智能型剩余电流动作保护装置的设计 .pdf

总第 4 9卷第 5 6 1期 2 0 1 2年第 9期 电测与仪表 El e c t r ic a l M e a s u r e m e nt& I n s t r u m e n t a t io n Vo 1 4 9 No5 6 1 S e p 2 01 2 智能型剩余 电流动作保护装置的设计 吴乾龙 ， 钱金华 ， 徐光年 ， 蒋海忠 ( 1 嘉兴市永信 电子有限公 司， 浙江 嘉兴 3 1 4 2 0 1 ； 2 海盐县供电局 ， 浙江 嘉兴 3 1 4 3 0 0 ) 摘要： 2 2 0 V 低压配电网终端用户的用电安全与信息化管理是一个值得关注的课题。 本文介绍了一种采用R I S C 基 微控制器技术及 电能计量技术 的智能型剩余电流动作保护装置 的设计方案 ， 集漏 电检测 、 漏 电模拟试验 、 电流 电压检测 、 功率检测 、 电能计量 、 跳合 闸控制 、 数据通信 、 信 息存储 、 声光报警 、 手动合 闸、 手动跳闸等功能于一 身 ， 实现 了对终端用户用电安全状态的在线式监测与管理 ， 可实施传统产品的更新换代。该设计对于提高2 2 0 V 低压配电网终端用户的用电安全和用电的信息化水平， 同时降低用电管理部门的用电维修成本 ， 具有一定的实 际意义 。 关键词： 剩余电流； 漏电保护； 用电安全； 信息采集； R I S C 基微控制器； 电能计量 中图分类号 ： T M9 3 3 ； T M7 7 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 7 5 0 6 De s ig n o f I n t e l l ig e n t Re s idu a l Cur r e n t Ope r a t e d Pr o t e c t iv e De v ic e WU Q ia n l o n g Q I A N J in h u a X U G u a n g - n ia n 2 , J I A N G H a i z h o n g ( 1 J ia x i n g C it y Y o n g x i n E l e c t r o n C o ， J ia x in g 3 1 4 2 0 1 ， Z h e j ia n g ， C h in a 2 Ha iy a n p o w e r s u p p l y b u r e a u ， J ia x in g 3 1 4 3 0 0 ， Z h e j ia n g ， C h in a ) Abs t r ac t ： 2 2 0V l o w v o l t a g e p o we r d is t r ib ut io n n e t wo r k t e r min a l u s e r s a f e t y a n d in f o r ma t io n ma n a g e me n t is a t a s k t ha t d e s e r v e s a t t e nt io nTh e p a p e r in t r o du c e s a k in d o f RI S Cb a s e d mic r o c o nt r o l l e r t e c h n o l o g y a n d e l e c t r ic e n e r gy me t e r in g t e c h n o l o g y f o r in t e l l ig e nt r e s id ua l c u r r e n t o p e r a t e d p r o t e c t iv e d e v ic e d e s i g n s c he me ，a l e a k a g e d e t e c t io n， l e a k a g e s imu l a t io n t e s t ， a c u r r e n t a n d v o l t a g e t e s t in g ， p o we r ，e l e c t r ic e ne r gy Me t e r ing ， t r i pp in g c o n t r o l ， d a t a c o mmu nic a t io n，in f o r ma t io n s t o r a g e ，s o u n d a n d l i g h t a l a r m，ma n u a l s wit c h in g ，ma nu a l t r i p pin g in a f un c t io n ，t h e u s e r t e r min a l e l e c t r i c a l s a f e t y s t a t e o f t h e o n l in e mo n i t o r in g a n d ma n a g e me n t ， c a n c a r r y o u t t h e u p g r a d i n g o f t r a d it io n a l p r o d uc t s To impr o v e t h e 2 2 0V l o w v o l t a g e po we r d is t r ibu t io n n e t wo r k t e r min a l us e r S s a f e u s e o f e l e c t r ic it y a n d e l e c t r ic a l i n f o r ma t io n l e v e l ， wh il e r e d u c i n g t h e e l e c t r ic p o w e r ma n a g e me n t d e p a r t me n t o f e l e c t r ic a l r e p a ir c o s t ， wh ic h h a s c e r t a i n pr a c t ic a l s ig n ifi c a n c e Ke y wo r ds： r e s id u a l c u r r e n t ， l e a k a g e pr o t e c t io n ， e l e c t r ic a l s a f e t y ， in f o r ma t io n a c q ui s it io n ， RI S C ba s e d mic r o c o n t r o l l e r , e l e c t r ic e n e r g y Me t e r in g 0引 言 在低压配电系统中， 装设剩余 电流动作保护装置 是防止 电击事故 的有效措施之一 ， 也是防止电气线路 或 电气设备接地故障引起 电气火灾和电气设备损坏 事故的技术措施l1 l。传统电磁型剩余电流动作保护装 置一般 只有漏 电保 护 、 断开电路 的功能 ， 不带 自动重 合闸， 也没有通信功能， 因此不管是对于用电用户还 是用 电管理部门来说 ， 维护和管理都是一个麻烦的事 情 。 用户在剩余 电流动作保护装置跳闸后需要手动合 闸， 此时并不知晓漏电故障是否还存在， 因此有安全 隐患 ；用电管理部门无法知晓用户的实际用 电状况 ， 一 旦出现用电故障或者安全情况， 需要人工服务才能 完成故障定位和排除险情 。 为配合 国家智能电网建设 ， 有效使用现有用 电信 息采集系统 的信息传输资源 ， 使得用电管理部门能及 时掌握终端用户的用 电情况并确保安全用电， 同时保 障用户在用电时的人身与财产安全， 并降低用电管理 部门的用电维修成本， 提高用电的信息化水平， 研制 了该智能型剩余电流动作保护装置。 本文对智能型剩余电流动作保护装置的工作原 理 、 硬件设计 、 软件设计做 了阐述 ， 对实验结果和现场 试运行情况进行 了统计和分析 。运行的实践证明 ， 该 一 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 6 1期 2 0 1 2年第 9期 电测与仪表 Ele c t r ic a l M e a s u r e me n t& I ns t r u me n t a t io n Vo 1 4 9 NO 5 6 1 Se p 2 0 1 2 装置可以明显提高低压配电网用户的用电安全水平 ， 避免漏电事故带来的损失与危害， 用 电管理部 门在供 电维护 、 信息管理方面也有效地降低了成本 。 1 工作原 理 本智能型剩余 电流动作保护装置 ，应用于2 2 0 V 的单相配电网系统， 其主要功能是对有致命危险的人 身触 电提供 间接接触保护或者是在其他电气设备和 线路出现漏电事故时切断电源 ， 从而降低漏电事故带 来的 危害。 除此之外， 本装置可以通过对电量信号的 实时采集 ， 利用数据通信 向上层主机反馈线路负载的 用电信息及安全情况， 达到智能管理的目的。 剩余电流是通过剩余电流动作保护装置主回路 的电流 ， 即三相剩余 电流有效值的矢量和。在单相线 路中， 单相剩余电流由配电线路流向周围物体的剩余 电流、 用电设备的带电部分对外壳的剩余电流、 相线 和中性线间的泄漏剩余 电流三个部分组成网 。 根据 国家对剩余电流动作保护装置的安装和运行规程， 电 路中带电导线对地故障所产生的剩余电流超过规定 值时 ， 能够 自动切断电源或报警。本装置采用R I S C 基 微控制器技术和电能计量技术 ， 以微控制器为处理控 制核心 ， 通过信号采集与计量回路 ， 实现对剩余 电流 、 线路电压、 线路负载电流以及其他相关电量的实时采 集 ， 并作出分析和判断 ， 监控线路的运行情况 ， 当剩余 电流超过限定值( 一般小于等于0 0 3 A ) ， 立即跳闸和 报警， 同时上传漏电报警信息。 电量采集的模拟前端信号对装置的可靠性非常 重要 ，直接关系装置的动作准确度和抗干扰能力 ， 通 过电流互感器来获得剩余电流信号和线路负载电流 信号是很好 的选择 ， 可以确保前端模拟信号的精度和 稳定 。在跳 闸回路使用磁保持继电器， 可避免持续励 磁 电流对电源的要求 ， 又可以保证可靠动作 。装置在 继电器开关状态反馈回路和通信回路采用光电耦合 器， 对外部干扰噪声进行隔离。在P C B 设计处理方面 ， U I I B 1 6 A I 充分考虑不 同电路的布局与布线处理 ， 采用适当的接 地技巧， 抑制噪声的干扰， 保证 电路的抗干扰性能 3 _ 。 2 硬件设计 本剩余电流动作保护装置的硬件主要 由R I S C 基 微控制器 、 信号采集与计量部分 、 开入开出控制 回路 、 通信回路和电源五个部分组成，硬件结构框图如图1 所示 出 【 j 端 图1 硬 件框 图 F ig 1 Ha r d wa r e b lo c k d ia g r a m 2 1 R I S C 基微控 制 器 本装置 中的R I S C 基微控制器 ，是基于增强型的 A V R R I S C 结构的低功耗8 位C MO S 微控制器 。数据吞 吐率高达 1 M I P S MH z ，精简指令集 以及单 时钟周期 指令执行时间使其具有高性能、 低功耗的特点， 缓减 了系统在功耗和处理速度之问的矛盾 。 如图2 所示 ， R I S C 基微控制器带有片上程序和数 据存储器 ， 并有丰富的对外接 口。通过S P I 接 口( 包括 D I O、 D O U T、 S C L K、 C S 四个信号 )与信号采集与计量 回路相连 ； 通过U A R T 接 口( 包括R X D 和T X D信号 ) 与 通信 回路互连 ； 通过G P I O 接 口( 包括R C T L 1 、 R C T L 2 、 F B HZ、 F E EDB AC K、 F B_T E S T 五个信号 ) 与开入开 出 控制回路互连。该微控制器的外围电路非常简单 ， 只 RCI L 2 1 3 P B 0 KP I ffA DC D PI IO C 1A PC 1AD L1 罄 T T C S l 4 H 侣 瑚 I ,A E X22 P R b q V K t C C 2 W 3 C A D C 3 =募 V 31 T l l一 一 1 广 H M p 3 | D 黜 r 上 -7 l PBSS(X I 5ADZ5S(L p m E 一 M S L T 一 ( IKO P B S C X F A L I P I E I A D C 6 器 I ：B T X T A L 2 r i E K2 ) 兰 _ H ， m H 0 I r e , T ES T 1 0 P l A l i m a 吼 _ L P D T A I a 一 7 6一 图2 R I S C 基微控制器电路 图 Fig 2 Cir c u it o f RI SC- ba s e d mic r o c o n t r o lle r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 6 1期 2 0 1 2年第 9期 电测与仪表 El e c t r ic al n e a s ur e me n t& I ns t r ume n t at io n Vo 1 4 9 NO 5 6 1 S e p 2 0 1 2 需外部晶振 、电源去耦和旁路电容 以及调试接 口， 可 以在满足对外互联的同时提高 了硬件的可靠性。 2 2 信号采集与计量部分 信号采集与计量部分包括单相多功能 电能计量 芯片及其外 围电路 、 负载电压采样 回路 、 负载电流采 样回路和剩余 电流采样 回路。 单相多功能电能计量芯 片内部集成了三路高精度S ig ma D e l t a A D C，能够测 量电流 电压有效值 、 有 无功功率 、 有 无功能量 、 视在 功率 、 视在能量 、 功率 因数 、 线频率等参数 ； 并且具有 失压及过压监测 、 电流电压峰值 检测 、 过零检测等功 能l 5 _ 卅 。 如图3 所示 ，三路模拟前端信号采集回路分别采 集负载电压信号、 负载电流信号和剩余电流信号。负 载电压信号 ( A C 1 和A C 2 )取 自线性变压器的次级端 子 ， 负载电流信号取 自变比为1 0 0 0 ： 1 的负载 电流互感 器 ，剩余电流信号取 自变 比为3 0 0 ： 1 的剩余电流互感 器。 两款电流互感器的磁芯采用高导磁的坡莫合金材 料 ， 不管在大信号还是小信号时都可 以保证 良好 的线 性度 ，信号回路与负载 回路之间没有直接的电连接 ， 只有磁 的耦合 ， 这样可以避免负载回路强电对信号 回 路弱电的干扰 ， 提高装置 的可靠性 。 单 相多功能电能计量芯片与R I S C 基微控制器之 间通过S P I 总线通信 ，计量参数以及校表参数 的传递 是 以读写寄存器 的方式进行的。 微控制器对计量芯片 内部寄存器 的访 问 ， 获得负载线路 电流 、 电压 、 功率 、 能量等参数 ， 实现信息采集过程。 2 3开入 开 出控 制 回路 开入开 出回路主要实现对继电器 的开合控制 、 触 点位置判别 、 报警控制和漏电试验功能的实现 。本装 置采用磁保持继 电器 ， 由专门的驱动芯片来驱动继 电 器励磁线 圈， 微控制器对R C T L ! 和R C T L 2 信号的改变 可以控制跳闸与合闸， 该回路 同时支持手动操作。磁 保持继 电器 的优势在于仅仅依靠一定宽度的脉 冲信 号触发 ， 就可以切换开关状态 ， 而无须长时间保持励 磁 ， 提高了器件的可靠性 ， 延长 了工作寿命 。 如图4 所示 ， 开人开出控制 回路包括 ： 继 电器驱动 电路 、 继电器出 口反馈电路 、 漏电试验电路 、 报警 电路 四个部分组成 。 继 电器触点位置的判别是 由出口反馈 电路实现的 ， 其原理是 ： 当继 电器触点闭合时， 火线和 零线导通 ， 在出 口端子上会有2 2 0 V的电源电压 ， 反馈 电路的光耦输出方波信号， 微控制器检出F E E D B A C K 的波形后 ， 判断出继电器触点处于闭合状态； 反之 ， 当 继电器触点断开时 ，在 出口端子上没有2 2 0 V的电源 电压 ， 微控制器检测不 到波形信号 ， 判定继 电器触点 负载 电流采样 回路 u0耋 IAP SCLK IAN DOU1 S 23 BLRS T DI N I BP CS样 I BN m Q # ， vP 6 VP RS f VN CLKI N l 6 一 Vr e f CLKoUT AVDD CF DVDD AT O AT 1 A G N D A T 2 J - n厂 D G N D A T 3 图3 信号采集与计量电路 图 Cir c u it o f s ig n a l a c q u is it io n a n d me a s u r e me n t 图4开入 开 出控 制 电路 图 Fi g 4 Cir c u it o f s wit c h in g in p ut a n d o u t pu t c o n t r o l 处于断开状态 。 剩余 电流保护装置属于不频繁操作电器 ， 短路或 漏电故障不是经常发生的 ， 投入运行前 ， 应操作试验 按钮 ， 检验剩余 电流保护装置的_丁作特性 ， 确认能正 常动作后， 才允许投入正常运行l 7 l。因此， 漏电试验按 钮是剩余电流保护装置硬件设计中必须具备的功能。 一 方面 ，用户通过此按键钮可 以模拟实际的漏电故 障 ， 检测装置是否能正常工作 ； 另一方面 ， 用户在模拟 漏电故障不应产生误报报警信息。图4 中的漏电试验 一 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 6 1期 2 0 1 2年第 9期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 6 1 Se p 2 0 1 2 电路利用出口线路上的电源，按下漏 电试验按钮后 ， 限流电阻产生模拟的剩余电流， 此电流由导线串入剩 余电流互感器的磁芯， 并返回到反馈光耦回路。感应 出的电动势会被计量 回路检测到 ， 由此触发漏 电跳 闸 动作 ， 同时 ， 反馈光耦 回路 的输 出信号F B _ T E S T 被检 出后 ， 装置就认为是一次模拟的漏 电试验 ， 而非实际 的漏 电故障。 2 4通 信 回路 如 图5 所示 ， R S 4 8 5 通信 回路在硬件设计上采用 非同常规的做法 ， 即省略了普通R S 4 8 5 通信 回路中的 收发控制信号 ， 应用T X D 数据发送信号来控制数据收 发。由于通信速率要求不高， 在隔离光耦的型号选择 上使用普通低速光耦可以在满足通信速率要求的同 时降低硬件成本 ，数据通信试验表 明该 电路可以在 9 6 0 0 b p s 速率下可靠通信。 R 1 5 1 图5通信 电路 图 F i g 5 Co mmu n i c a t i o n c i r c u i t d i a g r a m 3 软件设计 剩余电流动作保护装置微控制器终端软件采用 C 语言开发 ， 符合A N S I C 语言标准 ， 软件开发工具为 C o d e V i s i o n A V R V e r s i o n 1 2 4 7 集 成 开 发 平 台 。 C o d e V i s i o n A V R是一个交互的c编译器 ，有完整 的 I D E 和自动生成初始化程序的功能， 并且支持A V R 系 列的微控制器8 1 。 在正常工作状态 ，终端软件主要实现 的功能包 括： 实时监控线路上的剩余电流( 漏电流) 情况 ， 一旦 剩余电流超过限定值立 即触发跳 闸动作 ，并启 动报 警 ； 记录线路的电量参数( 负载电流 、 线路电压 、 功率 等) ； 响应串口通信， 传输终端数据。 终端软件的主流程如图6 所示 ， 在主循环中， 实时 性不高的任务是通过查询方式来处理的，比如重合闸 动作的执行 ，装置在每次跳闸动作后会置重合闸标志 位， 查询到此标志位且计数到达后会触发重合闸动作， 这种触发是单次的。重合闸可以通过通信以写命令的 方式来关闭， 即闭锁重合闸动作。 串口通信数据包的处 理也是通过查询实施的，集中器与终端的通信以轮询 方式进行， 每隔一定的时间， 集中器发送读取数据的命 令， 终端响应命令， 上传数据。通信协议采用基于多功 能电能表通信协议中扩展数据项的定制协议 。 一 78一 图6 主 流程 图 Fi g 6 M a i n flo w c ha r t 串口接收数据在接收中断子程序中完成 ， 每次 中 断接收一个字节 的数据 ， 先存放于接收缓存 中， 当收 到一个完整 的数据包 ， - 且 - 心-J E - 位 ， 以便通讯拆包 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 6 1期 2 0 1 2年第 9期 电测与仪表 El e c t r ic a l M e a s ur e me n t& I n s t r ume n t a t io n Vo 1 4 9 No 5 6 1 Se p 2 0 1 2 解析处理 ， 串口接收中断子程序流程见图7 。 终端软件最 主要 的任务是实时监控线路上 的剩 余 电流情况 ， 由于计量芯片内部 电量有效值寄存器 的 刷新速度较慢 ，不能达到速断保护 的动作时间要求 ， 因此 ， 剩余 电流有效值必须通过实时计算获得 。 如图8 所示 ， 定时器 中断每次读取一次计量芯片波形寄存器 的数据后， 如果是一个完整的波形数据 ， 立即进行有 效值计算 。有效值也就是信号的均方根值 ( R o o t Me a n S q u a r e R MS ) 一个离散信号 的均方根计算公 式如下 ： 图7串I ：7 接收中断程序流程 图 Fig 7 S e r i a l p o r t r e c e iv e in t e r r up t flo w