智能電流保護控制器研究

天津航空機電有限公司 劉健勇

智能電流保護控制器是一種用于電力系統的保護設備，其主要功能是監測和保護電路中的電流，檢測設備運行時的電流異常、故障和過載情況，并采取中斷、隔離控制措施，避免電流故障對設備造成不良影響。智能控制器按照邏輯算法運轉，在電流數據處理中，支持電流信號值的求取計算，響應速度較快，具備可靠性、安全性等優勢。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 智能電流保護控制器功能實現

1.1 基本功能

智能電流保護控制器的主要作用及功能，包括實時監測、故障檢測和自適應保護。智能電流保護控制器，可以實時監測電路中的電流變化，并對異常情況作出快速響應，在電力設備運行過程中，電流參數會通過高精度的電流傳感器，并將信號傳遞給控制器，在人機交互界面內顯示。同時，智能電流保護控制器能夠檢測電路中的故障情況，如短路、過載等。當電流超過設定的閾值，或出現異常變化時，其會發出警報或采取相應的保護措施。智能電流保護控制器，同樣具備負載保護功能，可根據電力設備的實際情況和負載變化，自動調整保護策略和參數設置，該過程主要應用電流波形、頻譜分析等方法，判斷故障類型，并采取相應的保護動作。通過上述措施的運用，保護電力系統的安全。

1.2 保護控制功能

1.2.1 故障表現

本文研究的設備主要針對電力設備運行時所采取的保護措施。因電流所產生的電力設備故障主要為過載、短路兩種。當電流超過設備的額定容量或設計能力時，會導致設備過載。過載可能引起設備發熱、熔斷器跳閘、保護裝置動作等問題，嚴重時還會引發設備損壞或火災風險。短路是指電流在電路中繞過正常路徑，直接通過低阻抗通路流過的現象。該故障使電流迅速增大，引發電弧、電火花和爆炸，同時對設備和電路造成損壞。因此，智能電流保護控制器應具備基本的過載保護和短路保護基本功能[1]。

1.2.2 過載保護

大部分電力設備故障與溫度有關，而電流過載情況下，會呈現出反時限特性，即過載倍數會影響到運行時間。因此，在電流過載保護控制上，應根據設備的反時限特性，計算動作時間，以確保過載狀態下設備不會突然出現嚴重故障。常規反時限曲線表達公式如下：

上述公式之中，T 表示過載保護時間，Tp為常數，I 為有效電流，Ib為電流整定值。按照一般設備的標準要求，在t 值的取值上，會略微降低標準，取常規值為0.14，在極限狀態或者非常狀態下，則取值最高為8。在電力設備保護和管理期間，受單片機運行指數的影響，在控制保護過程中的響應時間、動作時間會影響過載保護的效果，其動作時間計算公式如下：

公式中的N 表示間隔時長，t 表示動作時間，K為常數，r 表示保護數值。當電力設備在運行階段出現過載故障問題時，傳感器裝置會實時采集到設備的溫度、電流等參數，判斷不同時間段內是否出現熱積累現象，且在過載問題產生時，則利用公式累計求和，其數值超過K 時，發送命令觸發斷閘保護。但在電力設備運行期間，容易出現動態過載現象，應在公式中加入第N 個電流有效值，確定采樣的周期，最終確定計算結果為20ms，可滿足全周期采樣的基本要求。

1.2.3 短路保護

相較而言，電流引發的短路故障比過載故障損失更大，會導致電力設備因過熱損壞，且在短路同時也會產生較大的電動力，甚至設備會出現誤動作問題。智能控制器在監測并獲取電流參數時，其電流有效值如果超出正定值8倍以上，則系統會判斷出現了短路。但該過程中可能需要耗費大量的時間，甚至超過一個工頻周期，無法起到有效保護的作用。因此，控制器在短路保護中，則通過檢測電流短路變化率，對短路電流進行早期檢測。以電力設備運行過程中的單相短路故障為例，在短路產生且未達到峰值時，基于電流變化情況，進行短路判斷和分析，將短路故障所造成的影響降至最低。短路電流與實際電流之間存在一定的差異，具體短路電流模型如圖1所示。

圖1 短路電流模型圖

圖中的u（t）表示等效電源，R 為電阻，L 為等效數值。在短路故障發生時，電流的幅值會瞬間變化，且電壓相位角也會發生改變。但由于電力設備在運行階段會存在大量的噪聲，無法判斷是否真正出現因短路導致電流變化率過大的情況。因此，在采集的電流信號中，應將噪聲過濾、清除。由于智能控制器的體積較小，且噪聲濾除算法復雜，選擇均值算法可實現噪聲濾除的過程，尤其是在噪聲疊加的情況下，仍可使用，具體噪聲信號表達如下：

在信號處理過程中，考慮到噪聲的隨機性，需要在短時間內完成多次的信號采集。具體計算公式如下：

在上述公式之中，i 表示定量測試，N 表示采集次數，該次數與音質之間呈現出反比例的關系，且最終計算的電流信號更加接近短路信號。因此，在智能控制器的單片機設備選擇上，應確保在一個工頻周期內，滿足2W 以上采樣數量的基本要求，且在樣本中可得到50個左右的均值對比。因此，短路保護控制器的采樣頻率設置參數為1MHz，經過信號去噪處理和數值計算，短路故障發生時能夠在2ms 內檢測出是否故障，且在0.5s 內即可執行保護動作，采取中斷操作措施[2]。

1.3 電流有效值測算

智能控制器在保護操作過程中，獲取電流有效值是關鍵，也是執行開關中斷保護的基礎內容。智能控制器的質量會受到電流有效值測量精度的影響，且直接作用動作結果的準確性。電力設備在交—直、直—交變化過程中，電流會產生諧波，使原本電流的正弦特征發生改變。傳統的電流有效值測量方法無法滿足電流正弦特征發生變化的要求。因此，本系統應用的智能電流控制器，在有效值計算方面應滿足不同波形、不同頻率下電流有效值的測量，且能夠直接反饋熱損耗。以單片機為基礎，通過軟件算法的配置，將離散傅里葉變換和均方根計算方法結合，能夠實現電流有效值的精準測量。前者是通過序列矩陣，采用2k2-k 次數的運算，完成電流信號的處理。在電流有效值計算上，考慮到直流分量、基波數值、諧波有效值，計算電流有效值，具體公式如下：

公式中的R0表示直流分量，R1表示基波數值，R2表示諧波有效值。由于該算法的運算量比較大，電流保護控制器的單片機往往難以滿足實際電流信號測量的基本要求。因此，在含有諧波的電流有效值計算上，則應用均方根算法，其具體計算公式如下：

公式中的T 表示周期，i 表示電流信號，t 表示瞬時時間。該算法應用具有較高的轉換精度，且對10次諧波電流能夠實現精度的測量[3]。

2 智能電流保護控制器硬件設計

2.1 電源設計

控制器內置Cortex-M4內核，主頻參數為168M，內置32位定時器，具備串口調試功能，且自帶平行結構，SPI 接口數量多達3個，CAN 接口數量2個。控制器電源模塊的交流電壓數值為24V，而直流電壓則在四種狀態下轉換。穩壓器基于開關狀態工作，通過引腳接通和斷開控制電壓，完成電流控制過程。在電源設計后，裝置的運行穩定性會顯著提升。

2.2 電路設計

智能電流控制器具備信號采集、信號處理功能，配置信號采集電路和調理電路。前者主要利用互感器實現，額定輸入、輸出電流參數為2mA，在輸出側接線直流電阻時，則可實現電壓信號與電流信號之間的轉換。本項目中，電流信號采集中，互感器類型為鐵芯電磁式，額定電流為32A，滿足超過額定電流15倍參數的短路保護，且最大輸入電流數值為480A，數據采集時電阻數值為10Ω。在電流信號調理過程中，會根據輸入和輸出電壓值計算，并對信號調理，得到信號源等效值。采用仿真設計方法，其信號源的等效值為3V，電流信號為正弦信號，參數值為20Hz，利用電路的仿真功能，完成信號調理和信號波形優化。通信模塊應用PROFIBUS 芯片，內置RS485接口，工作電壓值為3.3V[4]。

2.3 繼電器輸出模塊

智能控制器內部配備繼電器輸出模塊，用于實現對電流保護動作的控制和執行。繼電器輸出模塊可根據保護程序的判斷結果，觸發相應的繼電器動作，以達到斷開或閉合電路的目的。繼電器輸出模塊與被保護設備或電路之間連接。根據實際需要，繼電器輸出模塊與斷路器、接觸器、開關等設備相配合，實現對電路的斷開或閉合控制。運轉期間，繼電器輸出模塊會接收來自電流保護程序的信號，根據信號的狀態和處理結果，完成繼電器的控制。例如，當電流異常或超過設定閾值時，控制模塊會觸發繼電器閉合或斷開，以實現相應的保護動作。

3 智能電流保護控制器軟件設計

3.1 電流保護程序設計

電流保護程序是其核心功能之一，負責檢測電流，并根據設定保護邏輯，做出保護動作。按照故障類型，其程序內容覆蓋過載保護、短路保護和其他保護。智能電流保護控制器通過電流傳感器或電流變送器采集電路中的電流信號。采集到的電流數據經過預處理和濾波等處理步驟，以確保數據的準確性和穩定性。處理后的數據可用于后續的分析和判斷。基于設定的保護邏輯和算法，智能電流保護控制器對電流實時判斷和分析。保護邏輯通常包括設定的電流閾值、時間延遲、差動比較等條件，用于判斷是否存在電流異常或故障情況。根據故障檢測的結果和設定的保護策略，電流保護程序會觸發相應的保護動作。保護動作包括斷路器跳閘、觸發報警、發送通知等，以防止故障擴大或對設備和系統造成損害。當電流保護程序觸發保護動作時，會發出報警信號，并將相關信息記錄下來。報警可以通過聲音、燈光、界面提示等方式完成。同時也能記錄故障發生的時間、位置和詳細信息，以便后續的故障診斷和處理。

3.2 實時時鐘程序設計

保護控制器配備實時時鐘（RTC）程序，用于提供準確的時間信息，并與其他功能模塊同步，時間呈現誤差與系統誤差應滿足毫秒級的標準要求。在軟件系統中實時時鐘程序首先會獲取當前的時間信息，并通過內部的時鐘芯片通信，以獲取準確的當前時間。在獲得當前時間后，實時時鐘程序會與其他功能模塊做時間同步。其目的在于確保不同模塊的操作均基于相同的時間基準，以避免時間差異導致的錯誤或不一致性。為了保持時間的準確性，實時時鐘程序會定期進行時間校準，根據內部的時鐘補償機制來調整系統時間，以消除時間漂移和誤差。

綜上所述，智能電流保護控制器具備實時監測、故障監測、自適應保護的功能，且核心CPU 具備數據記錄功能，能夠及時發現和處理電流異常情況，保護電力設備和系統的安全運行。該系統具備高精度、自適應性和可編程性等特點，在眾多電力設備的電流保護應用中均具有適應性，且在獲取電氣設備信號時，可發送指令，檢測預期電流，實現過載、短路保護功能。