斷路器智能控制器關鍵技術研究與軟件實現

陳玉

（淮安普樂菲智能科技有限公司 江蘇省淮安市 223302）

低壓斷路器是低壓配電網用電安全保護核心元件。傳統低壓斷路器為熱磁式，采用雙金屬片和電磁機構來實現過載和短路保護，保護精度低、參數設置受限、環境溫度影響較大。隨著微處理器技術、電子技術的發展，低壓斷路器已經完成從傳統的熱磁式兩段保護向電子式三段保護的升級，并逐步向智能化的方向發展。智能斷路器內部集成智能控制器，除具備三段式保護外，還擴展一些其它功能，如剩余電流保護、故障預警、顯示、記錄、通信等，一定程度上提高了供電可靠性[1]。

智能斷路器的控制部分稱為電子式控制器，相關國家標準中對控制器的定義為“對電路中的電量信號進行采集、處理，并根據預先的設定值控制斷路器的斷開或報警，從而對被保護電路和設備進行保護的裝置。該裝置可以根據自身的設計情況配置有利于提高線路和設備安全運行的其它保護功能和輔助功能，例如：電量測量、區域連鎖、負載監控、遠程通信以及能效管理等功能”。

1 智能控制器關鍵技術

1.1 電網線路參數的測量方法

1.1.1 信號采樣

電網參數為交流模擬量，智能控制器需要先通過AD 采樣將模擬量轉換為數字量，再進行各種電網參數的測量與計算，包括電壓、電流、剩余電流、有功功率、無功功率等。采樣是按一定時間間隔，將連續的模擬量轉換為離散數字量的過程。受到處理器運算速度、轉換時間等硬件限制，采樣頻率不可能無限制提高。根據采樣定理，當采樣頻率大于原始信號頻譜中最高頻率的2 倍時，數字信號完整保留原始信號信息，可對原始信號進行不失真還原。

1.1.2 基于FFT 的電網參數測量方法

離散傅里葉變換是傅里葉變換在時域和頻域上都呈離散的形式[2]，是將時域信號的采樣變換為在離散時間傅里葉變換上的頻域采樣。由于DFT 計算量大，在嵌入式領域當中，通常采用快速傅里葉變換FFT 來計算DFT。FFT 大大降低了計算量，從而使傅里葉變換的應用變得更加廣泛。

電壓和電流為周期性函數，可以用傅里葉級數展開為直流分量和各次諧波分量的疊加，周期性函數x(t)的展開見式（1）：

其中：A0為直流分量；n 為諧波次數；An、Bn為傅里葉級數的系數；ω=2πf 為角頻率。

在具體實現時，對采樣的數據進行DFT 變換，展開后如式（2）所示：

1.2 過電流保護

1.2.1 熱磁式兩段保護

過流保護是智能斷路器的重要功能之一。傳統熱磁式斷路器具有過載和瞬時兩段過流保護曲線，依靠附屬在主回路上的雙金屬元件和電磁機構來實現。鑒于其工作原理，熱磁式斷路器很難做到動作值的精確設定，且受環境溫度影響較大，一旦生產完成，其工作參數將很難調整。

圖1：過載長延時保護原理流程圖

圖2：短路短延時保護原理流程

1.2.2 電子式三段保護

電子式斷路器是實現了過電流的三段式保護，包括過載長延時、短路短延時和短路瞬時。各段保護的設定值及動作時間可在線配置，用戶可以按需配置保護曲線，實現選擇性保護，提高線路運行可靠性[3]。三段式保護特征曲線是線路回路電流I 與脫扣時間t 之間相互關系的函數。

（1）過載長延時特性。過載是指供電線路中的回路電流大于其能承受的額定電流的非正常運行狀態。過載長延時保護具備反時限特征，實現方式如式（3）所示：

式中，IR：過載電流；TR：過載動作時間；Ir1：過載整定值；tR：長延時保護時間。

（2）短路短延時特性。短路短延時保護主要是為了實現選擇性保護，在檢測到線路電流大于短路短延時電流時，允許斷路器在其短時耐受能力允許的情況下進行一段時間延時，等待下級斷路器斷開故障線路，避免造成越級跳閘。短路短延時保護具備反時限和定時限特征，其中反時限公式如式（4）所示：

式中，Is：短路電流；Ts：短路保護動作時間；Ir1：過載整定值；tS：短延時保護時間整定值。

（3）短路瞬時特性。短路瞬時保護是為了在線路電流急劇增大的情況下，能及時的分斷線路而設置的。動作特性為定時限，國家標準要求動作時間小于200ms。

1.3 剩余電流保護

1.3.1 剩余電流保護原理

剩余電流是指通過線路的所有電流的矢量和，在正常情況下，線路中電流的矢量和為零，

此時，剩余電流互感器中流過的一次電流為零，二次側的感應電流為零。

當線路發生漏電時，部分電流通過大地返回到電源端，剩余電流互感器中一次側電流矢量和不為零，二次側產生感應電流。對二次電流進行采樣和計算，可得出線路中剩余電流。智能斷路器的剩余電流保護為反時限型，剩余電流越大，跳閘動作時間越短。

1.3.2 自適應檔位

由于線路絕緣水平下降，正常電網中會存在固有剩余電流，它受季節、天氣等因素影響較大。變化的線路固有剩余電流會導致剩余電流保護設置困難。檔位設置過小，會導致頻繁跳閘，降低投運率；檔位設置過大，線路的安全性又受到影響。為此，本文設計一種自適應檔位機制，使控制器既可以對故障剩余電流做出正確保護動作，又可以適應不同的和變化的電網環境[4]。

自適應檔位實現原理：將保護范圍分為段，剩余電流保護檔位依據條件在不同段之間自動調整。每個段又分為動作區、上浮區、保持區和下浮區。當線路剩余電流變化時，判斷所處小分區。當處于動作區時，啟動保護流程；當處于保持區時，檔位保持不變；當處于上浮區或下浮區時，啟動浮動流程，持續一定時間后，變換檔位。

2 智能控制器關鍵技術的軟件實現

2.1 電網參數測量與計算

本文以STM32F407 單片機為例說明電網參數的測量與計算。STM32F407 具有3 個12 位逐次逼近型ADC，可以獨立使用，也可以使用雙重/三重模式，從而提高采樣速率。如上所述，控制器需要對電壓、電流等模擬信號進行AD 采樣，若每個信號周期采樣64 個點，采樣頻率為3200Hz。這里采用定時器觸發DMA 方式進行AD 采樣。定時器產生312.5us 的中斷用于觸發新一輪的AD 采樣，DMA 自動完成信號的連續采集，并將采樣值放置到目標緩沖區中。為避免執行緩慢和數據丟失問題，采用DMA 雙緩沖方式。在DMA中斷中需要完成更換目標緩沖區，轉存數據，重啟定時器等。當完成周期64 個點的采樣后，采用信號量同步計算任務進行數據處理[5]。

由于ST 公司提供的STM32F4DSP 庫包含了FFT 函數供我們直接調用，所以關于FFT 計算部分比較簡單。DSP 庫里提供了定點和浮點FFT 實現方式，并且有基4 的也有基2 的，本文周期采樣點數為64，所以選擇運算速度更快的基4 算法。

2.2 三段過流保護實現

2.2.1 過載長延時

依據式（3），過載長延時動作時間是關過載電流的函數。程序實現時，將保護的計時過程模擬為導體的發熱過程。首先根據所設置的過載長延時時間tR和過載長延時電流檔位Ir1，計算出過載熱量閾值QTR。以固定時間間隔對電流進行判斷，并根據過載電流大小轉換為模擬熱量增量QCR，并將QCR累加過載模擬熱量QR。

一方面，隨時間t 的增加，熱量QR不斷累積，當熱量達到過載熱量閾值QTR時，發出跳閘指令；另一方面，隨著電流的增大，熱量累積的過程加快，從而實現動作時間的反時限特性。

過載長延時保護原理流程圖如圖1 所示。

2.2.2 短路短延時

短路短延時與過載長延時類似，其特性公式也反映了熱量累積的過程。

依據式（4），首先根據所設置的短路短延時時間tS和過載長延時電流檔位Ir1，計算出短路短延時熱量閾值QTS。以固定時間間隔將采樣到的電流轉換為模擬熱量增量QCS，并將QCS累加過載模擬熱量QS。

一方面，隨時間t 的增加，熱量QS不斷累積，當熱量達到短路熱量閾值QTS時，發出跳閘指令；另一方面，隨著電流的增大，熱量累積的過程加快，從而實現動作時間的反時限特性。

短路短延時保護原理流程如圖2 所示。

2.2.3 短路瞬時

短路瞬時主要應對突發短路電流，國家標準要求動作時間小于200ms。本文的實現方式為連續三個周期檢測到的值大于短路瞬時設定值，發出脫扣指令。其中，限定為連續三次主要是為了防止干擾導致誤動作。

2.3 剩余電流檔位自適應

自適應的基本原理已經在本文1.3.2 中闡述，實現的關鍵是電流分區的合理設置。

首先判斷是否是第一次上電，如果是則需要初始定檔為最高檔；根據實時剩余電流大小，判斷在當前檔位下的所屬分區；對當前分區持續時間進行計時，并清空其它分區的持續時間；持續時間大于設定閾值，則相應進行動作或調檔等處理。

3 結束語

低壓斷路器是配電網中重要的設備，主要完成線路的保護與控制，保證配電網絡的正常運行。隨著我國智能電網的建設步伐日益加快，低壓配電網的智能化要求也逐漸清晰，同時對低壓斷路器的功能和性能方面也提出了更高的要求，特別是在智能斷路器的實時性和網絡化方面。

本文對智能控制器設計所采用技術進行說明。首先，分析電網參數的測量理論，明確了采樣頻率以及計算方式；其次，分析了過電流保護的三段式動作特性，明確了過載長延時、短路短延時和短路瞬時的實現方式。最后以STM32F407 單片機為例，闡述了智能控制器關鍵技術的軟件實現方式，包括采樣與計算、三段式保護功能、漏電保護功能等。經實際產品測試與驗證，以上流程可以直接用于斷路器控制器的程序設計。