智能控制器的設計原理

王長紅

摘 要：智能控制器是通過互感器將主線路中的電壓、電流信號轉換成模擬電路可處理的信號，信號處理單元對這些信號進行濾波和整形，信號采樣后經多路開關送入CPU，在CPU內部進行A/D轉換后進行邏輯運算與處理，運算結果與整定值比較后輸出符合預設定保護特性的邏輯電平信號，這些信號經放大后可直接驅動斷路器的執行機構和其他輔助繼電器，使斷路器動作或輸出聲音、光信號。

關鍵詞：智能;控制器;電流;信號

智能控制器使用采集轉換而來的數字信號完成各種電量參數的計算，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數的計算。電力系統中的模擬信號其主要成分是l、3、5次諧波，對于六次以上的諧波和高頻干擾經過模擬通道中RC低通濾波加以濾除;對于六次及以下各次諧波分量借用數字濾波算法加以提取。

1 電壓、電流的計量

電流與電壓檢測方法是程序設計的關鍵部分，以電流為例，對正弦電流采樣數據處理方法采用傅立葉變換得：

原理是：A/D以一定的采樣頻率進行模數轉換，獲得信號離教的采樣數據，經過離散傅立葉變換（DFT），計算出基波有效值，計算公式如下：

其中N為每周波的采樣點數，為第n個采樣數值，為電流的實都，為電流的虛部。基波信號占到總信號的95%以上，而且不包含各種諧波分量，常用作各種保護算法的依據，其余諧波分量可以作為故障分析等的參考。

（1）電網頻率、功率因數及功率的計量。

1）電網頻率和功率因數的計量。利用控制器內部芯片將正弦交流電壓信號和正弦交流電流信號轉換為方波信號，產生單片機的兩個外部中斷信號，同時啟動內部定時器進行定時，兩個中斷信號0（INT0）之間的定時即為電網的周期，通過相應的運算即可得到頻率。中斷0（INT0）和中斷l（INT1）之間的計時即為電壓與電流之間的時間差，通過相應的運算即可得到功率因數。

2）功率的計量。由于低壓供電系統中絕大多數為三相四線制，智能控制器采用三表法測量功率：

2 保護的原理及實現方法

配電系統和用電設備過載時，系統中負載電流成倍增加，在線路和設備上直接以的形式表現出來。在反時限延時保護特性曲線范圍內被保護電器的時間——電流特性呈現“常數”的反時限特性。

（1）保護的算法及分析。電力系統發生故障時，往往是在基波上疊加有衰減的非周期分量和各種高頻分量，因此要求控制器對輸入的電流、電壓信號進行預處理，盡可能的濾除非周期分量積高頻分量。傅氏算法帶有很強的濾除高次諧波的功能，且收斂穩定，因而得到了廣泛的應用。

（2）三段電流保護的實現原理。過電流保護是智能型斷路器最重要的保護功能。智能控制器具有過載長延時、短路短延時短路瞬動三段電流。

下面根據特性曲線依次分析智能斷路器三段保護特性：

1）過載長延時特性。過載長延時特性的數學表達式為：。

其中，t為長延時動作延時值，I為過電流值，為長延時電流保護整定值，K為長延時動作時間系數整定值，為特快反時限特性（動作時間與故障電流成反比）。其中N相可設置為50%保護或l00%保護，長延時動作時間系數整定值K決定過載長延時保護的選擇范圍。

2）短延時特性。短路短延時特性可以分為兩段，即反時限特性和定時限特性。當短延時電流整定值小于8Ir時，斷路器短延時特性同時具有反時限和定時限保護特性;當短延時電流整定值大于8Ir時，斷路器短延時特性只有定時限特性。具體的技術指標為：Ir=（0.4-15）In;=0.1，0.2，0.3，0.4s，其中In為額定電流值，tS為延時時間。

3）短路瞬動特性。短路瞬時保護功能是為了在較大短路電流時能及時分斷線路而設置的，它的動作特性為定時限，動作時間一般在10-20ms。采用即采即比的方法，CPU將采集來的電流信號的峰值和整定值進行比較，如果某次的電流信號峰值大于整定電流值，則再采樣一次，兩次的結果相近的話，說明發生短路故障。如果兩次結果相差很大，那么就不是短路故障。

（3）保護的實現。定時限保護的實現原理比較簡單。當故障電流值大于相應的整定電流值時，啟動定時器，定時時間到，保護動作。

3 其它保護的實現原理

除三段電流保護功能外，智能斷路器還具有單相接地保護或漏電保護和不平衡保護等保護功能，下面依次討論各保護的實現原理。

（1）接地或漏電保護。單相接地保護指故障電流在幾百安培以上的金屬性接地保護，一般用于中性點直接接地系統，控制器分兩種不同保護方式：

一種為內部互感器矢量和方式（接地保護），控制器根據三相電流和中性級電流矢量和進行保護，根據斷路器極數分為3PT、4PT、（3P+N）T三種形式。該種方式一般適用于平衡負載;不平衡負載或電動機負載一般只報警不脫扣。另一種為外接漏電互感器方式（漏電保護），控制器直接取外加的一個電流互感器的輸出電流信號進行保護，一般互感器的二次輸出為5A/1A（互感器一次電流小于等于400A時，二次為1A;400A以上時二次為5A），該種互感器的靈敏度較高，特別適合于從幾十安培開始的較小接地電流的保護。

（2）負載監控保護特性。負載監控是在發生過載故障前的一種補救手段，當線路中出現較大電流時通過舍棄一些負載來使電流減小。若智能脫扣器為上一級開關，下級有多條支路分別供電給不同性質的負載，當發生過載故障時，智能脫扣器將有選擇的切掉線路中不重要的負載，以保證重要負載的連續工作。

（3）電流不平衡保護特性。電流不平衡的保護可以對斷相和三相的電流不平衡進行保護。其計算公式為，為三相電流的平均值。其延時為定時限，延時時間為。

參考文獻：

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