CN104578400B - 一种配电断路器智能保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配电断路器智能保护装置及方法，该方法，包括：利用一采集模块采集从配电断路器输出到用电设备的电压/电流信号；利用一A/D转换器将电压/电流信号转换成电压/电流数据；利用一处理模块执行一状态数据运算转换子程序比较电压/电流数据与预定分档数据，确定电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；分档数据为分断保护电流/电压；处理模块根据电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给配电断路器；A/D转换器是集成于处理模块内部的10位的转换器。本发明基于处理模块的分析运算处理能力以最少的运算量、最低的占用存储空间实现最有效的配电断路器的监控保护。

Description

一种配电断路器智能保护装置及方法

技术领域

本发明属于监控技术领域，涉及一种器件的保护装置及方法，特别是涉及一种配电断路器智能保护装置及方法。

背景技术

配电断路器是一种过电流保护装置，主要用作短路保护和防止严重超载，工业机器上的马达负载保护也会指定使用断路器作为保护装置之一。如图1所示，现有的配电断路器是通过用电线路直接与用电设备相连的，但配电断路器在使用过程中往往存在着许多不足，以三菱NFC100-SMX系列断路器为例，分别取其中型号为额定电流In30A及型号为额定电流In60A的二款断路器进行说明，按动作特性曲线图分析其对固定过载电流的分断能力。具体参数如下所示：

表1：额定电流为In30A的断路器的电流过载分断时间表

表2：额定电流为In60A的断路器的电流过载分断时间表

从表1和表2可以看出，传统的配电断路器虽具有一定的电流过载延时分断能力，但是仍存在着很多方面的不足。

第一、过载电流限制。

传统的配电断路器在过载电流量必须超过其额定设计电流量上限才能发挥分断保护作用。例如，上述举例说明的三菱NFC100-SMX系列断路器，其设计额定正常工作电流上限为100A，即电流达到100A以上断路器才能因电流过载起到保护作用。由于传统断路器按额定电流上限设计的规格型号有限，所以导致其无法在特定的电流情况发挥电流过载保护作用。

第二、电流过载延时不精确。

传统的配电断路器虽然在特定电流过载工作的情况下，具有一定的延时分断保护能力，但就起分断保护的作用而言，仍然存在着无法做到精确延时且延时量受周围环境温度影响较大的缺点，因为不同的工作环境条件按温度由高到低会产生70％至200％的延时误差。同时传统配电断路器因其结构限制导致其所能提供的电流过载延时量相对固定，无法按特定工作需求设定电流过载延时量。

第三、不能增设电流过载延时报警等其他辅助装置。

从单个设备使用角度来说，出于避免断路器意外分断而影响设备使用的目的，可以允许设备电流短时间过载。因为传统断路器无法提供明显电流过载警示，所以用户无法直观了解用电设备的运行状态，从而无法在一定时间内对用电设备进行限流调整，进而不能避免用电设备因电流持续过载而导致的断路器意外分断，最终可能导致用电设备意外关停，不正常的关停用电设备势必会对设备本身的使用寿命有着一定的负面影响。

从多个设备共用一台配电断路器角度来说，传统的断路器因无法提供相关电流电压的即时状况及相关警示报警，从而使用户在突发情况发生时无法有效的对用电设备进行合理分配使用，这就可能出现多个用电设备同时启动运行而造成的配电断路器短时间电流过载而意外分断的情况，若发生此类情况也会影响其他用电设备的正常运行使用。

在现有技术领域中，克服上述缺陷设计出一种新型的配电断路器也是完全可以实现的，但是因为无论是厂商还是家庭或个人，对断路器的要求都不同，若设计一种可以适用于任何情况的配电断路器无疑会花费巨大的费用，在实际操作中也是根本不可行的。

换一个角度看，设计一种能够监控任何配电断路器的监控装置却是可行的。那么如何设计这种监控装置，这种监控装置要想在实际应用中得到普及，又该满足哪些条件呢？经过多方的调研和实地考察研究，总结出要想监控装置既能普及应用，体积小巧，关键还要成本低廉，就只能采用位数低的处理器作为处理核心，但位数低的处理器还存在着一定的限制条件，以PICF16系列处理器为例：

1、该处理器不集成硬件乘法器，指令中不包含乘法及除法算法；

2、该处理器使用最大10位A/D转换器；

3、该处理器使用最大256字节的EEPROM存储器；

4、该处理器使用最大368字节的数据存储器。

可以看出，低数位处理器存在着无法直接使用乘除法、A/D转换器精度不高以及处理器内部存储器存储空间有限等限制条件，所以既要满足上述限制条件，又要实现对配电断路器的智能监控，就是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种配电断路器智能保护装置及方法，用于解决在有限的条件下实现对现有配电断路器的智能监控和精确控制等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种配电断路器智能保护装置及方法。

一种配电断路器智能保护方法，包括：利用一采集模块采集从配电断路器输出到用电设备的电压/电流信号；利用一A/D转换器将所述电压/电流信号转换成电压/电流数据；利用一处理模块执行一状态数据运算转换子程序比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述分档数据为分断保护电压/电流；所述处理模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器；所述A/D转换器是集成于所述处理模块内部的10位的转换器。

优选地，当所述电压/电流信号为三相电压/电流信号时，所述处理模块执行一采样数据运算转换子程序配合所述A/D转换器采样获取所述电压/电流数据，所述采样数据运算转换子程序包括：将三相电压/电流数据分别以一组数组的形式独立存储在所述处理模块内部集成的368字节的数据存储器中，分别存储为数组A、数组B、数组C；交替向数组A、数组B、数组C中存储数据；当某组数组中的数据存储到预定数量时，对该组数组中的数据从小到大进行排序，获得该组数组中所有数据的中间值，近似得出该组数组的平均值；假设数组A、数组B、数组C的平均值分别为a、b、c；将平均值a、b、c从小到大进行排序，选取a、b、c三个平均值中的最大值作为与所述预定分档数据进行比较的电压/电流数据。

优选地，所述配电断路器智能保护方法还包括一处理模块运行状态记录步骤，所述处理模块执行一运行状态数据记录子程序实现所述处理模块运行状态的记录；所述运行状态数据记录子程序包括：所述处理模块监控自身的供电端口信号；当所述处理模块的供电端口信号从高电平突变为低电平时，所述运行状态数据记录子程序模块将启动运行，连接在所述处理模块和配电断路器之间的稳压供电模块为所述处理模块提供一毫秒级的供电延时时间；所述处理模块利用所述供电延时时间将自身的运行状态数据记录于所述处理模块内部集成的256字节的EEPROM存储器中；所述处理模块的运行状态数据包括平均电流/电压、最大电流/电压、分断瞬间保护电流/电压。

优选地，所述配电断路器智能保护方法还包括：所述处理模块执行一运行状态报警子程序实现所述配电断路器的过载报警；所述运行状态报警子程序包括：根据所述电压/电流数据的归属分档输出一对应的报警信号；所述处理模块执行一运行状态数据传输子程序实现外部监测终端对所述处理模块的实时监测保护；所述运行状态数据传输子程序包括：将所述电压/电流数据进行第一编码处理后发送给所述外部监测终端；所述外部监测终端是所述处理模块的运行状态监控终端；所述处理模块执行一运行状态数据通信子程序实现所述处理模块的远程监控；所述运行状态数据通信子程包括：将所述电压/电流数据进行第二编码处理后发送给一通信模块，使所述通信模块将来自至少一个处理模块的第二编码处理后的数据进行汇总编码后发送给一远程中心监控终端。

优选地，所述处理模块执行一运行状态数据传输子程序将所述电压/电流数据进行第一编码处理后发送给所述运行状态监控终端；所述运行状态数据传输子程序包括：在预定时间内按照预定频率提取所述电压/电流数据，记为a₁，a₂，……，a_n；将a₁，a₂，……，a_n转换为实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n；将所述实际电压/电流值A1，A2，……，An进行均值计算，获得实际电压/电流平均值A；将平均值A转换成数字数据后进行第一编码处理，然后发送给所述运行状态监控终端。

优选地，所述处理模块为内部未集成有硬件乘法器的8位可编程处理器。

优选地，采样数据运算转换子程序、状态数据运算转换子程序、运行状态报警子程序、运行状态数据传输子程序、运行状态数据通信子程序、运行状态数据记录子程序；所述可编程处理器中的子程序运行优先级从高到低排序为：采样数据运算转换子程序、状态数据运算转换子程序、运行状态报警子程序、运行状态数据传输子程序、运行状态数据通信子程序、运行状态数据记录子程序。

一种配电断路器智能保护装置，包括：采集模块，采集从配电断路器输出到用电设备的电压/电流信号；A/D转换器，与所述采集模块相连，将所述电压/电流信号转换成电压/电流数据；处理模块，包括一状态数据运算转换子程序模块，所述状态数据运算转换子程序模块比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述处理模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器；所述A/D转换器是集成于所述处理模块内部的10位的转换器。

优选地，所述配电断路器智能保护装置还包括：反馈保护模块，与所述处理模块和配电断路器分别相连，接收所述分断信号控制所述配电断路器的分断；报警模块，与所述处理模块相连，接收所述处理模块输出的对应各档分档数据的报警信号发出报警；稳压供电模块，与配电断路器和所述处理模块的供电端口分别相连，为处理模块提供稳压供电；监测模块，与所述处理模块相连，接收所述处理模块输出的运行状态数据，对所述处理模块进行实时监测保护。

优选地，所述处理模块还包括：368字节的数据存储器，集成于所述处理模块内部；256字节的EEPROM存储器，集成于所述处理模块内部；采样数据运算转换子程序模块，与所述A/D转换器和所述数据存储器分别相连，将三相电压/电流数据分别以一组数组的形式在所述数据存储器中独立存储为数组A、数组B、数组C；当数组A、数组B、数组C三组数组中某组数组中的数据存储到预定数量时，所述采样数据运算转换子程序模块将数据存储达到预定数量的数组中的数据从小到大进行排序，获得该组数组中所有数据的中间值，近似得出该组数组的平均值；假设数组A、数组B、数组C的平均值分别为a、b、c；所述采样数据运算转换子程序模块将平均值a、b、c从小到大进行排序，选取a、b、c三个平均值中的最大值作为与所述预定分档数据进行比较的电压/电流数据；状态数据运算转换子程序模块，与所述采样数据运算转换子程序模块相连，比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述状态数据运算转换子程序模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器；运行状态报警子程序模块，与所述状态数据运算转换子程序模块相连，根据所述电压/电流数据的归属分档输出一对应的报警信号；运行状态数据传输子程序模块，与所述状态数据运算转换子程序模块相连，在预定时间内按照预定频率提取所述电压/电流数据，记为a₁，a₂，……，a_n；将a₁，a₂，……，a_n转换为实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n；将所述实际电压/电流值A1，A2，……，An进行均值计算，获得实际电压/电流平均值A；将平均值A转换成数字数据后进行第一编码处理，然后发送给一运行状态监控终端；运行状态数据通信子程序模块，与所述状态数据运算转换子程序模块相连，将所述电压/电流数据进行第二编码处理后发送给一通信模块，使所述通信模块将来自至少一个处理模块的第二编码处理后的数据进行汇总编码后发送给一远程中心监控终端；运行状态数据记录子程序模块，与所述EEPROM存储器、所述稳压供电模块和所述状态数据运算转换子程序模块分别相连，监控所述处理模块的供电端口信号；当所述处理模块的供电端口信号从高电平突变为低电平时，所述运行状态数据记录子程序模块将启动运行，所述稳压供电模块为所述处理模块提供一毫秒级的供电延时时间，所述运行状态数据记录子程序模块利用所述供电延时时间将处理模块的运行状态数据记录于所述EEPROM存储器中；所述处理模块的运行状态数据包括平均电流/电压、最大电流/电压、或/和分断保护电流/电压。

优选地，所述处理模块为内部未集成有硬件乘法器的8位可编程处理器；所述8位可编程处理器中的子程序模块运行优先级从高到低排序为：采样数据运算转换子程序模块，状态数据运算转换子程序模块，运行状态报警子程序模块，运行状态数据传输子程序模块，运行状态数据通信子程序模块，运行状态数据记录子程序模块。

如上所述，本发明所述的配电断路器智能保护装置及方法，具有以下有益效果：

本发明基于处理模块的分析运算处理能力对配电断路器进行智能电流电压检测、电流过载保护、电流过载报警及电流电压状态监控，其以最少的运算量、最低的占用存储空间实现最有效的配电断路器的监控，充分保护了用电设备在使用过程中的用电安全。

附图说明

图1为现有的配电断路器的使用结构示意图。

图2为本发明所述的配电断路器智能保护方法的流程示意图。

图3为本发明所述的采样数据运算转换子程序的流程示意图。

图4为本发明所述的运行状态数据传输子程的流程示意图。

图5为本发明所述的运行状态数据通信子程的流程示意图。

图6为本发明所述的运行状态数据记录子程序的流程示意图。

图7为本发明所述的配电断路器智能保护装置的结构示意图。

元件标号说明

710 采集模块

720 处理模块

721 A/D转换器

722 存储器

723 采样数据运算转换子程序模块

724 状态数据运算转换子程序模块

725 运行状态报警子程序模块

726 运行状态数据传输子程序模块

727 运行状态数据通信子程序模块

728 运行状态数据记录子程序模块

730 反馈保护模块

740 报警模块

750 稳压供电模块

760 监测模块

770 监控终端

780 通信模块

790 远程中心监控终端

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例提供一种配电断路器智能保护方法，如图2所示，所述配电断路器智能保护方法包括：

利用一采集模块采集从配电断路器输出到用电设备的电压/电流信号。所述采样模块包括传感器及相关增幅整形电路，此步骤可以实现对连接在配电断路器上的线路的电流电压实时采集，然后进行后续检测。在实际应用中，配电断路器连接到用电设备的线路一般为三相电线路，每条供电线路都可采用此步骤进行独立的电流电压信号采集检测。传感器将电流及电压大小转化成对应的电信号；以运算放大器为主的增幅整形电路将采集获得的电信号的波形进行整形及滤波处理，转化为可供核心处理模块处理的电信号。

利用所述处理模块内部集成的最大10位的A/D转换器将所述电压/电流信号转换成电压/电流数据，所述A/D转换器可以为10位的，也可以选用8位的。除了A/D转换器外，所述处理模块内部还集成有稳压供电模块、368字节的数据存储器和256字节的EEPROM存储器。所述处理模块为内部未集成有硬件乘法器的8位可编程处理器，所述8位可编程处理器可选为8位单片机。所述可编程处理器内编程有采样数据运算转换子程序、状态数据运算转换子程序、运行状态报警子程序、运行状态数据传输子程序、运行状态数据通信子程序、运行状态数据记录子程序等子程序对采集到的电压/电流信号进行智能分析。所述可编程处理器中的子程序运行优先级从高到低排序为：采样数据运算转换子程序、状态数据运算转换子程序、运行状态报警子程序、运行状态数据传输子程序、运行状态数据通信子程序、运行状态数据记录子程序。

所述处理模块即为对采集后的电流电压信号进行后续检测的装置，其主要用于分析采集数据，并输出相应控制信号反馈给一保护电路模块(如：断路器的分励线圈)，通过该保护电路模块控制配电断路器的分断，同时输出与所述控制信号内容一致的报警信号给报警电路模块，以及输出自身的运行状态数据给用于显示、监控及记录处理模块运行状态的辅助监控电路和辅助通信线路。本发明能充分监控配电断路器运行状况，避免电流过载的情况发生。

10位A/D转换器可将一个模拟量转换成一个用10位数字量表示大小的值，1023是10位采样结果的最大值，即2¹⁰－1＝1023，就是把采样模块获得的电压/电流信号按一定编码形式转化成1023内对应的数值。简而言之，本发明的采样精度范围为0.1％左右，对于工业上的保护控制领域来说，此精度足够满足需求。但是必须优化采样数据的算法来保证采样结果不受电网波动的影响，如此本发明采用处理模块在采样数据换算过程中使用特定算法。进一步，当所述电压/电流信号为三相电压/电流信号时，所述处理模块执行一采样数据运算转换子程序配合所述A/D转换器对所述电压/电流信号进行数字采样，获取电压/电流数据。A/D转换器对所述电压/电流信号进行二进制编码处理，处理后的电压/电流数据包含着配电断路器供电处的用电信息，例如电流情况、电压情况。

如图3所示，所述采样数据运算转换子程序包括：

将三相电压/电流数据分别以一组数组的形式独立存储在所述处理模块内部集成的368字节的数据存储器中，分别存储为数组A、数组B、数组C；

交替向数组A、数组B、数组C中存储数据；

当某组数组中的数据存储到预定数量(一般数量为奇数)时，对该组数组中的数据从小到大进行排序，获得该组数组中所有数据的中间值，近似得出该组数组的平均值；假设数组A、数组B、数组C的平均值分别为a、b、c；

将平均值a、b、c从小到大进行排序，选取a、b、c三个平均值中的最大值作为采样所述电压/电流信号获得的电压/电流数据。以上算法中未使用到乘除算法，可以极大的节约程序运算的时间花销。

本发明通过采集模块(包括采样电路及相关整形增幅电路)以及采样数据运算转换子程序对电压/电流信号进行预处理，可充分避免电网波动对采样结果带来的干扰，从而增强电流及电压采样的稳定性和抗干扰能力。本发明可根据实际情况对采样模块的采样范围和采样方式进行相应的修改，极大地扩展本发明所述保护装置的使用范围，基本覆盖传统电机断路器额定电流的使用范围。

所述处理模块执行一状态数据运算转换子程序比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述分档数据为分断保护电压/电流；所述处理模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器。所述处理模块输出分断信号的具体实现过程可以为以下方式，但不限于以下一种方式：当延时分断时间结束后，处理模块输出分断信号，分断信号控制与所监控的配电断路器相匹配的分励线圈，使该配电断路器及时分断，从而起到保护用电设备的目的。

本发明按单个用电设备使用一个配电断路器及多台用电设备共用一个配电断路器两种情况，对应预先设定两种不同规格的分档电流保护量和相对应的延时时间。以下对两种情况分别列举一个实施例，但该发明的保护范围不限于以下实施例。

从单个用电设备使用一个配电断路器的角度来说，为了达到允许用电设备的电流短时间过载而不出现断路器意外分断的目的，本实施例可按需求预设为额定电流量超载120％、150％、190％、400％、600％以及短路6档逐步递增的电流保护量(即6档分档数据)，每档电流保护量按额定电流不同设置不同的延时分断时间，如表1所示。

表1：额定电流分别为30A、60A、90A的延时分断时间设置

从多台用电设备共用一个配电断路器角度来说，为了避免多个用电设备同时启动运行而造成配电断路器短时间电流过载而意外分断的情况发生，本实施例可按需求预设为额定电流量超载60％、75％、90％及100％四档电流保护量(即4档分档数据)，每档电流保护量按额定电流不同设置不同的延时分断时间，如表2所示。

表2：额定电流分别为100A、125A的延时分断时间设置

所述延时分断时间和预定分档数据的设置是可以根据实际需求由可编程处理器灵活设定的。例如：可将单台用电设备的额定电流量超载120％、150％、190％、400％、600％和短路6档电流保护量修改为额定电流量超载150％、300％、450％、600％和短路5档电流保护量，延时分断时间同理亦可作相应修改，详见列表3所示。

表3：额定电流量超载参数修改对比

以上只是举例说明，实际保护参数可按需求进行合理的修改。多台用电设备共用一台配电断路器的参数修改方式基本相同，在此不再列举。

所述处理模块执行一运行状态报警子程序实现所述配电断路器的过载报警。进一步，所述运行状态报警子程序包括：根据所述电压/电流数据的归属分档输出一对应的报警信号。基于处理模块的可编辑能力，本发明可灵活设定多档分档数据以及每档分档数据对应的延时分断时间和报警方式，实现对任何用电设备都能进行电流运行状态延时保护功能。所述报警方式包括可视报警(如各档分档数据对应的LED灯闪烁指示)及声音报警(如间隔时间不同的蜂鸣器鸣响指示)等。

例如：单个用电设备使用一个配电断路器的情况下，各档分档数据对应的LED灯闪烁指示如表4所示，当检测出用电设备的实际工作电流量大于额定电流量120％以上后，对应LED灯会点亮，并同时进行对应保护电流量的延时保护记时；当给出分断信号前10分钟开始，蜂鸣器以0.5秒间隔鸣叫，对应LED灯以同频率闪烁；当给出分断信号前2分钟开始，蜂鸣器以0.25秒间隔鸣叫，对应LED灯以同频率闪烁。

表4：供电单个用电设备的配电断路器的各档额定电流量超载参数对应的各LED灯报警

120％	150％	190％	400％	600％	短路
						LED1	LED2	LED3	LED4	LED5	LED6

多个用电设备共用一个配电断路器的情况下，各档分档数据对应的LED灯闪烁指示如表5所示，当检测出多个用电设备总的实际工作电流量大于额定电流量60％以上后，对应LED灯会点亮，并同时进行对应保护电流量的延时保护记时；当给出分断信号前5分钟开始，蜂鸣器以0.5秒间隔鸣叫，对应LED灯以同频率闪烁；当给出分断信号前1分钟开始，蜂鸣器以0.25秒间隔鸣叫，对应LED灯以同频率闪烁。

表5：供电多个用电设备的配电断路器的各档额定电流量超载参数对应的各LED灯报警

60％	75％	90％	100％
				LED1	LED2	LED3	LED4

表6：使用额定电流In30A的单个用电设备的预设分档数据示例表

由表6可知，若实际工作电流达到50A，即保护电流量处于超载150％至190％之间，此时对应LED1和LED2点亮，表示实际工作电流超过额定电流量150％，达到45A以上，此时如果不采取任何限流措施，当分断保护延时时间达到25分钟后，蜂鸣器会以0.5秒间隔鸣叫，同时对应LED2以同频率闪烁。当分断保护延时时间达到29分钟后，蜂鸣器会以0.25秒间隔鸣叫，同时对应LED2以同频率闪烁。当分断保护延时时间达到30分钟后，处理模块给出分断信号。其他各档报警方式依此类推。对于多个用电设备共用一个配电断路器的情况来说，其报警过程基本与单个用电设备共用一个配电断路器的情况相同，此处不再列举。

所述处理模块执行一运行状态数据传输子程序实现外部监测终端对所述处理模块的实时监测保护。所述外部监测终端可根据电压/电流数据的大小变化及处理模块输出的控制信号是否出现异常来监控所述处理模块是否处于正常工作状态，若发现异常，则将直接控制配电断路器进行分断操作，保护配电断路器控制供电的用电设备和本发明所述的保护装置的安全。

在采样过程中提到，本发明的采样精度约为0.1％左右，这样精度足够满足用户需求，但是对于监控运行状态的外部监测终端(如：显示终端)来说，可能会存在一定的问题。简单来说，对于检测额定范围2000A的保护装置而言，0.1％的精度即为2A为一个最小单位量，若直接按此采样处理结果换算后将电流运行状态数据显示在监控终端，就会出现以2A为最小单位变化的数值，这样虽不会影响保护装置的正常运作，但是为了外部监测终端显示数值的严谨性，本发明在数据传输过程中使用了特定算法，即运行状态数据传输子程序。

进一步，如图4所示，所述运行状态数据传输子程序包括：

在预定时间内按照预定频率提取所述电压/电流数据，记为a₁，a₂，……，a_n；

将a₁，a₂，……，a_n转换为实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n；

将所述实际电压/电流值A1，A2，……，An进行均值计算，获得实际电压/电流平均值A；

将平均值A转换成数字数据后进行第一编码处理，然后发送给所述外部监测终端；所述外部监测终端是所述处理模块的运行状态监控终端。所述第一编码处理可以为BCD编码处理。

所述运行状态数据传输子程序的实现基础是：处理模块的采样运算转换速度远远高于实际工作电流频率变化速度，所以在极小单位时间内对处理模块采样获得的电流数值基本是恒定的。这样就可以弥补因处理模块采样结果所造成外部监测终端在数值显示上的精度不足(保证以1A为最小单位)，既保证了采样数据转换的频率速度，又保证了外部监测终端的数值显示的有效性。

以上运行状态数据传输子程为了弥补处理器数据转换上的精度不足用到了除法，虽然会增加程序运算时间，但是实际上程序是按一定频率取数，远比从A/D转换器直接进行数据运算转换的频率低得多，理论上是A/D转换器直接进行数据转换的频率的1/5以下，所以实际上不会增加程序运算时间上的花销。

所述处理模块执行一运行状态数据通信子程序实现所述处理模块的远程监控。进一步，如图5所示，所述运行状态数据通信子程序包括：将所述电压/电流数据进行第二编码处理后发送给一通信模块，使所述通信模块将来自至少一个处理模块的第二编码处理后的数据进行汇总编码后发送给一远程中心监控终端。本发明充分利用了处理模块的数据通信的功能，将由采样模块获得的电信号进行特定编码后通过处理模块的通信端口传输给通信模块，通信模块将多台处理模块的数字信号汇总并加以编码处理后发送给运行状态监控终端。该通信模块可使用户同时监控多台保护装置的运行状况，充分发挥保护断路器的作用。所述运行状态传输子程序及运行状态通信子程序的实际运算频率均比状态数据运算转换子程序更低，间隔延时传送数据信息也是优化运算过程的一点，即保证了数据的及时性又保证了程序运算的效率。

所述处理模块执行一运行状态数据记录子程序实现对所述处理模块运行状态的记录，该过程可称为处理模块运行状态记录步骤。本发明充分利用了处理模块的记录数据的功能，将用电设备的用电状况抽样信息储存在处理模块内的EEPROM存储器中，此抽样信息包括用电设备使用时的平均电流、最大电流以及分断保护电流等，用户可通过运行状态监控终端查阅以往用电设备的用电状况。进一步，如图6所示，所述运行状态数据记录子程序包括：

监控所述处理模块的供电端口信号；

当所述处理模块的供电端口信号从高电平突变为低电平时，所述运行状态数据记录子程序模块将启动运行，所述稳压供电模块为所述处理模块提供一毫秒级的供电延时时间；

利用所述供电延时时间将处理模块的运行状态数据记录于所述处理模块内部集成的256字节的EEPROM存储器中；所述处理模块的运行状态数据包括平均电流/电压、最大电流/电压、分断瞬间保护电流/电压。

所述运行状态数据记录子程序的关键点在于要确定记录数据的时间，即何时将设备运行状态参数存储于处理模块的EEPROM存储器中为佳。为了保证处理模块中各程序的运行速度，避免不必要的运算时间花销，本发明未使用按特定时间反复记录状态数据的方案，而是设定在智能保护装置失去供电前一瞬间前进行数据记录，但是出于成本及安装空间的限制，本发明未配有失去供电后智能保护装置本身对处理模块供电(即智能保护装置没有自身供电模块)的设计，如何做到以上记录数据的方式，本发明采用的即是所述运行状态数据记录子程序，所述运行状态数据记录子程序是基于分断瞬间的记录过程，完全不会影响其他子程序运算的效率。如此设计，可以使用有效率的方式记录运行状态数据，满足本发明的数据记录功能，而不会增加额外的处理模块程序运算时间，从而提高整体控制程序运行的效率。

所述处理模块可以是以PIC系列为主的微控处理器(MCU)，也可以按需求替换成C51系列、AVR系列等同级别的微控处理器(MCU)。若有必要，也可使用更高性能的数字信号处理器、中央处理器及相关的嵌入式系统等。本发明的优点在于以最少的运算量、最低的占用存储空间实现最有效的配电断路器的监控，故所述处理模块优选PIC16F系列8位单片机。

本发明所述的外部监测终端可以为相关的可视化运行状态监视模块，例如LCD液晶显示屏、LED数码显示屏等终端，可使用户直观了解用电设备的用电状况；同时还可通过显示终端查阅记录于处理模块内的EEPROM存储器中的以往用电设备的运行信息。对于多台配电断路器智能保护装置同时运行的情况下，亦可由通信模块将各台保护装置的运行状态信息汇总后传输给远程中心监控终端，例如电脑、数显屏等可视化监控终端，使用户在同一地点有效的监控多台配电断路器智能保护装置的运行，充分保护用电设备的安全。

本发明基于处理模块的分析运算处理能力对配电断路器进行智能电流电压检测、电流过载保护、电流过载报警及电流电压状态监控，充分保护了用电设备在使用过程中的用电安全。

本实施例还提供一种配电断路器智能保护装置，该装置可以实现本发明所述的配电断路器智能保护方法，但该配电断路器智能保护方法的实现装置包括但不限于本实施例所述的配电断路器智能保护装置。

如图7所示，所述配电断路器智能保护装置包括：采集模块710，处理模块720，反馈保护模块730，报警模块740，稳压供电模块750，监测模块760，监控终端770，通信模块780，远程中心监控终端790。所述处理模块720内部集成有A/D转换器721，数据存储器722，采样数据运算转换子程序模块723，状态数据运算转换子程序模块724，运行状态报警子程序模块725，运行状态数据传输子程序模块726，运行状态数据通信子程序模块727，运行状态数据记录子程序模块728，EEPROM存储器729等模块。所述处理模块720包括但不限于A/D转换器721，数据存储器722，采样数据运算转换子程序模块723，状态数据运算转换子程序模块724，运行状态报警子程序模块725，运行状态数据传输子程序模块726，运行状态数据通信子程序模块727，运行状态数据记录子程序模块728，EEPROM存储器729。

所述采集模块710采集从配电断路器输出到用电设备的电压/电流信号。

所述A/D转换器721与所述采集模块710相连，将所述电压/电流信号转换成电压/电流数据；所述A/D转换器721是集成于所述处理模块内部的10位(或8位)的转换器。

所述数据存储器722为368字节的数据存储器，集成于所述处理模块720内部，主要用于程序运行中临时数据的存放，例如采样数据运算转换子程序和状态数据运算转换子程序中获得的数据数组以及最后的经运算得到的数据。

所述EEPROM存储器729为256字节的EEPROM存储器，集成于所述处理模块720内部，具备失去供电仍能记录保存数据的功能，主要用于设备分断保护存放设备运行状态的数据。

所述稳压供电模块750与配电断路器和所述处理模块720的供电端口分别相连，为处理模块720提供稳压供电。

所述采样数据运算转换子程序模块723与所述A/D转换器721和所述数据存储器722分别相连，将三相电压/电流数据分别以一组数组的形式在所述数据存储器中独立存储为数组A、数组B、数组C；当数组A、数组B、数组C三组数组中某组数组中的数据存储到预定数量时，所述采样数据运算转换子程序模块将数据存储达到预定数量的数组中的数据从小到大进行排序，获得该组数组中所有数据的中间值，近似得出该组数组的平均值；假设数组A、数组B、数组C的平均值分别为a、b、c；所述采样数据运算转换子程序模块将平均值a、b、c从小到大进行排序，选取a、b、c三个平均值中的最大值作为与所述预定分档数据进行比较的电压/电流数据。

所述状态数据运算转换子程序模块724与所述采样数据运算转换子程序模块723相连，比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述分档数据为分断保护电压/电流；所述状态数据运算转换子程序模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器。

所述运行状态报警子程序模块725与所述状态数据运算转换子程序模块724相连，根据所述电压/电流数据的归属分档输出一对应的报警信号。

所述运行状态数据传输子程序模块726与所述状态数据运算转换子程序模块724相连，在预定时间内按照预定频率提取所述电压/电流数据，记为a₁，a₂，……，a_n；将a₁，a₂，……，a_n转换为实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n；将所述实际电压/电流值A1，A2，……，An进行均值计算，获得实际电压/电流平均值A；将平均值A转换成数字数据后进行第一编码处理，然后发送给一运行状态监控终端。

所述运行状态数据通信子程序模块727与所述状态数据运算转换子程序模块724相连，将所述电压/电流数据进行第二编码处理后发送给一通信模块，使所述通信模块将来自至少一个处理模块的第二编码处理后的数据进行汇总编码后发送给一远程中心监控终端。

所述运行状态数据记录子程序模块728与所述EEPROM存储器729、所述稳压供电模块750和所述状态数据运算转换子程序模块724分别相连，监控所述处理模块的供电端口信号；当所述处理模块的供电端口信号从高电平突变为低电平时，所述运行状态数据记录子程序模块将启动运行，所述稳压供电模块为所述处理模块提供一毫秒级的供电延时时间，所述运行状态数据记录子程序模块利用所述供电延时时间将处理模块的运行状态数据记录于所述EEPROM存储器中；所述处理模块的运行状态数据包括但不限于平均电流/电压、最大电流/电压、分断瞬间保护电流/电压。

所述反馈保护模块730与所述处理模块720和配电断路器分别相连，接收所述分断信号控制所述配电断路器的分断。

所述报警模块740与所述处理模块720相连，接收所述处理模块输出的对应各档分档数据的报警信号发出报警。该报警模块740包括用于可视报警的LED和用于声音报警的蜂鸣器等。

所述监测模块760与所述处理模块720相连，接收所述处理模块输出的运行状态数据，对所述处理模块进行实时监测保护。

所述处理模块720为内部未集成有硬件乘法器的8位可编程处理器。所述8位可编程处理器中的子程序模块运行优先级从高到低排序为：采样数据运算转换子程序模块723，状态数据运算转换子程序模块724，运行状态报警子程序模块725，运行状态数据传输子程序模块726，运行状态数据通信子程序模块727，运行状态数据记录子程序模块728。

本发明的目的在于提供一种配电断路器智能保护装置及方法，其是基于可编程处理器的分析运算处理能力对配电断路器进行智能电流电压检测、电流过载保护、电流过载报警及电流电压状态监控的保护装置及其实现方法。本发明对配电线路电流或电压变化进行即时采样，针对采样信号进行整形增幅滤波，对采样滤波后的电流或电压信号进行智能相关分析运算，基于智能运算分析结果，执行对配电断路器的分断操作实现反馈保护，以及根据特定需求设定执行报警操作；此外，本发明还可以对整个可编程处理器在本地进行运行状态监控、运行状态显示以及远程运行状态监控。本发明弥补了传统电机在特定电流条件下无法充分保护用电设备的不足，同时采用先进的数字电路技术将用电设备的用电情况以数据显示并加以详细记录，为用户合理分配用电设备的供电提供了可靠的依据。

因处理模块成本及安装体积限制等多方面因素，本发明采用内部未集成任何硬件乘法器，传输指令中也不包含乘法及除法算法的处理模块，处理模块内集成的A/D转换器最大为10位A/D转换器，处理模块内集成的数据存储器最大为368字节，处理模块内集成的EEPROM存储器最大为256字节；本发明利用上述的处理模块实现了采样数据运算转换、状态数据运算转换、运行状态报警、运行状态数据传输、运行状态数据通信、运行状态数据记录等全部功能。

综上所述，可以看出本发明具备以下优点：

1、保证了处理模块的运算速度。对于不集成硬件乘法器，指令中不包含乘法及除法算法的处理模块来说，频繁使用乘法或除法会极大增加控制程序的运算时间以及大量占据数据存储空间，所以在控制程序的设计中，结合处理模块固有的指令，使用排序运算、加减运算等，最大限度弥补了不使用乘除运算带来的精度损失，同时极大的避免了不必要的运算时间花销。

2、处理模块通过相关程序指令来控制整个智能保护装置相关功能模块的运作。处理模块中的程序设计时，对应相关功能将整个程序拆分成若干个子程序，便于处理模块中的各控制程序的修改和升级。同时结合智能保护装置的使用情况，按数据运算转换的频率高低将各功能子程序划分优先级，可最大程度的保证采样数据转换的精确性及可靠性，意在保护用电设备的用电安全，同时又能保证报警、数据传输、数据通信、数据记录等功能的有序进行，既最大限度的避免了处理模块在运行控制过程中可能会发生的进程冲突，又充分合理地利用了处理模块的运算储存空间，提高了整体运算处理的速度，最终达到稳定整个智能保护装置运行的目的。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种配电断路器智能保护方法，其特征在于，所述配电断路器智能保护方法包括：

利用一采集模块采集从配电断路器输出到用电设备的电压/电流信号；

利用一A/D转换器将所述电压/电流信号转换成电压/电流数据；

利用一处理模块执行一状态数据运算转换子程序比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述分档数据为分断保护电压/电流；

所述处理模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器；所述A/D转换器是集成于所述处理模块内部的10位的转换器；

当所述电压/电流信号为三相电压/电流信号时，所述处理模块执行一采样数据运算转换子程序配合所述A/D转换器采样获取所述电压/电流数据，所述采样数据运算转换子程序包括：

将三相电压/电流数据分别以一组数组的形式独立存储在所述处理模块内部集成的368字节的数据存储器中，分别存储为数组A、数组B、数组C；

交替向数组A、数组B、数组C中存储数据；

当某组数组中的数据存储到预定数量时，对该组数组中的数据从小到大进行排序，获得该组数组中所有数据的中间值，近似得出该组数组的平均值；假设数组A、数组B、数组C的平均值分别为a、b、c；

将平均值a、b、c从小到大进行排序，选取a、b、c三个平均值中的最大值作为与所述预定分档数据进行比较的电压/电流数据。

2.根据权利要求1所述的配电断路器智能保护方法，其特征在于，所述配电断路器智能保护方法还包括一处理模块运行状态记录步骤，所述处理模块执行一运行状态数据记录子程序实现所述处理模块运行状态的记录；所述运行状态数据记录子程序包括：

所述处理模块监控自身的供电端口信号；

当所述处理模块的供电端口信号从高电平突变为低电平时，连接在所述处理模块和配电断路器之间的稳压供电模块为所述处理模块提供一毫秒级的供电延时时间；

所述处理模块利用所述供电延时时间将自身的运行状态数据记录于所述处理模块内部集成的256字节的EEPROM存储器中；所述处理模块的运行状态数据包括平均电流/电压、最大电流/电压、分断瞬间电流/电压。

3.根据权利要求1所述的配电断路器智能保护方法，其特征在于，所述配电断路器智能保护方法还包括：

所述处理模块执行一运行状态报警子程序实现所述配电断路器的过载报警；所述运行状态报警子程序包括：根据所述电压/电流数据的归属分档输出一对应的报警信号；

所述处理模块执行一运行状态数据传输子程序实现外部监测终端对所述处理模块的实时监测保护；所述运行状态数据传输子程包括：将所述电压/电流数据进行第一编码处理后发送给所述外部监测终端；所述外部监测终端是所述处理模块的运行状态监控终端；

所述处理模块执行一运行状态数据通信子程序实现所述处理模块的远程监控；所述运行状态数据通信子程序包括：将所述电压/电流数据进行第二编码处理后发送给一通信模块，使所述通信模块将来自至少一个处理模块的第二编码处理后的数据进行汇总编码后发送给一远程中心监控终端。

4.根据权利要求3所述的配电断路器智能保护方法，其特征在于，所述处理模块执行一运行状态数据传输子程序将所述电压/电流数据进行第一编码处理后发送给所述运行状态监控终端；所述运行状态数据传输子程序包括：

在预定时间内按照预定频率提取所述电压/电流数据，记为a₁，a₂，……，a_n；

将a₁，a₂，……，a_n转换为实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n；

将所述实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n进行均值计算，获得实际电压/电流平均值A；

将平均值A转换成数字数据后进行第一编码处理，然后发送给所述运行状态监控终端。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的配电断路器智能保护方法，其特征在于：所述处理模块为内部未集成有硬件乘法器的8位可编程处理器。

6.根据权利要求5所述的配电断路器智能保护方法，其特征在于：所述可编程处理器内编程有采样数据运算转换子程序、状态数据运算转换子程序、运行状态报警子程序、运行状态数据传输子程序、运行状态数据通信子程序、运行状态数据记录子程序；所述可编程处理器中的子程序运行优先级从高到低排序为：采样数据运算转换子程序、状态数据运算转换子程序、运行状态报警子程序、运行状态数据传输子程序、运行状态数据通信子程序、运行状态数据记录子程序。

7.一种配电断路器智能保护装置，其特征在于，所述配电断路器智能保护装置包括：

采集模块，采集从配电断路器输出到用电设备的电压/电流信号；

A/D转换器，与所述采集模块相连，将所述电压/电流信号转换成电压/电流数据；

处理模块，包括一状态数据运算转换子程序模块，所述状态数据运算转换子程序模块比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述处理模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器；所述A/D转换器是集成于所述处理模块内部的10位的转换器；

所述处理模块还包括：

368字节的数据存储器，集成于所述处理模块内部；

采样数据运算转换子程序模块，与所述A/D转换器和所述数据存储器分别相连，将三相电压/电流数据分别以一组数组的形式在所述数据存储器中独立存储为数组A、数组B、数组C；当数组A、数组B、数组C三组数组中某组数组中的数据存储到预定数量时，所述采样数据运算转换子程序模块将数据存储达到预定数量的数组中的数据从小到大进行排序，获得该组数组中所有数据的中间值，近似得出该组数组的平均值；假设数组A、数组B、数组C的平均值分别为a、b、c；所述采样数据运算转换子程序模块将平均值a、b、c从小到大进行排序，选取a、b、c三个平均值中的最大值作为与所述预定分档数据进行比较的电压/电流数据。

8.根据权利要求7所述的配电断路器智能保护装置，其特征在于，所述配电断路器智能保护装置还包括：

反馈保护模块，与所述处理模块和配电断路器分别相连，接收所述分断信号控制所述配电断路器的分断；

报警模块，与所述处理模块相连，接收所述处理模块输出的对应各档分档数据的报警信号发出报警；所述分档数据为分断保护电压/电流；

稳压供电模块，与配电断路器和所述处理模块的供电端口分别相连，为处理模块提供稳压供电；

监测模块，与所述处理模块相连，接收所述处理模块输出的运行状态数据，对所述处理模块进行实时监测保护。

9.根据权利要求8所述的配电断路器智能保护装置，其特征在于，所述处理模块还包括：

256字节的EEPROM存储器，集成于所述处理模块内部；

所述状态数据运算转换子程序模块与所述采样数据运算转换子程序模块相连，比较所述电压/电流数据与预定分档数据，确定所述电压/电流数据的归属分档；每档分档数据对应一个延时分断时间；所述状态数据运算转换子程序模块根据所述电压/电流数据的归属分档对应的延时分断时间输出一分断信号给所述配电断路器；

运行状态报警子程序模块，与所述状态数据运算转换子程序模块相连，根据所述电压/电流数据的归属分档输出一对应的报警信号；

运行状态数据传输子程序模块，与所述状态数据运算转换子程序模块相连，在预定时间内按照预定频率提取所述电压/电流数据，记为a₁，a₂，……，a_n；将a₁，a₂，……，a_n转换为实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n；将所述实际电压/电流值A₁，A₂，……，A_n进行均值计算，获得实际电压/电流平均值A；将平均值A转换成数字数据后进行第一编码处理，然后发送给一运行状态监控终端；

运行状态数据通信子程序模块，与所述状态数据运算转换子程序模块相连，将所述电压/电流数据进行第二编码处理后发送给一通信模块，使所述通信模块将来自至少一个处理模块的第二编码处理后的数据进行汇总编码后发送给一远程中心监控终端；

运行状态数据记录子程序模块，与所述EEPROM存储器、所述稳压供电模块和所述状态数据运算转换子程序模块分别相连，监控所述处理模块的供电端口信号；当所述处理模块的供电端口信号从高电平突变为低电平时，所述运行状态数据记录子程序模块将启动运行，所述稳压供电模块为所述处理模块提供一毫秒级的供电延时时间，所述运行状态数据记录子程序模块利用所述供电延时时间将处理模块的运行状态数据记录于所述EEPROM存储器中；所述处理模块的运行状态数据包括平均电流/电压、最大电流/电压、分断瞬间保护电流/电压。

10.根据权利要求7至9任意一项所述的配电断路器智能保护装置，其特征在于：所述处理模块为内部未集成有硬件乘法器的8位可编程处理器；所述8位可编程处理器中的子程序模块运行优先级从高到低排序为：采样数据运算转换子程序模块，状态数据运算转换子程序模块，运行状态报警子程序模块，运行状态数据传输子程序模块，运行状态数据通信子程序模块，运行状态数据记录子程序模块。