支持無線組網功能智能漏電監測微型斷路器的設計

韓衛兵

摘要：智能漏電監測微型斷路器是智能電網中重要的低壓安全保護電器，具有藍牙無線組網和通信功能，主要用于對用戶剩余電流進行監視與控制，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，根據控制中心的要求，實時讀取本節點主回路的電流、剩余電流和斷路器的通斷狀態等參數，為控制中心提供供電決策依據，以確保供電和用電安全。

關鍵詞：無線組網;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）標識碼（OSID）：

近年來，我國居民和企業對于電能的需求量迅速增加，導致電網的容量激增，同時現代企業對供電穩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用于日常民居及各種公共場所電氣線路的終端。當線路發生漏電、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，保護供電線路及設備[2]。

隨著無線通信和物聯網技術的快速發展，支持無線組網功能的智能斷路器產品近年來開始顯露端倪，其優勢在于性能穩定、組網方便、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功能的智能交流斷路器的產品規范與性能特點、設計方案和試驗測試數據等。

1 產品規范與性能特點

1.1 智能斷路器設計滿足的規范和標準

（1）DL/T 645-2007《多功能電能表通信協議》

（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，在規定的延時時間內剩余電流保護執行動作;

（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、通信狀態和故障狀態;

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

（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，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 系統硬件設計

2.1 硬件方案介紹

該斷路器設備的硬件總體構成由MCU電路、電源電路、雙金壓降監測電路、漏電信號調理電路、脫扣驅動電路、復位電路、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。

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，中控系統通過遠程通信可設定漏電動作時間、漏電動作電流和漏電跳閘功能開啟。

2.1.4 脫扣驅動電路

脫扣驅動電路主要用于驅動執行器動作，脫扣電路的實現與執行的工作電壓有關，需要與電器研發共同設計。

2.1.5 斷路器狀態檢測

斷路器下口L、N端子連接狀態檢測電路，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，單片機系統據此判定斷路器的分合閘狀態。

2.1.6 試驗按鈕檢測

試驗按鈕檢測電路與斷路器狀態檢測是一個整體檢測模塊，當試驗按鈕按下時，經過整流和光耦隔離輸出的脈沖周期會延長1倍，以此區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備數據交互，協議格式采用DLT/645通信協議。系統上電后BLE從模塊會循環讀取斷路器地址，讀取間隔為2秒，直到成功獲取斷路器地址。

3 系統軟件設計

3.1 基本設計概念

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

程序的模塊化設計中，選擇合適的模塊數量能降低模塊的復雜性，減少模塊之間的耦合并能增加模塊本身的內聚性。結合本系統的功能需求和總體設計方案分析，現將其軟件總體分為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、故障數據保存、系數校準。

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的AD值數組，將AD值與平均值相減后求平方和再開方，最后乘以對應的系數，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）通信模塊進行數據指令的讀寫操作。與上位機（中繼器）通信模塊響應上位機發送過來的命令，實現上位機的相關操作，通信接口是SPI，軟件協議是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瞬時采樣中連續2個點對應的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，則系統脫扣并記錄為過載故障。上述兩個故障發生后，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生前后的各兩個周波進行采樣轉換和保存，每個周波保存16個采樣點，采樣值經過系數計算得到瞬時電流值并發送到上位機。

故障數據保存模塊是將故障發生類型、故障發生數值、故障設定參數在故障發生時將上述參數保存到系統的DataFlash中，當上位機軟件讀取時，可以正常讀出。

系數校準模塊包括剩余電流系數校準、電流I1系數校準、電流I2系數校準。

3.2 基本處理流程

單片機系統上電后，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、外設初始化等，之后進行主循環的操作，先后執行的函數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、通信數據處理、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計算等。如圖2所示：

其中，通信數據處理的基本處理流程如圖3所示。

4 系統樣機測試

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，過載保護通過內部雙金實現，過載保護動作值：1.13In～1.45In;短路保護通過電磁結構實現，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閉。

剩余電流保護功能關閉時，斷路器作為從機根據監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。

當監控中心需要某個節點的斷路器進行剩余電流保護時，其會給此節點的斷路器發送命令，將剩余電流保護功能開通，在開通使能的同時，監控中心可設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，且連續時間達到所設置的延時時間，斷路器給內部的執行機構發出命令，使斷路器分斷。此時監控中心可讀取斷路器脫扣狀態和斷路器分斷狀態，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，每個數據點以2個字節記錄。實際測試故障點前后的錄波數據和波形如圖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生故障的故障類型、故障參數值等，實際測試故障記錄信息如表6所示。

該故障記錄數據存儲在單片機內部的DataFlash中，當故障發生時，故障記錄的數據會發生更新并保存，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、設備故障指示等功能，在此不再贅述。

5 結語

本文介紹了支持自動組網功能的智能小型交流斷路器軟硬件設計方案和試驗測試數據。該智能斷路器采用最新的藍牙無線組網和通信技術，除了傳統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。根據控制中心的要求，實時讀取本節點主回路的電壓、電流、剩余電流和斷路器的通斷狀態等參數，為控制中心提供供電決策依據，以確保供電和用電安全。

參考文獻：

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

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

【通聯編輯：代影】