技术领域
[0001] 本
发明涉及智能配用电技术领域，尤其涉及一种智能断路器及其保护方法。
背景技术
[0002] 断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的
电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的
开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。
[0003] 断路器可用来分配
电能，不频繁地启动异步
电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者
短路及欠压等故障时能自动切断
电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断
故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。
[0004] 目前流行的计量断路器、定时断路器、遥控断路器等节能型断路器的产品，能够解决部分实际问题，但都存在各种
缺陷，尤其对
电弧故障缺乏有效的保护和控制措施，无法对用电器实现安全保护，更无法避免长期超负荷用电引发的安全事故。
发明内容
[0005] 有鉴于
现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种智能断路器及其保护方法，以解决现有技术的不足。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种智能断路器，包括
信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、
接口单元、主
控制器和电源，所述
信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、接口单元均与
主控制器电连接，所述过零投切单元与接口单元电连接，其中：所述信号处理单元采集
电压和电流
波形并进行滤波和整形，转换为可输入主控制器的被测试信号；所述过零投切单元在电压、电流过零点时分别对系统主回路进行投、切控制；所述通讯单元用于主控制器与外部通讯；所述接口单元包括一次主回路部分和
人机交互部分，所述一次主回路部分为市电输入和输出，所述人机交互部分为信号指示与按键输入；所述主控制器内置故障电弧保护
算法，对信号处理单元输入的被测试信号进行处理并做出保护决策，控制所述信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、接口单元的工作状态。
[0007] 上述信号处理单元由电流
采样电路、电压采样电路、滤波电路、放大电路和整流电路组成,所述滤波电路去除低压信号中的低频和超高频部分，取频段为2kHz-10kHz的有效电弧信号。
[0008] 上述过零投切单元包括
硬件执行和过零检测单元两部分，所述过零检测单元的工作机制为：捕获电路得到负载电压和电流的过零时刻t0，
频率计算得到系统电压的频率f，继电器的执行延迟时间为td，下发操作指令的时刻tp， n为预提前周期数，t0取为0。
[0009] 上述通讯单元用于主控制器与外部通讯，实现智能断路器与远端系统交互电弧故障信息和控制指令，其通讯方式分为有线和无线两大类，有线通讯方式包括但不限于光纤、通用网线和电
力线载波，无线通讯方式包括但不限于4G、Wi-Fi、LoRa、NB-Iot、ZigBee。
[0010] 上述接口单元指示当前电弧故障等级，电弧故障等级越高，代表电弧故障越严重；所述接口单元包括一次主回路部分和人机交互部分，一次主回路部分为市电输入和输出，市电的电压范围为100V-240V，
频率范围为：48Hz-62Hz；人机交互部分为信号指示与按键输入，信号指示灯包括黄、绿、红3个单色灯和1个三色灯。
[0011] 根据检测算法确定故障处理措施，判断负载侧是否有电弧故障，并结合分级判据定量评价故障等级；
[0012] 根据实际负荷情况下的信号
能量值判定当前的电弧故障级别；
[0013] 根据电弧故障的严重程度确定分断主回路的延迟时间，记录电弧从发生到断路器跳闸的全过程，并将过程信息经通信模
块发送至
服务器后台。
[0014] 上述检测算法为离散
小波变换和信号能量分析；所述
离散小波变换取db13作为通用母小波，当负荷为纯阻性或阻感性时，取D6-D8信号作为判据
输入信号，当负荷为
开关电源性质时，取D5-D7作为判据输入信号，所述判据输入信号中任一分量大于1，即可定性的判断已发生电弧故障。
[0015] 上述信号能量E(s)的计算公式为： N是信号总长度，i为长度变量，s(t)i为取第i个信号时刻的瞬时值。
[0016] 上述电弧故障等级的定量判断方式由信号能量确定，根据不同负荷性质的负载，将电弧故障等级分为3级,当电弧故障等级发生变化时，原有延迟时间保持递增，任一延时到达，即可发送跳闸指令，故障指示灯指示跳闸时刻的实际电弧故障等级。
[0017] 上述主控制器的故障处理措施包括保护跳闸、
请求用户决策和维持现状3种，保护跳闸通过过零投切单元断开回路，请求用户决策方式通过
物联网构架实现，维持现状不做任何处理；其中，物联网构架包括所述智能断路器、网关、
云服务器和移动终端，多台智能断路器将检测到的故障电弧等级和计算结果通过网关发送至云服务器，云服务器对所接收到的数据进行存储，并将故障电弧事件发送至用户的移动终端，用户根据智能断路器环境和运行工况决定保护策略，所述保护策略经原路传输至智能断路器，智能断路器最终执行过零
切除或维持现状。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] 本发明的智能断路器包括信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、接口单元、主控制器，保护方法基于智能断路器，在该
基础上建立含有网关，云服务和移动终端的物联网构架。智能断路器的主控制器内置故障电弧检测算法，根据检测结果确定故障处理措施，检测算法为离散小波变换和信号能量分析，判断负载侧是否有电弧故障，并结合分级判据定量评价故障等级，主控制器根据电弧故障的严重程度确定分断主回路的延迟时间，主控制器记录电弧从发生到断路器跳闸的全过程，并将该过程信息经通信模块发送至服务器后台。本发明对电弧故障可以有效地保护和控制，对用电器实现安全保护，避免长期超负荷用电引发的安全事故。
[0020] 以下将结合
附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0021] 图1是本发明的智能断路器原理图；
具体实施方式
[0023] 本发明提供了一种智能断路器，包括信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、接口单元、主控制器和电源，信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、接口单元均与主控制器电连接，过零投切单元与接口单元电连接，其中：
[0024] 信号处理单元采集电压和电流波形并进行滤波和整形，转换为可输入主控制器的被测试信号；
[0025] 过零投切单元在电压、电流过零点时分别对系统主回路进行投、切控制；
[0026] 通讯单元用于主控制器与外部通讯；
[0027] 接口单元包括一次主回路和人机交互部分，一次主回路部分为市电输入和输出，人机交互部分为信号指示与按键输入；
[0028] 主控制器内置故障电弧保护算法，对信号处理单元输入的被测试信号进行处理并做出保护决策，
控制信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、接口单元的工作状态。
[0029] 其中，信号处理单元由电流采样电路、电压采样电路、滤波电路、放大电路和整流电路组成,滤波电路去除低压信号中的低频和超高频部分，取频段为2kHz-10kHz的有效电弧信号。
[0030] 其中，过零投切单元包括硬件执行和过零检测单元两部分，过零检测单元的工作机制为：捕获电路得到负载电压和电流的过零时刻t0，频率计算得到系统电压的频率f，继电器的执行延迟时间为td，下发操作指令的时刻tp， n为预提前周期数，t0取为0。
[0031] 其中，通讯单元用于主控制器与外部通讯，实现智能断路器与远端系统交互电弧故障信息和控制指令，其通讯方式分为有线和无线两大类，有线通讯方式包括但不限于光纤、通用网线和电力线载波，无线通讯方式包括但不限于4G、Wi-Fi、LoRa、NB-Iot、ZigBee。
[0032] 其中，接口单元包括一次主回路和人机交互部分，一次主回路部分为市电输入和输出，市电的电压范围为100V-240V，频率范围为：48Hz-62Hz；人机交互部分为信号指示与按键输入，信号指示灯包括黄、绿、红3个单色灯和1个三色灯。
[0033] 本发明还提供一种智能断路器保护方法，智能断路器的主控制器内置故障电弧检测算法，主控制器根据检测结果确定故障处理措施，检测算法为离散小波变换和信号能量分析，判断负载侧是否有电弧故障，并结合分级判据定量评价故障等级；智能断路器的主控制器根据实际负荷情况下的信号能量值判定当前的电弧故障级别，接口单元指示当前电弧故障等级，电弧故障等级越高，代表电弧故障越严重，主控制器根据电弧故障的严重程度确定分断主回路的延迟时间，主控制器记录电弧从发生到断路器跳闸的全过程，并将该过程信息经通信模块发送至服务器后台。
[0034] 其中，离散小波变换取db13作为通用母小波，当负荷为纯阻性或阻感性时，取D6-D8信号作为判据输入信号，当负荷为开关电源性质时，取D5-D7作为判据输入信号，判据输入信号中任一分量大于1，即可定性的判断已发生电弧故障。
[0035] 其中，信号能量E(s)的计算公式为： N是信号总长度，i为长度变量，s(t)i为取第i个信号时刻的瞬时值。
[0036] 其中，电弧故障等级的定量判断方式由信号能量确定，根据不同负荷性质的负载，将电弧故障等级分为3级,当电弧故障等级发生变化时，原有延迟时间保持递增，任一延时到达，即可发送跳闸指令，故障指示灯指示跳闸时刻的实际电弧故障等级。
[0037] 其中，主控制器的故障处理措施包括保护跳闸、请求用户决策和维持现状3种，保护跳闸通过过零投切单元断开回路，请求用户决策方式通过物联网构架实现，维持现状不做任何处理；其中，物联网构架包括智能断路器、网关、云服务器和移动终端，多台智能断路器将检测到的故障电弧等级和计算结果通过网关发送至云服务器，云服务器对所接收到的数据进行存储，并将故障电弧事件发送至用户的移动终端，用户根据智能断路器环境和运行工况决定保护策略，保护策略经原路传输至智能断路器，智能断路器最终执行过零切除或维持现状。
[0038] 下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本
申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0039] 如图1所示，根据本发明的实施例，智能断路器包括信号处理单元、过零投切单元、通讯单元、接口单元、主控制器和电源。
[0040] 其中，信号处理单元由电流采样电路、电压采样电路、滤波电路、放大电路和整流电路组成。通过对电压和电流采样将高电压和大电流信号转为低压小信号，通过滤波电路去除低压信号中的低频和超高频部分，取频段2kHz-10kHz的有效电弧信号，再通过全波整流电路将其转换为可输入主控制器的被测试直流信号。
[0041] 其中，过零投切单元包括硬件执行电路和过零检测单元两部分，所述硬件执行电路为继电器及其驱动电路，过零检测单元包括过零捕获、频率计算及过零补偿算法。过零捕获得到负载电压和电流的过零时刻t0，频率计算得到系统电压的频率f，继电器的执行延迟时间为td。在所述主控制器完成过零补偿计算，接受到所述主控制器的指令后，在电压、电流过零点时分别对系统主回路进行投、切控制。主控制器的过零补偿计算方式为：
[0042]
[0043] tp为下发操作指令的时刻，n为预提前周期数，根据应用场合的响应需求而定，t0通常取为0。
[0044] 其中，通讯单元用于主控制器与外部通讯，实现智能断路器与远端系统交互电弧故障信息和控制指令，其通讯方式分为有线和无线2大类，有线通讯方式包括但不限于光纤、通用网线和电力线载波，无线通讯方式包括但不限于4G，Wi-Fi，LoRa，NB-Iot，ZigBee等。
[0045] 其中，接口单元包括一次主回路和人机交互部分。一次主回路部分为市电输入和输出，市电的电压范围为100V-240V，频率范围为：48Hz-62Hz，其输入和输出接口采用通用金属铸件和绝缘套件。人机交互部分为信号指示与按键输入，信号指示灯包括黄、绿、红3个单色灯和1个三色灯。单色红灯指示断路器的电源状态，点亮代表正常，熄灭代表异常；单色绿灯指示断路器一次回路的分合状态，点亮代表闭合，熄灭代表分断；单色黄灯指示断路器当前的联网状态，点亮代表联网，熄灭代表离网；三色灯包括黄、绿、红共3种
颜色，分别指示电弧故障的不同等级，绿色灯亮代表一级电弧故障，黄色灯亮代表二级电弧故障，红色灯亮代表三级电弧故障，三色灯熄灭代表无电弧故障。
[0046] 其中，主控制器对信号处理单元输入的被测试信号进行离散小波变换和信号能量分析，判断负载侧是否有电弧信号产生。如果有电弧产生，进一步判断该信号对应的电弧故障等级，并输出至接口单元指示当前电弧故障等级。
[0047] 优选地，离散小波变换取db13作为通用母小波，当负荷为纯阻性或阻感性时，取D6-D8信号作为判据输入信号，当负荷为开关电源性质时，取D5-D7作为判据输入信号。所述判据输入信号中任一分量大于1，即可定性的判断已发生电弧故障。
[0048] 优选地，信号能量E(s)的计算方法为：
[0049] N是信号总长度，i为长度变量，s(t)i为取第i个信号时刻的瞬时值。在本实施例中，电弧严重程度的定量判断方式如下：
[0050]
[0051] 主控制器根据实际负荷情况下的信号能量值判定当前的电弧故障级别，接口单元指示当前电弧故障等级。电弧故障等级越高，代表电弧故障越严重，主控制器根据电弧故障的严重程度确定分断主回路的延迟时间，一级电弧故障跳闸延迟时间为3秒，二级电弧故障跳闸延迟时间为2秒，三级电弧故障跳闸延迟时间为1秒。当电弧故障等级发生变化时，原有延迟时间保持递增，任一延时到达，即可发送跳闸指令，故障指示灯指示跳闸时刻的实际电弧故障等级。主控制器记录电弧从发生到断路器跳闸的全过程，并将该过程信息经通信模块发送至服务器后台。
[0052] 优选地，任何情况下，主控制器接收按键控制指令，短时按键操作用于翻转智能断路器主回路的通断状态，长时按键用于智能断路器的参数配置。每按一次均对主回路状态进行取反操作，所述取反操作指：当主回路为分断状态，监测到按键输入后，闭合主回路；当主回路为闭合状态，监测到按键输入后，分断主回路。持续超过3秒的按键操作用于配置断路器的参数，包括运行定值和网络参数等。
[0053] 如图2所述为本发明实施例的物联网构架，包括所述智能断路器、网关、云服务器和移动终端。多台智能断路器将检测到的故障电弧等级和计算结果通过网关发送至云服务器，云服务器对所接收到的数据进行存储，并将故障电弧事件发送至用户的移动终端。用户根据智能断路器环境和运行工况决定保护策略，所述保护策略经原路传输至智能断路器，由智能断路器最终执行过零切除或维持现状。
[0054] 其中，智能断路器电源为通用AC/DC转换模块，为智能断路器系统提供5V或12V工作电压。
[0055] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多
修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由
权利要求书所确定的保护范围内。
