許陽陽

摘 ?要：隨著科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電器產(chǎn)品已無法滿足人們的需求，與此同時(shí)，我國(guó)智能電器控制技術(shù)取得了進(jìn)步和發(fā)展。該文將對(duì)智能化控制技術(shù)進(jìn)行介紹，并深入探究低壓電器智能化技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，以此來更好地推動(dòng)智能電器控制技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能化;智能控制器;控制技術(shù);微處理器

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展催生了一大批先進(jìn)技術(shù)，在該背景下，智能電器研發(fā)行業(yè)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能電器控制技術(shù)融合的越來越緊密，同時(shí)受到大眾的廣泛關(guān)注。人們對(duì)“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(fā)展。由此可見，智能化電器控制技術(shù)已經(jīng)成為推動(dòng)智能化電器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

1 智能化控制技術(shù)

智能化控制技術(shù)主要借助微處理器控制電器產(chǎn)品、各個(gè)元件以及電器電路系統(tǒng)，將智能控制技術(shù)應(yīng)用于低壓電器產(chǎn)品中，可發(fā)揮良好的監(jiān)督與控制作用，在遵循傳統(tǒng)的電器基本工作原理的基礎(chǔ)上，融入電子的處理方式，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制目的、保證電器良好的工作狀態(tài)。將智能化控制技術(shù)與電器行業(yè)相融合已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 智能化控制技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

為更加深入地了解智能電器控制技術(shù)，該文將對(duì)一種低壓電器產(chǎn)品ACB框架斷路器的智能控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)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(hù)功能，其并不具備智能化特點(diǎn)。但隨著技術(shù)的發(fā)展，為了能更好地滿足當(dāng)前配電系統(tǒng)的智能化要求，該文提出的智能控制器具有全面的電網(wǎng)參數(shù)量與保護(hù)、友好的人機(jī)交互界面、通信及在線升級(jí)等功能[1]。

2.2 智能控制器硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，由微處理器（MCU）與信號(hào)處理電路、電源電路、脫扣驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)交互模塊及通信模塊等組成。其中人機(jī)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(shè)定整定電流及動(dòng)作時(shí)間的同時(shí)，具有查看記錄信息、完成整定值的實(shí)時(shí)輸入和運(yùn)行狀態(tài)的簡(jiǎn)單指示的功能。

工作原理：電網(wǎng)信號(hào)通過互感器的變換轉(zhuǎn)換成二次側(cè)信號(hào)，將主回路大信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)處理電路后進(jìn)入微處理器的ADC模塊，MCU根據(jù)采樣的AD離散值進(jìn)行計(jì)算處理與分析，并且通過保護(hù)算法來監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)，一旦檢測(cè)到故障，MCU便會(huì)發(fā)出脫扣信號(hào)，驅(qū)動(dòng)脫扣部件動(dòng)作，使斷路器分?jǐn)??；谶@一原理設(shè)計(jì)的智能控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的搜集和測(cè)控，可對(duì)電器運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理[2]。

2.3 智能控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件方面采用NXP的ARM Cortex-M0+微處理器，基于MCUXpresso IDE開發(fā)平臺(tái)編程及仿真，并加入白盒、黑盒測(cè)試，可進(jìn)一步保證軟件系統(tǒng)的穩(wěn)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(chǔ)上，使電子控制單元對(duì)于電網(wǎng)參量的監(jiān)測(cè)具備較高的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)的主要功能任務(wù)包括系統(tǒng)初始化、電網(wǎng)參數(shù)信號(hào)處理、保護(hù)處理、輸出控制、人機(jī)交互處理、通信處理、在線升級(jí)模塊等。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 信號(hào)處理技術(shù)

市場(chǎng)對(duì)電力量測(cè)的要求越來越高，要求實(shí)現(xiàn)電流及電壓、功率、電能、諧波等量測(cè)功能。

信號(hào)處理技術(shù)始終是智能低壓電器控制的關(guān)鍵之一。主回路電流信號(hào)由空心電流互感器（CT）負(fù)責(zé)采集，空心CT通過di/dt的變化量，將大電流信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。由于電感的相位超前效應(yīng)，還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理復(fù)原。電路采用積分回路（低通濾波器）來滯后信號(hào)，起到相位補(bǔ)償?shù)淖饔谩?yīng)選取適當(dāng)?shù)慕刂诡l率，使其衰減系數(shù)與電流諧波次數(shù)近似成正比。主回路電壓信號(hào)由電壓互感器（PT）負(fù)責(zé)采集，同理需要在后端電路追加相位補(bǔ)償。主回路剩余電流信號(hào)采用零序電流互感器（ZCT）來檢測(cè)[3]。

以上信號(hào)采集回路均需要經(jīng)過放大、電位提升后，再進(jìn)入MCU的ADC單元，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，MCU每周期采樣64個(gè)AD值，捕捉信號(hào)的波形，再基于均方根的算法實(shí)現(xiàn)電流電壓有效值的計(jì)算?；谌哂?jì)/二瓦計(jì)法來計(jì)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(xié)助用電設(shè)備分配，改善用電質(zhì)量，協(xié)助分析用電設(shè)備或保護(hù)設(shè)備的故障原因。

3.2 保護(hù)處理技術(shù)

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

電流保護(hù)主要為過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)及短路瞬時(shí)保護(hù)、接地故障保護(hù)，其是保證智能電器正常使用的關(guān)鍵。過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)采用的是反時(shí)限動(dòng)作特性的保護(hù)方式，其原理是模擬雙金屬片過電流時(shí)熱效應(yīng)的積累，動(dòng)作時(shí)間隨故障電流的增大而自動(dòng)減小。如果能量積累到一定程度，發(fā)現(xiàn)主回路電流將對(duì)設(shè)備造成損壞，MCU發(fā)出脫扣指令。短路短延時(shí)和接地故障保護(hù)采用反時(shí)限特性和定時(shí)限特性的保護(hù)方式，短路瞬時(shí)保護(hù)是當(dāng)監(jiān)測(cè)到相電流大于瞬時(shí)保護(hù)值時(shí)，不需延時(shí)立即發(fā)出脫扣指令，可盡可能避免短路對(duì)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(hù)如電壓、頻率、功率的保護(hù)均采用定時(shí)限動(dòng)作特性的保護(hù)方式。當(dāng)對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)參數(shù)超過對(duì)應(yīng)的保護(hù)設(shè)定門限時(shí)，延時(shí)時(shí)間T進(jìn)行累加，如果達(dá)到延時(shí)T，則發(fā)出脫扣指令或報(bào)警信號(hào)。

3.3 通信技術(shù)

眾所周知，計(jì)算機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，無疑成為人們生活的重要組成部分。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他多種高科技技術(shù)融合，以此來打造具有良好數(shù)字化性能的通信系統(tǒng)。在國(guó)家大力倡導(dǎo)“節(jié)能減排”的大環(huán)境下，以科學(xué)的手段對(duì)各種電力參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)收集并分析，智能化的電能管理，掌握相應(yīng)的變化規(guī)律，將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

控制器采用的通信技術(shù)基于MCU的UART模塊，搭配控制轉(zhuǎn)換芯片MAX485將TTL電平轉(zhuǎn)為RS-485電平，以此來作為連接外部設(shè)備的接口。由主站（上位機(jī)）發(fā)起詢問（發(fā)起通信），從站（智能控制器）在UART中斷接收到主站發(fā)出的請(qǐng)求，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷解析后，作相應(yīng)的應(yīng)答。通信數(shù)據(jù)幀格式可設(shè)置奇偶校驗(yàn)、停止位，波特率范圍1 200 bit/s～38 400 bit/s。集“四遙”（遙信、遙測(cè)、遙調(diào)及遙控）功能于一體，基于Modbus、TCP/IP協(xié)議建立的低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，既可通過PC端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可以通過移動(dòng)設(shè)備端（手機(jī)App）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在實(shí)踐過程中不斷提高對(duì)電器的診斷能力，提高智能系統(tǒng)的自動(dòng)化程度與可靠性，實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的智能化管理。

3.4 在線升級(jí)技術(shù)

框架斷路器一般都安裝在電力盤柜上，用戶功能升級(jí)或有功能客制需求時(shí)，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(guān)，這樣的操作非常麻煩，甚至有可能會(huì)損壞開關(guān)。因此，加入了在線升級(jí)技術(shù)，引入BootLoader處理程序，實(shí)現(xiàn)用戶程序的引導(dǎo)啟動(dòng)和固件自更新2個(gè)功能。在不需要拆裝更換開關(guān)的情況下，直接通過通信接口將更新的程序燒錄到產(chǎn)品中，減少了公司售后服務(wù)的難度及售后成本，也提升了產(chǎn)品性能。

4 結(jié)語

智能化的應(yīng)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(zhì)量、為相關(guān)企業(yè)謀求了更多的經(jīng)濟(jì)效益。為了推動(dòng)智能化電器行業(yè)的發(fā)展，需要加強(qiáng)對(duì)通信技術(shù)、智能化控制技術(shù)以及信息技術(shù)的研究，在實(shí)踐應(yīng)用的過程中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，推動(dòng)智能化電器進(jìn)入全新的時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

[1]徐曉玲，胡康榮，劉珺.智能交流電力電子開關(guān)的研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，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(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（9）：139，141.

[3]李國(guó)朝，韓九強(qiáng).一種新型智能脫扣器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，15（3）：375，377.