基于C8051F340的自适应剩余电流保护器

耿晋中， 迟长春， 宁建行

(上海电机学院 电气学院， 上海 201306)

基于C8051F340的自适应剩余电流保护器

耿晋中， 迟长春， 宁建行

(上海电机学院 电气学院， 上海 201306)

基于C8051F340微控制器，依据自适应保护原理，设计了一种动作阈值可调节的自适应剩余电流保护器。通过检测突变剩余电流来提高对人身触电及电气火灾的防控能力，加入了重合闸及重合闭锁功能来提高其投运率。通过样机及相关实验表明，该种具备自适应功能的剩余电流保护器能够适应复杂的工作环境并可靠动作。

剩余电流; 自适应; 阈值调节; 微控制器

随着电气设备的发展和普及，因线路故障或使用不当造成的故障剩余电流时有发生。为防止人身触电以及电气火灾等事故，需要采取相应的防护措施，如在低压电网中安装剩余电流动作保护器(Residual Current Operated Protective Device,RCD)[1-2]。目前，各种类型的RCD已在配电网中大量使用。运行实践表明，在剩余电流动作保护方面，保护器的可靠性及有效性亟待提高。

目前使用的RCD对人身安全的保护效果不甚理想，正确动作率和投运率远低于国家标准的要求[3]。电网及用电设备正常工作时，设备数量、电网结构、大气环境等的变化都可能导致电网中的剩余电流发生较大变化，而传统RCD只能监测到总泄露电流信号的大小[4]，且动作值一经设定便无法改变，故动作阈值固定的剩余电流保护技术已不能满足实际需要。传统继电保护难以解决上述问题，虽然其力图适应系统故障状态和运行方式的变化，但是由于其设定运行方式的保护模式单一，可能会引起性能严重变差或保护失效。自适应继电保护技术通过不间断地监测被控对象，并根据被控对象的变化来调整控制参数，使系统运行于最优或次优状态。因此，其在继电保护领域得到广泛研究，在一定程度上满足了继电保护新需要[5-6]。

基于C8051F340微处理器，本文研究设计了一种智能自适应剩余电流动作保护器。通过检测突变剩余电流来提高对人身触电及电气火灾的防控能力，加入了重合闸及重合闭锁功能来增加其投运率；通过动作档位切换解决在正常的剩余电流变化较大时的保护问题，使保护器的可靠性及智能化程度得到进一步提高。

1 RCD的结构与原理

根据对故障信号不同的感测方式，RCD分为电压型和电流型两大类。按剩余电流动作分断时间不同，RCD可分为快速型和延时型[7]。电压型保护器因测量信号易受干扰，且仅可对单台设备进行保护，除在中性点不接地系统外，早已被电流型所取代。当前，各国开发的保护器类型，绝大多数是电流动作型。

图1给出了电流动作型RCD剩余电流动作保护原理。其中，Ih1为流入零序电流互感器的电流，Ih2为流出互感器的电流。当触电或其他接地漏电故障发生时出现剩余电流Ir，使

(1)

Ir在零序电流互感器铁芯上产生励磁磁势，进而产生交变磁通Φr。Φr作用于零序电流互感器的二次侧线圈，此时在零序电流互感器二次侧绕组有感应电压U2输出。当故障电流达到事先所整定的数值时，RCD的脱扣机构就会动作脱扣，进而分闸，切断故障线路主开关，剩余电流保护的目的由此实现[1-2]。文献[8]中利用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)研究了剩余电流的真有效值计算。

电流型RCD电路原理框图如图2所示。U2经过信号调理后送入处理器，当U2达到一定值时，处理器发出脱扣指令，驱动保护器的脱扣机构切断线路。电阻和试验按钮组成试验电路，在RCD正式投入运行前，需按下试验按钮，人为产生一个故障剩余电流信号，检验保护器是否能够可靠动作[9]。

1-零序电流互感器;2-零序电流互感器二次侧线圈; 3-脱扣线圈

图2 RCD电路原理框图

Fig.2 Schematic of adaptive intelligent residual current action protector

2 自适应剩余电流保护模型及应用

2.1 自适应剩余电流保护模型的建立

传统的剩余电流保护采用简单反馈+前馈控制的方式，对具有很大时变性、不确定性和内外扰动的对象效果很不理想。自适应剩余电流保护则是系统在其操作环境、资源可变性、新用户需求、入侵和故障等不确定变化的情况下，在运行时调节自身状态,以保持正常运转或运行在最优状态的能力[10]。

由于构成电网和用电设备的成分复杂、变化较大，因而正常的剩余电流差别也很大，容易造成保护器误动作。自适应剩余电流保护实质就是根据正常Ir的变化，自动调整保护器的动作阈值It，其上、下限值分别为It,p、It,q。当Ir>It时，保护器动作；当Ir小于一定门限值，即It,p

(2)

式中，Im为设定It的最大值;t为Ir实际持续时间;ts为预先设定Ir的持续时间。

It的浮动由式(2)确定。设当前It=It,i，当Ir>It,i时，保护器动作；当It,qiIt,pi且t≤ts时，It保持不变；当Irts时，It减小到It,(i-1)；当It,pits时，It增大到It,(i+1)。当It=It,0时，It只能增大；当It=It,n时，动作阈值只能减小。

2.2 动作档位切换

为保证用电设备和电网的正常运行，对于正常的剩余电流，RCD不应该发生动作[11]。为提高RCD的智能化水平，可以在检测电网Ir的基础上，根据电网运行水平自动切换动作电流档位,故考虑将Ir保护范围分成几个区间，使It自动浮动，不需要人为调整。自动切换剩余电流动作档位的原则如下：先判断该电流是否为突变剩余电流，若是，则保护器动作;否则,进入自动调档程序。若测得的Ir在一定限值区间内，则认为Ir没有发生较大变化，保护器的动作档位值不变；若测得的Ir超出限值区间的持续时间t大于设定的时间，则认为Ir变化显著，此时可改变RCD的动作值，动作档位值将会浮动。

自动降档设计如下：若降1档的档位电流值+10>Ir>降2档的档位电流值+10，且t达到45 s，则自动降档到合适的档位值，表1给出了保护器的档位设定。

首次运行时，由于设置的档位不符合当前电网的Ir水平，保护器可能发生误动作。为避免该情况发生，将保护器的档位设定在最高档1 040 mA处；而后,保护器通过跟踪当前的Ir，切换到合适的动作档位。当Ir高于当前档位时，保护器从低档位向高档位自动切换;当Ir低于当前档位时，保护器从高档位向低档位自动切换,且换挡时不跳闸，保护器的适应性与动作可靠性因此得到增强。

表1 保护器档位设定

2.3 突变剩余电流保护

缓变剩余电流和突变剩余电流是剩余电流保护技术主要研究的两个动作保护值。缓变剩余电流动作值主要应用于线路总的剩余电流，是电网中剩余电流变化缓慢时的额定动作值；突变剩余电流动作值主要应用于人身触电时产生的脉冲剩余电流，是电网中的剩余电流突然变化时的额定动作值[12]。按照国标的相关要求，一般将人身触电产生的突变剩余电流的额定值设定为30 mA[13]。

为减小故障剩余电流动作的影响范围，采用剩余电流保护的反时限特性来进行级间配合。在实现突变剩余电流保护时，考虑到剩余电流大小和动作时间两个因素，可根据Ir的大小进行反时限保护。反时限保护常用的数学基本模型[14]为

(3)

式中，tL为动作延时；K为设计常数；M为由用户整定的时间常数， 一般由上、下级保护动作时间的正确配合要求决定；I为保护测量电流；Ip为基准电流，通常取被保护设备的额定电流；a为曲线水平移动常数，通常取1.0，反映了反时限保护可以动作的电流相对于Ip的倍数；n为曲线形状常数，n愈大,曲线形状愈陡，保护动作时间随电流增大而减小得愈迅速，通常取值在 0～2之间[14]。

通过剩余电流反时限保护可减少在短暂剩余电流故障时的保护动作，提高电网连续供电能力。

2.4 重合闸及重合闭锁

自动重合闸装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置，可以提高电网的稳定性、供电可靠性以及电网的自动化运行水平，在电网中被广泛应用[15]。电力系统运行实践证明，大多数架空线路的故障都是瞬时的，因此，要提高供电的可靠性，可以在线路因故障断开后进行一次重合闸操作;重合闸的成功率一般为60%～90%[16-17]。

线路发生剩余电流故障时，RCD在规定时间内分断,此时,设定进行一次自动重合闸操作的时间为50 s。重合闸后可能会出现两种情况：① 若故障Ir消除，则RCD保持闭合，线路正常通电；② 若当前Ir仍然超过当前保护器所在档位的动作电流值，则RCD立即对线路进行分断，并闭锁重合闸，使线路保持分断状态。

3 自适应RCD详细的设计

3.1 硬件电路设计

硬件电路部分主要由电源电路、信号采集电路、信号调理电路、处理器及外围电路等组成。图3为自适应RCD硬件原理框图。其中，微处理器采用C8051F340单片机，外围电路包括剩余电流数字显示电路、动作执行电路等。保护器电源模块向各功能模块供电，包括信号调理电路、单片机等。

图3 自适应RCD原理框图

Fig.3 Functional diagram of adaptive intelligent residual current protection device

RCD工作时，电力线路中的剩余电流信号通过剩余电流互感器感应得到。该剩余电流信号通过保护器中的调理电路送入C8051F340；由其监测电网中的Ir，若电网中存在突变剩余电流，则发出脱扣指令，使线路断开；反之,则跟踪电网中正常Ir的变化，根据自动调档程序调节保护器的动作档位，提高保护器的投运率。

剩余电流信号是一差值信号，与电路的工作电流相比很微弱。因此，需选择灵敏度较高的零序电流互感器,设计合适的剩余电流信号调理电路,使电压信号符合C8051F340的A/D转换要求。图4给出了剩余电流信号调理电路。该电路将零序电流互感器二次侧的输出变换为A/D模块可以采集的0～5 V单极性电压信号。C8051F340对该模拟电压值进行10 bit的数字转换，将输入的电压值转换为0～1 023的整数值[2]。

图4 剩余电流信号调理电路

由于C8051F340单片机引脚的驱动能力非常小，而脱扣线圈的功率要求较大，不能满足要求。为了增大驱动能力，设计的脱扣器驱动电路如图5所示。当保护器检测到线路中产生的故障剩余电流后，经过一定时间延时后发出脱扣指令，继电器线圈通电,将线电压加到脱扣器上，使驱动脱扣器脱扣,然后，停止发送脱扣指令。脱扣信号被设计为周期性脉冲信号来保护脱扣器，避免脱扣器因发热而烧毁[18]。

图5 脱扣器驱动电路

继电器输出合闸信号给电动操作机构，由电动操作机构推动保护器重合闸。自动重合闸装置使用驱动电压为12 V的继电器控制合闸线圈的断电和通电。图6给出了重合闸电路。图中，继电器线圈两端并联了一个二极管1N4007，其作用是保护单片机。1N4007有两种工作状态：① 当继电器Relay-SPST由闭合状态变为断开状态时，继电器线圈会产生一个反向电压。1N4007为该反向电压提供了一个回路，使该电压被迅速释放掉，避免烧毁单片机；② 正常情况下，该二极管并不工作。

图6 重合闸电路

3.2 软件设计

自适应RCD的软件主要实现剩余电流信号的采样、FFT、有效值计算、按键检测、动作档位切换、突变剩余电流保护等，RCD参数设置及相关功能。

图7 自适应RCD工作流程图

Fig.7 Flow chart of adaptive intelligent residual current protection device

4 实验分析

图8所示为本文设计的保护器硬件电路实物图。该硬件电路包括信号调理电路、按键电路、保护器工作状态指示电路，均通过杜邦线与C8051F340核心板连接。C8051F340核心板布局紧凑，应用方便。+5 V、3.3 V电源和GND都用间距为2.54 mm的排针引出，方便用普通的杜邦线做扩展实验，C8051F340上的所有IO脚都引出到排针上。该保护器共有3种供电方式：① 采用配送的USB线供电；② 仿真器JTAG口供电；③ 外接5 V直流电源供电。

图8 硬件电路图

在实验室使用RCD测试仪和上海电机学院电器实验平台对该自适应RCD进行自适应功能测试。以下为模拟Ir=850 mA档位变化情况。

(1) 加电后，Ir动作档位自动选择1 040 mA，此时，Ir=850 mA，小于该档下限值1 000 mA;45 s后Ir动作档位自动浮动到960 mA档。

(2)Ir动作档位为960 mA时，Ir=850 mA，小于该档位的下限值880 mA，故45 s后Ir动作档位自动浮动到800 mA档。

(3)Ir动作档位为800 mA时，Ir=850 mA，在[760,880]区间内，故Ir动作档位不变。此时，可能有3种情况出现：① 若出现突变剩余电流，则进行故障剩余电流的保护。② 若Ir变小不在[760,880]内，但45 s内又回到[760,880]区间，则Ir动作档位不变；若一直小于760 mA，则45 s后Ir动作档位浮动到720 mA档。③ 若Ir增大超出[760,880]，但45 s内又回到[760,880]内，则Ir动作档位不变；Ir一直大于880 mA，则45 s后Ir动作档位浮动到960 mA档。

然后，利用样机对其进行了剩余电流有效值测试和保护性能测试实验。为验证自适应RCD的优势，本文将其与传统RCD进行性能比较。设定自适应RCD初始测试剩余电流为600 mA，突变剩余电流动作值为30 mA，样机初始档位为560 mA。表2给出了两者的实验数据比较。

由实验比较发现，由于传统RCD的动作值固定，当电网Ir水平变化时，动作性能较差，无法进行适应性调整，故有些故障发生时难以进行保护;而本文设计的自适应RCD能够根据Ir的整体水平，自动做出调整，使得保护范围以及适应性大大增加，提高了动作可靠性。

表3所示为本文设计的自适应RCD测量数据。

表2 实验数据比较

表3 剩余电流测量数据

通过分析，本文设计的自适应RCD产生测量误差主要归结为两个原因：

(1) 零序电流互感器线性度误差。由于测量信号通过零序电流互感器送入处理电路，而零序电流互感器存在线性度误差，不可避免地导致测量结果的线性度和精度误差。选择线性度较好、精度较高的零序电流互感器可以改善该问题。

(2) 电磁干扰引起的测量误差。检测的剩余电流信号为小信号，但幅度并不小，频率范围较宽的电磁干扰会对保护系统的稳定动作产生有很大的影响。此外，电磁干扰与PCB设计不当也有一定的关系。通过一定的抗干扰设计、优化布线、改善PCB布局，可在一定程度上降低电磁干扰的影响。

5 结 语

本文在分析剩余电流保护器工作原理和自适应控制应用的基础上，提出一种自适应剩余电流保护技术及其实现方法，有效解决在正常剩余电流变化较大情况下的保护问题;研究并设计基于单片机C8051F340的保护器，制作样机并进行了相关实验。结果表明，自适应RCD能够自动改变动作阈值且可靠动作，使得保护器的适应性及可靠性得到了提高。

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Adaptive Protection Device for Residual Current Based on C8051F340

GENGJinzhong,CHIChangchun,NINGJianhang

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Based on the microcontroller C8051F340 and the theory of adaptive protection of residual current, a residual current protection device with an adjustable action threshold is designed. The device improves the ability of preventing and controlling electric shock and electrical fire by detecting sudden changes of the residual current. It is equipped with reclosing and a lockout function of reclosing to improve commissioning rate. A prototype and the related experiments show that the adaptive device can be used in a complicated work environment and is reliable.

residual current; adaptive; threshold adjustment; microcontroller

2016 -12 -23

耿晋中(1990-)，男，硕士生，主要研究方向为智能电器，E-mail:gengjz_sdju@qq.com.

2095 - 0020(2017)02 -0079 - 07

TM 588

A