智能电流保护控制器研究

天津航空机电有限公司 刘健勇

智能电流保护控制器是一种用于电力系统的保护设备，其主要功能是监测和保护电路中的电流，检测设备运行时的电流异常、故障和过载情况，并采取中断、隔离控制措施，避免电流故障对设备造成不良影响。智能控制器按照逻辑算法运转，在电流数据处理中，支持电流信号值的求取计算，响应速度较快，具备可靠性、安全性等优势。因此，研究此项课题，具有十分重要的意义。

1 智能电流保护控制器功能实现

1.1 基本功能

智能电流保护控制器的主要作用及功能，包括实时监测、故障检测和自适应保护。智能电流保护控制器，可以实时监测电路中的电流变化，并对异常情况作出快速响应，在电力设备运行过程中，电流参数会通过高精度的电流传感器，并将信号传递给控制器，在人机交互界面内显示。同时，智能电流保护控制器能够检测电路中的故障情况，如短路、过载等。当电流超过设定的阈值，或出现异常变化时，其会发出警报或采取相应的保护措施。智能电流保护控制器，同样具备负载保护功能，可根据电力设备的实际情况和负载变化，自动调整保护策略和参数设置，该过程主要应用电流波形、频谱分析等方法，判断故障类型，并采取相应的保护动作。通过上述措施的运用，保护电力系统的安全。

1.2 保护控制功能

1.2.1 故障表现

本文研究的设备主要针对电力设备运行时所采取的保护措施。因电流所产生的电力设备故障主要为过载、短路两种。当电流超过设备的额定容量或设计能力时，会导致设备过载。过载可能引起设备发热、熔断器跳闸、保护装置动作等问题，严重时还会引发设备损坏或火灾风险。短路是指电流在电路中绕过正常路径，直接通过低阻抗通路流过的现象。该故障使电流迅速增大，引发电弧、电火花和爆炸，同时对设备和电路造成损坏。因此，智能电流保护控制器应具备基本的过载保护和短路保护基本功能[1]。

1.2.2 过载保护

大部分电力设备故障与温度有关，而电流过载情况下，会呈现出反时限特性，即过载倍数会影响到运行时间。因此，在电流过载保护控制上，应根据设备的反时限特性，计算动作时间，以确保过载状态下设备不会突然出现严重故障。常规反时限曲线表达公式如下：

上述公式之中，T 表示过载保护时间，Tp为常数，I 为有效电流，Ib为电流整定值。按照一般设备的标准要求，在t 值的取值上，会略微降低标准，取常规值为0.14，在极限状态或者非常状态下，则取值最高为8。在电力设备保护和管理期间，受单片机运行指数的影响，在控制保护过程中的响应时间、动作时间会影响过载保护的效果，其动作时间计算公式如下：

公式中的N 表示间隔时长，t 表示动作时间，K为常数，r 表示保护数值。当电力设备在运行阶段出现过载故障问题时，传感器装置会实时采集到设备的温度、电流等参数，判断不同时间段内是否出现热积累现象，且在过载问题产生时，则利用公式累计求和，其数值超过K 时，发送命令触发断闸保护。但在电力设备运行期间，容易出现动态过载现象，应在公式中加入第N 个电流有效值，确定采样的周期，最终确定计算结果为20ms，可满足全周期采样的基本要求。

1.2.3 短路保护

相较而言，电流引发的短路故障比过载故障损失更大，会导致电力设备因过热损坏，且在短路同时也会产生较大的电动力，甚至设备会出现误动作问题。智能控制器在监测并获取电流参数时，其电流有效值如果超出正定值8倍以上，则系统会判断出现了短路。但该过程中可能需要耗费大量的时间，甚至超过一个工频周期，无法起到有效保护的作用。因此，控制器在短路保护中，则通过检测电流短路变化率，对短路电流进行早期检测。以电力设备运行过程中的单相短路故障为例，在短路产生且未达到峰值时，基于电流变化情况，进行短路判断和分析，将短路故障所造成的影响降至最低。短路电流与实际电流之间存在一定的差异，具体短路电流模型如图1所示。

图1 短路电流模型图

图中的u（t）表示等效电源，R 为电阻，L 为等效数值。在短路故障发生时，电流的幅值会瞬间变化，且电压相位角也会发生改变。但由于电力设备在运行阶段会存在大量的噪声，无法判断是否真正出现因短路导致电流变化率过大的情况。因此，在采集的电流信号中，应将噪声过滤、清除。由于智能控制器的体积较小，且噪声滤除算法复杂，选择均值算法可实现噪声滤除的过程，尤其是在噪声叠加的情况下，仍可使用，具体噪声信号表达如下：

在信号处理过程中，考虑到噪声的随机性，需要在短时间内完成多次的信号采集。具体计算公式如下：

在上述公式之中，i 表示定量测试，N 表示采集次数，该次数与音质之间呈现出反比例的关系，且最终计算的电流信号更加接近短路信号。因此，在智能控制器的单片机设备选择上，应确保在一个工频周期内，满足2W 以上采样数量的基本要求，且在样本中可得到50个左右的均值对比。因此，短路保护控制器的采样频率设置参数为1MHz，经过信号去噪处理和数值计算，短路故障发生时能够在2ms 内检测出是否故障，且在0.5s 内即可执行保护动作，采取中断操作措施[2]。

1.3 电流有效值测算

智能控制器在保护操作过程中，获取电流有效值是关键，也是执行开关中断保护的基础内容。智能控制器的质量会受到电流有效值测量精度的影响，且直接作用动作结果的准确性。电力设备在交—直、直—交变化过程中，电流会产生谐波，使原本电流的正弦特征发生改变。传统的电流有效值测量方法无法满足电流正弦特征发生变化的要求。因此，本系统应用的智能电流控制器，在有效值计算方面应满足不同波形、不同频率下电流有效值的测量，且能够直接反馈热损耗。以单片机为基础，通过软件算法的配置，将离散傅里叶变换和均方根计算方法结合，能够实现电流有效值的精准测量。前者是通过序列矩阵，采用2k²-k 次数的运算，完成电流信号的处理。在电流有效值计算上，考虑到直流分量、基波数值、谐波有效值，计算电流有效值，具体公式如下：

公式中的R0表示直流分量，R1表示基波数值，R2表示谐波有效值。由于该算法的运算量比较大，电流保护控制器的单片机往往难以满足实际电流信号测量的基本要求。因此，在含有谐波的电流有效值计算上，则应用均方根算法，其具体计算公式如下：

公式中的T 表示周期，i 表示电流信号，t 表示瞬时时间。该算法应用具有较高的转换精度，且对10次谐波电流能够实现精度的测量[3]。

2 智能电流保护控制器硬件设计

2.1 电源设计

控制器内置Cortex-M4内核，主频参数为168M，内置32位定时器，具备串口调试功能，且自带平行结构，SPI 接口数量多达3个，CAN 接口数量2个。控制器电源模块的交流电压数值为24V，而直流电压则在四种状态下转换。稳压器基于开关状态工作，通过引脚接通和断开控制电压，完成电流控制过程。在电源设计后，装置的运行稳定性会显著提升。

2.2 电路设计

智能电流控制器具备信号采集、信号处理功能，配置信号采集电路和调理电路。前者主要利用互感器实现，额定输入、输出电流参数为2mA，在输出侧接线直流电阻时，则可实现电压信号与电流信号之间的转换。本项目中，电流信号采集中，互感器类型为铁芯电磁式，额定电流为32A，满足超过额定电流15倍参数的短路保护，且最大输入电流数值为480A，数据采集时电阻数值为10Ω。在电流信号调理过程中，会根据输入和输出电压值计算，并对信号调理，得到信号源等效值。采用仿真设计方法，其信号源的等效值为3V，电流信号为正弦信号，参数值为20Hz，利用电路的仿真功能，完成信号调理和信号波形优化。通信模块应用PROFIBUS 芯片，内置RS485接口，工作电压值为3.3V[4]。

2.3 继电器输出模块

智能控制器内部配备继电器输出模块，用于实现对电流保护动作的控制和执行。继电器输出模块可根据保护程序的判断结果，触发相应的继电器动作，以达到断开或闭合电路的目的。继电器输出模块与被保护设备或电路之间连接。根据实际需要，继电器输出模块与断路器、接触器、开关等设备相配合，实现对电路的断开或闭合控制。运转期间，继电器输出模块会接收来自电流保护程序的信号，根据信号的状态和处理结果，完成继电器的控制。例如，当电流异常或超过设定阈值时，控制模块会触发继电器闭合或断开，以实现相应的保护动作。

3 智能电流保护控制器软件设计

3.1 电流保护程序设计

电流保护程序是其核心功能之一，负责检测电流，并根据设定保护逻辑，做出保护动作。按照故障类型，其程序内容覆盖过载保护、短路保护和其他保护。智能电流保护控制器通过电流传感器或电流变送器采集电路中的电流信号。采集到的电流数据经过预处理和滤波等处理步骤，以确保数据的准确性和稳定性。处理后的数据可用于后续的分析和判断。基于设定的保护逻辑和算法，智能电流保护控制器对电流实时判断和分析。保护逻辑通常包括设定的电流阈值、时间延迟、差动比较等条件，用于判断是否存在电流异常或故障情况。根据故障检测的结果和设定的保护策略，电流保护程序会触发相应的保护动作。保护动作包括断路器跳闸、触发报警、发送通知等，以防止故障扩大或对设备和系统造成损害。当电流保护程序触发保护动作时，会发出报警信号，并将相关信息记录下来。报警可以通过声音、灯光、界面提示等方式完成。同时也能记录故障发生的时间、位置和详细信息，以便后续的故障诊断和处理。

3.2 实时时钟程序设计

保护控制器配备实时时钟（RTC）程序，用于提供准确的时间信息，并与其他功能模块同步，时间呈现误差与系统误差应满足毫秒级的标准要求。在软件系统中实时时钟程序首先会获取当前的时间信息，并通过内部的时钟芯片通信，以获取准确的当前时间。在获得当前时间后，实时时钟程序会与其他功能模块做时间同步。其目的在于确保不同模块的操作均基于相同的时间基准，以避免时间差异导致的错误或不一致性。为了保持时间的准确性，实时时钟程序会定期进行时间校准，根据内部的时钟补偿机制来调整系统时间，以消除时间漂移和误差。

综上所述，智能电流保护控制器具备实时监测、故障监测、自适应保护的功能，且核心CPU 具备数据记录功能，能够及时发现和处理电流异常情况，保护电力设备和系统的安全运行。该系统具备高精度、自适应性和可编程性等特点，在众多电力设备的电流保护应用中均具有适应性，且在获取电气设备信号时，可发送指令，检测预期电流，实现过载、短路保护功能。