好的人机界面．可以实现故障报警、断路器在线监测等功能。通过CAN总线与上位机进行通信．适合于低压配、用电网的信息交换．可远距离控制断路器及快速进行故障诊断减少停电和停机时间：也可在系统中灵活的改变断路器的参数设置，使系统达到最佳的配合。

本文的创新点：(1)对每相电流进行两路不同倍数的放大后送至单片机采样，保证了大电流范围内的采样精度；(2)利用单片机产生PWM信号控制场效应管导通率。实现稳定的自生电源；(3)提出能量分段累加的方法，实现断路器的瞬动、短延时、长延时的三段保护功能；(4)通过CAN总线实现了联网通信功能。

作者：王善伟，戴瑜兴      来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第8-2期