摘要
国家电网在2019年提出“泛在电力物联网”的概念和构建“三型两网，世界一流”的能源互联网的目标，标志着电力设备的物联网时代即将到来，其中断路器作为配电领域中不可或缺的一环，在保障电力系统正常运行的过程中发挥了重要作用。然而随着工业发展的日新月异，传统断路器无论是从功能多元化还是性能可靠性的角度来看，均已逐渐无法适应日益复杂的用电环境。断路器控制系统作为断路器的核心部分，也是制约断路器发展的重要因素。一直以来，我国芯片高度依赖进口，而芯片作为电子产品的心脏，如若不能实现完全自主可控，必将处处受制于人，芯片国产化替代的重要性不言而喻。 因此，本文基于国产MCU和FreeRTOS实时操作系统设计了一款将断路器的保护功能和电能表的计量功能集成于一体的物联网型断路器控制系统。根据国家标准GB/T22710-2008和国家电网对物联网型断路器的要求为基础来确定系统的功能需求和相关技术指标，并以此进行系统的硬件设计、软件设计和性能测试。 硬件设计上，提出了 “大小核协同”的硬件设计架构:以HC32F460KCTA作为“大核”负责主要的逻辑运算，HC32F002C4PB作为“小核”来辅助采集传感器数据。在电流采样方面提出了 “双通道协同采样”的方案来兼顾系统对测量精度和量程的要求。以有线通信和无线通信组合的通信方式来应对复杂多变的应用环境。采用自生电源和相电压供电相结合的冗余供电方式提高系统运行的稳定性,并配合所设计的外围电路实现线路保护、计量、通信与控制的功能。 软件设计上，移植了嵌入式实时操作系统FreeRTOS,将系统的各个功能划分为不同的子任务模块，并根据其重要程度来确定不同的优先级，在确保重要的功能优先执行的同时，还降低了模块之间的耦合性，便于业务迁移和功能优化。通信协议采用国网标准的DL/T 645-2007协议，并在此基础上设计了上位机软件平台，在对系统的运行状态进行全方位监控的同时，亦可进行远程更新固件程序。 最后，利用专业的实验平台对所设计的样机进行硬件模块测试、计量精度测试、保护功能测试、上位机软件测试和远程更新测试。实验结果表明，该物联网型断路器控制系统的功能与指标均能满足预期设计目标，为国产芯片在断路器领域的应用提供了开发经验。
NETL