智能电网（Smart Grid）指电网的智能化（智能电力），也被称为“电网 2.0”，它是基于集成的高效双向通信网络，采用先进的传感技术和测量技术，先进的设备技术与控制方法，以及先进的决策支持系统而构建的智能化应用。其具有更好的实时性，更好的运行稳定可靠性，从而实现电网的可靠、安全、经济、高效运行。为了实现更高效率的电能转换，发电、输电、变电、配电、用电等智能化设备设施使用的控制芯片需要具有更高的性能。本文将会向大家介绍基于 NXP MCX N 系列 MCU 的新一代高智能断路器。
断路器的定义及分类
『断路器是从传统的电闸演变而来，是常见的配电管理设备，是指当回路发生短路或过流故障时能迅速切断电源，防止故障扩大，同时也可以作为一般开关使用，实现电能的分配和控制的装置。
断路器相关产品和涉及产品种类较多，其中：
- 按电压等级可分为高压断路器和低压断路器
- 按电流性质可分为交流断路器和直流断路器
- 按灭弧原理可分为空气断路器、油断路器、真空断路器等
- 按框架结构可分为框架万能型和塑料外壳式
- 按脱钩保护构造形式可分为电磁式、电子式、智能型、可通信智能型等
除了上述基本分类之外，其实还可以根据多种用途、分断速度等维度划分更细的品类。我们日常生活最能见到的断路器就是“空气开关”，又叫做微型断路器，属于低压断路器，是低压电器中最重要的保护及控制元件之一，集控制和多种保护功能于一体，当线路正常工作时，作为电源开关接通或分断电路，当电路发生短路、过载和失压等故障时，它能自动跳闸切断故障电路，从而保护线路和电气设备。下图是其结构及功能。
- 手动杆，用于手动开合断路器
- 传动装置，将触点压在一起或者分开
- 触点，接触时用于接通电流，分开则用于断开电流
- 接线柱，用于进出电力线的连接
- 双金属片，用于电流过载的强制触点分离
- 电磁阀，检测电流变化迅速分离触点；
- 灭弧室，用于消灭接通电路时产生的火花。
智能断路器的定义
智能断路器在传统断路器控制用电线路、保护安全用电的基础上，引入电磁技术、芯片技术、现场总线技术和微机处理器，断路器逐渐开始具备智能化，依托各种传感器技术、微电子技术和各种信息传输技术，将控制、计量及通信等功能融于一体，可以更好的完成开断任务和提高开断的可靠性，实现断路器的智能化操作。
更新一代智能断路器还配有数字化各类通信接口接口，可以将位置、状态、分合闸指令信息通过各种通信接口协议进行传输，还可根据需要加装显示模块、各种通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路器的智能化功能。可以理解为其集过欠压保护、漏电、浪涌保护、电表、定时器、多功能仪表等功能于一身。且可以多种线路开关和智能网关组合控制，而且可以通过 PC、APP 端进行远程控制。』
（作者：移动Labs官方号；出處：https://zhuanlan.zhihu.com/p/404272847）
『新一代的智能断路器需要具备故障诊断、谐波分析、健康状态管理、泛在物联、边缘计算（ACB）等功能。NXP 新一代 MCX N94x 系列 MCU 采用双核心 Arm Cortex-M33 设计，同时支持 AI 核心功能，能使断路器具备故障推测和学习的能力，以及智能交流电弧检测技术。同时，NXP 提供了 eIQ Porta 工具帮助客户训练人工智能模型，可大大提升断路器的智能化水平。下图是基于 MCX N94x 系列 MCU 的智能断路器框图。
其中 NXP MCX N94x 采用两个高性能 Arm Cortex-M33 内核，运行频率高达 150MHz，提供 2MB 闪存以及可配置的带完整 ECC 的 RAM、DSP 协处理器、并集成了 eIQ Neutron NPU。与单独的 CPU 内核相比，NPU 可提供高达 42 倍的机器学习吞吐量提升，从而能够减少系统唤醒的时间，并降低整体功耗。多核设计通过智能、高效地将工作负载分配到模拟和数字外设，提高了系统性能并降低了功耗。这些器件配备了 MCUXpresso Developer Experience 支持，可优化、简化和加速嵌入式系统的开发工作。MCX N94x 系列具有更广泛的模拟和电机控制外设。
下图是 MCX N94x 的框图。
下图是 eIQ Porta工具界面。
同时，MCX N94x 采用双核心设计，可以实现将断路器的通信及控制逻辑与实时保护算法分属在不同的内核中实现。该产品性能和成本较双芯片方案有明显的优势。相较于传统框架断路器（ACB）部分产品采用的双 MCU 方案，双核心架构的芯片，内核之间通信的速度和效率更高。此外，软件架构上可采用生产者-消费者模型，一个核心专注于长延时、短延时、瞬动等保护算法的执行，将故障及状态通过 MCU 内部的 MailBox 提供给另外一个核心获取。另一个核心获取并消费这些信息，同时进行一些通信及控制逻辑的实现。如此，一方面保证核心断路器保护算法的可靠性、实时性；另一方面也提升了诸如应用功能如谐波分析，健康状态管理，人机界面，泛在物联等非实时功能的可实现性。
此外，为了最大程度保证断路器软硬件的可靠性，符合 IEC61508 及 IEC60730 相关功能安全标准要求，必然成为下一代智能断路器的技术要求。
下图是 NXP IEC 60730 功能安全库的组成。
NXP MCX N94x MCU 针对功能安全的需求专门提供了库，方便用户快速集成功能安全的相关功能，功能安全库按功能划分主要分为对 CPU 进行测试和对外设进行测试，按工作模式划分也可分为复位后的单次自检及在程序运行过程中的定时自检。复位后单次自检可包含对看门狗、内部 Flash、RAM、PC指针、程序运行栈及模拟或数字 IO 口的测试。另外在程序运行过程中，除去用户的应用代码以外，仍然需要周期性的对 CPU 的寄存器、Flash、RAM、程序运行栈及模拟或数字 IO 口进行自检测试。断路器通过部署符合 IEC61508 标准的功能安全，在强电磁干扰的情况下，可有效降低 MCU 及控制系统出错概率，保证系统软件功能的可靠性，防止出现误动作、误保护的情况。
下图是其功能安全的执行流程图。
最后，根据智能断路器产品性能要求不同，基于 NXP 芯片实现的智能断路器还具有人机交互、电压和电流监控测量、继电器开关控制、ADC 模拟量采集（辅助触点）、EEPROM 读写、液晶显示等功能。 』（作者：Yuxing，Zihao；出處：https://mp.weixin.qq.com/s/O3rj7R_L_7TK2-ltWpil_w）
参考资料
【1】MCX N94x Introduction：https://www.nxp.com.cn/products/processors-and-microcontrollers/arm-microcontrollers/general-purpose-mcus/mcx-arm-cortex-m/mcx-n-series-microcontrollers/mcx-n94x-54x-highly-integrated-multicore-mcus-with-on-chip-accelerators-intelligent-peripherals-and-advanced-security:MCX-N94X-N54X?cid=wechat_iot_mcx
【2】五分钟技术趣谈 | 智能断路器的技术原理及行业应用：https://zhuanlan.zhihu.com/p/404272847
【3】恩智浦MCX N系列MCU助力定义新一代高智能断路器:：https://mp.weixin.qq.com/s/O3rj7R_L_7TK2-ltWpil_w
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