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        支持無線組網(wǎng)功能智能漏電監(jiān)測微型斷路器的設(shè)計(jì)

        2022-03-12 18:19:38韓衛(wèi)兵
        電腦知識與技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:用電安全智能

        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(hù)電器,具有藍(lán)牙無線組網(wǎng)和通信功能,主要用于對用戶剩余電流進(jìn)行監(jiān)視與控制,支持短路瞬時保護(hù)、過載長延時保護(hù)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(jì)時等功能,根據(jù)控制中心的要求,實(shí)時讀取本節(jié)點(diǎn)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(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1009-3044(2022)03-00112-04

        開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)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(hù)用電的作用,作為保護(hù)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(dāng)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?jǐn)嘤|頭,切斷線路,保護(hù)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(hù),避免了485通信的布線繁雜與維護(hù)困難。

        本文介紹了一種基于無線藍(lán)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(diǎn)、設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)等。

        1 產(chǎn)品規(guī)范與性能特點(diǎn)

        1.1 智能斷路器設(shè)計(jì)滿足的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

        (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(hù)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(diǎn)主要有:

        (1)額定工作電壓Ue為AC220V/50Hz;

        (2)過電流保護(hù)功能:斷路器具有過載和短路保護(hù)功能;

        (3)剩余電流保護(hù)功能:在剩余電流保護(hù)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(hù)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(hù)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(yùn)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(yàn)功能:具有試驗(yàn)按鈕,在按動試驗(yàn)按鈕時,能夠驗(yàn)證斷路器剩余電流測量和保護(hù)動作的功能;

        (10)支持無線藍(lán)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(jì)時功能:支持萬年歷計(jì)時和廣播校時;

        (13)抗干擾能力強(qiáng),工作可靠。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        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(lán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行正常通信。

        2.1.2 信號采集與傳輸

        過載保護(hù)與短路保護(hù)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(jī)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(yùn)算放大電路,放大后由單片機(jī)采集處理。單片機(jī)將采集的漏電信號通過藍(lán)牙通信傳輸給中控系統(tǒng),中控系統(tǒng)通過遠(yuǎn)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(shí)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(jì)。

        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(jī)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(jī)系統(tǒng)據(jù)此判定斷路器的分合閘狀態(tài)。

        2.1.6 試驗(yàn)按鈕檢測

        試驗(yàn)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(dāng)試驗(yàn)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(yàn)按鈕按下與否。

        2.1.7 藍(lán)牙通信接口

        BLE從模塊通過硬件SPI接口與斷路器進(jìn)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(jì)

        3.1 基本設(shè)計(jì)概念

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

        程序的模塊化設(shè)計(jì)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(jì)方案分析,現(xiàn)將其軟件總體分為8個模塊,分別為:計(jì)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(zhǔn)。

        計(jì)算模塊是通過計(jì)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(jì)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(yùn)行綠色LED。

        藍(lán)牙通信模塊是與上位機(jī)(中繼器)通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)指令的讀寫操作。與上位機(jī)(中繼器)通信模塊響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送過來的命令,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)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(diǎn)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(dāng)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(diǎn)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(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換和保存,每個周波保存16個采樣點(diǎn),采樣值經(jīng)過系數(shù)計(jì)算得到瞬時電流值并發(fā)送到上位機(jī)。

        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(dāng)上位機(jī)軟件讀取時,可以正常讀出。

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

        3.2 基本處理流程

        單片機(jī)系統(tǒng)上電后,先進(jìn)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(jìn)行主循環(huán)的操作,先后執(zhí)行的函數(shù)包括計(jì)算剩余電流有效值、計(jì)算電流I1有效值、計(jì)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(jì)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(jī)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(biāo)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(hù)功能

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

        4.3 剩余電流保護(hù)功能

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

        剩余電流保護(hù)功能關(guān)閉時,斷路器作為從機(jī)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(jìn)行剩余電流保護(hù)。

        當(dāng)監(jiān)控中心需要某個節(jié)點(diǎn)的斷路器進(jìn)行剩余電流保護(hù)時,其會給此節(jié)點(diǎn)的斷路器發(fā)送命令,將剩余電流保護(hù)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(hù)的動作整定值和動作延時時間。剩余電流保護(hù)功能開通的條件下,如果斷路器檢測到負(fù)載回路的剩余電流超過動作整定值,且連續(xù)時間達(dá)到所設(shè)置的延時時間,斷路器給內(nèi)部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令,使斷路器分?jǐn)唷4藭r監(jiān)控中心可讀取斷路器脫扣狀態(tài)和斷路器分?jǐn)酄顟B(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(hù)特性實(shí)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(dāng)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(shí)時值,每個周波固定頻率采集16個點(diǎn),每個數(shù)據(jù)點(diǎn)以2個字節(jié)記錄。實(shí)際測試故障點(diǎn)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(shí)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(jī)內(nèi)部的DataFlash中,當(dāng)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(jī)軟件讀取時,可以從DataFlash中讀出并回傳到上位機(jī)。

        4.6 其他功能

        該斷路器還具有板級溫度檢測、萬年歷計(jì)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(jì)方案和試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。該智能斷路器采用最新的藍(lán)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(jì)時等功能。根據(jù)控制中心的要求,實(shí)時讀取本節(jié)點(diǎn)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(xiàn):

        [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(jī)構(gòu)的動作可靠性分析[J].中國機(jī)械工程,2015,26(21):2918-2922.

        【通聯(lián)編輯:代影】

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