一种塑壳断路器智能化的实现方法

摘　要： 对我国塑壳断路器技术现状进行分析，着重分析了基于TI公司MSP430F167微处理器的一种塑壳断路器智能脱扣控制器的硬件模块（包括电流输入、电源，信号调理，单片机系统和工作方式等）和软件设计（包括算法分析、数据采样、频率测量、程序结构等）的原理和技术特点。最后对我国低压电器行业特别是智能塑壳断路器进行了技术和市场的展望。 关键词： 低压电器　塑壳断路器　智能控制器 0 引言 　　随着计算机技术和通信技术引入低压电器，人们越来越多地提到智能电器的概念。所谓智能电器就是具有自动检测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节和与远方控制中心通信等功能的电器设备。国内目前对低压电器智能化的研究主要集中在以下几个方面：设备的在线监测、信号采集及处理新方法的研究、电器本体的研究、智能电器可靠性及控制部分抗干扰能力的研究、通信的实现方法等。 　　塑壳断路器是一种非常重要的低压电器。目前我国生产的塑壳断路器大体分为三代，第一代产品目前占有的市场份额约为35%；第二代产品为更新换代产品以及引进国外技术生产的产品，目前占有市场约40%份额，但随着国外大公司产品的进入，其占有份额明显下降；第三代产品为跟踪国外新技术而自行开发的产品，目前市场占有率不到25%。西方国家在20世纪90年代后期推出了智能化、可通信的第四代产品，具有前几代产品的许多优点，显示出塑壳断路器的发展趋势。 　　总的来说，我国塑壳断路器产品的技术含量比较低，它的智能化已受到了行业越来越多的关注。本文结合国内外塑壳断路器的现状，针对MB30系列塑壳断路器，提出塑壳断路器智能化的一种具体实现方法。 1 塑壳断路器 　　在低压配电系统中，塑壳断路器的应用非常广泛，它一般可用于配电馈线控制和保护、小型配电变压器的低压侧出线总开关，动力配电终端控制和保护，以及住宅配电终端控制和保护，也可用于各种生产机械的电源开关。50A以下小容量的塑壳断路器采用非贮能式闭合，手动操作；大容量断路器的操动机构采用贮能式闭合，可以手动操作，亦可由电动机操作，电动机操作可实现远方遥控操作。塑壳断路器的额定电流一般为6～630A，有单极、二极、三极和四极；目前已有额定电流为800～3000A的大型塑壳式断路器。 　　塑壳断路器的保护功能由欠压脱扣器、过电流脱扣器、分励脱扣器等各种脱扣器来实现。欠压脱扣器用来监视工作电压的波动，当电网电压降低至70% ～35%额定电压或电网发生故障时，断路器可立即分断，在电源电压低于35%额定电压时，能防止断路器闭合；带延时动作的欠压脱扣器，可防止因负荷陡升引起的电压波动造成断路器不适当地分断。分励脱扣器用于远距离遥控或热继电器动作分断断路器。过电流脱扣器还可分为过负荷脱扣器和短路脱扣器，用于防止过载和负载侧短路。一般断路器还具有短路锁定功能，用来防止断路器因短路故障分断后、故障排除前再合闸；断路器具有辅助触点，一般有常开触点和常闭触点，辅助触点供信号装置和智能式控制装置使用。 　　传统的塑壳断路器采用热动式脱扣控制方式，利用负荷电流的热效应使双金属片受热弯曲产生变形控制脱扣。由于双金属片的形状结构和热变形精度难以保证，因而断路器脱扣延时时间难以精确控制，断路器断流精度不高。同时，它还有功能不完善的缺点，例如缺相故障无法判断、引起断路器故障的原因用户无法知道、维修不便等缺陷。 　　用智能脱扣控制器去控制断路器脱扣，彻底消除了传统脱扣器的缺陷，并且为塑壳断路器技术上的革新奠定了基础，使塑壳断路器更容易用于低压配、用电信息网系统，发展成为基于现场总线支持的智能化、网络化、信息化的智能电器。 2 塑壳断路器智能控制器 2.1 硬件模块设计 　　塑壳断路器智能控制器硬件包括电流输入、电源模块、前置处理、CPU系统、电位器调整、通信接口、人机交互插件、出口驱动、指示灯、按键操作、维护接口等部分，见图1。 图1 系统硬件框图 2.1.1 电流输入 　　用3个电流互感器将三相电流转换为与智能控制器相匹配的交流电流信号，经过电压取样电路变换为交流电压信号。 2.1.2 电源模块 　　塑壳断路器引入三相交流电压，智能控制器从输入的交流电压中获取能量，经过处理后得到2个独立的+5V电源，分别供给光耦两侧使用，以实现电气隔离。同时还得到一路+12V电源，供驱动出口继电器使用。 2.1.3 信号调理 　　电流信号经电压取样后，经过射极跟随器、一阶无源抗混迭低通滤波、放大调理电路后变成与单片机系统相适应的交流电压信号。利用射极跟随器将电压取样电路和后置处理电路隔开，减少后置电路阻抗对电压取样电路的影响；一阶无源抗混迭低通滤波的截止频率满足仙农采样定律,滤掉频率在2fmax以上的信号。电流互感器在很大量程内具有线性度好的特点；一次电流的变化范围从几安培到几十、几百甚至上千安培；小信号容易受到干扰，将采集的信号分2路输入单片机系统，2路信号采用不同的放大倍数。信号较小时，单片机系统以较大放大倍数一路为准；信号较大时，单片机系统以较小放大倍数一路为准，见图2。 图2 单路信号调理电路 2.1.4 单片机系统 　　采用TI公司的MSP430F167单片机作为主控芯片。该芯片内置32K FLASH存储器，1024 B RAM，2个Usart接口，8通道12位A/D转换器，48个I/O口，16位看门狗定时器，1个16位Timer_A（3个捕获/比较寄存器），1个 16位Timer_B（7个捕获/比较寄存器）；采用RISC指令结构。该芯片满足各种型号塑壳断路器的智能化要求，不用外扩任何协助电路，大大增强了抗干扰性能。 　　为了提高系统的可靠性，单片机系统扩展了电源监视、复位控制和硬件看门狗电路。 2.1.5 工作方式调整 　　塑壳断路器的工作方式包括断路器的额定电流、保护投退、电流定值、时间定值、时限特征等，塑壳断路器工作方式的调整可以采用2种方式。 　　（1） 电位器调整方式。对于额定电流≤225A的塑壳断路器，考虑到成本空间和尺寸空间的限制，采用带绝缘塑料旋钮的金属膜电位器调整断路器的工作方式。由于电位器的温度特性较差，在40℃范围内造成的误差可能超过2%，因此采用这种方式会造成误差，要求电位器阻值具有较大的冗余度。 　　（2） 维护口和人机接口调整方式。对于额定电流＞225A的塑壳断路器，由于有了更大的成本空间和尺寸空间，采用维护软件通过PC机调整断路器的工作方式，维护口采用RS-232接口，采用MODBUS报文格式；同时为塑壳断路器配置人机接口，通过数码管显示，小键盘设置各种工作参数；无操作时，数码管1min 自动熄灭，以降低功耗；所有设置必须验证密码后进行，以防止误操作。 2.1.6 通信接口 　　通信接口采用RS-485通信方式。通信规约采用低压电器设备要求的MODBUS通信规约，与通信适配器、上一层通信设备连接，或者直接连到变电站计算机管理系统。图3是采用通信适配器进行通信的结构示意图。 图3 智能塑壳断路器通信网络 2.1.7 指示灯 　　提供的指示灯有工作指示灯、过负荷指示灯、通信指示灯、故障指示灯和校验指示灯。 2.1.8 出口驱动 　　控制器带有停电、小负荷闭锁功能，双值反相逻辑输出功能，以保证出口操作的可靠性，避免上电、掉电、干扰造成的误动，见图4。 图4 出口驱动电路 2.2 软件设计 2.2.1 算法分析 采用交流采样技术，全波傅氏算法，根据采样数据提取等效复矢量的实部和虚部。 　　　　（1） 式中，n为需要提取的基波或谐波次数；N为一周期的采样点数；x（k）为实时采样值。 由式（1）可以根据实时采样数据得到等效复矢量 　　　　（2） 根据式（2）可知，基波或某次谐波的复值与相角可由式（3）、式（4）求得 　　　　（3） 　　　　（4） 　　全波傅氏算法能够完全提取基波或所需的谐波分量，滤出直流分量和不需要的整次谐波分量，但对于非周期分量的抑制能力较差。当发生故障时，电力系统处于暂态过程中，含有衰减的直流分量等非周期分量，将使傅氏算法带来误差。为此，采用差分滤波器来抑制非周期分量，使其与傅氏算法相配合。 y（n）=x）n）-x（n=k）　　　　（5） 　　式中，k为差分滤波器阶数，在塑壳智能控制器中，k取2，即采用二阶差分滤波器。 　　当电网频率发生偏移时，采用傅氏算法提取基波或谐波分量会产生混频现象，从而给电量的测量带来误差。为了消除由于电网频率偏移带来的误差，智能控制器可采用频率跟踪技术加以改善。根据所测频率实时调整采样间隔，以便始终满足式（6）。 fs/f1=24　　　　（6） 　　fs为采样频率，f1为系统频率，严格保证每周期采样24点，这样即使频率发生波动，也不会造成较大的测量误差。 2.2.2 数据采样 　　开辟2个采样数据缓冲区：一个用于采样数据的差分滤波，另一个用于存储差分滤波后的实时数据。由于采用二阶差分滤波器，使得每一路电流需开辟3个字的滤波缓冲区，缓冲区采用先进先出（FIFO）的队列结构，依次存放x（n-2）、x（n-1）、x（n）点实时采样数据，见图5。 图5 FIFO结构的滤波缓冲区 　　全波傅氏算法要求数据的排列为一连续周期采样数据，由于采用24点全波傅氏算法，如果仍采用FIFO队列结构，则将会消耗大量的时间。为此为每个电流开辟48字的循环采样缓冲区。 2.2.3 频率测量 　　采用交流采样值线性拟合过零点算法，精确地计算电力系统的频率值，见图6。点B、A分别为过零点前后的2个采样点，B′、A′为下一个过零点前后的2个采样点，B′、A点相差K个采样点，于是实测工频周期为 　　　　（7） 式中，Ts为采样周期，频率为工频周期的倒数。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息 图6 软件测量频率的方法 2.2.4 程序结构 　　采用主程序和中断程序相结合的程序结构，见图7。主程序实现断路器状态监测、硬件自检、显示处理、键盘处理、指示灯处理和维护口通信等功能；采样中断主要实现数据采集、数据处理和故障处理，通信中断主要实现通信功能。采样中断的优先级高于通信中断优先级。 图7 程序流程图 3 智能控制器功能分析与技术特点 　　（1） 智能控制器使断路器的保护功能大大增强，它的三段保护特性中的短延时可设置成I2t特性，以便与后一级保护更好匹配，并可实现接地故障保护。 　　　　（2）　智能脱扣器的保护特性可方便地调节，还可设置预警特性。智能断路器可反映负荷电流的有效值，消除输入信号中的高次谐波，避免高次谐波造成误动作。 　　（3） 智能控制器能提高断路器的自身诊断和监视功能，可监视检测电压、电流和保护特性。当断路器内部温升超过允许值，或触头磨损量超过限定值时能发出警报。 　　（4） 智能断路器具有很高的动作准确性，整定调节范围宽，可以实现过载、断相、三相不平衡、接地、欠压等保护和告警功能。 　　（5） 智能断路器通过与控制计算机组成网络后还可自动记录断路器运行情况和实现遥测、遥信和遥控。 　　（6） 智能控制器可以设置维护口，更方便断路器的调整维护。可以设置显示模块，实现电流表、电压表、功率表和频率测量的功能。 　　（7） 智能控制器可以采用软件校验系统误差，包括增益误差和零点偏移等，真正做到免调试。 4 低压电器技术及市场展望 　　今后一段时间低压电器行业的工作重点将集中在以下几个方面：瞄准高新技术，发展我国自主知识产权的环保型、智能化、网络化、可通信化、设计无图化、制造高效化的低压电器产品；改进、完善传统低压电器产品，开发经济适用型产品，巩固传统产品的市场优势；加强可靠性研究，提高国内产品的质量稳定性和可靠性；以知识产权和产品品牌为导向，重组产业结构和产品结构；研制、开发我国第四代智能化、可通信低压电器产品，发展我国低压电器的现场总线，逐步缩短同国外先进水平的差距。重点是优先发展智能化可通信产品和现场总线产品。 　　低压电器行业的发展方向决定了塑壳式断路器今后的发展方向是：小型化、高分断、多功能、附件模块化、智能化、可通信、支持现场总线。智能化的塑壳断路器在今后一段时间内的市场潜力十分巨大。 5 小结 　　塑壳断路器中引入智能控制器，可使其性能有质的飞跃。它不仅可以更精确、灵活地实现瞬时脱扣、短延时脱扣、长延时脱扣等功能，而且还可以实现接地保护脱扣。智能控制器提供了跟用户更友好的人机界面，可以实现各种故障报警、断路器在线监测，集成电流表、电压表、功率表的功能。智能控制器提供了通信接口，支持现场总线，更适合于低压配、用电网的信息交换，能够实现遥测、遥信和遥控功能。 6 参考文献 　　　　　［1］ 陈德桂.面向21世纪的低压电器新技术.低压电器，2001（1）：3-8. 　　［2］ 陈春，乔巍，叶凡生.基于单片机的智能型低压断路器.电力自动化设备，2003，23（2）：49-51. 　　［3］ 曾庆军，金生福，黄巧亮，等.关于万能式断路器智能控制器.电力自动化设备,2004,24（2）:79-83.