基于嵌入式控制技術(shù)的低壓智能斷路器研究

唐偉，段國艷，鐘偉

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息工程系，四川德陽，618000）

0 引言

低壓斷路器你是一種能根據(jù)外界的信號(hào)和要求，手動(dòng)或自動(dòng)地接通、斷開電路，以實(shí)現(xiàn)對電路或非電對象的切換、控制、保護(hù)、檢測的元件或設(shè)備。低壓斷路器，在低壓配電系統(tǒng)中起到切換電能和安全用電保護(hù)的作用，技術(shù)含量與經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在低壓電氣單元中，成本占比高，智能化程度低，因此，研究低壓斷路器的智能控制技術(shù)成為降低電氣基本單元成本，提升區(qū)域電網(wǎng)或全網(wǎng)的智能化水平的重要研究方向。斷路器在低壓配電系統(tǒng)中具有核心地位作用，不僅具有切換電能的作用，還具有滅弧、過載、過熱等保護(hù)作用?，F(xiàn)代智能斷路器所要研究的內(nèi)容不僅是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器功能，還需研究遠(yuǎn)程分合閘控制，電磁操作機(jī)構(gòu)，用電參數(shù)的檢測，用電數(shù)據(jù)狀態(tài)和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，斷路器的組網(wǎng)與通信功能，檢測數(shù)據(jù)的利用等，研究的方向應(yīng)引入現(xiàn)代嵌入式技術(shù)與操作機(jī)構(gòu)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，避免單一的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1 低壓電力斷路器的國內(nèi)外現(xiàn)狀

國際發(fā)展情況，（1）微處理器、光耦合技術(shù)、光纖等新技術(shù)以及新工藝、新材料和新理論運(yùn)用于低壓電器產(chǎn)品的改進(jìn)與更新。特別是為了適應(yīng)配電與控制系統(tǒng)不斷高級(jí)化、復(fù)雜化以及高度信息化時(shí)代的需要，在低壓電器智能化、組合化方面進(jìn)行了大量研究工作，目前國外歐美日本等國家的斷路器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第五代。（2）低壓斷路器的智能化與可通信成為主流發(fā)展技術(shù)，基本融入過程控制體系；大量現(xiàn)場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移到現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，對低壓電器產(chǎn)生重大的影響，目前國外各大公司推出可連接現(xiàn)場總線的具有通信能力的低壓電器，其中以德國西門子最為突出，其可通信的低壓電器，已可組成十分龐大的工業(yè)制系統(tǒng)，電力配電監(jiān)控系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。歐美日本等紛紛推出帶有內(nèi)置式工業(yè)以太網(wǎng)通信接口的低壓斷路器，并具有圖象顯示器能顯示所有信息，記錄故障發(fā)生前所有事件和數(shù)據(jù)，供故障后分析。（3）過電流保護(hù)新技術(shù)得到發(fā)展，已經(jīng)開始研發(fā)具有一般區(qū)域聯(lián)瑣、區(qū)域選擇性聯(lián)瑣保護(hù)的新一代低壓斷路器；發(fā)展帶短延時(shí)分?jǐn)喙δ艿腟MCB。（4）剩余電流斷路器技術(shù)取得了較大的發(fā)展。（5）低壓斷路器小型化與模塊化技術(shù)不斷提高，國外新一代斷路器各類附件發(fā)展很快，進(jìn)一步擴(kuò)大了斷路器功能。國外各大公司從2000年前后陸續(xù)推出了新興AC和MCCB[1]，通過最近幾年的不斷完善與系統(tǒng)擴(kuò)展，已形成了較為完善的新一代低壓斷路器。

國內(nèi)發(fā)展情況：（1）具有過載、失壓、過熱保護(hù)，但缺乏限流，短時(shí)延時(shí)，選擇性保護(hù)等。（2）斷路器控制系統(tǒng)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)居多，合閘動(dòng)力操作機(jī)構(gòu)主要以彈簧，電磁力為主，較少采用電動(dòng)和永磁等操作機(jī)構(gòu)。（3）斷路器合閘采用手動(dòng)控制，沒有智能化的遠(yuǎn)距離和遙控方式控制合閘技術(shù)。（4）智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度低，缺乏統(tǒng)一的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不能很好地融入到自動(dòng)化的過程控制體系中。隨著智能電網(wǎng)在國內(nèi)外引起的研究熱點(diǎn)，低壓電器的“智能化”和“可通信”最終將向智能電網(wǎng)方向發(fā)展，形成智能電網(wǎng)的低壓用戶端產(chǎn)業(yè)。斷路器的發(fā)展趨勢是采用高新技術(shù)，重點(diǎn)開發(fā)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可通訊化、制造高效化的智能斷路器和配電系統(tǒng)[2]。

低壓斷路器是低壓電器中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，技術(shù)含量與經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高，是低壓配電系統(tǒng)中地位最重要的產(chǎn)品[3]，目前斷路器的關(guān)鍵技術(shù)包括：大電流電弧分?jǐn)嗉夹g(shù)；過電流保護(hù)新技術(shù)；可通信與綜合智能化技術(shù)；低壓斷路器小型化與模塊化技術(shù)；低壓斷路器可靠性與環(huán)保技術(shù)[4]。

2 智能斷路器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與解決方案

傳統(tǒng)的低壓斷路器可靠性較高，有滅弧和過載保護(hù)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無通信功能，而新型的斷路器要具有智能功能就應(yīng)具備通信功能，通信功能和數(shù)據(jù)的挖掘利用成為新型智能斷路器的重點(diǎn)，同時(shí)考慮到智能斷路器整體化、模塊化的發(fā)展，以下幾點(diǎn)將成為設(shè)計(jì)新型智能斷路器的難點(diǎn)。（1）低成本、小型化、高可靠性的低壓斷路器中電磁和電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)及其控制技術(shù)；（2）為適應(yīng)大功率用電負(fù)載，斷路器的滅弧室的體積小型化問題成為難點(diǎn)，本文提出的解決的方案是減小引入過零電壓、過零電流技術(shù)降低電弧技術(shù)的研究，但零電壓、零電流切換技術(shù)目前處于技術(shù)的難點(diǎn)。（3）低壓斷路器的選擇性延時(shí)保護(hù)，保護(hù)的類別如過載、短路、漏電流、過壓、欠壓等，目前傳統(tǒng)斷路器難以全部覆蓋所有保護(hù)功能，智能斷路器雖然可以通過電參數(shù)采樣和微處理器實(shí)現(xiàn)，但對系統(tǒng)的處理速度要求高，如果這些保護(hù)功能采用傳統(tǒng)斷路器方式實(shí)現(xiàn)則設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度高，成本上升。（4）目前針對智能斷路器沒有統(tǒng)一的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，融入到自動(dòng)化的過程控制體系中缺乏統(tǒng)一的架構(gòu)，這將成為智能斷路器研制和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的難點(diǎn)，如現(xiàn)場總線與低壓電器元件之間的接口協(xié)議，低壓電氣元件與智能電網(wǎng)的接口協(xié)議，數(shù)據(jù)的挖掘與利用等成為智能低壓斷路器發(fā)展的技術(shù)障礙。

3 基于嵌入式控制技術(shù)的斷路器具有的基本特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)將具體被控對象與MCU結(jié)合，完成專門任務(wù)，因此具有針對性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)特點(diǎn)；因與具體任務(wù)結(jié)合，所以針對任務(wù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可盡量精簡、開發(fā)周期短、成本低；用MCU控制電磁機(jī)構(gòu)能簡化斷路器的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)；通過對流過斷路器的電流采集，有利于過載選擇性延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬時(shí)保護(hù)[5]，簡化過載保護(hù)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，便于模塊化設(shè)計(jì)和裝配，同時(shí)嵌入式控制技術(shù)能很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和利用，并實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)功能，作為智能電網(wǎng)的控制節(jié)點(diǎn)；同時(shí)嵌入式系統(tǒng)升級(jí)簡單，因此，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于斷路器能實(shí)現(xiàn)智能斷路器升級(jí)換代同步進(jìn)行，產(chǎn)品具有較長的生命周期。

4 基于嵌入式技術(shù)的智能斷路器解決方案

將嵌入式控制技術(shù)應(yīng)用于斷路器的研究，能較好的實(shí)現(xiàn)低壓斷路器分、合閘的遠(yuǎn)程控制，低壓斷路器的遠(yuǎn)距離通信、組網(wǎng)，具有選擇性延時(shí)分?jǐn)嗫刂坪蛥^(qū)域選擇性聯(lián)瑣保護(hù)[6]，區(qū)域電網(wǎng)故障診斷，電功率、電壓電流、用電時(shí)間等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。圖1給出了一種基于嵌入式控制芯片的智能斷路器方案示意圖。

圖1 基于嵌入式控制芯片的智能斷路器方案

圖1中，主線路的開關(guān)單元由常開觸頭和電磁控制機(jī)構(gòu)組成或電動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，當(dāng)開關(guān)單元的電磁線圈得電，常開觸頭閉合，失電，開關(guān)斷開，從而控制主線路上的負(fù)載通斷電；開關(guān)單元中的電磁線圈由MCU通過控制電路控制得電失電，控制電路可以是繼電器控制電路或可控硅電路，該控制電路的作用主要是驅(qū)動(dòng)開關(guān)單元的電磁線圈。在該方案中，通過紅外進(jìn)行遙控控制，同時(shí)通過WiFi實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。方案中，對電流、電壓的采集可以通過電能計(jì)量單元獲取，參數(shù)檢測的方式可以是接觸式或非接觸式，采集數(shù)據(jù)由電能計(jì)量單元經(jīng)過處理和計(jì)算再通過光耦送給MCU，MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判斷控制開關(guān)單元，可以實(shí)現(xiàn)過載、短路等保護(hù)控制，同時(shí)將用電參數(shù)，通過WiFi將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，管理部門或用電部門實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域配電等進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，圖1中，非隔離電源主要給電參數(shù)采集部分供電，隔離電源主要對MCU、光耦、數(shù)據(jù)傳輸通道和控制驅(qū)動(dòng)電路供電。該系統(tǒng)的軟件工作流程如下圖所示。

圖2 基于嵌入式控制技術(shù)的智能斷路器工作流程

5 結(jié)語

本文從低壓斷路器的發(fā)展過程著手，詳細(xì)分析了國內(nèi)外低壓斷路器的技術(shù)特點(diǎn)，并得出目前低壓斷路器發(fā)展的方向和急需解決的關(guān)鍵技術(shù)，將嵌入式可控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代斷路器的研究中，并給出智能低壓斷路器的一種具體解決方案，經(jīng)過原型機(jī)的研制，能較好的實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器的基本功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和遠(yuǎn)程控制等控制功能。