章廣清 劉建鋒

（上海電力學(xué)院 電力與自動化工程學(xué)院，上海200090）

1 引言

我國農(nóng)村配網(wǎng)主要使用架空線路輸電。而這些架空線路往往是多分支線路，安全可靠性差，遇到刮風(fēng)下雨等惡劣的天氣，接地和短路故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全可靠供電。城網(wǎng)用戶密集，重要部門多，多采用架空電纜混合供電模式，要求有極高的供電可靠性。國網(wǎng)公司對配網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)一步加大，使主干網(wǎng)線的事故率得到明顯改善，線路故障率大幅度下降，則用戶界內(nèi)事故造成的線路故障凸顯出來，用戶故障在全部故障中的比例明顯增加[1,2]。因此采用融合最新技術(shù)的用戶分界開關(guān)一方面大幅減少由于用戶線路故障造成其它線路的連帶故障，同時大大縮短了故障線路的停電時間，對于提高配網(wǎng)供電可高性，以及提高配電網(wǎng)自動化發(fā)展水平都有重要意義。

2 低功耗運(yùn)行方式下的負(fù)荷分界開關(guān)結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)分界用戶開關(guān)都是通過 PT從高壓線上取得交流電源，經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)為直流電源。在相間發(fā)生短路，變電站端保護(hù)跳閘后，裝置為了在無壓狀態(tài)下記憶故障，需要配置一套蓄電池及采用與其相關(guān)的保護(hù)措施。其主要缺陷包括：一方面電源提起困難，中間環(huán)節(jié)多，電源維護(hù)工作量大，一旦電源供給出現(xiàn)故障，將給用戶支路的供電帶來極大的影響。另一方面，所配置的蓄電池長期處于充電而不放電狀態(tài)，影響蓄電池壽命。傳統(tǒng)的分界開關(guān)示意圖如圖1所示。

為了改進(jìn)上述缺點(diǎn)，使分界開關(guān)真正達(dá)到免維護(hù)，本論文設(shè)計出低功耗，由大容量電池供電的分界負(fù)荷開關(guān)，其示意圖如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)分界開關(guān)控制器

圖2 低功耗分界開關(guān)控制器

采用電池給整套裝置供電，省略了很多的環(huán)節(jié)，使得裝置供電可靠性大為提高，對用戶供電的狀況也大為改善。為了盡可能延長電池的壽命，就既需要選擇低功耗、性能好的各種元器件，同時在軟件設(shè)計上也需力求低功耗。

3 分界用戶開關(guān)低功耗運(yùn)行硬件設(shè)計

MSP430 系列為超低功耗應(yīng)用軟件，其工作模式狀態(tài)如圖3所示。運(yùn)行模式主要考慮到三個不同的需求：低功耗、速度和數(shù)據(jù)的吞吐量、單個外圍設(shè)備電流消耗的最小限度。

MSP430典型電流消耗如圖4所示[7]。在狀態(tài)寄存器中，用CPU Off 、OSC Off 、SCG0 和SCG1位配置低功耗方式0～4。含以上方式控制位的優(yōu)點(diǎn)是在中斷服務(wù)程序中，當(dāng)前工作狀態(tài)可以保存在堆棧之上。如果在中斷服務(wù)程序期間SR 值未改變,那么程序溢出返回到先前工作狀態(tài)。利用在中斷服務(wù)程序內(nèi)堆棧SR值,程序溢出能返回到不同的工作狀態(tài)。模式控制位和堆棧能被任何指令訪問。當(dāng)設(shè)置任一種模式的控制位時，被選擇的工作狀態(tài)立刻響應(yīng)。如果時鐘未被激活，任何禁用時鐘操作的外圍設(shè)備都禁用，而且外圍設(shè)備也可通過設(shè)置自身控制寄存器禁用。所有的I/ O 端口引腳和RAM/ 寄存器不被改變,所有的中斷都可實現(xiàn)喚醒功能[3,4]。

圖3 MSP430工作模式狀態(tài)

4 值守電路設(shè)計

單片機(jī)低功耗系統(tǒng)中，在無謂等待時間里都要使系統(tǒng)進(jìn)入低功耗運(yùn)行狀態(tài)或關(guān)機(jī)狀態(tài)，只保留一個微功耗的值守電路處于運(yùn)行監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生過流時，微功耗值守電路發(fā)出脈沖信號觸發(fā)喚醒CPU、使單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入正常功耗的有效運(yùn)行，在本次觸發(fā)任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)將重新進(jìn)入低功耗運(yùn)行狀態(tài)。

按以上思路，本裝置設(shè)計的低功耗電路如圖5所示。

圖5 低功耗電路

5 控制器軟件設(shè)計

低功耗用戶分界開關(guān)主要功能即：用戶側(cè)正常運(yùn)行，系統(tǒng)在低功耗LPM0模式下運(yùn)行。

1）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，裝置經(jīng)判斷后為界內(nèi)故障，立刻發(fā)跳閘信號，切除故障，保障其他分支用戶安全供電；2)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相間故障，裝置記憶故障，經(jīng)變電站側(cè)掉閘后，分界開關(guān)在無壓無流的條件下自動分閘，隔離故障線路，線路重合成功后其他用戶支線恢復(fù)正常供電[5,6]；3）當(dāng)出現(xiàn)過流，但經(jīng)計算判斷后不符合跳閘條件，則裝置發(fā)越限告警信號后進(jìn)入低功耗LPM0工作運(yùn)行方式。此功能模塊程序如圖6所示。

低功耗分界負(fù)荷開關(guān)除過流喚醒CPU外，在人機(jī)界面需要設(shè)置定值或者顯示某測量的電流電壓值，以及定時自檢也采用中斷觸發(fā)。當(dāng)定值設(shè)置完成或自檢結(jié)束，經(jīng)延時后系統(tǒng)重新進(jìn)入低功耗狀態(tài)。此功能流程框圖如圖7所示。

6 分界負(fù)荷開關(guān)低功耗效果分析

本文以標(biāo)稱電壓3.3 V，容量S為10 Ah的鋰電池作為設(shè)計單位，如果用此容量電池給裝置供電，設(shè)定10年免維護(hù)，即：

裝置平均消耗電流：

即使用容量為10 Ah的電池給裝置供電，如果希望10年以上電池免更換，則裝置消耗的平均電流約為114.2 μA。

圖6 系統(tǒng)功能流程框圖

表1對幾款常見CPU 的功耗作簡單比較。通過表1比較亦可知MSP430單片機(jī)是實現(xiàn)低功耗裝置較理想的機(jī)型。運(yùn)用電子元器件的標(biāo)稱電流，可計算出裝置低功耗值守電流消耗電流約為：

即當(dāng)整個裝置運(yùn)行在活動狀態(tài)（CPU），消耗的工作電流約為：

在低功耗模式下運(yùn)行消耗的工作電流：

因此設(shè)計的值守電路對于低功耗的重要意義在于：當(dāng)用戶側(cè)正常運(yùn)行時，系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，此時整個系統(tǒng)所消耗的電流僅為80 μA，當(dāng)需要調(diào)試裝置或者發(fā)生故障跳閘時，包括跳閘繼電器消耗約5 mA電流在內(nèi)，消耗的電流亦僅為5.3 mA。設(shè)用戶側(cè)每天發(fā)生兩次故障，裝置每次處理故障的時間約5 min，則裝置每天消耗的平均電流Iav約為：

即裝置每天平均消耗電流為116 μA，如前所述，如采用標(biāo)稱電壓3.3 V，容量為10 Ah的鋰電池作為電源，則此裝置在正常運(yùn)行的狀況下，幾乎可以工作十年免維護(hù)。

表1 幾款CPU某些功能特點(diǎn)比較

7 結(jié)束語

根據(jù)國內(nèi)外負(fù)荷開關(guān)的研究最新成果，結(jié)合繼電保護(hù)原理，設(shè)計了低功耗、免維護(hù)用戶分界負(fù)荷開關(guān)。結(jié)果證明使用高性能、大容量一次使用的鋰電池供電，通過相適應(yīng)的系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計，高性能、低功耗的元器件選擇，配套一些相應(yīng)的附件，就能減少裝置的整體功耗，從而使一次性鋰電池供電十年免維護(hù)。

圖7 鍵盤中斷功能

[1]David G. Hart,David Uy,Damir Novcsel.Automated solution for Distribution feeders[J].IEEE Computer Applications in Power, 2000, 11：25-30.

[2]趙勝軍. 分界負(fù)荷開關(guān)在10KV線路上的應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化, 2007,2：11-13.

[3]陳萌萌, 邵貝貝. 單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計策略[J]. 單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用, 2006, 3：5-7.

[4]沈建華, 楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2004：36-100.

[5]歐陽森. 基于MSP430單片機(jī)的過電流繼電保護(hù)單元設(shè)計[J]. 低壓電器, 2005, 1： 30～33.

[6]張宏艷, 張承學(xué), 熊睿. 國內(nèi)外幾種先進(jìn)的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線方法分析與比較[J]. 電力建設(shè), 2005, 26（11）： 41-44.

[7]董文軍, 汪仁煌. 基于 MSP430的極低功耗系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2003, 6：18-20.