面向配電物聯網的智能斷路器設計

計長安，洪 偉，孫添一，蘇二號，池淑梅

（1.國網安徽省電力有限公司 電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2.上海電力大學，上海 200090）

0 引 言

自電力誕生以來，電力系統保護的研究一直是電氣領域最為重要的課題。在微機保護獲得廣泛應用的今天，對電力系統繼電保護的研究已向著高性能和綜合型、深層次的方向發展。因此作為電力系統繼電保護的重要元件之一，斷路器自然受到了廣泛的關注與研究。

目前，國內外關于斷路器智能化[1-9]的研究很多。國外在一方面的研究起步較早，文獻[10]采用專家系統對斷路器進行狀態分析，監測對象包括觸頭接觸信號、相電流等；Jung T等人開發了對六氟化硫氣體，斷路器機械特性和操動機構的在線監測系統[11]。國內的研究目前尚處于初級階段，在低壓配電系統的智能配電監控系統中，常熟開關制造有限公司生產的低壓智能型斷路器通過路由器將現場的配電網絡和控制室的計算機緊密結合起來，可以實現，遠程遙測、遙信、遙控以及遙調四項功能[12-14]。然而在云服務器技術越來越成熟的今天，需要功能升級方便，能融入物聯網技術的新一代智能低壓斷路器[15-17]。

綜上，本文旨在研制出一套面向配電物聯網的智能化斷路器裝置。該裝置體積小，集可靠穩定的直流電源輸出功能和精確測量斷路器動作電壓功能于一體，并且，該裝置通過記錄、統計斷路器動作電壓測試數據，從而對整個保護回路的完善性與可靠性進行準確的評估與分析。該裝置也契合了當前物聯網智能化的發展方向。

1 裝置總體方案分析

本文設計的面向配電物聯網的斷路器裝置由ARM9處理器、DSP、可編程邏輯器件、數/模轉換器、信號低通濾波模塊組成。可編程邏輯器件還連接有同步時鐘接收模塊；信號低通濾波電路板連接多個用于提供大功率直流輸出電源的高精度功率放大器；高精度功率放大器輸出端與高壓開關測試模塊相連接。該裝置可實現高電壓、大功率輸出，其整個系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 斷路器動作電壓測試模塊設計

2.1.1 直流電源輸出模塊

為了獲得穩定且快速可調的直流電源，直流電源部分采用了先AC-DC變換獲得恒定的直流源，然后再通過DC-DC變換獲得快速可變的直流源。

（1）AC-DC變換

為保證裝置的直流輸出電壓最高能達到300 V，直流電源模塊中含有一小型升壓器，將工頻交流220 V電壓升高至交流440 V，經過初步濾波和全橋整流電路，輸出固定直流電壓300 V，如圖2所示。

圖2中的輸入為工頻交流電，經過濾波電路將高頻成分濾除，然后經過升壓變壓器，獲得足夠的峰值的工頻交流電壓。再次濾波后通過兩個均壓電容器，使得全橋整流電路中的每個開關管在導通的過程中承受相等的電壓。在全橋整流電路中，互為對角的開關管同時導通，另外兩開關管則斷開，并在整流橋的輸出端，繼續增設濾波電路，由此可獲得穩定的直流輸出電壓。

圖2 AC-DC變換電路

2.1.2 DC-DC變換

因為裝置的直流輸出電源最終要求是快速可調的大功率直流電源，所以裝置中利用直流斬波電路將穩定輸出的直流電源轉換為快速可調的直流電源，以適應實際需要。

整個直流斬波電路如圖3所示。斬波電路便輸入直流電壓穩定為220 V（被測試系統額定電壓為110 V）或者440 V（被測試系統額定電壓為220 V），通過兩組組NMOS功率管并聯輸出，左邊NMOS功率管與限流電路兩端相連形成閉環。限流電路由電阻和三級管構成，串聯形成閉環；左上側三級管的基極與另兩電阻連接點相連，下側的三極管發射極與DSP芯片驅動的控制電路相連，通過調節注入發射極的電壓，調整輸出電壓的大小，以達到快速調節輸出電壓的目的。

圖3 直流斬波電路

2.2 直流電源保護模塊的設計

2.2.1 過熱保護電路

直流電源工作時，如果溫度較高或者工作時熱點比較集中，則會影響到電路中的各種元器件，輕者會導致元器件的性能下降，重者甚至會造成元器件的損壞。電路工作時的功率大，發熱量也大，因此有必要對整個電源回路進行保護，在電路中增加必要的保護措施。

由于溫控NMOS管對溫度變化更敏感，隨著溫度的上升，NMOS管的導通程度進一步增加，所以在斬波電路中的驅動控制部分增加了溫控NMOS管。隨著溫度的上升，NMOS管的導通程度進一步增加，驅動控制電路的控制電壓將會因為溫控NMOS管的導通增加，封鎖驅動脈沖，使得通過三極管的注入電流減小，甚至達到關斷三極管的目的，進而降低直流電源的輸出功率，以達到過熱保護的目的。溫控NMOS管直流斬波電路如圖4所示。

圖4 溫控NMOS管直流斬波電路

2.2.2 過流保護電路

電源回路中的元器件失效、過載或短路都有可能引起過流，同時電路干擾導致一些電子管誤導通也可能產生電路的過流。過流保護即當電路出現過流時，通過關斷控制芯片輸出或驅動電路輸出等方式消除過流現象，防止過流對電路器件造成進一步的損害。采用熔斷器進行過流保護是最簡單的辦法，但是高頻電路中，熔斷器響應速度慢，不能實現快速的過流保護，因此需要采用其他方式進行過流保護。本裝置中對直流電源的控制方式選擇的是輸出電流控制，因此能便捷地實現過流保護。將采集的電流信號經過霍爾電流傳感器后變成電壓信號，與參考電壓進行比較，當負載電流增大時，反饋電壓也同時增大，引起INPUT的變化。INPUT端電壓與DSP內部設定的低壓閾值進行比較，根據比較結果驅動控制信號輸出為0，從而使三極管關斷，切斷輸出直流電源，進而有效保護電路，過流保護電路如圖5所示。

圖5 過流保護電路

2.2.3 波形失真報警電路

裝置的直流輸出電壓不可能一直處于穩定狀態，不可避免地會出現一定的諧波，造成輸出電壓的失真。波形失真會導致測試結果不準確，甚至會造成被測設備的損壞。因此，在裝置電源輸出回路中加入電壓檢測電路，一是用于判斷輸出電壓的波形失真度，再則可以通過檢測到的輸出電壓大小，并反饋給CPU用以驅動控制回路，控制輸出電壓。電壓檢測回路如圖6所示。

圖6 波形失真報警電路

將檢測得到的輸出電壓經過電阻分壓調成小信號Uin，再經過線性隔離送入一個發光二極管，并通過另外一個光電二極管，調理成0～3 V的采樣電壓，然后直接通過DSP芯片的ADC進行采樣。

采樣算法采用常用的全波傅式算法。該算法因提取諧波分量十分方便，在電力系統中的各保護設備及檢測設備中被廣泛利用。設輸入信號為X(t)，將X(t)按傅式級數展開如下：

式中：an，bn分別為各次諧波的余弦和正弦項的幅值；a0為直流分量的值；不難得出：

在微機處理時，可由梯形法得出：

于是可以計算出直流分量和各次諧波分量大小，DSP根據它們的含量，對直流輸出進行控制和波形失真報警。

2.3 直流電源控制模塊的設計

電源設計的關鍵部分就是控制回路的設計，控制回路的好壞對電源性能優劣起決定性作用。因此，本裝置采用可編程的電源控制模塊，以DSP作為控制中心，通過外圍電路實現對直流輸出電源的快速控制，如圖7所示。

圖7中，PWM連接DSP的一個輸出口。DSP將檢測到的裝置輸出電壓的大小和系統設定值進行比較，通過該端口輸出不同占空比的矩形波，經過外部控制電路轉化大小可變的輸出小信號OUT，接入斬波電路的驅動控制端，以實現對輸出電壓的快速控制。

圖7 直流電源控制模塊

3 功能測試

本文在現有電能表體系上進行升級改造，成功開發了面向物聯網的無線智能斷路器。該斷路器通過芯片采集和傳送數據，集狀態感知、保護校驗、動作控制于一體；從芯片級實現了單個或多個重合閘遠程開合，智能判斷故障原因，溫度、濕度監測等功能。無線斷路器長期監測運行狀態，監測到異常信號，非重要回路智能判斷、自動跳閘；重要回路只監測不跳閘，發出報警信號，并安排操作人員盡快抵達處理故障。

如圖8所示為無線智能斷路器現場安裝示意圖。現有開關外置的載波電能表只需要增加模塊就可以改造成為無線智能斷路器，改造成本低，可以大量降低費用。同時，針對現有的電能表體系，只需要升級少量程序就可以直接使用，最大程度降低了電能表更新換代帶來的技術風險。

圖8 智能斷路器現場安裝示意圖

通過專用的手持授信終端設備，可以通過掃描二維碼或無線配對的方式，實現從加密服務器獲取秘鑰并分配給電表和重合閘，保證了只能通過電力公司員工才能操作。如圖9所示為手持終端設備及其顯示界面。實驗中，現場測試了通過手持終端設備配對4只無線智能斷路器。實驗結果表明，通過手持終端設備可以感知斷路器電壓、電流、漏電流、溫度、濕度、故障信息等狀態，且能通過手持終端設備一鍵完成對斷路器的開合操作，且動作時間滿足行業標準，優于傳統設備。

圖9 手持配置終端及其顯示界面

除了手持終端外，還可以通過服務器后臺管理工具，實現對接入斷路器的遠程管理。后臺管理界面如圖10所示，可以實現遠程監測斷路器狀態，對斷路器進行操作。

圖10 智能斷路器后臺管理工具

為了進一步測試無線智能斷路器的性能，在實驗室中，對智能斷路器進行了功能性試驗、電磁兼容性試驗、抗強磁場干擾試驗、電氣性能試驗等4大類19小項試驗，試驗結果見表1所列。

表1 斷路器性能測試結果

同時，對斷路器進行了功耗對比測試，測試了斷路器動態瞬態功耗、傳感器全開功耗和傳感器全關功耗，測試結果如圖11～圖13所示，測試結果驗證了智能斷路器的超低功耗設計。

圖11 動態瞬態功耗

圖12 傳感器全開功耗

圖13 傳感器全關功耗

4 結 語

本文介紹一種面向物聯網的智能終端裝備，該裝備綜合了物聯網技術，既可以通過云平臺或手持終端設備長時間可視化監測斷路器運行狀態，又可以選擇手動或自動開合閘，同時可以監測開合閘動作是否完成。該裝備降低了巡檢人員的人身安全威脅，有效填補了二次回路保護裝置物聯網技術的空白，具有巨大經濟、社會效益。