低壓斷路器智能化控制技術(shù)研究論文

1、摘 要 本文介紹低壓斷路器智能化控制技術(shù)研究，開發(fā)了面向配電系統(tǒng)斷路器的智能控制單元。主要目的是實現(xiàn)低壓斷路器的智能保護、遠程控制和集中管理，其內(nèi)容為低壓斷路器智能控制單元的軟硬件設(shè)計及其上位機系統(tǒng)的開發(fā)。 本文首先論述了裝置的硬件框架結(jié)構(gòu)，確定單片機及其外圍功能單元的設(shè)計原理，通過系統(tǒng)的硬件和軟件綜合設(shè)計，實現(xiàn)了對斷路器的智能控制，對于電力系統(tǒng)中短路、過載、接地等故障實現(xiàn)智能控制，實時顯示線路運行時電流或故障信息。詳細論述了其中主要功能模塊的工作原理和設(shè)計方案，對裝置的各種測量、保護算法以及實現(xiàn)方法進行詳細的論述。該控制器單元以C8051單片機為核心處理器，主要進行數(shù)據(jù)實時采集處理和斷路器的

2、故障保護，以實現(xiàn)斷路器的自動控制。其軟硬設(shè)計均采用模塊化和開放性的設(shè)計方法。硬件電路盡量選擇標準化、模塊化的串行芯片，而且留有余地，以備擴展；軟件采用層次化和多任務(wù)的設(shè)計思想，有效地提高了軟件系統(tǒng)的靈活性和可移植性。 其次，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種適合于上位機和單片機之間串行通信協(xié)議，利用Labview開發(fā)的上位機管理系統(tǒng)界匭友好、易于使用和管理，實現(xiàn)上位機對智能控制單元的集中控制、調(diào)度和管理。接口采用RS一485總線標準，硬件接口簡單，通信可靠，解決了上位機和智能控制器單元之間的通信問題。并就研制的裝置在硬件上和軟件上所采取的各種抗干擾措施進行了具體說明。 實驗結(jié)果表明，本文研究的低壓斷路器智能

3、化控制系統(tǒng)基本上達到了預(yù)期的設(shè)計效果，對以后開發(fā)低壓斷路器智能化控制系統(tǒng)具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：斷路器；智能控制器：過電流保護；Abstract The research of the intelligent controller of the low-voltage circuit breakers which are applied to distribution is recommended in this paperThe important purpose of the research is to achieve the intelligent protection,remot

4、e control and centralize manage of the low-voltage circuit breakersThe design of the hardware and the software of the intelligent controller and the research of the remote system is the primary content Firstly the frame of the equipment discussed is in the paperThrough the design of the hardware and

5、 the software of single-chip computer system，the intelligent control of the circuit breaker,the intelligent protection of the short circuit,the overload and the contact to earth are realizedThe real-time current and information of faults can be shownWe introduce the theory and the design of the modu

6、le concretelyThe arithmetic of the measure and the protection is represented in detail in this paperThe intelligent controller is based on the C8051 processor to sample and process the signal，and then to handle the faults of the circuit if there are any to achieve the circuit breakers self-controlTh

7、e design of the hardware and software are all modularized and openedThe ICs selected the standard and modularized component which is serial.Its the best if it can be expendedThe design of the software adopted the way of sequential and multi-task to improve the flexibility and transplant of the syste

8、m Secondly we implement the communication agreement between the intelligent controller and the PCThe remote system which is friendly to users and easy to supervise and manage is designed with the software of LabviewThe interface of the communication is RS485 standard which has high liability to impl

9、ement the communicationIt is particularly presented about the anti-jamming on the software and the hardware The experiments indicate that the intelligent controller we worked out had reached our expectationIt is a reference for further design of the intelligent controllerKeywords：circuit breaker；int

10、elligent controller；protection for overflow第一章 緒論第一節(jié) 課題背景隨著電力事業(yè)鵑發(fā)展，供電線路上各種功能的保護器也應(yīng)運而生，而且發(fā)展迅速。這類保護器其保護原理一般來說主要基于電路上的電流或功率超過一定的限度時，自動切斷電源來達到保護下級負載及供電線路的目的。斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)電器設(shè)備之一，主要用于線路的接通、分斷和對系統(tǒng)中各種故障進行保護，在供電和配電系統(tǒng)中起著開斷和閉合正常線路或故障線路的作用。而脫扣器就是對被保護線路進行各種電參數(shù)的檢測，在符合預(yù)定條件時發(fā)出信號使斷路器動作的器件，因此斷路器的性能很大程度上取決于脫扣器的性能，脫扣

11、器是斷路器里最重要的核心部件，其操作性能對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟運行至關(guān)重要。由于單片微機在保護器設(shè)計上的應(yīng)用，保護器由以前的電子式、電磁式向智能式發(fā)展。智能式脫扣器即智能控制器更為精確、及時，故在電力系統(tǒng)上得到了廣泛的應(yīng)用。低壓斷路器在配電和保護線路中起著日益重要的作用，要求它具備很大的短路電流分斷能力，實現(xiàn)選擇性保護和供電安全，同時具有一定的智能化功能。它不僅能在正常工作情況下接通或斷開負載電流，而且允許在不正常情況下(過電流、短路、欠電壓等)自動切斷電路，從而保護用電設(shè)備和電纜等；故障排除后，還可迅速恢復(fù)供電。斷路器可以就地操作，還可以遠距離操作，且安全、方便。近年來推出的智能型斷路器，

12、具有智能化保護功能，選擇性保護精確，能提高供電可靠性，避免不必要的停電，可實現(xiàn)配電自動化。智能控制器作為智能型斷路器的中樞部件，它承擔斷路器的各種保護、報警、顯示、試驗與故障診斷功能，當前己成為斷路器是否先進的主要標志之一。其作用是分配電能和保護電氣配電網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備免受短路、過載、欠電壓和接地故障電流的破壞。斷路器和各種控制電器配合對電力系統(tǒng)進行控制、保護和監(jiān)測。當系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時，控制電器控制斷路器動作，快速切除系統(tǒng)中的故障部分，防止故障擴大，保證設(shè)備與人身的安全，使系統(tǒng)正常運行。隨著電力系統(tǒng)和配電自動化的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)保護裝置經(jīng)歷了電磁式保護、晶體管保護和微機保護。電磁式保護裝置是基

13、于電磁和電磁感應(yīng)原理的有接點繼電器組成，具有原理簡單、價格便宜等優(yōu)點，但能耗高、動作速度慢、抗震性差，可靠性和靈敏度難以得到保障。而晶體管保護裝置雖然具有體積小、重量輕、消耗功率小、靈敏度高、動作迅速、不怕震動、無磨損等一系列優(yōu)點，但是晶體管保護裝置也有抗干擾能力差、裝置本身的質(zhì)量不是很穩(wěn)定等明顯的缺點。隨著用電系統(tǒng)的規(guī)模和等級不斷擴大，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運行方式目趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制器已越來越難滿足系統(tǒng)的可靠性、準確性和實時性的要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以專用集成電路為基礎(chǔ)的電子式控制電器。這種控制電器較電磁式控制電器具有功耗低、重量輕、體積小等優(yōu)點，易于構(gòu)成較復(fù)雜的保護裝置，但抗干擾能

14、力差，電子元件的質(zhì)量，焊接的效果將直接影響到裝置的動作特性和可靠性。這兩種控制電器，如果元件發(fā)生損壞，則無法進行自診斷，可能引起誤動作，造成故障擴大和升級，致使供電中斷和設(shè)備損壞，給系統(tǒng)和用戶造成極大的危害。當前，智能化已是低壓斷路器的一個重要發(fā)展方向。智能型斷路器的“大腦”，即斷路器內(nèi)的智能控制器，采用微處理器為核心，具有顯示、三段保護、試驗、負載監(jiān)控、故障診斷等功能。為了滿足市場需求及提高產(chǎn)品競爭力，要求我們設(shè)計出性能優(yōu)良、價格合理、保護功能完善的智能化控制器。為了提高斷路器工作的可靠性，完善保護功能，降低功耗，節(jié)約能源，斷路器的保護由電子式向數(shù)字智能化的方向發(fā)展。隨著計算機、微處理器、光

15、纖傳導(dǎo)技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了帶微處理器的智能控制電器，使得斷路器的智能化得以實現(xiàn)。智能型斷路器不僅能夠提供傳統(tǒng)斷路器的各種保護和控制功能，還具有保護的多樣性和可選擇性：能夠?qū)崟r顯示電路中的各種參數(shù)(電流、電壓、功率、功率因數(shù)、觸頭磨損率、不平衡率等)，也可以設(shè)定和修改各種保護功能的動作參數(shù)。保護電路動作時的故障參數(shù)，可以存儲在非易失性存儲器中以便查詢。若干個智能斷路器通過互動網(wǎng)絡(luò)可組成智能配電系統(tǒng)，實現(xiàn)遙測、遙信和遙調(diào)等功能。第二節(jié) 智能控制器簡介 傳統(tǒng)的斷路器，其檢測和保護功能是利用了某些物理效應(yīng)，通過機械系統(tǒng)的動作來實現(xiàn)，多由電磁元件完成。因而其體積較大，動

16、作時間長，保護精度低，整定困難，效果也不夠理想。傳統(tǒng)的電磁式控制、保護技術(shù)，由于特性不一致體積大及成本高，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代配電自動化發(fā)展需要，必須將計算機技術(shù)引入，監(jiān)測、保護功能一體化：將計量、保護、控制、通訊、故障記憶等功能集成一體，比以往機電式和模擬集成電路式二次電路所具備的功能更全；控制、保護智能化：可以根據(jù)電網(wǎng)和被控對象的運行狀態(tài)進行智能控制、網(wǎng)絡(luò)化。比如將每一智能控制器單元通訊接口與上位機相連，就可構(gòu)成綜合自動化系統(tǒng)。采用新的工作原理及具有良好特性的新型電流和電壓互感器，對保護、控制單元來講，電流互感器、電壓互感器是提供電流與電壓信息的，傳統(tǒng)的電磁式電流、電壓互感器由于體積大及鐵芯的

17、飽和特性已經(jīng)不能滿足智能化高壓電器要求，因此使用羅柯夫斯基(Rogowski)線圈測量電流，電阻電壓分壓器測量電壓。智能控制器具有兩個顯著的特點：一是可靠性高?？刂破髟谡＿\行時，不斷進行自檢，一旦保護裝置本身出現(xiàn)故障，可以立即檢出。而一般傳統(tǒng)繼電保護是沒有這種功能的。二是靈活及性能優(yōu)良。微機保護技術(shù)的原理是測量、計算和邏輯判斷，即將檢測出的電氣量與動作量整定值比較，超過整定值發(fā)出動作信號。所以只要研究出適當?shù)乃惴?，CPU就能迅速計算出相應(yīng)的電氣量，完成功能不同的保護，如饋線保護、變壓器保護或電容器保護。121 基本結(jié)構(gòu)及保護功能 斷路器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、脫扣裝置和操動

18、機構(gòu)等四部分組成。智能斷路器中的智能控制器，是斷路器中技術(shù)含量最高的部分，對斷路器性能的影響也最大。斷路器的結(jié)構(gòu)原理如圖l.l所示。斷路器的觸頭系統(tǒng)包括主觸頭和輔助觸頭。主觸頭接在主電路中，輔助觸頭接在控制電路中。主觸頭中通過的電流很大，它應(yīng)能通斷負載電流和分斷短路電流。電路發(fā)生短路時，短路電流比額定電流大得多，此時斷路器要能分斷電路，必須有很強的滅弧能力。觸頭斷開時產(chǎn)生的電弧，受電弧電流產(chǎn)生的磁場作用，被吸入滅弧罩中，分割成一段一段的短弧。由于短弧電壓低、熱量小，所以能很快散熱滅弧，切斷電路。斷路器有一套較為復(fù)雜的自動脫扣裝置和傳動杠桿。所以能在發(fā)生短路等故障時自動跳閘，切斷電源，起到保護作

19、用。脫扣裝置有以下四種：過電流脫扣器、熱過載脫扣器、欠電壓脫扣器、分勵脫扣器。另外，斷路器必須具有自由脫扣機構(gòu)。它的作用是在上述任一種脫扣器動作到脫扣狀態(tài)后，均能使觸頭與操動機構(gòu)失去聯(lián)系，即使這時再推動操動機構(gòu)，合閘力也不能傳到觸頭，使得斷路器無法合閘。這就可以避免電路故障狀態(tài)時合閘引起的危害。1一主接點；2一彈簧：3一接點拉鉤；4一動作拉鉤；5一電磁脫扣器；6一失壓脫扣器；7一雙金屬片；8一熱元件：9一杠桿；l0一銜鐵；11一彈簧圖11斷路器的基本結(jié)構(gòu)122 斷路器的主要技術(shù)參數(shù)1 分斷能力分斷能力是指在規(guī)定條件下能夠可靠接通和分斷的短路電流值。對配電用選擇型斷路器要求有盡量高的延時通斷能力

20、，最好是與瞬時極限通斷能力相等。選擇斷路器時必須考慮電路可能出現(xiàn)的最大短路電流，再根據(jù)斷路器的技術(shù)數(shù)據(jù)進行選用。2 限流能力限流式斷路器(分斷時間短得足以使短路電流達到其預(yù)期峰值前分斷的斷路器)和快速斷路器(直流斷路器，含義同限流式)要求有較高的限流能力，一般要求限流系數(shù)(極限接通和分斷能力時限流系數(shù)為K=實際分斷電流（峰值）預(yù)期短期電流（峰值）0.6 ，在0.3O.6之間。為了達到較高的限流能力，要求限流電器的固有動作時間小于3ms。3 動作時間從電路出現(xiàn)短路的瞬間至觸頭分離、電弧熄滅、電路完全分斷所需的全部時間。限流式和快速斷路器一般小于20ms。4 使用壽命在正常負載條件下，斷路器應(yīng)能保

21、證在操作規(guī)定的次數(shù)(即使用壽命)內(nèi)不需更換零部件。一般斷路器的壽命根據(jù)容量不同在200020000次之間。5 保護特性斷路器的過電流保護特性，可用各種過電流情況與開關(guān)動作時間的關(guān)系曲線來描述。斷路器的保護特性必須與被保護對象(如電動機、電纜等)的允許發(fā)熱特性相匹配。第三節(jié) 智能斷路器的功能特點及發(fā)展現(xiàn)狀131 智能斷路器的功能特點 智能斷路器的主要特點是在傳統(tǒng)的斷路器基礎(chǔ)上充分應(yīng)用了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊等新技術(shù)，具有較高的性能和可靠性。其主要功能特點表現(xiàn)如下：(1) 保護功能多樣化 傳統(tǒng)斷路器普遍采用雙金屬片熱繼電器作為過載保護，甩電磁快速脫扣器作為短路保護來構(gòu)成長延時、瞬動兩段

22、保護，實現(xiàn)保護功能的一體化較難。智能型斷路器除了可同時具備長延時、短延時、瞬動的三段保護外，還具有斷相、不平衡保護、接地保護、漏電保護和負載監(jiān)控、溫度檢測、預(yù)報警等功能，而且可做到一種保護功能多種保護。脫扣具有數(shù)字量脫扣和模擬量脫扣兩種脫扣方式，提高了系統(tǒng)的可靠性。(2) 選擇性強 智能型斷路器由于采用微處理器，慣性小、速度快，其保護的選擇性、靈活性及重復(fù)誤差都很好，加之它的各種保護功能和特性可以寬范圍調(diào)節(jié)，因此可任意選擇動作特性和保護功能，實現(xiàn)級聯(lián)保護協(xié)調(diào)，實施區(qū)域選擇性聯(lián)鎖和良好的級間協(xié)調(diào)配合。(3) 人機界面和通訊功能 智能型斷路器具有良好的人機界面，既能從操作者那里得到各種控制命令和控

23、制參數(shù)(通過鍵盤、開關(guān)、按鈕等實現(xiàn))，又能通過連續(xù)巡回檢測對各種保護特性、運行參數(shù)、故障信息等進行直觀顯示(通過信號燈、數(shù)碼管等實現(xiàn))，還可與上位機聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)雙相通訊，實施遙測、遙信、遙控和遙調(diào)。人機對話功能強，操作人員易于掌握，有利于避免誤動作的發(fā)生。(4) 顯示和記憶功能 智能型斷路器能顯示三相電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、有功功率、動作時間、分斷次數(shù)以及預(yù)示壽命等，能將故障信息儲存，如故障類型，故障電流值，動作時間，故障時間等，有助于工作人員做出正確的分析和判斷，減少線路維修時間。(5) 故障自診斷、預(yù)警與試驗功能 智能型斷路器可對構(gòu)成斷路器的電子元器件的工作狀態(tài)進行自診斷，如觸頭磨損率、C

24、T斷線等，當出現(xiàn)故障時可發(fā)出警報并使斷路器分斷。通過預(yù)警功能，操作人員可以及時處理電網(wǎng)的異常情況。微處理器能進行“脫扣”與“非脫扣”兩種方式試驗，利用模擬信號進行長延時、短延時、瞬動整定值的試驗，還可進行在線試驗。智能型控制器還能夠模擬熱積累具有熱記憶功能。l32 國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(1) 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 早期的斷路器保護功能是利用了某些物理效應(yīng)，通過機械系統(tǒng)的動作來實現(xiàn)的，因而體積較大，效果也不理想。為了防止用電設(shè)備發(fā)生故障時影晌整個供電線路，以及在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時損壞用電設(shè)備，在傳統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上逐步開發(fā)出更可靠的和具有更多保護功能的斷路器。例如，具有短路保護、熱保護、漏電保護、缺

25、相保護等功能的斷路器。早期的脫扣器是電磁式過電流脫扣器，該脫扣器功能簡單，只能完成瞬時保護，在此基礎(chǔ)上又逐步出現(xiàn)了帶有過載延時、短路延時功能的脫扣器。70年代開始出現(xiàn)了電子式脫扣器，隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展，電氣開關(guān)的智能化成為了可能。智能化裝置應(yīng)包括信號檢測的隨機性、靈敏性和精確性；信號的處理、邏輯思維及正確的判斷性；有效、靈敏的執(zhí)行功能及信息的可通訊性。對于智能化的電氣開關(guān)，不僅能夠提供普通斷路器的各種保護功能，還能實時顯示電路中各種參數(shù)，各種保護功能的動作參數(shù)也可以監(jiān)視、設(shè)定和修改，保護電路動作時的故障值也可以存儲在非易失存儲器中以便查詢。具有了這些優(yōu)點，智能脫扣器的功能日益強大，現(xiàn)在已

26、在低壓配電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 目前具有代表性的國外產(chǎn)品有梅蘭日蘭的M系列，ABB的F2系列，三菱的AE系列，西門子的3WN系列，該系列產(chǎn)品的脫扣器中還有一種可選功能，就是脫扣前導(dǎo)信號，當3WN斷路器過載時，過載脫扣前200ms時它會給出報警信號，在某些場合如晶閘管變流系統(tǒng)中這個功能是很有用的。 我國的低壓斷路器可分為三代。第一代以DWl0、DZl0等系列產(chǎn)品為代表，其性能水平相當于國外50年代水平，市場占有率為2030。第二代產(chǎn)品包括自行開發(fā)產(chǎn)品和技術(shù)引進產(chǎn)品，自行開發(fā)產(chǎn)品以DWl5、DZ20為代表，共56個系列，技術(shù)引進產(chǎn)品則以ME、T0、TG、3TB、B系列為代表，共34個系列，性能水

27、平相當子國外70年代末至80年代初水平，市場占有率為50一60。第三代產(chǎn)品以最近開發(fā)的DW45、S等系列產(chǎn)品為主，其性能水平相當于國外90年代初水平，市場占有率為5-10。目前國內(nèi)低壓斷路器的額定工作電壓為交流380V，交流額定電流為630A5000A，極限分斷能力為50KA-120KA，一般都具有3極(可分斷A、B、C相)和4極(可分斷A、B、C、N相)兩種類型。 因為智能型斷路器具有許多傳統(tǒng)斷路器所無法比擬的優(yōu)點，所以其研制受到國內(nèi)外的普遍重視。自1985年出現(xiàn)第一臺以微處理器為基礎(chǔ)的智能型斷路器以來，法國梅蘭日蘭(MG)公司、日本寺崎公司和美國西屋公司等相繼開發(fā)了帶微處理器的智能斷路器。

28、 微處理器引入到斷路器，使中央計算機、前級和后級斷路器之間進行雙向通信成為可能。九十年代，國外許多公司相繼開發(fā)出智能斷路器的集中控制和檢測系統(tǒng)，包括有多種平臺和相應(yīng)軟件支持的中央計算機控制系統(tǒng)、智能化斷路器的對話模塊、低壓配電裝置的監(jiān)控系統(tǒng)等。國內(nèi)在微機保護和監(jiān)控系統(tǒng)的研制方面起步較晚，主要從引進技術(shù)和自行開發(fā)兩個方面進行，產(chǎn)品的主要性能跟國外相比還存在差距。而且研究主要集中在變電站綜合自動化系統(tǒng)，而以斷路器為控制對象的智能化產(chǎn)品則很少，直到l996年才有針對單個斷路器的測控單元出現(xiàn)，且其功能與國外相比基本上處于配制開發(fā)階段。因此，開發(fā)高性能的智能斷路器是國內(nèi)電器行業(yè)迫切實現(xiàn)的課題，它在國內(nèi)具

29、有廣闊的發(fā)展前景和用戶市場。工業(yè)的發(fā)展對配電系統(tǒng)的要求越來越高。新型的低壓斷路器既要具有傳統(tǒng)功能，又要滿足配電系統(tǒng)(尤其對環(huán)網(wǎng)系統(tǒng))級間精確的選擇性要求有區(qū)域聯(lián)鎖、遠方控制、能量監(jiān)視和記錄、事故記憶、在線調(diào)試等功能，集保護、測量、監(jiān)控于一體?，F(xiàn)今，我國電力工業(yè)的發(fā)展和用電量的猛增，發(fā)電容量和用戶的日益擴大，低壓電網(wǎng)對配電型斷路器的要求也越來越高。不僅要求它具備很打的短路電流分斷能力，實現(xiàn)選擇性保護和供電安全，同時對電業(yè)管理提出能在斷路器上顯示對電流的監(jiān)視、自行調(diào)節(jié)、測量、試驗、自診斷甚至可通訊等智能化功能，智能型斷路器應(yīng)運而生。(2) 智能控制器的發(fā)展趨勢根據(jù)國內(nèi)外各斷路器及監(jiān)控裝置生產(chǎn)廠家的

30、新產(chǎn)品和研究動態(tài)來看，低壓斷路器監(jiān)控單元具有以下發(fā)展趨勢： 產(chǎn)品化將智能監(jiān)控單元做成相對斷路器獨立的通用性的產(chǎn)品，使其使用范圍不限于某種斷路器，而且檢測和維修也會相對筒單。以前斷路器產(chǎn)品的測試必須在斷路器整個設(shè)備裝配完成后才能進行，而智能監(jiān)控單元產(chǎn)品化以后。其測試可以獨立于斷路器進行，這使得整個斷路器的測試程序大為簡化，測試時間也大為減少。 智能化和可通信化 智能化就是采用了微處理器技術(shù)，從而具有應(yīng)用軟件，這樣在硬件不變的情況下具備較大的適用性和升級能力?？赏ㄐ呕窃诋a(chǎn)品中加入相關(guān)的檢測、判斷和通信等芯片或電路，使監(jiān)控單元的各種狀態(tài)和工作參數(shù)能較好地通過傳輸媒質(zhì)(如現(xiàn)場總線、串口線等)與線路上

31、的其它電氣設(shè)備交流，適應(yīng)當前電氣設(shè)備智能化及網(wǎng)絡(luò)化的趨勢。就我國的實際情況而言?？赏ㄐ呕木唧w要求可體現(xiàn)為“四遙遙測、遙信、遙控和遙調(diào)，這距離網(wǎng)絡(luò)化能力還有很大的差距，但比較符合我國科研水平和經(jīng)濟水平。 模塊化和通用性 模塊結(jié)構(gòu)給產(chǎn)品設(shè)計、制造及市場適應(yīng)能力帶來了許多好處，諸如降低產(chǎn)品設(shè)計、制造和新產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜性，功能擴展與維護方便，產(chǎn)品的市場應(yīng)變能力強等。模塊化設(shè)計及尺寸、零件等具有應(yīng)當具有通用性，這一點無論在生產(chǎn)者的設(shè)計、制造和技術(shù)繼承等方面，還是在用戶使用、維修方面，其作用及重要性當前都已為多數(shù)人所認識。 另外，產(chǎn)品高可靠性、高穩(wěn)定性、操作方便與安全等方面也應(yīng)當是不斷追求求的目標。對我

32、國的產(chǎn)品，在材料和加工工藝、產(chǎn)品的外觀和整體布局方面還有待進一步的提高。以上的這些特點，一方面可以使一臺斷路器實現(xiàn)多種功能，使單一的動作特性有可能做到一種保護功能多種動作特性，另一方面可以使斷路器實現(xiàn)與中央控制計算機雙向通訊，構(gòu)成智能化的監(jiān)控、保護、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使斷路器從基本保護功能發(fā)展到智能化、網(wǎng)絡(luò)化的保護功能。第三節(jié) 本文的主要工作本文研究工作的主要目的是通過研制低壓斷路器的智能控制器單元，為斷路器的智能化的實現(xiàn)提供條件，研究的重點是智能控制器單元的硬件和軟件設(shè)計。 智能型斷路器的中樞部件是基于微處理器實現(xiàn)的智能控制器，該控制器的設(shè)計首先要滿足較高的可靠性、實時性、電磁兼容性要求，同時也

33、要從產(chǎn)品角度考慮其體積及成本。 智能控制器其功能是根據(jù)輸入電流大小，判斷過流保護裝置是否按長延時部件過電流控制器去執(zhí)行長延時、短延時、瞬時中的一種特性動作，并輸出信號給執(zhí)行機構(gòu)動作。它作為斷路器的核心保護部件，有較高的短路分斷能力，過載長延時、短路短延時、短路瞬時、單相接地等參數(shù)均可由用戶自行設(shè)定。 本論文的主要任務(wù)是在分析傳統(tǒng)斷路器的特點和不足的基礎(chǔ)上，研制低壓斷路器的智能控制單元及其上位機管理系統(tǒng)。智能控制器單元要求具有實時檢測、實時顯示、故障值存儲、故障報警、參數(shù)整定、試驗脫扣以及與上位機通信的功能。上位機管理系統(tǒng)要求具有良好的用戶界面，實現(xiàn)整定值與故障的存儲、查詢、修改等功能。 智能控

34、制器整個系統(tǒng)采用上位機和下位機的主從式工作方式。下位機即智能控制器是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)對低壓斷路器的測量和保護。上位機即PC通過串行通信接口與控制器進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對多個控制器的集中控制、調(diào)度和管理。整個系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)包括控制器盼設(shè)計、通信接口和協(xié)議的設(shè)計、上位枧管理系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計所主要實現(xiàn)的功能如下： 實現(xiàn)線路電流檢測； 實現(xiàn)斷路器的三段電流保護特性和各種反時限保護特性等；通過硬件實時監(jiān)控(包括主電流監(jiān)控、接地監(jiān)控、負載監(jiān)控等)，并經(jīng)過軟件數(shù)據(jù)處理后送顯示模塊； 可以方便地設(shè)定斷路器的整定值； 線路故障參數(shù)的記錄； 具備智能控制器本身的自診斷功能； 設(shè)置了通訊接口，實現(xiàn)了通訊。第二章

35、智能控制器的設(shè)計原理供配電系統(tǒng)中的低壓斷路器的主要功能是通過采集單元得到系統(tǒng)母線中的電流、電壓信號，由脫扣器的邏輯控制單元進行分析判斷，根據(jù)結(jié)果采取相應(yīng)的動作，實現(xiàn)對線路中的過載、短路等故障的保護。智能脫扣器也是基于這個原理，通過互感器將主線路中的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成模擬電路可處理的信號，信號處理單元對這些信號進行濾波和整形，信號采樣后經(jīng)多路開關(guān)送入CPU，在CPU內(nèi)部進行A/D轉(zhuǎn)換后進行邏輯運算與處理，運算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)定保護特性的邏輯電平信號，這些信號經(jīng)放大后可直接驅(qū)動斷路器的執(zhí)行機構(gòu)和其他輔助繼電器，使斷路器動作或輸出聲音、光信號。各種故障保護的動作電流和時間整定值通過鍵

36、盤設(shè)定并預(yù)先存儲在EEPROM中，并可在運行期間隨時進行修改。此外，當產(chǎn)生特大短路電流時，獨立于CPU的模擬脫扣電路可立即產(chǎn)生動作信號控制執(zhí)行單元，使斷路器動作。在電力系統(tǒng)中，大都需要對電壓電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等進行測量和計算，作為上級電力部門進行監(jiān)控的可靠數(shù)據(jù)，計算故障電流，以實現(xiàn)系統(tǒng)的保護功能。在系統(tǒng)中，為了減少各種干擾造成的影響，除了硬件的抗干擾、濾波措施外，軟件也需要一定的數(shù)字濾波處理，以便達到更好的抗干擾效果。智能控制器單元是斷路器的中樞部件，它承擔著斷路器的備種測量、保護、報帶、顯示與控制功能。早期的控制單元以過電流保護和脫扣功能為主，通過逐步改進和發(fā)展，現(xiàn)在其

37、功能遠不止此。除了過電流保護功能外，還具有報警、接地保護、溫度保護、電流顯示、電壓顯示、故障記錄以及與計算機通信等功能。本章從計量、保護等方面討論斷路器智能控制單元的設(shè)計原理與其實現(xiàn)方法。第一節(jié) 電量參數(shù)的計量原理智能控制器使用采集轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字信號完成各種電量參數(shù)的計算，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)的計算。裝置對監(jiān)控對象的模擬信號量的采集，理論上采樣頻率越高則越能恢復(fù)原信號，但由于受CPU速度、A/D 轉(zhuǎn)換時間等因素的影響，采樣頻率不可能太高。電力系統(tǒng)中的模擬信號其主要成分是l、3、5次諧波，對于六次以上的諧波和高頻干擾經(jīng)過模擬通道中RC低通濾波加以濾除；對予六次及以下各次諧

38、波分量借用數(shù)字濾波算法加以提取。本智能控制器每周采32個點，采樣頻率為l600Hz為信號基波頻率(50Hz)的32倍，可實現(xiàn)非失真采樣。2.1.1 電壓、電流的計量 電流與電壓檢測方法是程序設(shè)計的關(guān)鍵部分，以電流為例，對正弦電流采樣數(shù)據(jù)有如下幾種可能選擇的處理方法：(1) 由最大值計算 通常認為配電系統(tǒng)是按照正弦電流電路工作的，由有效值和最大值之間的關(guān)系式 I=22Imax 式中I為有效值，Imax為最大值。為了得到一個周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的最大值(可以認為最大值為峰值)，我們設(shè)計硬件電路來判斷信號最大值的到達時刻，在該時刻對信號采樣。設(shè)計觸發(fā)電路在信號從負到正變化時引發(fā)單片機中斷，相移電路使信號產(chǎn)

39、生90度的相移，中斷時單片機讀取A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換值即為正弦信號的最大值。 這種方法求取有效值在信號不出現(xiàn)畸變時可行，而且軟件設(shè)計簡單方便、計算量小，當然需要硬件電路的支持，并且對硬件電路參數(shù)穩(wěn)定性要求高。但這樣只適用于正弦波無畸變的情況，在智能控制器系統(tǒng)中，當電網(wǎng)出現(xiàn)諧波干擾時，該方法將出現(xiàn)相當?shù)钠?，特別是在出現(xiàn)短路電流時，偏差更大。(2) 按有效值計算 根據(jù)熱量相等原則，均方根值(即真有效值)適用于任何周期交變電路的定義為： I=1T0i2dt 離散化后，以一個周期內(nèi)有限個采樣數(shù)字量來代替一個周期內(nèi)的連續(xù)變化的電流函數(shù)值，則有： I=1Tn=1Nin2式中：In為第n-1個時間間隔的電流

40、采樣瞬時值，N為一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。交流采樣相當于用一條階梯曲線代替一條光滑的正弦曲線，其原理性誤差主要有兩項：一項是用時間上的離散數(shù)據(jù)近似代替時間上的連續(xù)數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差，這主要取決于A/D的轉(zhuǎn)換速度和CPU的處理速度；另一項是將連續(xù)的電流進行量化而產(chǎn)生的量化誤差，這主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。采用這種方法求取有效值。硬件電路簡單，但是軟件計算量大。為了減小有效值的誤差，應(yīng)適當增加一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)N，點數(shù)增加，計算量增大，但是采用這種方法求取有效值對信號波形的依賴性很小。(3) 由傅立葉變換得 由傅立葉變換求取有效值的原理是，A/D以一定的采樣頻率進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得信號離教的采樣數(shù)據(jù)

41、，經(jīng)過離散傅立葉變換(DFT)，計算出基波有效值，計算公式如下： I=IR2+II2 IR=1Nn=0N-1xncos(2nN) II=1Nn=0N-1xnsin(2nN)其中N為每周波的采樣點數(shù)，xn為第n個采樣數(shù)值，IR為電流的實都，II為電流的虛部。應(yīng)用該方法計算有效值的條件和按有效值公式計算的條件差不多，但是該方法計算中大量引用了正弦、余弦函數(shù)。根據(jù)綜合考慮，本控制器采用本方式?；ㄐ盘栒嫉娇傂盘柕?5以上，而且不包含各種諧波分量，常常用作各種保護算法的依據(jù)，其余諧波分量可以作為故障分析等的參考。2.1.2 電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)及功率的計量(1) 電網(wǎng)頻率和功率因數(shù)的計量 利用LM393

42、芯片將正弦交流電壓信號和正弦交流電流信號轉(zhuǎn)換為方波信號，產(chǎn)生單片機的兩個外部中斷信號，同時啟動內(nèi)部定時器進行定時，兩個中斷信號0(INT0)之間的定時即為電網(wǎng)的周期，通過相應(yīng)的運算即可得到頻率。中斷0(INT0)和中斷l(xiāng)(INT1)之間的計時即為電壓與電流之間的時間差，通過相應(yīng)的運算即可得到功率因數(shù)。(2) 功率的計量功率的計量有兩表法和三表法。兩表法即兩相對應(yīng)線電壓與線電流的乘積在時間段內(nèi)的積分；三表法即三相對應(yīng)相電壓與相電流的乘積在時間內(nèi)的積分。由于低壓供電系統(tǒng)中絕大多數(shù)為三相四線制，所以智能控制器采用三表法測量功率: P=(UAIA+UBIB+UCIC)cos第二節(jié) 保護的原理及實現(xiàn)方法

43、 大多數(shù)保護算法的計算可視為對交流信號中參數(shù)的估算過程，對算法性能的評價也取決于其是否能在較短數(shù)據(jù)窗內(nèi)，從信號的若干采樣值中獲得基波分量或某次諧波分量的精確估計值。衡量各種算法的優(yōu)缺點，重要指標可以歸結(jié)為：計算精度、響應(yīng)時間和運算量。這三者之間往往是相互矛盾的，因此應(yīng)根據(jù)保護的功能、性能指標（如精度、動作時間等）和保護裝置硬件條件（如CPU的運算速度、存儲器的容量等）的不同，采用不同的算法。 保護特別是快速動作的保護對計算速度要求很高。由于反映工頻電氣量的通道設(shè)有濾波環(huán)節(jié)，各種保護算法都需要時間，因此在其他條件相同的情況下，盡量提高算法的計算速度，縮短響應(yīng)時間，可以提高保護的動作速度。在滿足精

44、度的條件下，在算法中經(jīng)常采用縮短數(shù)據(jù)窗、簡化算法以減小計算工作量，或采用兼有多種功能的算法以節(jié)省時間等措施來縮短響應(yīng)時間，提高速度。 配電系統(tǒng)和用電設(shè)備的過載運行是經(jīng)常發(fā)生的，例如，照明線路的過負荷、大容量電動機的起動、變負荷系統(tǒng)中負載的增減等等。低壓斷路器作為保護元件，智能控制器保護特性必須與被保護對象的熱特性配合，其中必須考慮的主要問被保護對象熱積累的模擬。過載時，系統(tǒng)中負載電流成倍增加，在線路和設(shè)備上直接以I2t的形式表現(xiàn)出來。在反時限延時保護特性曲線范圍內(nèi)被保護電器的時間電流特性呈現(xiàn)“I2t=常數(shù)”的反時限特性。不管電流如何變化，被保護對象最終的熱積累總值應(yīng)符合I2t=i=1nIi2t

45、i，保護功能是智能控制器最重要的功能之一，保護功能的設(shè)計在整個控制器的設(shè)計中占有極其重要的地位。本節(jié)討論智能控制器的保護功能及其實現(xiàn)原理，重點介紹過載延時、短路短延時和短路瞬動三段電流保護的實現(xiàn)原理。2.2.1 保護的算法及分析 電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，往往是在基波上疊加有衰減的非周期分量和各種高頻分量，因此要求控制器對輸入的電流、電壓信號進行預(yù)處理，盡可能的濾除非周期分量積高頻分量。傅氏算法帶有很強的濾除高次諧波的功能，且收斂穩(wěn)定，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本智能控制器的保護算法采用傅氏算法，以電流為例，分解出n倍頻率的電流的實部、虛部分別如下所示：實部：IR=2Nk=1Ni(k)cos(nk2N)

46、虛部：IR=2Nk=1Ni(k)sin(nk2N)當N=32，n=1代入，得基波的實部IR1、虛部II1,則電流基波幅值為： I1=IR12+II12當計算出來的電流基波幅值大于或等于電流整定值的時候，就判斷為故障。為了計算上的方便，同時為了減小誤差，編程時直接采用平方值來比較，即I12(I鑒定值)2時，認為故障發(fā)生。222 三段電流保護的實現(xiàn)原理 在電力系統(tǒng)中，存在發(fā)生各種故障的可能，雖然危害最大的是發(fā)生系統(tǒng)的短路，但是從發(fā)生的幾率來看，出現(xiàn)最多的故障則是過電流線路中的電流長期高于額定電流的一種非正常工作狀態(tài)。因為發(fā)生過電流故障時系統(tǒng)電流比額定電流略高，所以其程度不會立即對線路或電力系統(tǒng)中的

47、負載設(shè)備造成損害，但是如任由其發(fā)展下去，長時間的累計效應(yīng)，同樣會給線路和用電設(shè)備帶來很大的破壞。系統(tǒng)長時間工作在超過其額定電流的情況下，不論是絕緣還是各部件的機械強度都將迅速降低，加速系統(tǒng)的老化，而且機械性能、電接觸性能的降低又會給其他類型的故障提供了可能性，所以更要認真對待。過電流保護是智能型斷路器最重要的保護功能。智能斷路器具有過載長延時，短路短延時和短路瞬動三段電流保護特性。智能型斷路器的過電流保護特性由時間電流曲線表示，曲線位于直角坐標系中?？v坐標為動作時間，橫坐標為電流倍數(shù)。信號檢測部分采用羅可夫斯基線圈，不僅具有良好的線性度和不飽和性，并且能真實地反映回路中故障電流的變化和大小。智

48、能型斷路器己廣泛應(yīng)用到多種領(lǐng)域，有配電、有發(fā)電、有電動機保護、有普通上下級配合、有與高壓側(cè)熔絲配合等，因此采用了五種特性曲線，該五條特性曲線有516，共80級特性，完全包容了GBl4048.2的要求，且針對性更強，選用更方便。 典型的智能型斷路器過電流保護特性曲線如圖2.1所示，圖中包含了過載長延時、短路短延時和短路瞬動三段電流保護特性。三個電流保護段的電流整定值覆蓋范圍可以用數(shù)軸表示，見圖2.2。圖21 斷路器保護特性曲線圖2.2 整定值覆蓋范圍圖中短延時電流覆蓋范圍分別與長延時電流和瞬時電流覆蓋范圍相重疊。根據(jù)電流保護整定值的不同，斷路器可以同時或分別具有三段保護特性，見表21。表2.1 電流整定與保護特性關(guān)系序號電流整定電流保護功能備注1Ir1Ir2Ir3三段保護2Ir1Ir2,Ir3Ir2短延時、瞬動3Ir1Ir2,Ir3Ir2長延時、瞬動4Ir1=Ir2=Ir3瞬動5Ir1Ic2。輸出的觸點可用于報警，亦可用于控制分斷兩路負荷，保證主系統(tǒng)供電。方式二一般用于控制支路負荷，當運行電流超過Ic1整定值1.2倍后，延時發(fā)出觸點分斷支路負荷，若分斷后運行電流恢復(fù)正常，當電流值低于Ic2整定值，且持續(xù)60s后，控制器再發(fā)出一個信號觸點，可接通已分斷的負荷，恢復(fù)系統(tǒng)供電。233 電流不平衡保護特性 電流不平衡的保護可以對斷相和三相的電流不平衡