智能型限載斷路器終端控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王愛永

唐山智達(dá)自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司 064002

1 智能型限載斷路器終端控制器的開發(fā)背景

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，生產(chǎn)設(shè)備、用電器具的數(shù)量與功率相應(yīng)越來(lái)越大，因此對(duì)電能的需求也越來(lái)越大。但是在現(xiàn)行條件下，供電保護(hù)設(shè)備與計(jì)量設(shè)備總是在一定的額定電壓、功率下運(yùn)行的，一旦超載用電，就可能造成送電線路的發(fā)熱、加速老化，甚至可能發(fā)生短路造成火災(zāi)，或者給用電計(jì)量裝置及用電器具造成損壞。因此，限制電路超載是很有必要的。當(dāng)前，一些地方的供電部門不得不在高峰季節(jié)、時(shí)段，限制大功率電器使用，在保證用戶正常用電的情況下，在技術(shù)上采取相應(yīng)的防范超載用電的措施，因此限載斷路器應(yīng)運(yùn)而生。就此而言，限載斷路器及其控制系統(tǒng)用于低壓輸電線路中，可有效地防范超載用電的發(fā)生。

2 智能型限載斷路器終端控制器的基本功能

智能型限載斷路器控制系統(tǒng)的主要功能應(yīng)包括過載、短路、過壓欠壓監(jiān)測(cè)、分析、報(bào)警等。具體來(lái)說，包括如下幾個(gè)方面：

2.1 監(jiān)測(cè)功能

系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓、剩余電流，斷路器超限跳閘后，必須在規(guī)定的時(shí)間間隔后方能合閘。對(duì)于反復(fù)跳閘的線路，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置不斷增長(zhǎng)的跳閘時(shí)間。

2.2 過電流保護(hù)功能

系統(tǒng)應(yīng)具有過電流保護(hù)的功能，其主要保護(hù)方式為限載式和反時(shí)限式兩大類?？赏ㄟ^軟件設(shè)定限載電流、剩余電流、過電流長(zhǎng)延時(shí)、過電流短延時(shí)的設(shè)定值與報(bào)警值。

2.3 預(yù)警功能

針對(duì)監(jiān)測(cè)到的電流、電壓、剩余電流等限載參數(shù)，系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)預(yù)警。這里的預(yù)警與報(bào)警是有區(qū)別的。當(dāng)實(shí)際指標(biāo)接近限載指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)采取預(yù)警動(dòng)作，超前反饋，主動(dòng)防護(hù)，并通過聲、光、電等模式發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

2.4 存儲(chǔ)、通訊、記錄、遠(yuǎn)程控制功能

應(yīng)能夠?qū)收稀㈩A(yù)警信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)、故障類別進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)。通過通訊端口，能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，同時(shí)遠(yuǎn)程開關(guān)亦可控制信號(hào)通過端子輸入，控制斷路器動(dòng)作。

3 智能型限載斷路器終端控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 原理分析

3.1.1 過流過載故障判斷。如前所述，過電流保護(hù)的功能，其主要保護(hù)方式為限載式和反時(shí)限式。系統(tǒng)中，設(shè)定限載電流為Irx=（1.05～1.5）In（額定電流），步長(zhǎng)設(shè)定為 1A，系統(tǒng)預(yù)設(shè)連續(xù)可調(diào)，限載時(shí)間間隔t r x＝60 s，限載預(yù)警電流指標(biāo)設(shè)定為Irx0=0.95In，給預(yù)警留出足夠的余量。此時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)在限載模式下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流小于或等于額定電流時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行；當(dāng)負(fù)載電流小于預(yù)警電流但大于額定電流時(shí)，系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)脫扣。

3.1.2 過欠壓故障。過欠壓故障脫扣采用連續(xù)檢測(cè)延時(shí)方式，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)電路電壓超過設(shè)定的過壓值或低于設(shè)定的欠壓值4s時(shí)，即認(rèn)為出現(xiàn)電壓故障，輸出控制信號(hào)使斷路器脫扣，這樣可以有效防止由于干擾而使電路器出現(xiàn)誤動(dòng)作。

3.1.3 漏電故障。漏電故障也采用連續(xù)檢測(cè)延時(shí)方式，當(dāng)漏電電流超過0.8倍漏電電流設(shè)定值時(shí)，即進(jìn)行聲光報(bào)警，但是不跳閘，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)實(shí)際漏電電流超過設(shè)定漏電電流值超過0.5s時(shí)，輸出脫扣信號(hào)使斷路器脫扣。

3.1.4 短路故障。本系統(tǒng)設(shè)定電流超過額定電流的8倍時(shí)，認(rèn)定線路短路，此時(shí)設(shè)定斷路器短路瞬間動(dòng)作時(shí)間<100 m s。

3.2 硬件實(shí)現(xiàn)

在硬件實(shí)現(xiàn)上，可以考慮采用一個(gè)嵌入式單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述故障判斷功能，其構(gòu)成框圖如下：

圖1 智能型限載斷路器終端控制器的硬件框圖

目前，在實(shí)驗(yàn)中，我們采用了Microchip公司的16位RISC單片機(jī)PIC24FJ128為GPU核心，芯片時(shí)鐘頻率為32MHz，支持多種尋址模式，完成前述各類數(shù)據(jù)輸出、預(yù)警、報(bào)警、通信、顯示等基本功能。

硬件部分的實(shí)現(xiàn)主要在電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、剩余電流檢測(cè)三個(gè)方面。對(duì)于電流檢測(cè)與電壓檢測(cè)，則作為一個(gè)整體考慮實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，應(yīng)用了電流互感器與電阻串聯(lián)，產(chǎn)生電壓的模式來(lái)形成信號(hào)輸入，這樣既能夠減小控制器的體積，也保證了檢測(cè)的精度。電流檢測(cè)方面，使用三相交流互感器與整流濾波器、放大器進(jìn)行信號(hào)采集。對(duì)于剩余電流的檢測(cè)，主要是采用直相四線電源的電流矢量和等于零的原理進(jìn)行的，電流互感器中的磁通量的矢量和應(yīng)等于0，否則就存在剩余電流。

在通訊硬件電路的實(shí)現(xiàn)上，本系統(tǒng)采用Modbus總線模式與上位機(jī)進(jìn)行通信，采用主從式分布式系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接，一臺(tái)主機(jī)控制多臺(tái)系統(tǒng)。在線路連接上，使用串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的上行與下行發(fā)送，發(fā)送控制由RS485驅(qū)動(dòng)器MAX485實(shí)現(xiàn)。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)考慮選用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫，并固化于芯片上。軟件部分主要包括輸入（電壓、電流、漏電采樣、鍵盤輸入、遠(yuǎn)程控制）、數(shù)據(jù)處理、輸出（報(bào)警、液晶顯示等）幾大功能，其軟件框圖主要部件及實(shí)現(xiàn)功能如下。

圖2：智能型限載斷路器終端控制器的軟件框圖

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，漏電、過電流的判斷部分是該系統(tǒng)中最重要的，在硬件系統(tǒng)采樣輸入過電流與漏電電流信號(hào)后，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換，進(jìn)行計(jì)算、分析、比較、判斷，并輸出信號(hào)控制硬件部分進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。其具體動(dòng)作判斷方式可參考系統(tǒng)原理部分。

4 結(jié)論

智能型限載斷路器終端控制器是為了解決當(dāng)前線路超載問題時(shí)的發(fā)生、保護(hù)電路安全、計(jì)量裝置安全而開發(fā)的一種小型智能終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)的投入使用對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義，對(duì)于發(fā)展數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的供電運(yùn)行作業(yè)具有重要意義，也是未來(lái)高性能低壓電器的發(fā)展方向。

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