摘要: 隨著現代電氣智能化的發展，智能電器已經廣泛應用于電力系統的分配控制方面，在監測電網的運行狀態時，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據采集系統的硬件電路進行了設計，實現了電網信號的采集、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，完成整體智能數據采集系統的設計。
0 引言
在電能的產生、輸送、使用過程中，配電是一個極其重要的環節。低壓斷路器就是在低壓配電系統中用來處理由于電網波動導致線路出現嚴重的過載、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，起到保護配電網絡、電氣設備的作用。脫扣器是斷路器的核心部件，可以在電網發生故障情況時分斷電流。
從上世紀50 年代開始生產仿蘇斷路器，至今已發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脫扣器所有保護功能，而且還能夠顯示、設定和修改被控電路中參數并擴充了測量、控制、報警、數據記憶及傳輸、上下微機的通信等功能，其性能大大優于傳統的常規斷路器產品。智能脫扣器要在電網發生故障的情況下快速分斷整體電路，又要對電網信號的采集要準確、快速、無誤，這樣，智能脫扣器的核心———微控制單元才能準確分析采集到的信號，正確判斷電網是否故障。本文所介紹智能脫扣器電網信號的采集系統的硬件主要分為3 個部分:① 信號調理單元，包括電流采樣、電壓采樣、剩余電流采樣;②鎖相環頻率跟蹤;③ 多路轉換開關。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，才能準確地了解當前的電網情況，保護電網和用電電器安全。
1 整體設計方案
智能脫扣器數據采集系統結構框圖如圖1 所示。電網信號經過信號調理單元的電流、電壓、剩余電流采集電路，送入多路轉換開關，同時應用鎖相環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。
智能脫扣器數據采集系統硬件整體結構框圖
圖1 智能脫扣器數據采集系統硬件整體結構框圖。
2 信號調理單元
信號調理單元包括電流采樣、電壓采樣以及剩余電流采樣。信號調理單元將7 路輸出信號:I1、I2、I3、U1、U2、U1、L 送入多路轉換開關，以備后續循環采樣。
2. 1 空心電流互感器
隨著電力傳輸容量的不斷增長，電網電壓等級的不斷提高，保護要求更加嚴格，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、動態范圍小、使用頻帶窄等。本設計使用了空心電流互感器，空心式電流互感器克服了傳統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輸出不是一個電流量而是一個電壓量，省去在二次側接大功率采樣電阻和二次側不能開路的限制。采用空心電流互感器輸出的小電壓信號就可以直接應用到后續電路。
空心電流互感器由Rogowski 空心線圈構成，是一種密繞于非磁性骨架上的空心螺線管。空心電流互感器結構如圖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關系如式(1)所示:
空心電流互感器結構圖
圖2 空心電流互感器結構圖。
式中N———線圈總匝數
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系，積分器是模擬電路的關鍵部分。因此，在空心互感器后面加入了積分環節，使輸出電壓與輸入電流保持線性關系。Ux即為經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
經過空心電流互感器，將被測信號轉化成所需的小電壓信號，且頻率相位均未改變，準確度高，適合應用于智能斷路器大電流采樣中。按照生產空心電流互感器的廠家以及有關互感器資料文獻［1］中的數據，表1 中列出了本設計系統所設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和經積分電路后電壓輸出Ux關系可看出，兩者呈線性關系。
表1 電流值及經電流互感器輸出電壓值。
電流值及經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，需要經過調理電路才能輸入微控制器的A/D( 模數轉換)單元。調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的輸出電壓經運放LM 224 U1A、U1B 構成的放大電路進行放大，產生2. 5 V 左右的交流電壓。C3、R7、C4、R6實現了低通、高通濾波，其截止頻率為1 /2πRC。
經過計算，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 放大器為前面產生的交流電壓提供一個基準的直流電壓，交流電壓與直流電壓疊加，使電壓得到提升。最終，V0輸出經調理后的單極性電壓，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。經測量，在空心互感器采樣不同電流值時，經電流采樣電路輸出電壓數值如表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備的安全和降低電力設備的使用壽命，電壓過低則不利于電網的安全穩定運行。根據國家標準的規定，過電壓或欠電壓指電壓幅值超過或小于了標稱電壓，且持續時間大于60 s，數值在1. 1 ～ 1. 2 p. u. 或0. 8 ～ 0. 9 p. u. 。應用智能斷路器對電網電壓信號分析判斷，在電網出現過電壓、欠電壓時及時分斷系統連接，保護電網及用電器。交流電壓采樣電路如圖5 所示。運放LM 224 U1A、U1B 實現二階濾波，U1C 作為電壓跟隨器，實現了隔離，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電流經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，將電流轉化為電壓信號。
R2、C2構成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 實際應用中的剩余電流采樣電路的示波圖形。
3 多路轉換開關
設計中，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，應用多路轉換開關，使得多路輸入模擬量經過多路轉換開關的切換，共用1 個A/D口。多路轉換開關電路如圖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。
多路轉換開關電路
圖8 多路轉換開關電路
4 鎖相環部分
電力系統的信號頻率在50 Hz 附近波動，若采用定時采樣，使得采樣頻率保持恒定，電網頻率一旦發生波動，就不能保證采樣數據的準確有效。
而動態采樣可以實時跟蹤電網頻率，根據頻率變化自行調整采樣頻率，尋找到精確的相位，確定采樣點。本設計利用鎖相環，實現動態采樣、跟蹤電網頻率。倍頻電路倍頻電網頻率后，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，嚴格保證了采樣數據的正確。
CD 4046 是通用的CMOS 鎖相環集成電路，其電源電壓范圍寬，輸入阻抗高，動態功耗小，屬于微功耗器件。因此，本設計應用CD 4046 構成鎖相倍頻電路。CD 4046 輸入端需方波信號，利用鎖相環前期整形電路，將交流信號轉變為方波型號;然后利用低通濾波器所構成的完整鎖相環電路完成頻率跟蹤。74LS 393 雙四位異步清零的二進制計數器構成分頻器，將其級聯實現64 倍頻。另外，鎖相環電路外接發光二極管，通過發光二極管可以很方便的看出環路入鎖失鎖狀態。鎖相環芯片工作原理圖如圖9 所示，鎖相環鎖相倍頻電路如圖10 所示。圖11( a)、圖11( b)、圖11(c)分別為實際降壓后電網信號，輸入鎖相環信號，鎖相環鎖相倍頻后信號在示波器顯示圖像。
鎖相環芯片工作原理圖
圖9 鎖相環芯片工作原理圖。
實際降壓后電網、輸入鎖相環、鎖相環鎖相倍頻后信號的示波圖形
圖11 實際降壓后電網、輸入鎖相環、鎖相環鎖相倍頻后信號的示波圖形。
5 結語
本設計完成了電網信號采集，將電流采樣環節的3 路信號、電壓采樣環節3 路信號以及剩余電流采樣環節信號送入多路轉換開關，利用多路裝換開關對采樣信號選通，最后送入微控制器LPC 2294;同時，應用鎖相集成芯片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生中斷，以此來實現對信號實時采樣。基于ARM 智能斷路器數據采集系統具有高速度、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。