韓衛(wèi)兵

摘要：智能漏電監(jiān)測微型斷路器是智能電網(wǎng)中重要的低壓安全保護電器，具有藍牙無線組網(wǎng)和通信功能，主要用于對用戶剩余電流進行監(jiān)視與控制，支持短路瞬時保護、過載長延時保護功能，同時具備斷路器狀態(tài)判斷、故障指示及故障錄波功能，支持板級溫度檢測和萬年歷計時等功能，根據(jù)控制中心的要求，實時讀取本節(jié)點主回路的電流、剩余電流和斷路器的通斷狀態(tài)等參數(shù)，為控制中心提供供電決策依據(jù)，以確保供電和用電安全。

關(guān)鍵詞：無線組網(wǎng);智能;交流斷路器;用電安全

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）03-00112-04

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

近年來，我國居民和企業(yè)對于電能的需求量迅速增加，導(dǎo)致電網(wǎng)的容量激增，同時現(xiàn)代企業(yè)對供電穩(wěn)定性的要求也愈加苛刻[1]。小型斷路器在供電過程中起著非常重要的保護用電的作用，作為保護裝置廣泛應(yīng)用于日常民居及各種公共場所電氣線路的終端。當線路發(fā)生漏電、過載或短路故障時，小型斷路器能夠及時分斷觸頭，切斷線路，保護供電線路及設(shè)備[2]。

隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，支持無線組網(wǎng)功能的智能斷路器產(chǎn)品近年來開始顯露端倪，其優(yōu)勢在于性能穩(wěn)定、組網(wǎng)方便、功耗較低、便于維護，避免了485通信的布線繁雜與維護困難。

本文介紹了一種基于無線藍牙組網(wǎng)功能的智能交流斷路器的產(chǎn)品規(guī)范與性能特點、設(shè)計方案和試驗測試數(shù)據(jù)等。

1 產(chǎn)品規(guī)范與性能特點

1.1 智能斷路器設(shè)計滿足的規(guī)范和標準

（1）DL/T 645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》

（2）GB/T 16917.1-2014? 家用和類似用途的帶過電流保護的剩余電流動作斷路器（RCBO）

1.2 總體性能描述

該斷路器的性能特點主要有：

（1）額定工作電壓Ue為AC220V/50Hz;

（2）過電流保護功能：斷路器具有過載和短路保護功能;

（3）剩余電流保護功能：在剩余電流保護功能打開的情況下，超過剩余電流動作整定值時，在規(guī)定的延時時間內(nèi)剩余電流保護執(zhí)行動作;

（4）測量功能：主回路電流和剩余電流測量功能;

（5）故障電流錄波功能：將過載或短路電流保護脫扣前后各2個周波的電流波形上傳;

（6）狀態(tài)檢測功能：斷路器通斷檢測和過載或短路脫扣檢測;

（7）LED指示功能：LED指示斷路器運行狀態(tài)、通信狀態(tài)和故障狀態(tài);

（8）通信功能：將本地監(jiān)測的主回路電流、剩余電流以及斷路器的通斷、過載或短路脫扣狀態(tài)通過通信轉(zhuǎn)接模塊上傳監(jiān)控中心;

（9）試驗功能：具有試驗按鈕，在按動試驗按鈕時，能夠驗證斷路器剩余電流測量和保護動作的功能;

（10）支持無線藍牙自動組網(wǎng)，與上一級的塑殼斷路器自動連接;

（11）板級溫度檢測功能;

（12）計時功能：支持萬年歷計時和廣播校時;

（13）抗干擾能力強，工作可靠。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件方案介紹

該斷路器設(shè)備的硬件總體構(gòu)成由MCU電路、電源電路、雙金壓降監(jiān)測電路、漏電信號調(diào)理電路、脫扣驅(qū)動電路、復(fù)位電路、藍牙通信接口等部分組成，如圖1所示。下面依次就各電路子模塊功能與原理進行介紹。

2.1.1 控制系統(tǒng)電源

使用空心互感器測量主回路電流，電流測量和漏電流測量信號和主回路進行了隔離，采取上口取電的方案，即使在斷路器分閘的情況下，也能夠和電表進行正常通信。

2.1.2 信號采集與傳輸

過載保護與短路保護的信號由雙金兩端采集（雙金阻值一定時，流過的電流越大，雙金兩端的壓降越大），雙金采集的信號通過差分放大電路放大，放大后信號由單片機檢出并通過通信電路傳輸給控制系統(tǒng)。

2.1.3 漏電信號采集與傳輸電路

漏電采集電路由零序互感器將漏電信號檢出，通過運算放大電路，放大后由單片機采集處理。單片機將采集的漏電信號通過藍牙通信傳輸給中控系統(tǒng)，中控系統(tǒng)通過遠程通信可設(shè)定漏電動作時間、漏電動作電流和漏電跳閘功能開啟。

2.1.4 脫扣驅(qū)動電路

脫扣驅(qū)動電路主要用于驅(qū)動執(zhí)行器動作，脫扣電路的實現(xiàn)與執(zhí)行的工作電壓有關(guān)，需要與電器研發(fā)共同設(shè)計。

2.1.5 斷路器狀態(tài)檢測

斷路器下口L、N端子連接狀態(tài)檢測電路，并通過整流和光耦隔離給單片機輸出脈沖波形。斷路器在分閘時，沒有脈沖輸出，合閘時有脈沖輸出，單片機系統(tǒng)據(jù)此判定斷路器的分合閘狀態(tài)。

2.1.6 試驗按鈕檢測

試驗按鈕檢測電路與斷路器狀態(tài)檢測是一個整體檢測模塊，當試驗按鈕按下時，經(jīng)過整流和光耦隔離輸出的脈沖周期會延長1倍，以此區(qū)分試驗按鈕按下與否。

2.1.7 藍牙通信接口

BLE從模塊通過硬件SPI接口與斷路器進行設(shè)備數(shù)據(jù)交互，協(xié)議格式采用DLT/645通信協(xié)議。系統(tǒng)上電后BLE從模塊會循環(huán)讀取斷路器地址，讀取間隔為2秒，直到成功獲取斷路器地址。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 基本設(shè)計概念

為了降低軟件的設(shè)計復(fù)雜性，增強軟件的易維護、易修改和移植性特點，本系統(tǒng)軟件采用了程序的模塊化設(shè)計。

程序的模塊化設(shè)計中，選擇合適的模塊數(shù)量能降低模塊的復(fù)雜性，減少模塊之間的耦合并能增加模塊本身的內(nèi)聚性。結(jié)合本系統(tǒng)的功能需求和總體設(shè)計方案分析，現(xiàn)將其軟件總體分為8個模塊，分別為：計算模塊、LED顯示模塊、通信模塊、控制脫扣模塊、故障判斷、錄波保存、故障數(shù)據(jù)保存、系數(shù)校準。

計算模塊是通過計算采樣到的一個完整周波的剩余電流或電流對應(yīng)的AD值數(shù)組，將AD值與平均值相減后求平方和再開方，最后乘以對應(yīng)的系數(shù)，即可計算出剩余電流或電流的有效值。

LED顯示模塊用來以1Hz的頻率刷新顯示系統(tǒng)運行綠色LED。

藍牙通信模塊是與上位機（中繼器）通信模塊進行數(shù)據(jù)指令的讀寫操作。與上位機（中繼器）通信模塊響應(yīng)上位機發(fā)送過來的命令，實現(xiàn)上位機的相關(guān)操作，通信接口是SPI，軟件協(xié)議是DLT645-2007。

故障判斷模塊是分別判斷短路故障和過載故障的，具體判斷原理分別是短路故障根據(jù)瞬時采樣中連續(xù)2個點對應(yīng)的AD值大于一定的閾值，則判斷為短路;而過載故障是當前電流的有效值大于額定電流值的1.13倍，則系統(tǒng)脫扣并記錄為過載故障。上述兩個故障發(fā)生后，紅色故障LED點亮。

錄波保存模塊是將短路故障和過載故障發(fā)生前后的各兩個周波進行采樣轉(zhuǎn)換和保存，每個周波保存16個采樣點，采樣值經(jīng)過系數(shù)計算得到瞬時電流值并發(fā)送到上位機。

故障數(shù)據(jù)保存模塊是將故障發(fā)生類型、故障發(fā)生數(shù)值、故障設(shè)定參數(shù)在故障發(fā)生時將上述參數(shù)保存到系統(tǒng)的DataFlash中，當上位機軟件讀取時，可以正常讀出。

系數(shù)校準模塊包括剩余電流系數(shù)校準、電流I1系數(shù)校準、電流I2系數(shù)校準。

3.2 基本處理流程

單片機系統(tǒng)上電后，先進行一系列的初始化操作，包括：時鐘初始化、端口初始化、全局變量初始化、外設(shè)初始化等，之后進行主循環(huán)的操作，先后執(zhí)行的函數(shù)包括計算剩余電流有效值、計算電流I1有效值、計算I2有效值、LED顯示處理、通信數(shù)據(jù)處理、控制脫扣處理、過載短路故障處理、故障前后各2個周波保存處理、故障記錄保存和系數(shù)計算等。如圖2所示：

其中，通信數(shù)據(jù)處理的基本處理流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)樣機測試

4.1 測量功能

本斷路器具有主回路電流和剩余電流測量功能。電流有效值測量和剩余電流的需求指標如表1所示。

電流和剩余電流有效值測量值如表2所示。

4.2 電流保護功能

電流保護分為過載保護和短路保護，過載保護通過內(nèi)部雙金實現(xiàn)，過載保護動作值：1.13In～1.45In;短路保護通過電磁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，短路保護動作值：5In～10In。如表3所示：

4.3 剩余電流保護功能

斷路器剩余電流保護功能的開啟只能由遠程通信控制，出廠斷路器默認此功能為關(guān)閉。

剩余電流保護功能關(guān)閉時，斷路器作為從機根據(jù)監(jiān)控中心的命令要求上傳本地的剩余電流測量值，而不進行剩余電流保護。

當監(jiān)控中心需要某個節(jié)點的斷路器進行剩余電流保護時，其會給此節(jié)點的斷路器發(fā)送命令，將剩余電流保護功能開通，在開通使能的同時，監(jiān)控中心可設(shè)置剩余電流保護的動作整定值和動作延時時間。剩余電流保護功能開通的條件下，如果斷路器檢測到負載回路的剩余電流超過動作整定值，且連續(xù)時間達到所設(shè)置的延時時間，斷路器給內(nèi)部的執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出命令，使斷路器分斷。此時監(jiān)控中心可讀取斷路器脫扣狀態(tài)和斷路器分斷狀態(tài)，同時可讀取剩余電流動作的故障記錄。如表4所示。

剩余電流保護特性實際值如表5所示。

4.4 故障電流錄波功能

本斷路器具有故障電流錄波功能。

當斷路器發(fā)生過載或短路故障時，斷路器可以記錄到其脫扣前后各2個周波的電流實時值，每個周波固定頻率采集16個點，每個數(shù)據(jù)點以2個字節(jié)記錄。實際測試故障點前后的錄波數(shù)據(jù)和波形如圖4所示。

4.5 故障記錄功能

故障記錄功能是記錄最近一次發(fā)生故障的故障類型、故障參數(shù)值等，實際測試故障記錄信息如表6所示。

該故障記錄數(shù)據(jù)存儲在單片機內(nèi)部的DataFlash中，當故障發(fā)生時，故障記錄的數(shù)據(jù)會發(fā)生更新并保存，待上位機軟件讀取時，可以從DataFlash中讀出并回傳到上位機。

4.6 其他功能

該斷路器還具有板級溫度檢測、萬年歷計時、設(shè)備故障指示等功能，在此不再贅述。

5 結(jié)語

本文介紹了支持自動組網(wǎng)功能的智能小型交流斷路器軟硬件設(shè)計方案和試驗測試數(shù)據(jù)。該智能斷路器采用最新的藍牙無線組網(wǎng)和通信技術(shù)，除了傳統(tǒng)斷路器的基本功能外，還包括故障錄波、故障信息記錄、板級溫度檢測、萬年歷計時等功能。根據(jù)控制中心的要求，實時讀取本節(jié)點主回路的電壓、電流、剩余電流和斷路器的通斷狀態(tài)等參數(shù)，為控制中心提供供電決策依據(jù)，以確保供電和用電安全。

參考文獻：

[1] 龔駿昌.小型斷路器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電器與能效管理技術(shù)，2016（1）：1-7.

[2] 陳文華，張文，潘駿，等.小型斷路器操作機構(gòu)的動作可靠性分析[J].中國機械工程，2015，26（21）：2918-2922.

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