配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘    要：介紹一款基于STM32F103R8T6的配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該裝置應(yīng)用于突然斷電比過(guò)負(fù)載造成的損失更大的線路中，能夠與微型斷路器、塑殼斷路器、熔斷器等設(shè)備配套使用，實(shí)現(xiàn)配電線路過(guò)負(fù)荷的2段式報(bào)警，提前預(yù)警線路的過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，從而減少由于斷路器跳閘而產(chǎn)生的損失。
關(guān)鍵字：過(guò)負(fù)荷監(jiān)控

1　 引言
　　JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.6關(guān)于低壓配電線路的保護(hù)，是強(qiáng)制性要求的，因此配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控是必要的。7.6.1條規(guī)定“低壓配電線路應(yīng)根據(jù)不同故障類別和具體工程要求裝設(shè)短路保護(hù)、過(guò)負(fù)載保護(hù)和接地故障保護(hù)，作用于切斷供電電源或發(fā)出報(bào)警信號(hào)”。因此，在配電設(shè)計(jì)中，大量采用各種類型的斷路器，用于實(shí)現(xiàn)線路過(guò)負(fù)荷時(shí)的保護(hù)。
　　目前在配電設(shè)計(jì)中常用的有微型斷路器、塑殼斷路器、熔斷器。其中微型斷路器主要應(yīng)用于家用及類似場(chǎng)所過(guò)電流保護(hù)，額定電流不超過(guò)125A；工業(yè)類場(chǎng)合使用的多為塑殼斷路器，電流最大可達(dá)1250A。根據(jù)GB 14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》、GB 10963.1-2005/IEC 60898-1：2002 《家用及類似電器裝置用過(guò)電流保護(hù)斷路器  第1部分：交流操作的斷路器 》、GB 13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低壓熔斷器 第1部分：基本要求 》對(duì)于設(shè)備要求如下特性，見表1：    

配電用過(guò)負(fù)荷保護(hù)特性              　　　　　　　　　　　　　　 表1 

　　由表1可得，一旦配電線路中的電流超過(guò)一定的倍數(shù)，斷路器會(huì)在約定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，從而切斷負(fù)荷回路。但是，對(duì)于某些重要的回路，是不允許切斷供電的，JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1定義了一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷情況，明確指出中斷供電將造成人身傷亡；政治、經(jīng)濟(jì)重要影響；影響重要用電單位的正常工作或造成公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂。例如：重要通信樞紐、重要交通樞紐、重要的經(jīng)濟(jì)信息中心、特級(jí)或甲級(jí)體育建筑、國(guó)賓館、國(guó)家級(jí)及承擔(dān)重大國(guó)事活動(dòng)的會(huì)堂以及經(jīng)常用于重要國(guó)際活動(dòng)的大量人員集中的公共場(chǎng)所等用電單位中的重要電力負(fù)荷等。因此在7.6.3條5規(guī)定“突然斷電比過(guò)負(fù)載造成的損失更大的線路，其過(guò)負(fù)載保護(hù)應(yīng)作用于信號(hào)而不應(yīng)作用于切斷電路”。對(duì)于上述要求，那么傳統(tǒng)的開關(guān)明顯是不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　因此，我們需一種裝置，能夠針對(duì)不同類型的脫扣特性，在線路過(guò)負(fù)荷時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，提醒用戶及時(shí)采取措施。
　　本文將要介紹的是一種ACM配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置，以下簡(jiǎn)稱ACM,，該裝置在功能上除能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)顯儀表的測(cè)量功能外，還能針對(duì)不同類型的線路特性，提供與之動(dòng)作特性相對(duì)應(yīng)的2段式報(bào)警功能，同時(shí)配有開關(guān)量狀態(tài)輸入，準(zhǔn)確判斷外部開關(guān)狀態(tài)，還可配備通訊功能，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控功能。其動(dòng)作示意見圖1。保護(hù)類型見表3。

圖1　時(shí)間-電流工況圖

工作區(qū)間　                         　　　　　　　　　　　　　　 表2

配電線路保護(hù)電器類型    　　　　 　　　　　           表3 

　　ACM主要應(yīng)用在配電線路回路中，不是末端保護(hù)，而微斷一般應(yīng)用于末端保護(hù)，因此兩者在功能上不沖突。ACM用于過(guò)載報(bào)警，而短路保護(hù)由單磁塑殼斷路器（僅具有短路保護(hù)）和熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　產(chǎn)品符合以下標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范：
　　GB 50054 《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》
　　JGJ16-2008 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》
　　GB14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》
　　GB10963.1-2005/IEC 60898-1：2002 《家用及類似電器裝置用過(guò)電流保護(hù)斷路器  第1部分：交流操作的斷路器 》
　　GB13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低壓熔斷器 第1部分：基本要求 》

2　 電路設(shè)計(jì)原理
　　ACM的硬件電路包括主CPU芯片、電源、信號(hào)采集電路、人機(jī)交互單元、RS485通訊接口、開關(guān)量輸入模塊及繼電器輸出接口（圖2）。

圖2　硬件電路框圖

2.1  主控CPU
　　ACM的CPU采用ST公司的基于ARM Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。
2.2  電源    
　　電源是一臺(tái)設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分，ACM采用本公司常用的通用開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對(duì)不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
2.3  信號(hào)采集電路（圖3）
　　信號(hào)采集電路采用互感器隔離輸入，將交流信號(hào)抬高后，通過(guò)放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，最后將采樣信號(hào)送入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化。

圖3　信號(hào)采集電路

2.4  人機(jī)交互單元
　　人機(jī)交互單元采用LCD液晶顯示和按鍵輸入。能夠直觀地顯示測(cè)量參數(shù)和設(shè)置參數(shù)。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)定設(shè)置。
2.5  RS485通訊接口
　　通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約，能實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信等功能，見圖4。

圖4　通訊電路原理圖

2.6  繼電器輸出接口
　　繼電器輸出接口（圖5）是動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電器便會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖5　繼電器輸出原理圖

3　 軟件設(shè)計(jì)
　　ACM的軟件流程主要包括A/D子程序、保護(hù)子程序、計(jì)算子程序、顯示子程序、按鍵處理子程序、通訊子程序等子程序，由于程序內(nèi)容較多，現(xiàn)給出主程序流程（圖6） 

圖6　主程序流程圖

4　 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　監(jiān)控裝置的外型結(jié)構(gòu)分為2種，見圖7、圖8。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    　　　圖7            　　　　　　  　　　　　　　　 圖8　　　　　　　　　　　

　　圖7結(jié)構(gòu)采用的是微型斷路器外型，體積小巧，LCD液晶顯示。
　　圖8采用的是分體式安裝，主體控制單元采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝方式，顯示單元采用嵌入式安裝方式，由數(shù)據(jù)線與主體相連。點(diǎn)陣LCD顯示，美觀大方。

5　 產(chǎn)品特點(diǎn)   
　　監(jiān)控裝置采用真有效值的計(jì)算方法、可測(cè)量三相電流、三相電壓、四象限有功、無(wú)功、功率因數(shù)、漏電流、頻率、2～15次諧波等參數(shù)，在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較高的精度。集成有多種類型斷路器的動(dòng)作特性。該裝置集低壓電測(cè)儀表的測(cè)量功能和線路監(jiān)控功能于一體，是重要負(fù)荷回路理想的監(jiān)控元件。
　　其主要技術(shù)指標(biāo)見下表。

6　 應(yīng)用案例
　　ACM能應(yīng)用于多種場(chǎng)合。下圖為典型的應(yīng)用案例。
　　在本應(yīng)用案例中，ACM應(yīng)用于塑殼斷路器回路，其報(bào)警點(diǎn)分別為額定值的1.05倍和1.3倍。當(dāng)線路中電流值達(dá)到所設(shè)額定值的1.05倍時(shí)，輸出節(jié)點(diǎn)7、8閉合，使中間繼電器KA1動(dòng)作，點(diǎn)亮指示燈PGR；當(dāng)線路中電流值達(dá)到所設(shè)額定值的1.3倍時(shí)，裝置開始計(jì)時(shí)（計(jì)時(shí)時(shí)間5s～2h，可任意設(shè)定），計(jì)時(shí)時(shí)間到，且電流未能回落，則輸出節(jié)點(diǎn)9、10閉合，使中間繼電器KA2動(dòng)作，使聲光報(bào)警器PG動(dòng)作，從而起到報(bào)警作用。

7　 結(jié)語(yǔ)
　　ACM配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠針對(duì)不同的使用場(chǎng)合提供不同的報(bào)警點(diǎn)，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，是理想的配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控產(chǎn)品。

　　文章來(lái)源于：《電氣技術(shù)》2010年第11期。

參考文獻(xiàn)
[1] 李炳華，《智能建筑電氣技術(shù)》“淺談建筑電氣新技術(shù)的應(yīng)用”2010.6
[2] 上海安科瑞電氣股份有限公司，ACM系列配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置選型手冊(cè)，2010。
[3] 中國(guó)電力出版社，電工與電子技術(shù)，1999。
[4] 任志程，周中，電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，中國(guó)電力出版社，2007

作者基本情況
姓名：姚波
性別：男
出生年月：81年3月
技術(shù)職務(wù)：助理工程師
工作單位：上海安科瑞電氣股份有限公司
研究方向：低壓電測(cè)儀表
Email：ACRELDJH@163.com