断路器智能控制器关键技术研究与软件实现

陈玉

（淮安普乐菲智能科技有限公司 江苏省淮安市 223302）

低压断路器是低压配电网用电安全保护核心元件。传统低压断路器为热磁式，采用双金属片和电磁机构来实现过载和短路保护，保护精度低、参数设置受限、环境温度影响较大。随着微处理器技术、电子技术的发展，低压断路器已经完成从传统的热磁式两段保护向电子式三段保护的升级，并逐步向智能化的方向发展。智能断路器内部集成智能控制器，除具备三段式保护外，还扩展一些其它功能，如剩余电流保护、故障预警、显示、记录、通信等，一定程度上提高了供电可靠性[1]。

智能断路器的控制部分称为电子式控制器，相关国家标准中对控制器的定义为“对电路中的电量信号进行采集、处理，并根据预先的设定值控制断路器的断开或报警，从而对被保护电路和设备进行保护的装置。该装置可以根据自身的设计情况配置有利于提高线路和设备安全运行的其它保护功能和辅助功能，例如：电量测量、区域连锁、负载监控、远程通信以及能效管理等功能”。

1 智能控制器关键技术

1.1 电网线路参数的测量方法

1.1.1 信号采样

电网参数为交流模拟量，智能控制器需要先通过AD 采样将模拟量转换为数字量，再进行各种电网参数的测量与计算，包括电压、电流、剩余电流、有功功率、无功功率等。采样是按一定时间间隔，将连续的模拟量转换为离散数字量的过程。受到处理器运算速度、转换时间等硬件限制，采样频率不可能无限制提高。根据采样定理，当采样频率大于原始信号频谱中最高频率的2 倍时，数字信号完整保留原始信号信息，可对原始信号进行不失真还原。

1.1.2 基于FFT 的电网参数测量方法

离散傅里叶变换是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式[2]，是将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换上的频域采样。由于DFT 计算量大，在嵌入式领域当中，通常采用快速傅里叶变换FFT 来计算DFT。FFT 大大降低了计算量，从而使傅里叶变换的应用变得更加广泛。

电压和电流为周期性函数，可以用傅里叶级数展开为直流分量和各次谐波分量的叠加，周期性函数x(t)的展开见式（1）：

其中：A0为直流分量；n 为谐波次数；An、Bn为傅里叶级数的系数；ω=2πf 为角频率。

在具体实现时，对采样的数据进行DFT 变换，展开后如式（2）所示：

1.2 过电流保护

1.2.1 热磁式两段保护

过流保护是智能断路器的重要功能之一。传统热磁式断路器具有过载和瞬时两段过流保护曲线，依靠附属在主回路上的双金属元件和电磁机构来实现。鉴于其工作原理，热磁式断路器很难做到动作值的精确设定，且受环境温度影响较大，一旦生产完成，其工作参数将很难调整。

图1：过载长延时保护原理流程图

图2：短路短延时保护原理流程

1.2.2 电子式三段保护

电子式断路器是实现了过电流的三段式保护，包括过载长延时、短路短延时和短路瞬时。各段保护的设定值及动作时间可在线配置，用户可以按需配置保护曲线，实现选择性保护，提高线路运行可靠性[3]。三段式保护特征曲线是线路回路电流I 与脱扣时间t 之间相互关系的函数。

（1）过载长延时特性。过载是指供电线路中的回路电流大于其能承受的额定电流的非正常运行状态。过载长延时保护具备反时限特征，实现方式如式（3）所示：

式中，IR：过载电流；TR：过载动作时间；Ir1：过载整定值；tR：长延时保护时间。

（2）短路短延时特性。短路短延时保护主要是为了实现选择性保护，在检测到线路电流大于短路短延时电流时，允许断路器在其短时耐受能力允许的情况下进行一段时间延时，等待下级断路器断开故障线路，避免造成越级跳闸。短路短延时保护具备反时限和定时限特征，其中反时限公式如式（4）所示：

式中，Is：短路电流；Ts：短路保护动作时间；Ir1：过载整定值；tS：短延时保护时间整定值。

（3）短路瞬时特性。短路瞬时保护是为了在线路电流急剧增大的情况下，能及时的分断线路而设置的。动作特性为定时限，国家标准要求动作时间小于200ms。

1.3 剩余电流保护

1.3.1 剩余电流保护原理

剩余电流是指通过线路的所有电流的矢量和，在正常情况下，线路中电流的矢量和为零，

此时，剩余电流互感器中流过的一次电流为零，二次侧的感应电流为零。

当线路发生漏电时，部分电流通过大地返回到电源端，剩余电流互感器中一次侧电流矢量和不为零，二次侧产生感应电流。对二次电流进行采样和计算，可得出线路中剩余电流。智能断路器的剩余电流保护为反时限型，剩余电流越大，跳闸动作时间越短。

1.3.2 自适应档位

由于线路绝缘水平下降，正常电网中会存在固有剩余电流，它受季节、天气等因素影响较大。变化的线路固有剩余电流会导致剩余电流保护设置困难。档位设置过小，会导致频繁跳闸，降低投运率；档位设置过大，线路的安全性又受到影响。为此，本文设计一种自适应档位机制，使控制器既可以对故障剩余电流做出正确保护动作，又可以适应不同的和变化的电网环境[4]。

自适应档位实现原理：将保护范围分为段，剩余电流保护档位依据条件在不同段之间自动调整。每个段又分为动作区、上浮区、保持区和下浮区。当线路剩余电流变化时，判断所处小分区。当处于动作区时，启动保护流程；当处于保持区时，档位保持不变；当处于上浮区或下浮区时，启动浮动流程，持续一定时间后，变换档位。

2 智能控制器关键技术的软件实现

2.1 电网参数测量与计算

本文以STM32F407 单片机为例说明电网参数的测量与计算。STM32F407 具有3 个12 位逐次逼近型ADC，可以独立使用，也可以使用双重/三重模式，从而提高采样速率。如上所述，控制器需要对电压、电流等模拟信号进行AD 采样，若每个信号周期采样64 个点，采样频率为3200Hz。这里采用定时器触发DMA 方式进行AD 采样。定时器产生312.5us 的中断用于触发新一轮的AD 采样，DMA 自动完成信号的连续采集，并将采样值放置到目标缓冲区中。为避免执行缓慢和数据丢失问题，采用DMA 双缓冲方式。在DMA中断中需要完成更换目标缓冲区，转存数据，重启定时器等。当完成周期64 个点的采样后，采用信号量同步计算任务进行数据处理[5]。

由于ST 公司提供的STM32F4DSP 库包含了FFT 函数供我们直接调用，所以关于FFT 计算部分比较简单。DSP 库里提供了定点和浮点FFT 实现方式，并且有基4 的也有基2 的，本文周期采样点数为64，所以选择运算速度更快的基4 算法。

2.2 三段过流保护实现

2.2.1 过载长延时

依据式（3），过载长延时动作时间是关过载电流的函数。程序实现时，将保护的计时过程模拟为导体的发热过程。首先根据所设置的过载长延时时间tR和过载长延时电流档位Ir1，计算出过载热量阈值QTR。以固定时间间隔对电流进行判断，并根据过载电流大小转换为模拟热量增量QCR，并将QCR累加过载模拟热量QR。

一方面，随时间t 的增加，热量QR不断累积，当热量达到过载热量阈值QTR时，发出跳闸指令；另一方面，随着电流的增大，热量累积的过程加快，从而实现动作时间的反时限特性。

过载长延时保护原理流程图如图1 所示。

2.2.2 短路短延时

短路短延时与过载长延时类似，其特性公式也反映了热量累积的过程。

依据式（4），首先根据所设置的短路短延时时间tS和过载长延时电流档位Ir1，计算出短路短延时热量阈值QTS。以固定时间间隔将采样到的电流转换为模拟热量增量QCS，并将QCS累加过载模拟热量QS。

一方面，随时间t 的增加，热量QS不断累积，当热量达到短路热量阈值QTS时，发出跳闸指令；另一方面，随着电流的增大，热量累积的过程加快，从而实现动作时间的反时限特性。

短路短延时保护原理流程如图2 所示。

2.2.3 短路瞬时

短路瞬时主要应对突发短路电流，国家标准要求动作时间小于200ms。本文的实现方式为连续三个周期检测到的值大于短路瞬时设定值，发出脱扣指令。其中，限定为连续三次主要是为了防止干扰导致误动作。

2.3 剩余电流档位自适应

自适应的基本原理已经在本文1.3.2 中阐述，实现的关键是电流分区的合理设置。

首先判断是否是第一次上电，如果是则需要初始定档为最高档；根据实时剩余电流大小，判断在当前档位下的所属分区；对当前分区持续时间进行计时，并清空其它分区的持续时间；持续时间大于设定阈值，则相应进行动作或调档等处理。

3 结束语

低压断路器是配电网中重要的设备，主要完成线路的保护与控制，保证配电网络的正常运行。随着我国智能电网的建设步伐日益加快，低压配电网的智能化要求也逐渐清晰，同时对低压断路器的功能和性能方面也提出了更高的要求，特别是在智能断路器的实时性和网络化方面。

本文对智能控制器设计所采用技术进行说明。首先，分析电网参数的测量理论，明确了采样频率以及计算方式；其次，分析了过电流保护的三段式动作特性，明确了过载长延时、短路短延时和短路瞬时的实现方式。最后以STM32F407 单片机为例，阐述了智能控制器关键技术的软件实现方式，包括采样与计算、三段式保护功能、漏电保护功能等。经实际产品测试与验证，以上流程可以直接用于断路器控制器的程序设计。