智能控制器的設(shè)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(zhuǎn)換成模擬電路可處理的信號，信號處理單元對這些信號進(jìn)行濾波和整形，信號采樣后經(jīng)多路開關(guān)送入CPU，在CPU內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理，運(yùn)算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)定保護(hù)特性的邏輯電平信號，這些信號經(jīng)放大后可直接驅(qū)動斷路器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和其他輔助繼電器，使斷路器動作或輸出聲音、光信號。

關(guān)鍵詞：智能;控制器;電流;信號

智能控制器使用采集轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字信號完成各種電量參數(shù)的計算，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)的計算。電力系統(tǒng)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(jīng)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(shù)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(shè)計的關(guān)鍵部分，以電流為例，對正弦電流采樣數(shù)據(jù)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得信號離教的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)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(diǎn)數(shù)，為第n個采樣數(shù)值，為電流的實(shí)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(hù)算法的依據(jù)，其余諧波分量可以作為故障分析等的參考。

（1）電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)及功率的計量。

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

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

2 保護(hù)的原理及實(shí)現(xiàn)方法

配電系統(tǒng)和用電設(shè)備過載時，系統(tǒng)中負(fù)載電流成倍增加，在線路和設(shè)備上直接以的形式表現(xiàn)出來。在反時限延時保護(hù)特性曲線范圍內(nèi)被保護(hù)電器的時間——電流特性呈現(xiàn)“常數(shù)”的反時限特性。

（1）保護(hù)的算法及分析。電力系統(tǒng)發(fā)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(jìn)行預(yù)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(qiáng)的濾除高次諧波的功能，且收斂穩(wěn)定，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）三段電流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理。過電流保護(hù)是智能型斷路器最重要的保護(hù)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(jù)特性曲線依次分析智能斷路器三段保護(hù)特性：

1）過載長延時特性。過載長延時特性的數(shù)學(xué)表達(dá)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(hù)整定值，K為長延時動作時間系數(shù)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(shè)置為50%保護(hù)或l00%保護(hù)，長延時動作時間系數(shù)整定值K決定過載長延時保護(hù)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(dāng)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(hù)特性;當(dāng)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(shù)指標(biāo)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(hù)功能是為了在較大短路電流時能及時分?jǐn)嗑€路而設(shè)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(jìn)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(jié)果相近的話，說明發(fā)生短路故障。如果兩次結(jié)果相差很大，那么就不是短路故障。

（3）保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。定時限保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理比較簡單。當(dāng)故障電流值大于相應(yīng)的整定電流值時，啟動定時器，定時時間到，保護(hù)動作。

3 其它保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理

除三段電流保護(hù)功能外，智能斷路器還具有單相接地保護(hù)或漏電保護(hù)和不平衡保護(hù)等保護(hù)功能，下面依次討論各保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理。

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

一種為內(nèi)部互感器矢量和方式（接地保護(hù)），控制器根據(jù)三相電流和中性級電流矢量和進(jìn)行保護(hù)，根據(jù)斷路器極數(shù)分為3PT、4PT、（3P+N）T三種形式。該種方式一般適用于平衡負(fù)載;不平衡負(fù)載或電動機(jī)負(fù)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(hù)），控制器直接取外加的一個電流互感器的輸出電流信號進(jìn)行保護(hù)，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(hù)。

（2）負(fù)載監(jiān)控保護(hù)特性。負(fù)載監(jiān)控是在發(fā)生過載故障前的一種補(bǔ)救手段，當(dāng)線路中出現(xiàn)較大電流時通過舍棄一些負(fù)載來使電流減小。若智能脫扣器為上一級開關(guān)，下級有多條支路分別供電給不同性質(zhì)的負(fù)載，當(dāng)發(fā)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(fù)載，以保證重要負(fù)載的連續(xù)工作。

（3）電流不平衡保護(hù)特性。電流不平衡的保護(hù)可以對斷相和三相的電流不平衡進(jìn)行保護(hù)。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(xiàn)：

[1]梁錦，林友杰，李玲，彭磊，顏漸德.智能脫扣器電參量測量誤差的研究[J].湘潭大學(xué)自然學(xué)學(xué)報，2009（03）.

[2]邱杏飛.http：//d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y722816.aspx低壓斷路器智能控制器的研制[J].浙江大學(xué)，2005.