基于MSP430的分界负荷开关低功耗控制系统设计

船电技术|应用研究 Vol.31 No.9 2011.9  26 基于 MSP430 的分界负荷开关 低功耗控制系统设计 章广清 刘建锋 （上海电力学院 电力与自动化工程学院，上海 200090） 摘 要：文章分析了低功耗运行方式下的负荷分界开关结构，设计了相适应的系统软、硬件。该系统将给 供电部门带来极大方便，具有广阔的应用前景。用户对供电的可靠性要求越来越高，促使供电部门不断采 用新技术、新方法，保障配电网的可靠供电。在主干网与用户分支处安装用户分界开关是提高供电可靠性 的良好解决。在现有的分界开关基础上，设计免维护、低功耗的分界负荷开关将给供电部门带来极大 方便，具有广阔的应用前景。 关键词：用户分界开关 MSP430 芯片 值守控制电路 中图分类号：TM564 文献标志码：A 文章编号：1003-4862(2011)09-0026-04 Design of the Low Power Loss Control System of Boundary Load Switch Based on MSP430 Microprocessor Zhang Guangqing, Liu Jianfeng (College of Power and Automation, Shanghai University of Electric Power Shanghai 200090, China) Abstract: This paper analyzes the structure of boundary switch in low-power load. It designs the adaptive software and hardware. The system facilitates the electricity sector, which has broad application prospects.  Key words：boundary load switch；MSP430 Microprocessor; duty control circuit 1 引言 我国农村配网主要使用架空线路输电。而 这些架空线路往往是多分支线路，安全可靠性差， 遇到刮风下雨等恶劣的天气，接地和短路故障频 发，严重影响了电网的安全可靠供电。城网用户 密集，重要部门多，多采用架空电缆混合供电模 式，要求有极高的供电可靠性。国网公司对配网 的建设进一步加大，使主干网线的事故率得到明 显改善，线路故障率大幅度下降，则用户界内事 故造成的线路故障凸显出来，用户故障在全部故 障中的比例明显增加[1,2]。因此采用融合最新技术 的用户分界开关一方面大幅减少由于用户线路故 障造成其它线路的连带故障，同时大大缩短了故 障线路的停电时间，对于提高配网供电可高性， 以及提高配电网自动化发展水平都有重要意义。 2 低功耗运行方式下的负荷分界开关结 构分析 传统分界用户开关都是通过 PT 从高压线 上取得交流电源，经电源转换模块转为直流电 源。在相间发生短路，变电站端保护跳闸后， 装置为了在无压状态下记忆故障，需要配置一 套蓄电池及采用与其相关的保护措施。其主要 缺陷包括：一方面电源提起困难，中间环节多， 电源维护工作量大，一旦电源供给出现故障， 将给用户支路的供电带来极大的影响。另一方 面，所配置的蓄电池长期处于充电而不放电状 态，影响蓄电池寿命。传统的分界开关示意图 如图 1 所示。                                                               收稿日期：2011‐03‐02  基金项目：上海市教委重点学科建设项目资助，项目编 号：J51303  作者简介：章广清（1973-），男，硕士，助教，研究方 向：电力系统运行、继电保护方向。 Vol.31 No.9 2011.9 船电技术|应用研究  27 为了改进上述缺点，使分界开关真正达到 免维护，本论文设计出低功耗，由大容量电池 供电的分界负荷开关，其示意图如图2所示。 分闸告警 I/O接 口 参数 设定 状态 显示 通信 接口 电流 采样 电流 转换 CPU AC-DC 电源输 入及保 护 电源 模块 充电保 护回路 蓄电池 模块 AC220V +5 -5 +12 -12 A相电流 B相电流 C相电流 零序电流 控制 输出 状态 量输 入 告警 指示 图 1 传统分界开关控制器 图 2 低功耗分界开关控制器 采用电池给整套装置供电，省略了很多的 环节，使得装置供电可靠性大为提高，对用户 供电的状况也大为改善。为了尽可能延长电池 的寿命，就既需要选择低功耗、性能好的各种 元器件，同时在软件设计上也需力求低功耗。 3 分界用户开关低功耗运行硬件设计 MSP430 系列为超低功耗应用软件，其工作 模式状态如图 3 所示。运行模式主要考虑到三个 不同的需求：低功耗、速度和数据的吞吐量、单 个外围设备电流消耗的最小限度。 MSP430典型电流消耗如图4所示[7]。在状态 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优 点是在中断服务程序中，当前工作状态可以保存 在堆栈之上。如果在中断服务程序期间SR 值未 改变,那么程序溢出返回到先前工作状态。利用在 中断服务程序内堆栈SR值,程序溢出能返回到不 同的工作状态。模式控制位和堆栈能被任何指令 访问。当设置任一种模式的控制位时，被选择的 工作状态立刻响应。如果时钟未被激活，任何禁 用时钟操作的外围设备都禁用，而且外围设备也 可通过设置自身控制寄存器禁用。所有的I/ O 端 口引脚和RAM/ 寄存器不被改变,所有的中断都 可实现唤醒功能[3,4]。 图 3 MSP430 工作模式状态 图 4 不同运行模式下电流消耗 4 值守电路设计 单片机低功耗系统中，在无谓等待时间里 都要使系统进入低功耗运行状态或关机状态， 只保留一个微功耗的值守电路处于运行监控 状态，当发生过流时，微功耗值守电路发出脉 冲信号触发唤醒 CPU、使单片机系统进入正常 功耗的有效运行，在本次触发任务结束，系统 船电技术|应用研究 Vol.31 No.9 2011.9  28 将重新进入低功耗运行状态。 按以上思路，本装置设计的低功耗电路如 图 5 所示。 A0   图 5 低功耗电路 5 控制器软件设计 低功耗用户分界开关主要功能即：用户侧 正常运行，系统在低功耗 LPM0 模式下运行。 1）当系统发生单相接地故障，装置经判 断后为界内故障，立刻发跳闸信号，切除故障， 保障其他分支用户安全供电；2)当系统发生相 间故障，装置记忆故障，经变电站侧掉闸后， 分界开关在无压无流的条件下自动分闸，隔离 故障线路，线路重合成功后其他用户支线恢复 正常供电 [5,6]；3）当出现过流，但经计算判断 后不符合跳闸条件，则装置发越限告警信号后 进入低功耗 LPM0 工作运行方式。此功能模块 程序如图 6 所示。 低功耗分界负荷开关除过流唤醒 CPU 外， 在人机界面需要设置定值或者显示某测量的 电流电压值，以及定时自检也采用中断触发。 当定值设置完成或自检结束，经延时后系统重 新进入低功耗状态。此功能框图如图 7 所 示。 6 分界负荷开关低功耗效果分析 本文以标称电压3.3 V，容量S为10 Ah的锂 电池作为设计单位，如果用此容量电池给装置 供电，设定10年免维护，即： 10年= 10*365*24=87600 h 装置平均消耗电流： I1 = 10/87600 ≈ 114.2 μA 即使用容量为10 Ah的电池给装置供电， 如果希望10年以上电池免更换，则装置消耗的 平均电流约为114.2 μA。   图 6 系统功能流程框图 表1对几款常见CPU 的功耗作简单比较。 通过表 1比较亦可知MSP430单片机是实现低 功耗装置较理想的机型。运用电子元器件的标 称电流，可计算出装置低功耗值守电流消耗电 流约为： Vol.31 No.9 2011.9 船电技术|应用研究  29 I2= 4*1+3.3/0.4 =12.25 μA 即当整个装置运行在活动状态（CPU），消耗 的工作电流约为： I3 = 280+12.25 ≈300 μA 在低功耗模式下运行消耗的工作电流： I4 = 55+12 ≈80 Μa 因此设计的值守电路对于低功耗的重要 意义在于：当用户侧正常运行时，系统处于低 功耗状态，此时整个系统所消耗的电流仅为80 μA，当需要调试装置或者发生故障跳闸时，包 括跳闸继电器消耗约5 mA电流在内，消耗的电 流亦仅为5.3 mA。设用户侧每天发生两次故 障，装置每次处理故障的时间约5 min，则装置 每天消耗的平均电流Iav约为： 310 5.3 10 (24 60 10) 80 116 μA 24 60av I × × + × − ×= ≈× 即装置每天平均消耗电流为116 μA，如前 所述，如采用标称电压3.3 V，容量为10 Ah的 锂电池作为电源，则此装置在正常运行的状况 下，几乎可以工作十年免维护。 7 结束语 根据国内外负荷开关的研究最新成果，结 合继电保护原理，设计了低功耗、免维护用户 分界负荷开关。结果使用高性能、大容量 一次使用的锂电池供电，通过相适应的系统 软、硬件设计，高性能、低功耗的元器件选择， 配套一些相应的附件，就能减少装置的整体功 耗，从而使一次性锂电池供电十年免维护。 图 7 键盘中断功能 参考文献： [1] David G. Hart,David Uy,Damir Novcsel. Automated solution for Distribution feeders[J]. IEEE Computer Applications in Power, 2000, 11: 25-30. [2] 赵胜军 . 分界负荷开关在10KV线路上的应用 [J]. 农村电气化 , 2007,2:11-13. [3] 陈萌萌 , 邵贝贝 . 单片机系统的低功耗设计策略 [J]. 单片机与嵌入式应用 , 2006, 3:5-7. [4] 沈建华 , 杨艳琴 . MSP430系列16位超低功耗单片 机原理与应用 [M]. 北京 :清华大学出版社 , 2004: 36-100. [5] 欧阳森 . 基于MSP430单片机的过电流继电保护 单元设计 [J]. 低压电器 , 2005, 1: 30～33. [6] 张宏艳 , 张承学 , 熊睿 . 国内外几种先进的小电 流接地系统单相接地故障选线方法分析与比较 [J]. 电力建设 , 2005, 26（11） : 41-44. [7] 董文军 , 汪仁煌 . 基于 MSP430 的极低功耗系统 设计 [J]. 单片机与嵌入式系统应用 , 2003, 6: 18-20. 表 1 几款 CPU 某些功能特点比较 CPU 额定工 作电流 有否 休眠 功能 休眠消 耗电流 中断后 CPU 唤 醒时间 备 注 M37753 110 mA 有 10 mA 无说明 目前四方华 能公司 FFK 装置使用的 测控板 C8051F 3-5 mA 有 1 mA 无说明 单片机片上 系统，以供比 较 MSP430 280 μA 有 55 μA 6 μs 设计使用的 CPU