智能低压电器控制技术研究
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摘 要：随着科技的不断发展，传统电器产品已无法满足人们的需求，与此同时，我国智能电器控制技术取得了进步和发展。该文将对智能化控制技术进行介绍，并深入探究低压电器智能化技术的设计方案，以此来更好地推动智能电器控制技术的发展。
关键词：智能化;智能控制器;控制技术;微处理器
中图分类号：TP273 文献标志码：A
0 引言
科技的进步和社会的发展催生了一大批先进技术，在该背景下，智能电器研发行业中的计算机技术与智能电器控制技术融合的越来越紧密，同时受到大众的广泛关注。人们对“智能化”一词已不再陌生，无论是生活还是工作，均向着“智能化”的方向发展。由此可见，智能化电器控制技术已经成为推动智能化电器发展的关键技术。
1 智能化控制技术
智能化控制技术主要借助微处理器控制电器产品、各个元件以及电器电路系统，将智能控制技术应用于低压电器产品中，可发挥良好的监督与控制作用，在遵循传统的电器基本工作原理的基础上，融入电子的处理方式，从而实现智能化控制目的、保证电器良好的工作状态。将智能化控制技术与电器行业相融合已经成为行业发展的必然趋势。
2 智能化控制技术的应用设计方案
为更加深入地了解智能电器控制技术，该文将对一种低压电器产品ACB框架断路器的智能控制器的设计技术进行介绍与分析。
2.1 智能控制器的功能
早期万能式断路器的功能主要是过电流保护功能，其并不具备智能化特点。但随着技术的发展，为了能更好地满足当前配电系统的智能化要求，该文提出的智能控制器具有全面的电网参数量与保护、友好的人机交互界面、通信及在线升级等功能[1]。
2.2 智能控制器硬件设计
硬件设计如图1所示，由微处理器（MCU）与信号处理电路、电源电路、脱扣驱动电路、人机交互模块及通信模块等组成。其中人机交互模块由旋钮及按键、LED指示灯、LCD显示组成，在方便客户设定整定电流及动作时间的同时，具有查看记录信息、完成整定值的实时输入和运行状态的简单指示的功能。
工作原理：电网信号通过互感器的变换转换成二次侧信号，将主回路大信号转换为弱信号，再经过信号处理电路后进入微处理器的ADC模块，MCU根据采样的AD离散值进行计算处理与分析，并且通过保护算法来监测电网状态，一旦检测到故障，MCU便会发出脱扣信号，驱动脱扣部件动作，使断路器分断。基于这一原理设计的智能控制器实现了对数据的搜集和测控，可对电器运行系统进行控制和管理[2]。
2.3 智能控制器软件设计
控制器软件方面采用NXP的ARM Cortex-M0+微处理器，基于MCUXpresso IDE开发平台编程及仿真，并加入白盒、黑盒测试，可进一步保证软件系统的稳定性及可靠性。
程序建立在周期20 ms/50 Hz（16.67 ms/60 Hz）的基础上，使电子控制单元对于电网参量的监测具备较高的实时性，实现的主要功能任务包括系统初始化、电网参数信号处理、保护处理、输出控制、人机交互处理、通信处理、在线升级模块等。
3 关键技术分析
3.1 信号处理技术
市场对电力量测的要求越来越高，要求实现电流及电压、功率、电能、谐波等量测功能。
信号处理技术始终是智能低压电器控制的关键之一。主回路电流信号由空心电流互感器（CT）负责采集，空心CT通过di/dt的变化量，将大电流信号直接转化成毫伏级电压信号。由于电感的相位超前效应，还需要对信号进行调理复原。电路采用积分回路（低通滤波器）来滞后信号，起到相位补偿的作用。应选取适当的截止频率，使其衰减系数与电流谐波次数近似成正比。主回路电压信号由电压互感器（PT）负责采集，同理需要在后端电路追加相位补偿。主回路剩余电流信号采用零序电流互感器（ZCT）来检测[3]。
以上信号采集回路均需要经过放大、电位提升后，再进入MCU的ADC单元，将模拟量转换成数字量，MCU每周期采样64个AD值，捕捉信号的波形，再基于均方根的算法实现电流电压有效值的计算。基于三瓦计/二瓦计法来计算三相功率、電能，基于离散傅立叶变换来分析奇次谐波的振幅成分。协助用电设备分配，改善用电质量，协助分析用电设备或保护设备的故障原因。
3.2 保护处理技术
在智能控制器保护方面，智能控制器具有电流保护、过/欠压、过/欠频、逆功率等保护功能。
电流保护主要为过载长延时保护、短路短延时保护及短路瞬时保护、接地故障保护，其是保证智能电器正常使用的关键。过载长延时保护采用的是反时限动作特性的保护方式，其原理是模拟双金属片过电流时热效应的积累，动作时间随故障电流的增大而自动减小。如果能量积累到一定程度，发现主回路电流将对设备造成损坏，MCU发出脱扣指令。短路短延时和接地故障保护采用反时限特性和定时限特性的保护方式，短路瞬时保护是当监测到相电流大于瞬时保护值时，不需延时立即发出脱扣指令，可尽可能避免短路对电器或是智能控制器造成的影响，在一定程度上可以保障使用者的使用安全。
其他保护如电压、频率、功率的保护均采用定时限动作特性的保护方式。当对应的电网参数超过对应的保护设定门限时，延时时间T进行累加，如果达到延时T，则发出脱扣指令或报警信号。
3.3 通信技术
众所周知，计算机技术已被广泛应用于各行各业中，无疑成为人们生活的重要组成部分。现场总线技术正是利用计算机技术与其他多种高科技技术融合，以此来打造具有良好数字化性能的通信系统。在国家大力倡导“节能减排”的大环境下，以科学的手段对各种电力参数进行统计收集并分析，智能化的电能管理，掌握相应的变化规律，将成为未来的发展趋势。
控制器采用的通信技术基于MCU的UART模块，搭配控制转换芯片MAX485将TTL电平转为RS-485电平，以此来作为连接外部设备的接口。由主站（上位机）发起询问（发起通信），从站（智能控制器）在UART中断接收到主站发出的请求，对数据帧进行判断解析后，作相应的应答。通信数据帧格式可设置奇偶校验、停止位，波特率范围1 200 bit/s～38 400 bit/s。集“四遥”（遥信、遥测、遥调及遥控）功能于一体，基于Modbus、TCP/IP协议建立的低压配电网监控系统，既可通过PC端实现远程监控，也可以通过移动设备端（手机App）实现远程监控，在实践过程中不断提高对电器的诊断能力，提高智能系统的自动化程度与可靠性，实现低压配电系统的智能化管理。
3.4 在线升级技术
框架断路器一般都安装在电力盘柜上，用户功能升级或有功能客制需求时，需要更新控制器程序，这样就不可避免地需要拆装更换开关，这样的操作非常麻烦，甚至有可能会损坏开关。因此，加入了在线升级技术，引入BootLoader处理程序，实现用户程序的引导启动和固件自更新2个功能。在不需要拆装更换开关的情况下，直接通过通信接口将更新的程序烧录到产品中，减少了公司售后服务的难度及售后成本，也提升了产品性能。
4 结语
智能化的应用方便了人们的生活和工作，在一定程度上提高了人们的生活质量、为相关企业谋求了更多的经济效益。为了推动智能化电器行业的发展，需要加强对通信技术、智能化控制技术以及信息技术的研究，在实践应用的过程中吸取经验教训，推动智能化电器进入全新的时代。
参考文献
[1]徐晓玲，胡康荣，刘珺.智能交流电力电子开关的研究[J].华东交通大学学报，2020，37（1）：101-105.
[2]熊登峰，周海珍.基于ZigBee的低功耗智能无线控制系统的设计[J].数字技术与应用，2019，37（9）：139，141.
[3]李国朝，韩九强.一种新型智能脱扣器的设计及实现[J].计算机测量与控制，2007，15（3）：375，377.
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