摘　要： 對我國塑殼斷路器技術現狀進行分析，著重分析了基于TI公司MSP430F167微處理器的一種塑殼斷路器智能脫扣控制器的硬件模塊（包括電流輸入、電源，信號調理，單片機系統和工作方式等）和軟件設計（包括算法分析、數據采樣、頻率測量、程序結構等）的原理和技術特點。最后對我國低壓電器行業特別是智能塑殼斷路器進行了技術和市場的展望。 關鍵詞： 低壓電器　塑殼斷路器　智能控制器 0 引言 　　隨著計算機技術和通信技術引入低壓電器，人們越來越多地提到智能電器的概念。所謂智能電器就是具有自動檢測自身故障、自動測量、自動控制、自動調節和與遠方控制中心通信等功能的電器設備。國內目前對低壓電器智能化的研究主要集中在以下幾個方面：設備的在線監測、信號采集及處理新方法的研究、電器本體的研究、智能電器可靠性及控制部分抗干擾能力的研究、通信的實現方法等。 　　塑殼斷路器是一種非常重要的低壓電器。目前我國生產的塑殼斷路器大體分為三代，第一代產品目前占有的市場份額約為35%；第二代產品為更新換代產品以及引進國外技術生產的產品，目前占有市場約40%份額，但隨著國外大公司產品的進入，其占有份額明顯下降；第三代產品為跟蹤國外新技術而自行開發的產品，目前市場占有率不到25%。西方國家在20世紀90年代后期推出了智能化、可通信的第四代產品，具有前幾代產品的許多優點，顯示出塑殼斷路器的發展趨勢。 　　總的來說，我國塑殼斷路器產品的技術含量比較低，它的智能化已受到了行業越來越多的關注。本文結合國內外塑殼斷路器的現狀，針對MB30系列塑殼斷路器，提出塑殼斷路器智能化的一種具體實現方法。 1 塑殼斷路器 　　在低壓配電系統中，塑殼斷路器的應用非常廣泛，它一般可用于配電饋線控制和保護、小型配電變壓器的低壓側出線總開關，動力配電終端控制和保護，以及住宅配電終端控制和保護，也可用于各種生產機械的電源開關。50A以下小容量的塑殼斷路器采用非貯能式閉合，手動操作；大容量斷路器的操動機構采用貯能式閉合，可以手動操作，亦可由電動機操作，電動機操作可實現遠方遙控操作。塑殼斷路器的額定電流一般為6～630A，有單極、二極、三極和四極；目前已有額定電流為800～3000A的大型塑殼式斷路器。 　　塑殼斷路器的保護功能由欠壓脫扣器、過電流脫扣器、分勵脫扣器等各種脫扣器來實現。欠壓脫扣器用來監視工作電壓的波動，當電網電壓降低至70% ～35%額定電壓或電網發生故障時，斷路器可立即分斷，在電源電壓低于35%額定電壓時，能防止斷路器閉合；帶延時動作的欠壓脫扣器，可防止因負荷陡升引起的電壓波動造成斷路器不適當地分斷。分勵脫扣器用于遠距離遙控或熱繼電器動作分斷斷路器。過電流脫扣器還可分為過負荷脫扣器和短路脫扣器，用于防止過載和負載側短路。一般斷路器還具有短路鎖定功能，用來防止斷路器因短路故障分斷后、故障排除前再合閘；斷路器具有輔助觸點，一般有常開觸點和常閉觸點，輔助觸點供信號裝置和智能式控制裝置使用。 　　傳統的塑殼斷路器采用熱動式脫扣控制方式，利用負荷電流的熱效應使雙金屬片受熱彎曲產生變形控制脫扣。由于雙金屬片的形狀結構和熱變形精度難以保證，因而斷路器脫扣延時時間難以精確控制，斷路器斷流精度不高。同時，它還有功能不完善的缺點，例如缺相故障無法判斷、引起斷路器故障的原因用戶無法知道、維修不便等缺陷。 　　用智能脫扣控制器去控制斷路器脫扣，徹底消除了傳統脫扣器的缺陷，并且為塑殼斷路器技術上的革新奠定了基礎，使塑殼斷路器更容易用于低壓配、用電信息網系統，發展成為基于現場總線支持的智能化、網絡化、信息化的智能電器。 2 塑殼斷路器智能控制器 2.1 硬件模塊設計 　　塑殼斷路器智能控制器硬件包括電流輸入、電源模塊、前置處理、CPU系統、電位器調整、通信接口、人機交互插件、出口驅動、指示燈、按鍵操作、維護接口等部分，見圖1。 2.1.1 電流輸入 　　用3個電流互感器將三相電流轉換為與智能控制器相匹配的交流電流信號，經過電壓取樣電路變換為交流電壓信號。 2.1.2 電源模塊 　　塑殼斷路器引入三相交流電壓，智能控制器從輸入的交流電壓中獲取能量，經過處理后得到2個獨立的+5V電源，分別供給光耦兩側使用，以實現電氣隔離。同時還得到一路+12V電源，供驅動出口繼電器使用。 2.1.3 信號調理 　　電流信號經電壓取樣后，經過射極跟隨器、一階無源抗混迭低通濾波、放大調理電路后變成與單片機系統相適應的交流電壓信號。利用射極跟隨器將電壓取樣電路和后置處理電路隔開，減少后置電路阻抗對電壓取樣電路的影響；一階無源抗混迭低通濾波的截止頻率滿足仙農采樣定律,濾掉頻率在2fmax以上的信號。電流互感器在很大量程內具有線性度好的特點；一次電流的變化范圍從幾安培到幾十、幾百甚至上千安培；小信號容易受到干擾，將采集的信號分2路輸入單片機系統，2路信號采用不同的放大倍數。信號較小時，單片機系統以較大放大倍數一路為準；信號較大時，單片機系統以較小放大倍數一路為準，見圖2。 2.1.4 單片機系統 　　采用TI公司的MSP430F167單片機作為主控芯片。該芯片內置32K FLASH存儲器，1024 B RAM，2個Usart接口，8通道12位A/D轉換器，48個I/O口，16位看門狗定時器，1個16位Timer_A（3個捕獲/比較寄存器），1個 16位Timer_B（7個捕獲/比較寄存器）；采用RISC指令結構。該芯片滿足各種型號塑殼斷路器的智能化要求，不用外擴任何協助電路，大大增強了抗干擾性能。 　　為了提高系統的可靠性，單片機系統擴展了電源監視、復位控制和硬件看門狗電路。 2.1.5 工作方式調整 　　塑殼斷路器的工作方式包括斷路器的額定電流、保護投退、電流定值、時間定值、時限特征等，塑殼斷路器工作方式的調整可以采用2種方式。 　　（1） 電位器調整方式。對于額定電流≤225A的塑殼斷路器，考慮到成本空間和尺寸空間的限制，采用帶絕緣塑料旋鈕的金屬膜電位器調整斷路器的工作方式。由于電位器的溫度特性較差，在40℃范圍內造成的誤差可能超過2%，因此采用這種方式會造成誤差，要求電位器阻值具有較大的冗余度。 　　（2） 維護口和人機接口調整方式。對于額定電流＞225A的塑殼斷路器，由于有了更大的成本空間和尺寸空間，采用維護軟件通過PC機調整斷路器的工作方式，維護口采用RS-232接口，采用MODBUS報文格式；同時為塑殼斷路器配置人機接口，通過數碼管顯示，小鍵盤設置各種工作參數；無操作時，數碼管1min 自動熄滅，以降低功耗；所有設置必須驗證密碼后進行，以防止誤操作。 2.1.6 通信接口 　　通信接口采用RS-485通信方式。通信規約采用低壓電器設備要求的MODBUS通信規約，與通信適配器、上一層通信設備連接，或者直接連到變電站計算機管理系統。圖3是采用通信適配器進行通信的結構示意圖。 2.1.7 指示燈 　　提供的指示燈有工作指示燈、過負荷指示燈、通信指示燈、故障指示燈和校驗指示燈。 2.1.8 出口驅動 　　控制器帶有停電、小負荷閉鎖功能，雙值反相邏輯輸出功能，以保證出口操作的可靠性，避免上電、掉電、干擾造成的誤動，見圖4。 2.2 軟件設計 2.2.1 算法分析 采用交流采樣技術，全波傅氏算法，根據采樣數據提取等效復矢量的實部和虛部。 　　　　（1） 式中，n為需要提取的基波或諧波次數；N為一周期的采樣點數；x（k）為實時采樣值。 由式（1）可以根據實時采樣數據得到等效復矢量 　　　　（2） 根據式（2）可知，基波或某次諧波的復值與相角可由式（3）、式（4）求得 　　　　（3） 　　　　（4） 　　全波傅氏算法能夠完全提取基波或所需的諧波分量，濾出直流分量和不需要的整次諧波分量，但對于非周期分量的抑制能力較差。當發生故障時，電力系統處于暫態過程中，含有衰減的直流分量等非周期分量，將使傅氏算法帶來誤差。為此，采用差分濾波器來抑制非周期分量，使其與傅氏算法相配合。 y（n）=x）n）-x（n=k）　　　　（5） 　　式中，k為差分濾波器階數，在塑殼智能控制器中，k取2，即采用二階差分濾波器。 　　當電網頻率發生偏移時，采用傅氏算法提取基波或諧波分量會產生混頻現象，從而給電量的測量帶來誤差。為了消除由于電網頻率偏移帶來的誤差，智能控制器可采用頻率跟蹤技術加以改善。根據所測頻率實時調整采樣間隔，以便始終滿足式（6）。 fs/f1=24　　　　（6） 　　fs為采樣頻率，f1為系統頻率，嚴格保證每周期采樣24點，這樣即使頻率發生波動，也不會造成較大的測量誤差。 2.2.2 數據采樣 　　開辟2個采樣數據緩沖區：一個用于采樣數據的差分濾波，另一個用于存儲差分濾波后的實時數據。由于采用二階差分濾波器，使得每一路電流需開辟3個字的濾波緩沖區，緩沖區采用先進先出（FIFO）的隊列結構，依次存放x（n-2）、x（n-1）、x（n）點實時采樣數據，見圖5。 　　全波傅氏算法要求數據的排列為一連續周期采樣數據，由于采用24點全波傅氏算法，如果仍采用FIFO隊列結構，則將會消耗大量的時間。為此為每個電流開辟48字的循環采樣緩沖區。 2.2.3 頻率測量 　　采用交流采樣值線性擬合過零點算法，精確地計算電力系統的頻率值，見圖6。點B、A分別為過零點前后的2個采樣點，B′、A′為下一個過零點前后的2個采樣點，B′、A點相差K個采樣點，于是實測工頻周期為 　　　　（7） 式中，Ts為采樣周期，頻率為工頻周期的倒數。 請登陸:輸配電設備網 瀏覽更多信息 2.2.4 程序結構 　　采用主程序和中斷程序相結合的程序結構，見圖7。主程序實現斷路器狀態監測、硬件自檢、顯示處理、鍵盤處理、指示燈處理和維護口通信等功能；采樣中斷主要實現數據采集、數據處理和故障處理，通信中斷主要實現通信功能。采樣中斷的優先級高于通信中斷優先級。 3 智能控制器功能分析與技術特點 　　（1） 智能控制器使斷路器的保護功能大大增強，它的三段保護特性中的短延時可設置成I2t特性，以便與后一級保護更好匹配，并可實現接地故障保護。 　　 　　（2）　智能脫扣器的保護特性可方便地調節，還可設置預警特性。智能斷路器可反映負荷電流的有效值，消除輸入信號中的高次諧波，避免高次諧波造成誤動作。 　　（3） 智能控制器能提高斷路器的自身診斷和監視功能，可監視檢測電壓、電流和保護特性。當斷路器內部溫升超過允許值，或觸頭磨損量超過限定值時能發出警報。 　　（4） 智能斷路器具有很高的動作準確性，整定調節范圍寬，可以實現過載、斷相、三相不平衡、接地、欠壓等保護和告警功能。 　　（5） 智能斷路器通過與控制計算機組成網絡后還可自動記錄斷路器運行情況和實現遙測、遙信和遙控。 　　（6） 智能控制器可以設置維護口，更方便斷路器的調整維護。可以設置顯示模塊，實現電流表、電壓表、功率表和頻率測量的功能。 　　（7） 智能控制器可以采用軟件校驗系統誤差，包括增益誤差和零點偏移等，真正做到免調試。 4 低壓電器技術及市場展望 　　今后一段時間低壓電器行業的工作重點將集中在以下幾個方面：瞄準高新技術，發展我國自主知識產權的環保型、智能化、網絡化、可通信化、設計無圖化、制造高效化的低壓電器產品；改進、完善傳統低壓電器產品，開發經濟適用型產品，鞏固傳統產品的市場優勢；加強可靠性研究，提高國內產品的質量穩定性和可靠性；以知識產權和產品品牌為導向，重組產業結構和產品結構；研制、開發我國第四代智能化、可通信低壓電器產品，發展我國低壓電器的現場總線，逐步縮短同國外先進水平的差距。重點是優先發展智能化可通信產品和現場總線產品。 　　低壓電器行業的發展方向決定了塑殼式斷路器今后的發展方向是：小型化、高分斷、多功能、附件模塊化、智能化、可通信、支持現場總線。智能化的塑殼斷路器在今后一段時間內的市場潛力十分巨大。 5 小結 　　塑殼斷路器中引入智能控制器，可使其性能有質的飛躍。它不僅可以更精確、靈活地實現瞬時脫扣、短延時脫扣、長延時脫扣等功能，而且還可以實現接地保護脫扣。智能控制器提供了跟用戶更友好的人機界面，可以實現各種故障報警、斷路器在線監測，集成電流表、電壓表、功率表的功能。智能控制器提供了通信接口，支持現場總線，更適合于低壓配、用電網的信息交換，能夠實現遙測、遙信和遙控功能。 6 參考文獻 　　　 　　［1］ 陳德桂.面向21世紀的低壓電器新技術.低壓電器，2001（1）：3-8. 　　［2］ 陳春，喬巍，葉凡生.基于單片機的智能型低壓斷路器.電力自動化設備，2003，23（2）：49-51. 　　［3］ 曾慶軍，金生福，黃巧亮，等.關于萬能式斷路器智能控制器.電力自動化設備,2004,24（2）:79-83.