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摘要：本文以 atmega128 单片机为核心控制芯片，利用 ZHD1X 模块进行 GPRS 无线通讯，完成了基于永磁操动机构的 12KV 真空智能断路器的硬件设计，通过仿真波形和试验输出结果表明，该控制器运行可靠性高，响应速度快，保护功能完善，有较好的电磁兼容性。除实现基本的保护功能之外，还可以对配电系统的现场参数进行监测，实现了实时监控和保护功能，完全能够满足现代低压配电系统的自动化的要求。
关键词：atmega128;GPRS;智能型;永磁真空断路器
以 atmega128 单片机为核心控制芯片，利用 GPRS 无线通讯模块 ZHD1X，集测量、保护、监控、通信等功能为一体的基于双线圈单稳态永磁机构，12KV 智能型真空断路器控制器。不仅实现对配电系统的现场参数进行监测，还具有监控和保护功能，具有成本低、功耗低、可靠性高、功能完善和抗干扰能力强等优点。
1 概述
12KV 断路器是重要的电力传输和控制设备，用于分合负荷电流、过载电流及短路电流，安全、可靠地切断故障电流，防止事故扩大危及到整个输配电系统。传统断路器的检测和保护功能多由电磁元件完成，其动作时间长，保护精度低，整定困难。随着社会的发展，科技的进步，人们对供配电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供配电系統自动化的需要。
2 系统总体结构设计
系统选取 ATMEL 公司生产的 atmega128 单片机作为核心控制芯片。总体结构包括：电源模块、模拟量采集模块、分合闸线圈位置检测模块、分合闸驱动模块、液晶及 LED 显示模块、通信模块。系统总体结构如图 1 所示。
3 系统硬件电路设计
3.1 电源模块
AC12KV 通过电压互感器变为 AC220V，再通过滤波整流得到DC300V，经过开关电源输出两路。DC24V 电压，分别给控制器电路板和电源管理模块供电（24V蓄电池作为备用电源），电容充电模块由电源管理模块供电，将输入的 DC24V 升压到 DC240V，最终实现电容充电功能。
3.2 模拟量采集模块
3.2.1 相电流检测
经过电流互感器得到的采样电流信号，由电流变送电路转换成电压信号。再通过精密整流电路将以零为基准的正负交流电压变为幅值为 0～5V 的交流电压信号，最后送入单片机处理。输出端接一个稳压二极管的作用是防止单片机因输出过电压而损坏。零序电流检测电路选用的是 LJWZ-5 型高精度零序电流互感器，当原方电流很小（0.2A～0.5A）时也能保证足够的准确度，其他部分与相电流检测电路基本相同。
3.2.2 AC 相线电压检测
系统电压经过 LCTV31CE 电压互感器降压，该电压互感器体积小精度高，电压隔离能力强，由于它是电流型电压互感器，二次侧不允许开路。与电流检测电路原理基本相同，电压检测电路经过电阻分压后得到的一次侧电压通过串联电阻得到电流信号。
3.2.3 电容欠压保护
为消除分、合闸操作时，电容放电产生的电流干扰，利用三端稳压基准芯片 TL431、光电耦合器 TLP521 等器件对电容电压进行隔离检测。利用电阻分压的形式采集电容电压，通过调整滑动电阻改变电容电压，当电容电压大于等于设定值（152V）时，TLP521 输出由高电平变为低电平，单片机通过采集这个信号实现对电容电压的隔离检测，如果电容电压未达到设定值，将禁止分、合闸操作。
3.3 分合闸线圈位置检测模块
为了提高位移量检测的精度和速度，本设计选用了差动变压器式高精度位移传感器 Linear Variable Differential Transformer 来测量永磁操动机构的位移。通过传感器把位移量转变成电压量，采用AD598 信号调节器对 LVDT 输出信号进行调理，从 16 脚对地输出的电压信号经电平转换后送入单片机做 A/D 转换处理。
3.4 分合闸驱动模块
分合闸驱动电路基本相同，下面以分闸线圈驱动电路为例。为了提高系统抗干扰能力，采用光耦 TLP250 作为 IGBT 的核心驱动芯片。单片机给 TLP250 导通信号，TLP250 输出高电平驱动 IGBT 导通，IGBT 导通使分闸线圈得电，断路器分闸。
3.5 液晶及 LED 显示模块
为了方便现场使用，控制器采用 LED 及 LCD12864 作为断路器工作状态指示，实时显示断路器的分、合状态及电力系统中电压、电流的故障原因，如短路、断相、欠压等故障状态，以便于工作人员准确了解故障的具体情况，并做出快速有效的处理。
3.6 通讯模块
GPRS 采用了 ZHD1X 终端设备，ZHD1X 内置工业级 GPRS/CD-MA 无线模块、32 位处理器和嵌入式操作系统，支持 UDP、TCP 协议。外置标准 RS232 接口。可以在各个领域进行安全可靠、点到多点、无缝联接的数据透明传输。ZHD1X 无线数据终端通过 RS232实现与上级监控中心的通讯，实现上传现场采集的数据，下传上级监控中心指令等功能。下位机即断路器主要完成线路中的过压、欠压、过载、短路、接地及断相等故障处理与保护功能。
4 结语
通过仿真波形和试验输出结果表明，该控制器运行可靠性高，响应速度快，保护功能完善，有较好的电磁兼容性，对配电系统的现场参数进行监测，实现了实时监控和保护功能，是能够满足现代低压配电系统的自动化的要求。
参考文献：
[1] 陈鹏，王拓宇，任世彬.基于 DSP 的智能低压断路器控制器设计[J].电工电气，2010（04）：8-11.
[2] 何孝发，戴瑜兴，王卫国.基于 DSP 和 Modbus 总线的智能断路器控制器设计[J].电子技术应用，2009（12）：39-41.
[3] 张光建，黄贤英，杨武.高压断路器控制器中无线通讯功能模块的设计与实现[J].微计算机信息，2006（4-2）：96-98
（作者单位：江西泰豪动漫职业学院）
关键词：atmega128;GPRS;智能型;永磁真空断路器
以 atmega128 单片机为核心控制芯片，利用 GPRS 无线通讯模块 ZHD1X，集测量、保护、监控、通信等功能为一体的基于双线圈单稳态永磁机构，12KV 智能型真空断路器控制器。不仅实现对配电系统的现场参数进行监测，还具有监控和保护功能，具有成本低、功耗低、可靠性高、功能完善和抗干扰能力强等优点。
1 概述
12KV 断路器是重要的电力传输和控制设备，用于分合负荷电流、过载电流及短路电流，安全、可靠地切断故障电流，防止事故扩大危及到整个输配电系统。传统断路器的检测和保护功能多由电磁元件完成，其动作时间长，保护精度低，整定困难。随着社会的发展，科技的进步，人们对供配电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供配电系統自动化的需要。
2 系统总体结构设计
系统选取 ATMEL 公司生产的 atmega128 单片机作为核心控制芯片。总体结构包括：电源模块、模拟量采集模块、分合闸线圈位置检测模块、分合闸驱动模块、液晶及 LED 显示模块、通信模块。系统总体结构如图 1 所示。
3 系统硬件电路设计
3.1 电源模块
AC12KV 通过电压互感器变为 AC220V，再通过滤波整流得到DC300V，经过开关电源输出两路。DC24V 电压，分别给控制器电路板和电源管理模块供电（24V蓄电池作为备用电源），电容充电模块由电源管理模块供电，将输入的 DC24V 升压到 DC240V，最终实现电容充电功能。
3.2 模拟量采集模块
3.2.1 相电流检测
经过电流互感器得到的采样电流信号，由电流变送电路转换成电压信号。再通过精密整流电路将以零为基准的正负交流电压变为幅值为 0～5V 的交流电压信号，最后送入单片机处理。输出端接一个稳压二极管的作用是防止单片机因输出过电压而损坏。零序电流检测电路选用的是 LJWZ-5 型高精度零序电流互感器，当原方电流很小（0.2A～0.5A）时也能保证足够的准确度，其他部分与相电流检测电路基本相同。
3.2.2 AC 相线电压检测
系统电压经过 LCTV31CE 电压互感器降压，该电压互感器体积小精度高，电压隔离能力强，由于它是电流型电压互感器，二次侧不允许开路。与电流检测电路原理基本相同，电压检测电路经过电阻分压后得到的一次侧电压通过串联电阻得到电流信号。
3.2.3 电容欠压保护
为消除分、合闸操作时，电容放电产生的电流干扰，利用三端稳压基准芯片 TL431、光电耦合器 TLP521 等器件对电容电压进行隔离检测。利用电阻分压的形式采集电容电压，通过调整滑动电阻改变电容电压，当电容电压大于等于设定值（152V）时，TLP521 输出由高电平变为低电平，单片机通过采集这个信号实现对电容电压的隔离检测，如果电容电压未达到设定值，将禁止分、合闸操作。
3.3 分合闸线圈位置检测模块
为了提高位移量检测的精度和速度，本设计选用了差动变压器式高精度位移传感器 Linear Variable Differential Transformer 来测量永磁操动机构的位移。通过传感器把位移量转变成电压量，采用AD598 信号调节器对 LVDT 输出信号进行调理，从 16 脚对地输出的电压信号经电平转换后送入单片机做 A/D 转换处理。
3.4 分合闸驱动模块
分合闸驱动电路基本相同，下面以分闸线圈驱动电路为例。为了提高系统抗干扰能力，采用光耦 TLP250 作为 IGBT 的核心驱动芯片。单片机给 TLP250 导通信号，TLP250 输出高电平驱动 IGBT 导通，IGBT 导通使分闸线圈得电，断路器分闸。
3.5 液晶及 LED 显示模块
为了方便现场使用，控制器采用 LED 及 LCD12864 作为断路器工作状态指示，实时显示断路器的分、合状态及电力系统中电压、电流的故障原因，如短路、断相、欠压等故障状态，以便于工作人员准确了解故障的具体情况，并做出快速有效的处理。
3.6 通讯模块
GPRS 采用了 ZHD1X 终端设备，ZHD1X 内置工业级 GPRS/CD-MA 无线模块、32 位处理器和嵌入式操作系统，支持 UDP、TCP 协议。外置标准 RS232 接口。可以在各个领域进行安全可靠、点到多点、无缝联接的数据透明传输。ZHD1X 无线数据终端通过 RS232实现与上级监控中心的通讯，实现上传现场采集的数据，下传上级监控中心指令等功能。下位机即断路器主要完成线路中的过压、欠压、过载、短路、接地及断相等故障处理与保护功能。
4 结语
通过仿真波形和试验输出结果表明，该控制器运行可靠性高，响应速度快，保护功能完善，有较好的电磁兼容性，对配电系统的现场参数进行监测，实现了实时监控和保护功能，是能够满足现代低压配电系统的自动化的要求。
参考文献：
[1] 陈鹏，王拓宇，任世彬.基于 DSP 的智能低压断路器控制器设计[J].电工电气，2010（04）：8-11.
[2] 何孝发，戴瑜兴，王卫国.基于 DSP 和 Modbus 总线的智能断路器控制器设计[J].电子技术应用，2009（12）：39-41.
[3] 张光建，黄贤英，杨武.高压断路器控制器中无线通讯功能模块的设计与实现[J].微计算机信息，2006（4-2）：96-98
（作者单位：江西泰豪动漫职业学院）