摘　要： 對我國塑殼斷路器技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)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(diào)理，單片機(jī)系統(tǒng)和工作方式等）和軟件設(shè)計（包括算法分析、數(shù)據(jù)采樣、頻率測量、程序結(jié)構(gòu)等）的原理和技術(shù)特點(diǎn)。最后對我國低壓電器行業(yè)特別是智能塑殼斷路器進(jìn)行了技術(shù)和市場的展望。 關(guān)鍵詞： 低壓電器　塑殼斷路器　智能控制器 0 引言 　　隨著計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)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(diào)節(jié)和與遠(yuǎn)方控制中心通信等功能的電器設(shè)備。國內(nèi)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(shè)備的在線監(jiān)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(xiàn)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(chǎn)的塑殼斷路器大體分為三代，第一代產(chǎn)品目前占有的市場份額約為35%；第二代產(chǎn)品為更新?lián)Q代產(chǎn)品以及引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，目前占有市場約40%份額，但隨著國外大公司產(chǎn)品的進(jìn)入，其占有份額明顯下降；第三代產(chǎn)品為跟蹤國外新技術(shù)而自行開發(fā)的產(chǎn)品，目前市場占有率不到25%。西方國家在20世紀(jì)90年代后期推出了智能化、可通信的第四代產(chǎn)品，具有前幾代產(chǎn)品的許多優(yōu)點(diǎn)，顯示出塑殼斷路器的發(fā)展趨勢。 　　總的來說，我國塑殼斷路器產(chǎn)品的技術(shù)含量比較低，它的智能化已受到了行業(yè)越來越多的關(guān)注。本文結(jié)合國內(nèi)外塑殼斷路器的現(xiàn)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(xiàn)方法。 1 塑殼斷路器 　　在低壓配電系統(tǒng)中，塑殼斷路器的應(yīng)用非常廣泛，它一般可用于配電饋線控制和保護(hù)、小型配電變壓器的低壓側(cè)出線總開關(guān)，動力配電終端控制和保護(hù)，以及住宅配電終端控制和保護(hù)，也可用于各種生產(chǎn)機(jī)械的電源開關(guān)。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(jī)構(gòu)采用貯能式閉合，可以手動操作，亦可由電動機(jī)操作，電動機(jī)操作可實現(xiàn)遠(yuǎn)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(hù)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(xiàn)。欠壓脫扣器用來監(jiān)視工作電壓的波動，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低至70% ～35%額定電壓或電網(wǎng)發(fā)生故障時，斷路器可立即分?jǐn)?，在電源電壓低?5%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(fù)荷陡升引起的電壓波動造成斷路器不適當(dāng)?shù)胤謹(jǐn)?。分勵脫扣器用于遠(yuǎn)距離遙控或熱繼電器動作分?jǐn)鄶嗦菲?。過電流脫扣器還可分為過負(fù)荷脫扣器和短路脫扣器，用于防止過載和負(fù)載側(cè)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?jǐn)嗪蟆⒐收吓懦霸俸祥l；斷路器具有輔助觸點(diǎn)，一般有常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)，輔助觸點(diǎn)供信號裝置和智能式控制裝置使用。 　　傳統(tǒng)的塑殼斷路器采用熱動式脫扣控制方式，利用負(fù)荷電流的熱效應(yīng)使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形控制脫扣。由于雙金屬片的形狀結(jié)構(gòu)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(diǎn)，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(tǒng)脫扣器的缺陷，并且為塑殼斷路器技術(shù)上的革新奠定了基礎(chǔ)，使塑殼斷路器更容易用于低壓配、用電信息網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)展成為基于現(xiàn)場總線支持的智能化、網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(tǒng)、電位器調(diào)整、通信接口、人機(jī)交互插件、出口驅(qū)動、指示燈、按鍵操作、維護(hù)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(zhuǎn)換為與智能控制器相匹配的交流電流信號，經(jīng)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(jīng)過處理后得到2個獨(dú)立的+5V電源，分別供給光耦兩側(cè)使用，以實現(xiàn)電氣隔離。同時還得到一路+12V電源，供驅(qū)動出口繼電器使用。 2.1.3 信號調(diào)理 　　電流信號經(jīng)電壓取樣后，經(jīng)過射極跟隨器、一階無源抗混迭低通濾波、放大調(diào)理電路后變成與單片機(jī)系統(tǒng)相適應(yīng)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(nóng)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(nèi)具有線性度好的特點(diǎn)；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(jī)系統(tǒng)，2路信號采用不同的放大倍數(shù)。信號較小時，單片機(jī)系統(tǒng)以較大放大倍數(shù)一路為準(zhǔn)；信號較大時，單片機(jī)系統(tǒng)以較小放大倍數(shù)一路為準(zhǔn)，見圖2。 2.1.4 單片機(jī)系統(tǒng) 　　采用TI公司的MSP430F167單片機(jī)作為主控芯片。該芯片內(nèi)置32K FLASH存儲器，1024 B RAM，2個Usart接口，8通道12位A/D轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。該芯片滿足各種型號塑殼斷路器的智能化要求，不用外擴(kuò)任何協(xié)助電路，大大增強(qiáng)了抗干擾性能。 　　為了提高系統(tǒng)的可靠性，單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展了電源監(jiān)視、復(fù)位控制和硬件看門狗電路。 2.1.5 工作方式調(diào)整 　　塑殼斷路器的工作方式包括斷路器的額定電流、保護(hù)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(diào)整可以采用2種方式。 　　（1） 電位器調(diào)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(diào)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(nèi)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。 　?。?） 維護(hù)口和人機(jī)接口調(diào)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(hù)軟件通過PC機(jī)調(diào)整斷路器的工作方式，維護(hù)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(jī)接口，通過數(shù)碼管顯示，小鍵盤設(shè)置各種工作參數(shù)；無操作時，數(shù)碼管1min 自動熄滅，以降低功耗；所有設(shè)置必須驗證密碼后進(jìn)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(guī)約采用低壓電器設(shè)備要求的MODBUS通信規(guī)約，與通信適配器、上一層通信設(shè)備連接，或者直接連到變電站計算機(jī)管理系統(tǒng)。圖3是采用通信適配器進(jìn)行通信的結(jié)構(gòu)示意圖。 2.1.7 指示燈 　　提供的指示燈有工作指示燈、過負(fù)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(qū)動 　　控制器帶有停電、小負(fù)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(shè)計 2.2.1 算法分析 采用交流采樣技術(shù)，全波傅氏算法，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)提取等效復(fù)矢量的實部和虛部。 　　　?。?） 式中，n為需要提取的基波或諧波次數(shù)；N為一周期的采樣點(diǎn)數(shù)；x（k）為實時采樣值。 由式（1）可以根據(jù)實時采樣數(shù)據(jù)得到等效復(fù)矢量 　　　?。?） 根據(jù)式（2）可知，基波或某次諧波的復(fù)值與相角可由式（3）、式（4）求得 　　　?。?） 　　　?。?） 　　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(dāng)發(fā)生故障時，電力系統(tǒng)處于暫態(tài)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(shù)，在塑殼智能控制器中，k取2，即采用二階差分濾波器。 　　當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時，采用傅氏算法提取基波或諧波分量會產(chǎn)生混頻現(xiàn)象，從而給電量的測量帶來誤差。為了消除由于電網(wǎng)頻率偏移帶來的誤差，智能控制器可采用頻率跟蹤技術(shù)加以改善。根據(jù)所測頻率實時調(diào)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(tǒng)頻率，嚴(yán)格保證每周期采樣24點(diǎn)，這樣即使頻率發(fā)生波動，也不會造成較大的測量誤差。 2.2.2 數(shù)據(jù)采樣 　　開辟2個采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：一個用于采樣數(shù)據(jù)的差分濾波，另一個用于存儲差分濾波后的實時數(shù)據(jù)。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(qū)，緩沖區(qū)采用先進(jìn)先出（FIFO）的隊列結(jié)構(gòu)，依次存放x（n-2）、x（n-1）、x（n）點(diǎn)實時采樣數(shù)據(jù)，見圖5。 　　全波傅氏算法要求數(shù)據(jù)的排列為一連續(xù)周期采樣數(shù)據(jù)，由于采用24點(diǎn)全波傅氏算法，如果仍采用FIFO隊列結(jié)構(gòu)，則將會消耗大量的時間。為此為每個電流開辟48字的循環(huán)采樣緩沖區(qū)。 2.2.3 頻率測量 　　采用交流采樣值線性擬合過零點(diǎn)算法，精確地計算電力系統(tǒng)的頻率值，見圖6。點(diǎn)B、A分別為過零點(diǎn)前后的2個采樣點(diǎn)，B′、A′為下一個過零點(diǎn)前后的2個采樣點(diǎn)，B′、A點(diǎn)相差K個采樣點(diǎn)，于是實測工頻周期為 　　　?。?） 式中，Ts為采樣周期，頻率為工頻周期的倒數(shù)。 請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 2.2.4 程序結(jié)構(gòu) 　　采用主程序和中斷程序相結(jié)合的程序結(jié)構(gòu)，見圖7。主程序?qū)崿F(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測、硬件自檢、顯示處理、鍵盤處理、指示燈處理和維護(hù)口通信等功能；采樣中斷主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和故障處理，通信中斷主要實現(xiàn)通信功能。采樣中斷的優(yōu)先級高于通信中斷優(yōu)先級。 3 智能控制器功能分析與技術(shù)特點(diǎn) 　?。?） 智能控制器使斷路器的保護(hù)功能大大增強(qiáng)，它的三段保護(hù)特性中的短延時可設(shè)置成I2t特性，以便與后一級保護(hù)更好匹配，并可實現(xiàn)接地故障保護(hù)。 　　 　?。?）　智能脫扣器的保護(hù)特性可方便地調(diào)節(jié)，還可設(shè)置預(yù)警特性。智能斷路器可反映負(fù)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。 　?。?） 智能控制器能提高斷路器的自身診斷和監(jiān)視功能，可監(jiān)視檢測電壓、電流和保護(hù)特性。當(dāng)斷路器內(nèi)部溫升超過允許值，或觸頭磨損量超過限定值時能發(fā)出警報。 　?。?） 智能斷路器具有很高的動作準(zhǔn)確性，整定調(diào)節(jié)范圍寬，可以實現(xiàn)過載、斷相、三相不平衡、接地、欠壓等保護(hù)和告警功能。 　?。?） 智能斷路器通過與控制計算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)后還可自動記錄斷路器運(yùn)行情況和實現(xiàn)遙測、遙信和遙控。 　?。?） 智能控制器可以設(shè)置維護(hù)口，更方便斷路器的調(diào)整維護(hù)?？梢栽O(shè)置顯示模塊，實現(xiàn)電流表、電壓表、功率表和頻率測量的功能。 　?。?） 智能控制器可以采用軟件校驗系統(tǒng)誤差，包括增益誤差和零點(diǎn)偏移等，真正做到免調(diào)試。 4 低壓電器技術(shù)及市場展望 　　今后一段時間低壓電器行業(yè)的工作重點(diǎn)將集中在以下幾個方面：瞄準(zhǔn)高新技術(shù)，發(fā)展我國自主知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)保型、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可通信化、設(shè)計無圖化、制造高效化的低壓電器產(chǎn)品；改進(jìn)、完善傳統(tǒng)低壓電器產(chǎn)品，開發(fā)經(jīng)濟(jì)適用型產(chǎn)品，鞏固傳統(tǒng)產(chǎn)品的市場優(yōu)勢；加強(qiáng)可靠性研究，提高國內(nèi)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性；以知識產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品品牌為導(dǎo)向，重組產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；研制、開發(fā)我國第四代智能化、可通信低壓電器產(chǎn)品，發(fā)展我國低壓電器的現(xiàn)場總線，逐步縮短同國外先進(jìn)水平的差距。重點(diǎn)是優(yōu)先發(fā)展智能化可通信產(chǎn)品和現(xiàn)場總線產(chǎn)品。 　　低壓電器行業(yè)的發(fā)展方向決定了塑殼式斷路器今后的發(fā)展方向是：小型化、高分?jǐn)?、多功能、附件模塊化、智能化、可通信、支持現(xiàn)場總線。智能化的塑殼斷路器在今后一段時間內(nèi)的市場潛力十分巨大。 5 小結(jié) 　　塑殼斷路器中引入智能控制器，可使其性能有質(zhì)的飛躍。它不僅可以更精確、靈活地實現(xiàn)瞬時脫扣、短延時脫扣、長延時脫扣等功能，而且還可以實現(xiàn)接地保護(hù)脫扣。智能控制器提供了跟用戶更友好的人機(jī)界面，可以實現(xiàn)各種故障報警、斷路器在線監(jiān)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(xiàn)場總線，更適合于低壓配、用電網(wǎng)的信息交換，能夠?qū)崿F(xiàn)遙測、遙信和遙控功能。 6 參考文獻(xiàn) 　　　 　　［1］ 陳德桂.面向21世紀(jì)的低壓電器新技術(shù).低壓電器，2001（1）：3-8. 　　［2］ 陳春，喬巍，葉凡生.基于單片機(jī)的智能型低壓斷路器.電力自動化設(shè)備，2003，23（2）：49-51. 　?。?］ 曾慶軍，金生福，黃巧亮，等.關(guān)于萬能式斷路器智能控制器.電力自動化設(shè)備,2004,24（2）:79-83.