智能電流保護控制器研究

天津航空機電有限公司 劉健勇

智能電流保護控制器是一種用于電力系統(tǒng)的保護設(shè)備，其主要功能是監(jiān)測和保護電路中的電流，檢測設(shè)備運行時的電流異常、故障和過載情況，并采取中斷、隔離控制措施，避免電流故障對設(shè)備造成不良影響。智能控制器按照邏輯算法運轉(zhuǎn)，在電流數(shù)據(jù)處理中，支持電流信號值的求取計算，響應速度較快，具備可靠性、安全性等優(yōu)勢。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 智能電流保護控制器功能實現(xiàn)

1.1 基本功能

智能電流保護控制器的主要作用及功能，包括實時監(jiān)測、故障檢測和自適應保護。智能電流保護控制器，可以實時監(jiān)測電路中的電流變化，并對異常情況作出快速響應，在電力設(shè)備運行過程中，電流參數(shù)會通過高精度的電流傳感器，并將信號傳遞給控制器，在人機交互界面內(nèi)顯示。同時，智能電流保護控制器能夠檢測電路中的故障情況，如短路、過載等。當電流超過設(shè)定的閾值，或出現(xiàn)異常變化時，其會發(fā)出警報或采取相應的保護措施。智能電流保護控制器，同樣具備負載保護功能，可根據(jù)電力設(shè)備的實際情況和負載變化，自動調(diào)整保護策略和參數(shù)設(shè)置，該過程主要應用電流波形、頻譜分析等方法，判斷故障類型，并采取相應的保護動作。通過上述措施的運用，保護電力系統(tǒng)的安全。

1.2 保護控制功能

1.2.1 故障表現(xiàn)

本文研究的設(shè)備主要針對電力設(shè)備運行時所采取的保護措施。因電流所產(chǎn)生的電力設(shè)備故障主要為過載、短路兩種。當電流超過設(shè)備的額定容量或設(shè)計能力時，會導致設(shè)備過載。過載可能引起設(shè)備發(fā)熱、熔斷器跳閘、保護裝置動作等問題，嚴重時還會引發(fā)設(shè)備損壞或火災風險。短路是指電流在電路中繞過正常路徑，直接通過低阻抗通路流過的現(xiàn)象。該故障使電流迅速增大，引發(fā)電弧、電火花和爆炸，同時對設(shè)備和電路造成損壞。因此，智能電流保護控制器應具備基本的過載保護和短路保護基本功能[1]。

1.2.2 過載保護

大部分電力設(shè)備故障與溫度有關(guān)，而電流過載情況下，會呈現(xiàn)出反時限特性，即過載倍數(shù)會影響到運行時間。因此，在電流過載保護控制上，應根據(jù)設(shè)備的反時限特性，計算動作時間，以確保過載狀態(tài)下設(shè)備不會突然出現(xiàn)嚴重故障。常規(guī)反時限曲線表達公式如下：

上述公式之中，T 表示過載保護時間，Tp為常數(shù)，I 為有效電流，Ib為電流整定值。按照一般設(shè)備的標準要求，在t 值的取值上，會略微降低標準，取常規(guī)值為0.14，在極限狀態(tài)或者非常狀態(tài)下，則取值最高為8。在電力設(shè)備保護和管理期間，受單片機運行指數(shù)的影響，在控制保護過程中的響應時間、動作時間會影響過載保護的效果，其動作時間計算公式如下：

公式中的N 表示間隔時長，t 表示動作時間，K為常數(shù)，r 表示保護數(shù)值。當電力設(shè)備在運行階段出現(xiàn)過載故障問題時，傳感器裝置會實時采集到設(shè)備的溫度、電流等參數(shù)，判斷不同時間段內(nèi)是否出現(xiàn)熱積累現(xiàn)象，且在過載問題產(chǎn)生時，則利用公式累計求和，其數(shù)值超過K 時，發(fā)送命令觸發(fā)斷閘保護。但在電力設(shè)備運行期間，容易出現(xiàn)動態(tài)過載現(xiàn)象，應在公式中加入第N 個電流有效值，確定采樣的周期，最終確定計算結(jié)果為20ms，可滿足全周期采樣的基本要求。

1.2.3 短路保護

相較而言，電流引發(fā)的短路故障比過載故障損失更大，會導致電力設(shè)備因過熱損壞，且在短路同時也會產(chǎn)生較大的電動力，甚至設(shè)備會出現(xiàn)誤動作問題。智能控制器在監(jiān)測并獲取電流參數(shù)時，其電流有效值如果超出正定值8倍以上，則系統(tǒng)會判斷出現(xiàn)了短路。但該過程中可能需要耗費大量的時間，甚至超過一個工頻周期，無法起到有效保護的作用。因此，控制器在短路保護中，則通過檢測電流短路變化率，對短路電流進行早期檢測。以電力設(shè)備運行過程中的單相短路故障為例，在短路產(chǎn)生且未達到峰值時，基于電流變化情況，進行短路判斷和分析，將短路故障所造成的影響降至最低。短路電流與實際電流之間存在一定的差異，具體短路電流模型如圖1所示。

圖1 短路電流模型圖

圖中的u（t）表示等效電源，R 為電阻，L 為等效數(shù)值。在短路故障發(fā)生時，電流的幅值會瞬間變化，且電壓相位角也會發(fā)生改變。但由于電力設(shè)備在運行階段會存在大量的噪聲，無法判斷是否真正出現(xiàn)因短路導致電流變化率過大的情況。因此，在采集的電流信號中，應將噪聲過濾、清除。由于智能控制器的體積較小，且噪聲濾除算法復雜，選擇均值算法可實現(xiàn)噪聲濾除的過程，尤其是在噪聲疊加的情況下，仍可使用，具體噪聲信號表達如下：

在信號處理過程中，考慮到噪聲的隨機性，需要在短時間內(nèi)完成多次的信號采集。具體計算公式如下：

在上述公式之中，i 表示定量測試，N 表示采集次數(shù)，該次數(shù)與音質(zhì)之間呈現(xiàn)出反比例的關(guān)系，且最終計算的電流信號更加接近短路信號。因此，在智能控制器的單片機設(shè)備選擇上，應確保在一個工頻周期內(nèi)，滿足2W 以上采樣數(shù)量的基本要求，且在樣本中可得到50個左右的均值對比。因此，短路保護控制器的采樣頻率設(shè)置參數(shù)為1MHz，經(jīng)過信號去噪處理和數(shù)值計算，短路故障發(fā)生時能夠在2ms 內(nèi)檢測出是否故障，且在0.5s 內(nèi)即可執(zhí)行保護動作，采取中斷操作措施[2]。

1.3 電流有效值測算

智能控制器在保護操作過程中，獲取電流有效值是關(guān)鍵，也是執(zhí)行開關(guān)中斷保護的基礎(chǔ)內(nèi)容。智能控制器的質(zhì)量會受到電流有效值測量精度的影響，且直接作用動作結(jié)果的準確性。電力設(shè)備在交—直、直—交變化過程中，電流會產(chǎn)生諧波，使原本電流的正弦特征發(fā)生改變。傳統(tǒng)的電流有效值測量方法無法滿足電流正弦特征發(fā)生變化的要求。因此，本系統(tǒng)應用的智能電流控制器，在有效值計算方面應滿足不同波形、不同頻率下電流有效值的測量，且能夠直接反饋熱損耗。以單片機為基礎(chǔ)，通過軟件算法的配置，將離散傅里葉變換和均方根計算方法結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)電流有效值的精準測量。前者是通過序列矩陣，采用2k2-k 次數(shù)的運算，完成電流信號的處理。在電流有效值計算上，考慮到直流分量、基波數(shù)值、諧波有效值，計算電流有效值，具體公式如下：

公式中的R0表示直流分量，R1表示基波數(shù)值，R2表示諧波有效值。由于該算法的運算量比較大，電流保護控制器的單片機往往難以滿足實際電流信號測量的基本要求。因此，在含有諧波的電流有效值計算上，則應用均方根算法，其具體計算公式如下：

公式中的T 表示周期，i 表示電流信號，t 表示瞬時時間。該算法應用具有較高的轉(zhuǎn)換精度，且對10次諧波電流能夠?qū)崿F(xiàn)精度的測量[3]。

2 智能電流保護控制器硬件設(shè)計

2.1 電源設(shè)計

控制器內(nèi)置Cortex-M4內(nèi)核，主頻參數(shù)為168M，內(nèi)置32位定時器，具備串口調(diào)試功能，且自帶平行結(jié)構(gòu)，SPI 接口數(shù)量多達3個，CAN 接口數(shù)量2個?？刂破麟娫茨K的交流電壓數(shù)值為24V，而直流電壓則在四種狀態(tài)下轉(zhuǎn)換。穩(wěn)壓器基于開關(guān)狀態(tài)工作，通過引腳接通和斷開控制電壓，完成電流控制過程。在電源設(shè)計后，裝置的運行穩(wěn)定性會顯著提升。

2.2 電路設(shè)計

智能電流控制器具備信號采集、信號處理功能，配置信號采集電路和調(diào)理電路。前者主要利用互感器實現(xiàn)，額定輸入、輸出電流參數(shù)為2mA，在輸出側(cè)接線直流電阻時，則可實現(xiàn)電壓信號與電流信號之間的轉(zhuǎn)換。本項目中，電流信號采集中，互感器類型為鐵芯電磁式，額定電流為32A，滿足超過額定電流15倍參數(shù)的短路保護，且最大輸入電流數(shù)值為480A，數(shù)據(jù)采集時電阻數(shù)值為10Ω。在電流信號調(diào)理過程中，會根據(jù)輸入和輸出電壓值計算，并對信號調(diào)理，得到信號源等效值。采用仿真設(shè)計方法，其信號源的等效值為3V，電流信號為正弦信號，參數(shù)值為20Hz，利用電路的仿真功能，完成信號調(diào)理和信號波形優(yōu)化。通信模塊應用PROFIBUS 芯片，內(nèi)置RS485接口，工作電壓值為3.3V[4]。

2.3 繼電器輸出模塊

智能控制器內(nèi)部配備繼電器輸出模塊，用于實現(xiàn)對電流保護動作的控制和執(zhí)行。繼電器輸出模塊可根據(jù)保護程序的判斷結(jié)果，觸發(fā)相應的繼電器動作，以達到斷開或閉合電路的目的。繼電器輸出模塊與被保護設(shè)備或電路之間連接。根據(jù)實際需要，繼電器輸出模塊與斷路器、接觸器、開關(guān)等設(shè)備相配合，實現(xiàn)對電路的斷開或閉合控制。運轉(zhuǎn)期間，繼電器輸出模塊會接收來自電流保護程序的信號，根據(jù)信號的狀態(tài)和處理結(jié)果，完成繼電器的控制。例如，當電流異常或超過設(shè)定閾值時，控制模塊會觸發(fā)繼電器閉合或斷開，以實現(xiàn)相應的保護動作。

3 智能電流保護控制器軟件設(shè)計

3.1 電流保護程序設(shè)計

電流保護程序是其核心功能之一，負責檢測電流，并根據(jù)設(shè)定保護邏輯，做出保護動作。按照故障類型，其程序內(nèi)容覆蓋過載保護、短路保護和其他保護。智能電流保護控制器通過電流傳感器或電流變送器采集電路中的電流信號。采集到的電流數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理和濾波等處理步驟，以確保數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。處理后的數(shù)據(jù)可用于后續(xù)的分析和判斷?；谠O(shè)定的保護邏輯和算法，智能電流保護控制器對電流實時判斷和分析。保護邏輯通常包括設(shè)定的電流閾值、時間延遲、差動比較等條件，用于判斷是否存在電流異?；蚬收锨闆r。根據(jù)故障檢測的結(jié)果和設(shè)定的保護策略，電流保護程序會觸發(fā)相應的保護動作。保護動作包括斷路器跳閘、觸發(fā)報警、發(fā)送通知等，以防止故障擴大或?qū)υO(shè)備和系統(tǒng)造成損害。當電流保護程序觸發(fā)保護動作時，會發(fā)出報警信號，并將相關(guān)信息記錄下來。報警可以通過聲音、燈光、界面提示等方式完成。同時也能記錄故障發(fā)生的時間、位置和詳細信息，以便后續(xù)的故障診斷和處理。

3.2 實時時鐘程序設(shè)計

保護控制器配備實時時鐘（RTC）程序，用于提供準確的時間信息，并與其他功能模塊同步，時間呈現(xiàn)誤差與系統(tǒng)誤差應滿足毫秒級的標準要求。在軟件系統(tǒng)中實時時鐘程序首先會獲取當前的時間信息，并通過內(nèi)部的時鐘芯片通信，以獲取準確的當前時間。在獲得當前時間后，實時時鐘程序會與其他功能模塊做時間同步。其目的在于確保不同模塊的操作均基于相同的時間基準，以避免時間差異導致的錯誤或不一致性。為了保持時間的準確性，實時時鐘程序會定期進行時間校準，根據(jù)內(nèi)部的時鐘補償機制來調(diào)整系統(tǒng)時間，以消除時間漂移和誤差。

綜上所述，智能電流保護控制器具備實時監(jiān)測、故障監(jiān)測、自適應保護的功能，且核心CPU 具備數(shù)據(jù)記錄功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理電流異常情況，保護電力設(shè)備和系統(tǒng)的安全運行。該系統(tǒng)具備高精度、自適應性和可編程性等特點，在眾多電力設(shè)備的電流保護應用中均具有適應性，且在獲取電氣設(shè)備信號時，可發(fā)送指令，檢測預期電流，實現(xiàn)過載、短路保護功能。