面向配电物联网的智能断路器设计

2021-07-31计长安孙添一苏二号池淑梅

物联网技术 2021年7期

计长安，洪伟，孙添一，苏二号，池淑梅

（1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥 230601；2.上海电力大学，上海 200090）

0 引言

自电力诞生以来，电力系统保护的研究一直是电气领域最为重要的课题。在微机保护获得广泛应用的今天，对电力系统继电保护的研究已向着高性能和综合型、深层次的方向发展。因此作为电力系统继电保护的重要元件之一，断路器自然受到了广泛的关注与研究。

目前，国内外关于断路器智能化[1-9]的研究很多。国外在一方面的研究起步较早，文献[10]采用专家系统对断路器进行状态分析，监测对象包括触头接触信号、相电流等；Jung T等人开发了对六氟化硫气体，断路器机械特性和操动机构的在线监测系统[11]。国内的研究目前尚处于初级阶段，在低压配电系统的智能配电监控系统中，常熟开关制造有限公司生产的低压智能型断路器通过路由器将现场的配电网络和控制室的计算机紧密结合起来，可以实现，远程遥测、遥信、遥控以及遥调四项功能[12-14]。然而在云服务器技术越来越成熟的今天，需要功能升级方便，能融入物联网技术的新一代智能低压断路器[15-17]。

综上，本文旨在研制出一套面向配电物联网的智能化断路器装置。该装置体积小，集可靠稳定的直流电源输出功能和精确测量断路器动作电压功能于一体，并且，该装置通过记录、统计断路器动作电压测试数据，从而对整个保护回路的完善性与可靠性进行准确的评估与分析。该装置也契合了当前物联网智能化的发展方向。

1 装置总体方案分析

本文设计的面向配电物联网的断路器装置由ARM9处理器、DSP、可编程逻辑器件、数/模转换器、信号低通滤波模块组成。可编程逻辑器件还连接有同步时钟接收模块；信号低通滤波电路板连接多个用于提供大功率直流输出电源的高精度功率放大器；高精度功率放大器输出端与高压开关测试模块相连接。该装置可实现高电压、大功率输出，其整个系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 断路器动作电压测试模块设计

2.1.1 直流电源输出模块

为了获得稳定且快速可调的直流电源，直流电源部分采用了先AC-DC变换获得恒定的直流源，然后再通过DC-DC变换获得快速可变的直流源。

（1）AC-DC变换

为保证装置的直流输出电压最高能达到300 V，直流电源模块中含有一小型升压器，将工频交流220 V电压升高至交流440 V，经过初步滤波和全桥整流电路，输出固定直流电压300 V，如图2所示。

图2中的输入为工频交流电，经过滤波电路将高频成分滤除，然后经过升压变压器，获得足够的峰值的工频交流电压。再次滤波后通过两个均压电容器，使得全桥整流电路中的每个开关管在导通的过程中承受相等的电压。在全桥整流电路中，互为对角的开关管同时导通，另外两开关管则断开，并在整流桥的输出端，继续增设滤波电路，由此可获得稳定的直流输出电压。

图2 AC-DC变换电路

2.1.2 DC-DC变换

因为装置的直流输出电源最终要求是快速可调的大功率直流电源，所以装置中利用直流斩波电路将稳定输出的直流电源转换为快速可调的直流电源，以适应实际需要。

整个直流斩波电路如图3所示。斩波电路便输入直流电压稳定为220 V（被测试系统额定电压为110 V）或者440 V（被测试系统额定电压为220 V），通过两组组NMOS功率管并联输出，左边NMOS功率管与限流电路两端相连形成闭环。限流电路由电阻和三级管构成，串联形成闭环；左上侧三级管的基极与另两电阻连接点相连，下侧的三极管发射极与DSP芯片驱动的控制电路相连，通过调节注入发射极的电压，调整输出电压的大小，以达到快速调节输出电压的目的。

图3 直流斩波电路

2.2 直流电源保护模块的设计

2.2.1 过热保护电路

直流电源工作时，如果温度较高或者工作时热点比较集中，则会影响到电路中的各种元器件，轻者会导致元器件的性能下降，重者甚至会造成元器件的损坏。电路工作时的功率大，发热量也大，因此有必要对整个电源回路进行保护，在电路中增加必要的保护措施。

由于温控NMOS管对温度变化更敏感，随着温度的上升，NMOS管的导通程度进一步增加，所以在斩波电路中的驱动控制部分增加了温控NMOS管。随着温度的上升，NMOS管的导通程度进一步增加，驱动控制电路的控制电压将会因为温控NMOS管的导通增加，封锁驱动脉冲，使得通过三极管的注入电流减小，甚至达到关断三极管的目的，进而降低直流电源的输出功率，以达到过热保护的目的。温控NMOS管直流斩波电路如图4所示。

图4 温控NMOS管直流斩波电路

2.2.2 过流保护电路

电源回路中的元器件失效、过载或短路都有可能引起过流，同时电路干扰导致一些电子管误导通也可能产生电路的过流。过流保护即当电路出现过流时，通过关断控制芯片输出或驱动电路输出等方式消除过流现象，防止过流对电路器件造成进一步的损害。采用熔断器进行过流保护是最简单的办法，但是高频电路中，熔断器响应速度慢，不能实现快速的过流保护，因此需要采用其他方式进行过流保护。本装置中对直流电源的控制方式选择的是输出电流控制，因此能便捷地实现过流保护。将采集的电流信号经过霍尔电流传感器后变成电压信号，与参考电压进行比较，当负载电流增大时，反馈电压也同时增大，引起INPUT的变化。INPUT端电压与DSP内部设定的低压阈值进行比较，根据比较结果驱动控制信号输出为0，从而使三极管关断，切断输出直流电源，进而有效保护电路，过流保护电路如图5所示。

图5 过流保护电路

2.2.3 波形失真报警电路

装置的直流输出电压不可能一直处于稳定状态，不可避免地会出现一定的谐波，造成输出电压的失真。波形失真会导致测试结果不准确，甚至会造成被测设备的损坏。因此，在装置电源输出回路中加入电压检测电路，一是用于判断输出电压的波形失真度，再则可以通过检测到的输出电压大小，并反馈给CPU用以驱动控制回路，控制输出电压。电压检测回路如图6所示。

图6 波形失真报警电路

将检测得到的输出电压经过电阻分压调成小信号Uin，再经过线性隔离送入一个发光二极管，并通过另外一个光电二极管，调理成0～3 V的采样电压，然后直接通过DSP芯片的ADC进行采样。

采样算法采用常用的全波傅式算法。该算法因提取谐波分量十分方便，在电力系统中的各保护设备及检测设备中被广泛利用。设输入信号为X(t)，将X(t)按傅式级数展开如下：

式中：an，bn分别为各次谐波的余弦和正弦项的幅值；a0为直流分量的值；不难得出：

在微机处理时，可由梯形法得出：

于是可以计算出直流分量和各次谐波分量大小，DSP根据它们的含量，对直流输出进行控制和波形失真报警。

2.3 直流电源控制模块的设计

电源设计的关键部分就是控制回路的设计，控制回路的好坏对电源性能优劣起决定性作用。因此，本装置采用可编程的电源控制模块，以DSP作为控制中心，通过外围电路实现对直流输出电源的快速控制，如图7所示。

图7中，PWM连接DSP的一个输出口。DSP将检测到的装置输出电压的大小和系统设定值进行比较，通过该端口输出不同占空比的矩形波，经过外部控制电路转化大小可变的输出小信号OUT，接入斩波电路的驱动控制端，以实现对输出电压的快速控制。

图7 直流电源控制模块

3 功能测试

本文在现有电能表体系上进行升级改造，成功开发了面向物联网的无线智能断路器。该断路器通过芯片采集和传送数据，集状态感知、保护校验、动作控制于一体；从芯片级实现了单个或多个重合闸远程开合，智能判断故障原因，温度、湿度监测等功能。无线断路器长期监测运行状态，监测到异常信号，非重要回路智能判断、自动跳闸；重要回路只监测不跳闸，发出报警信号，并安排操作人员尽快抵达处理故障。

如图8所示为无线智能断路器现场安装示意图。现有开关外置的载波电能表只需要增加模块就可以改造成为无线智能断路器，改造成本低，可以大量降低费用。同时，针对现有的电能表体系，只需要升级少量程序就可以直接使用，最大程度降低了电能表更新换代带来的技术风险。

图8 智能断路器现场安装示意图

通过专用的手持授信终端设备，可以通过扫描二维码或无线配对的方式，实现从加密服务器获取秘钥并分配给电表和重合闸，保证了只能通过电力公司员工才能操作。如图9所示为手持终端设备及其显示界面。实验中，现场测试了通过手持终端设备配对4只无线智能断路器。实验结果表明，通过手持终端设备可以感知断路器电压、电流、漏电流、温度、湿度、故障信息等状态，且能通过手持终端设备一键完成对断路器的开合操作，且动作时间满足行业标准，优于传统设备。