智能低壓電器控制技術研究

許陽陽

摘 ?要：隨著科技的不斷發展，傳統電器產品已無法滿足人們的需求，與此同時，我國智能電器控制技術取得了進步和發展。該文將對智能化控制技術進行介紹，并深入探究低壓電器智能化技術的設計方案，以此來更好地推動智能電器控制技術的發展。

關鍵詞：智能化;智能控制器;控制技術;微處理器

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

科技的進步和社會的發展催生了一大批先進技術，在該背景下，智能電器研發行業中的計算機技術與智能電器控制技術融合的越來越緊密，同時受到大眾的廣泛關注。人們對“智能化”一詞已不再陌生，無論是生活還是工作，均向著“智能化”的方向發展。由此可見，智能化電器控制技術已經成為推動智能化電器發展的關鍵技術。

1 智能化控制技術

智能化控制技術主要借助微處理器控制電器產品、各個元件以及電器電路系統，將智能控制技術應用于低壓電器產品中，可發揮良好的監督與控制作用，在遵循傳統的電器基本工作原理的基礎上，融入電子的處理方式，從而實現智能化控制目的、保證電器良好的工作狀態。將智能化控制技術與電器行業相融合已經成為行業發展的必然趨勢。

2 智能化控制技術的應用設計方案

為更加深入地了解智能電器控制技術，該文將對一種低壓電器產品ACB框架斷路器的智能控制器的設計技術進行介紹與分析。

2.1 智能控制器的功能

早期萬能式斷路器的功能主要是過電流保護功能，其并不具備智能化特點。但隨著技術的發展，為了能更好地滿足當前配電系統的智能化要求，該文提出的智能控制器具有全面的電網參數量與保護、友好的人機交互界面、通信及在線升級等功能[1]。

2.2 智能控制器硬件設計

硬件設計如圖1所示，由微處理器（MCU）與信號處理電路、電源電路、脫扣驅動電路、人機交互模塊及通信模塊等組成。其中人機交互模塊由旋鈕及按鍵、LED指示燈、LCD顯示組成，在方便客戶設定整定電流及動作時間的同時，具有查看記錄信息、完成整定值的實時輸入和運行狀態的簡單指示的功能。

工作原理：電網信號通過互感器的變換轉換成二次側信號，將主回路大信號轉換為弱信號，再經過信號處理電路后進入微處理器的ADC模塊，MCU根據采樣的AD離散值進行計算處理與分析，并且通過保護算法來監測電網狀態，一旦檢測到故障，MCU便會發出脫扣信號，驅動脫扣部件動作，使斷路器分斷。基于這一原理設計的智能控制器實現了對數據的搜集和測控，可對電器運行系統進行控制和管理[2]。

2.3 智能控制器軟件設計

控制器軟件方面采用NXP的ARM Cortex-M0+微處理器，基于MCUXpresso IDE開發平臺編程及仿真，并加入白盒、黑盒測試，可進一步保證軟件系統的穩定性及可靠性。

程序建立在周期20 ms/50 Hz（16.67 ms/60 Hz）的基礎上，使電子控制單元對于電網參量的監測具備較高的實時性，實現的主要功能任務包括系統初始化、電網參數信號處理、保護處理、輸出控制、人機交互處理、通信處理、在線升級模塊等。

3 關鍵技術分析

3.1 信號處理技術

市場對電力量測的要求越來越高，要求實現電流及電壓、功率、電能、諧波等量測功能。

信號處理技術始終是智能低壓電器控制的關鍵之一。主回路電流信號由空心電流互感器（CT）負責采集，空心CT通過di/dt的變化量，將大電流信號直接轉化成毫伏級電壓信號。由于電感的相位超前效應，還需要對信號進行調理復原。電路采用積分回路（低通濾波器）來滯后信號，起到相位補償的作用。應選取適當的截止頻率，使其衰減系數與電流諧波次數近似成正比。主回路電壓信號由電壓互感器（PT）負責采集，同理需要在后端電路追加相位補償。主回路剩余電流信號采用零序電流互感器（ZCT）來檢測[3]。

以上信號采集回路均需要經過放大、電位提升后，再進入MCU的ADC單元，將模擬量轉換成數字量，MCU每周期采樣64個AD值，捕捉信號的波形，再基于均方根的算法實現電流電壓有效值的計算。基于三瓦計/二瓦計法來計算三相功率、電能，基于離散傅立葉變換來分析奇次諧波的振幅成分。協助用電設備分配，改善用電質量，協助分析用電設備或保護設備的故障原因。

3.2 保護處理技術

在智能控制器保護方面，智能控制器具有電流保護、過/欠壓、過/欠頻、逆功率等保護功能。

電流保護主要為過載長延時保護、短路短延時保護及短路瞬時保護、接地故障保護，其是保證智能電器正常使用的關鍵。過載長延時保護采用的是反時限動作特性的保護方式，其原理是模擬雙金屬片過電流時熱效應的積累，動作時間隨故障電流的增大而自動減小。如果能量積累到一定程度，發現主回路電流將對設備造成損壞，MCU發出脫扣指令。短路短延時和接地故障保護采用反時限特性和定時限特性的保護方式，短路瞬時保護是當監測到相電流大于瞬時保護值時，不需延時立即發出脫扣指令，可盡可能避免短路對電器或是智能控制器造成的影響，在一定程度上可以保障使用者的使用安全。

其他保護如電壓、頻率、功率的保護均采用定時限動作特性的保護方式。當對應的電網參數超過對應的保護設定門限時，延時時間T進行累加，如果達到延時T，則發出脫扣指令或報警信號。

3.3 通信技術

眾所周知，計算機技術已被廣泛應用于各行各業中，無疑成為人們生活的重要組成部分。現場總線技術正是利用計算機技術與其他多種高科技技術融合，以此來打造具有良好數字化性能的通信系統。在國家大力倡導“節能減排”的大環境下，以科學的手段對各種電力參數進行統計收集并分析，智能化的電能管理，掌握相應的變化規律，將成為未來的發展趨勢。

控制器采用的通信技術基于MCU的UART模塊，搭配控制轉換芯片MAX485將TTL電平轉為RS-485電平，以此來作為連接外部設備的接口。由主站（上位機）發起詢問（發起通信），從站（智能控制器）在UART中斷接收到主站發出的請求，對數據幀進行判斷解析后，作相應的應答。通信數據幀格式可設置奇偶校驗、停止位，波特率范圍1 200 bit/s～38 400 bit/s。集“四遙”（遙信、遙測、遙調及遙控）功能于一體，基于Modbus、TCP/IP協議建立的低壓配電網監控系統，既可通過PC端實現遠程監控，也可以通過移動設備端（手機App）實現遠程監控，在實踐過程中不斷提高對電器的診斷能力，提高智能系統的自動化程度與可靠性，實現低壓配電系統的智能化管理。

3.4 在線升級技術

框架斷路器一般都安裝在電力盤柜上，用戶功能升級或有功能客制需求時，需要更新控制器程序，這樣就不可避免地需要拆裝更換開關，這樣的操作非常麻煩，甚至有可能會損壞開關。因此，加入了在線升級技術，引入BootLoader處理程序，實現用戶程序的引導啟動和固件自更新2個功能。在不需要拆裝更換開關的情況下，直接通過通信接口將更新的程序燒錄到產品中，減少了公司售后服務的難度及售后成本，也提升了產品性能。

4 結語

智能化的應用方便了人們的生活和工作，在一定程度上提高了人們的生活質量、為相關企業謀求了更多的經濟效益。為了推動智能化電器行業的發展，需要加強對通信技術、智能化控制技術以及信息技術的研究，在實踐應用的過程中吸取經驗教訓，推動智能化電器進入全新的時代。

參考文獻

[1]徐曉玲，胡康榮，劉珺.智能交流電力電子開關的研究[J].華東交通大學學報，2020，37（1）：101-105.

[2]熊登峰，周海珍.基于ZigBee的低功耗智能無線控制系統的設計[J].數字技術與應用，2019，37（9）：139，141.

[3]李國朝，韓九強.一種新型智能脫扣器的設計及實現[J].計算機測量與控制，2007，15（3）：375，377.