畢業(yè)論文-智能開關(guān)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文-PAGEII智能開關(guān)摘要開關(guān)在電力系統(tǒng)中作為連接元件的使用十分廣泛，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量都有一定的影響。本文針對智能開關(guān)設(shè)備內(nèi)涵的新發(fā)展進(jìn)行論述，并提出為適應(yīng)智能電網(wǎng)、全球氣候環(huán)境和我國發(fā)展環(huán)保節(jié)約型社會的需求以及智能開關(guān)設(shè)備的發(fā)展方向，提出智能開關(guān)設(shè)備內(nèi)涵的三個要素：①開關(guān)設(shè)備在完成基本功能過程中的智能感知、判斷和執(zhí)行功能；②運(yùn)行中的開關(guān)設(shè)備的智能狀態(tài)監(jiān)測以及壽命評估；③運(yùn)行的過程中對智能電網(wǎng)和環(huán)境的友好表現(xiàn)，對智能電網(wǎng)的表現(xiàn)為在低的操作過電壓和電磁干擾水平，對環(huán)境的表現(xiàn)為SF6代替其他介質(zhì)的應(yīng)用。隨著我國智能電網(wǎng)的建設(shè)，大量使用智能開關(guān)設(shè)備是必然趨勢。本文第一章回顧了國內(nèi)外智能開關(guān)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀和智能開關(guān)的功能特點(diǎn)以及智能開關(guān)研究的意義；第二章詳細(xì)列舉了國內(nèi)外最新研究智能開關(guān)設(shè)備的實(shí)例，論述智能開關(guān)電器的重要組成部分；第三章本文提出了智能開關(guān)的一些方面的設(shè)計(jì)以及智能開關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；第四章總結(jié)全文，并對目前智能型開關(guān)設(shè)備研發(fā)存在的困難進(jìn)行分析與探討，并對智能開關(guān)設(shè)備未來的發(fā)展方向做了展望以及對前景的期待。關(guān)鍵詞：智能開關(guān)；內(nèi)涵；發(fā)展趨勢；IntelligentSwitchAbstractTheswitchhasaveryextensiveuseoftheconnectedcomponentsinthepowersystem,Ithasacertaininfluenceofthepowersystemstabilityandpowerquality.Thispaperdiscussestheconnotationofthenewdevelopmentofintelligentswitchingdevices,andproposesthreeelementstoadapttotheneedsofconservation-mindedsocietyofthesmartgrid,globalclimate,environmentanddevelopmentofenvironmentalprotectioninChinaandthedirectionofdevelopmentofintelligentswitchgearproposedintelligentswitchingdevicesconnotation:①switchingequipmentintheprocessofcompletionofthebasicfunctionsofintelligentperception,judgmentandexecutivefunction;②intheoperationofswitchingequipmentintelligentconditionmonitoringandlifeassessment;③Therunningprocessonthesmartgridandenvironment-friendlyperformance,theperformanceofthesmartgridenvironmentalperformanceatlowoperatingvoltageandthelevelofelectromagneticinterference,SF6insteadofothermediaapplications.WiththeconstructionofChina'ssmartgrid,extensiveuseofintelligentswitchingequipmentisaninevitabletrend.Thefirstchapterreviewsarethedevelopmentstatusofintelligentswitchingequipmentathomeandabroadandfeaturesoftheintelligentswitchesandthesignificanceofthestudyofintelligentswitches;Secondchapterdetailsthelatestinstanceofintelligentswitchgear,theimportantpartofthediscourseintelligentswitchingequipment;Inthisarticle,thethirdchapterissomeaspectsofthedesignoftheintelligentswitchandintelligentswitchinthepowersystem;conclusioninChapterIV,andintelligentswitchgeardifficultiesanalysisanddiscussion,andintelligentswitchequipmentfuturedirectionoftheoutlookandfutureexpectations.Keywords：Intelligentswitch；Connotation;Developmenttrends;目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第一章緒論 11.1 課題的研究背景及意義 11.2 智能開關(guān)的功能與特點(diǎn) 21.3 國內(nèi)外智能開關(guān)設(shè)備的研究現(xiàn)狀 21.3.1國內(nèi)智能開關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀 31.3.2國外智能開關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀 3第二章智能開關(guān)研究與設(shè)計(jì)的成果 62.1配電網(wǎng)智能開關(guān)的設(shè)計(jì) 62.1.1智能開關(guān)的原理與結(jié)構(gòu) 62.1.2智能開關(guān)通信端口的設(shè)計(jì) 72.1.3智能開關(guān)軟件程序的設(shè)計(jì) 72.2具有電能質(zhì)量監(jiān)測功能的智能開關(guān)設(shè)計(jì) 72.2.1智能開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 82.2.2智能開關(guān)的軟件設(shè)計(jì) 102.3關(guān)于智能開關(guān)的一些其他研究與設(shè)計(jì) 112.3.1用戶分界智能開關(guān) 112.3.2ZigBee技術(shù)在智能開關(guān)中的應(yīng)用 132.3.3控制與保護(hù)開關(guān)電器CPS 162.3.4一種新型智能開關(guān)的研究與設(shè)計(jì) 172.3.5智能開關(guān)控制裝置關(guān)鍵技術(shù)研究 20第三章對智能開關(guān)的認(rèn)知與見解 263.1智能開關(guān)一些方面的設(shè)計(jì) 263.1.1智能開關(guān)設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì) 263.1.2智能開關(guān)設(shè)備的環(huán)境友好設(shè)計(jì) 283.1.3智能開關(guān)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì) 283.2智能開關(guān)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 293.2.1智能開關(guān)在電動機(jī)軟啟動中的應(yīng)用 293.2.2智能開關(guān)在無功補(bǔ)償裝置中的應(yīng)用 333.2.3智能開關(guān)在有載調(diào)壓變壓器中的應(yīng)用 35結(jié)論 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41附錄1 44附錄2 47第一章緒論課題的研究背景及意義隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)生活水平的不斷提高，對電力的需求不斷增長，電網(wǎng)也在不斷擴(kuò)大，用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高。我國在20世紀(jì)90年代以后，為了改變配電網(wǎng)絡(luò)的弱勢情況，加快了電力工業(yè)的發(fā)展，改善配電網(wǎng)絡(luò)的自動化程度，并借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上增加對配電網(wǎng)的投資力度。而且隨著建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的開展，迫切需要研制智能設(shè)備，使現(xiàn)有電氣設(shè)備具有自我檢測、自我診斷和自我控制的功能，以滿足信息化、自動化、互動化的要求，從而使之成為智能電網(wǎng)的一個有機(jī)組成部分。電力行業(yè)關(guān)系到國家的經(jīng)濟(jì)與民生，電力工業(yè)是重要的產(chǎn)業(yè)部門之一，在國民經(jīng)濟(jì)中起著重要的作用，是不可或缺的重要角色，它提供了現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代國防的基本動力，它與我們的日常生活密不可分。電力工業(yè)的發(fā)展必須優(yōu)先于其他工業(yè)部門的發(fā)展，我國的國民經(jīng)濟(jì)才能繼續(xù)向前邁進(jìn)。開關(guān)設(shè)備是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，它是電力系統(tǒng)中使用量最多且花費(fèi)最大的一次設(shè)備，它是否能正常工作直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[1]。開關(guān)電器的智能化是必然的發(fā)展趨勢，它推動了電力系統(tǒng)越來越高的可靠性要求和自動化程度的不斷增高，可以說智能化開關(guān)的應(yīng)用是自動化的電力設(shè)施維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。目前在大多數(shù)情況下使用的開關(guān)是拔插式結(jié)構(gòu)，國內(nèi)生產(chǎn)的開關(guān)輸入的電纜都使用的是防爆接線腔，接觸器回路也都被固定在固定的芯架上。在大電流的工作場合，接觸電阻是不能被忽略的，如果發(fā)生接觸不良，會導(dǎo)致插頭處壓降增加，發(fā)熱量增大，連接器的表面加速氧化，進(jìn)而使接觸效果更差，這種惡性循環(huán)最終將導(dǎo)致插頭處燒壞[2]。國外的開關(guān)使用壽命會長一些，主要是因?yàn)闄C(jī)械加工精度高，接觸電阻要小。但是它仍然不能避免接插件的表面氧化，因此實(shí)現(xiàn)智能化開關(guān)是未來發(fā)展的必然趨勢。最近幾年來，隨著數(shù)字化變電站的興起，智能配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢也日益明朗起來，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)也可以延伸到配電網(wǎng)中，整個配電網(wǎng)通過使用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)智能化的目的。此外，各種智能設(shè)備以及工業(yè)式以太網(wǎng)的采用也為配電網(wǎng)智能化的實(shí)現(xiàn)提供了可能，其智能化開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)是一個非常重要的環(huán)節(jié)。設(shè)備智能化是一種理念、一種方法、一種發(fā)展和進(jìn)步的過程，其目的是使設(shè)備通過人工智能，特別是應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的部分或全部特點(diǎn)，使產(chǎn)品達(dá)到最佳的工作狀況[3-4]。目前智能型開關(guān)設(shè)備的研究有了很大的進(jìn)步，這些主要集中在新的傳感器技術(shù)、控制器技術(shù)等技術(shù)難點(diǎn)與具有智能保護(hù)和監(jiān)測與控制功能的實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)和研究上。隨著智能斷路器、智能GIS等一系列新產(chǎn)品的出現(xiàn)，將使供電的可靠性提高、監(jiān)測的能力增強(qiáng)、恢復(fù)供電加快、運(yùn)行和維護(hù)更加經(jīng)濟(jì)方便，也為我國智能化電網(wǎng)的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。智能開關(guān)的功能與特點(diǎn)智能開關(guān)的作用主要有以下幾個方面：1、減少對傳動部件的機(jī)械沖擊，消除開關(guān)切換過程中的不利影響，提高開關(guān)及其他設(shè)備的使用壽命。2、在開關(guān)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的、開放式的現(xiàn)場總線，將具有通訊能力的開關(guān)器件與之相連接(或通過接口單元)，能夠與主機(jī)(主站)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，達(dá)到遠(yuǎn)程控制、遙調(diào)及遙測的功能。3、實(shí)現(xiàn)開關(guān)對各種故障的判斷及保護(hù)，提高設(shè)備的自動化水平。4、實(shí)現(xiàn)其節(jié)能作用[5]。在智能配電網(wǎng)中，通過使用交換式以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，智能開關(guān)負(fù)責(zé)收集一次側(cè)的電壓和電流的信息并通過以太網(wǎng)發(fā)送到控制中心。此外，智能開關(guān)通過開關(guān)輸入電路的設(shè)置可以將開關(guān)開合狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心?？刂浦行囊部梢韵蛑悄荛_關(guān)發(fā)送跳閘、閉鎖信號。并且在智能配電網(wǎng)中，由于開關(guān)裝置的重要作用，所以針對開關(guān)設(shè)備應(yīng)做到電氣量的測量、故障的檢測、動作保護(hù)等各個方面，在我國國家電網(wǎng)頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對開關(guān)裝置的監(jiān)測項(xiàng)目有很多，如局部放電、分／合閘線圈電流、分／合閘的行程／時間曲線、開關(guān)觸頭／氣室溫度等，而且在智能配電網(wǎng)中，保護(hù)裝置的某些功能也將會下放到開關(guān)裝置，從而能夠更加快速地切除一些簡單的故障。智能開關(guān)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息有多種，可以通過對實(shí)時性要求不同設(shè)置不同的優(yōu)先等級，對要求較高的信息可設(shè)為高等級，如斷路器跳閘、阻斷信號；對要求不高的信息可設(shè)為低等級，如開關(guān)的開合狀態(tài)量等。數(shù)據(jù)的優(yōu)先等級確立后，可以大大提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。智能開關(guān)設(shè)備應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①高性能、高可靠性；②減少維護(hù)；③硬件軟件化；④具備在線監(jiān)測和自診斷功能；⑤提供網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程接口；⑥功能自適應(yīng)等[6]。國內(nèi)外智能開關(guān)設(shè)備的研究現(xiàn)狀根據(jù)美國電工行業(yè)協(xié)會所做的市場調(diào)查顯示，在開關(guān)方面，消費(fèi)者購買的其實(shí)并不是開關(guān)或者插座本身，而是一種對于生活、工作環(huán)境的控制方式，消費(fèi)者渴望獲得一種隨心所欲的控制方式[7]。根據(jù)這個認(rèn)識，為客戶提供控制方式的解決方案才是最重要的。這也是電工行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。至從美國在2002年提出智能電網(wǎng)的概念后，各個國家便爭先恐后地開始了對智能電網(wǎng)的研究，我國華東電網(wǎng)在2007年底提出了“智能電網(wǎng)三步走”的戰(zhàn)略目標(biāo)。在國外，許多大公司，如ABB、西門子已經(jīng)開發(fā)出了符合IEC61850規(guī)約的設(shè)備，并進(jìn)行了數(shù)次互操作實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)目前主要是在理論上做了一些研究，部分專家和學(xué)者也就硬件裝置給出了一些個人的設(shè)計(jì)方案，但所實(shí)現(xiàn)的功能也較單一，不能夠滿足智能配電網(wǎng)的需求。1.3.1國內(nèi)智能開關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀我國國內(nèi)各廠商目前也正在積極開展相關(guān)的研究，例如：（1）西開公司關(guān)于智能開關(guān)的研發(fā)情況。西開公司在GIS智能化方面已完成了多種功能的應(yīng)用，與南京南瑞繼保電氣公司合力研發(fā)了具有測控功能和智能綜合保護(hù)的GIS，將計(jì)量、保護(hù)、控制、通信以及波記錄等功能整合被放置在GIS的就地控制柜內(nèi)，并且在通信方面配有高速現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)通信接口，以滿足變電站向智能化和綜合自動化發(fā)展的要求。目前西開已經(jīng)完成了500kV智能斷路器的相關(guān)型式試驗(yàn)，750kV智能斷路器樣機(jī)也在生產(chǎn)中。（2）平高公司智能開關(guān)的研發(fā)情況。為了滿足智能電網(wǎng)的建設(shè)需要，加快智能開關(guān)裝置的開發(fā)和出貨，通過與清華大學(xué)等科研院所的開展合作，平高電氣專門成立了智能開關(guān)設(shè)備技術(shù)開發(fā)組，主要是負(fù)責(zé)集成技術(shù)的智能變電站、智能開關(guān)控制單元的開發(fā)、傳感器與開關(guān)設(shè)備一體化、在線監(jiān)測裝置研制、局放在線監(jiān)測、振動測試、測量快速暫態(tài)過電壓、狀態(tài)檢修以及壽命評估等工作。（3）沈高公司智能斷路器的研發(fā)情況。新東北電氣的電力設(shè)備智能化的現(xiàn)階段主要是應(yīng)用智能化狀態(tài)監(jiān)測組件，并增加該項(xiàng)目的在線監(jiān)測。（4）長治供電公司的研發(fā)情況。長治供電分公司研制的“低壓電力網(wǎng)三相四線制智能開關(guān)裝置”該技術(shù)在低壓配電網(wǎng)中的末端集裝表箱用戶被廣泛的應(yīng)用，也可分戶單獨(dú)使用。與傳統(tǒng)開關(guān)僅具有切斷、重合、漏電保護(hù)的功能相比，該智能供電開關(guān)利用電氣閉鎖技術(shù)與集成控制技術(shù)，通過電能三相輸入，一相輸出，實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)整電壓、斷電自動倒接、自動平衡三相用電負(fù)荷的功能。1.3.2國外智能開關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀國外各廠商對智能開關(guān)設(shè)備也做了重要的研發(fā)，例如：（1）ABB公司。ABB公司的EXK型GIS為智能化產(chǎn)品，有72.5/123KV兩個電壓等級。EXK-01型SMART-GIS中體現(xiàn)了較為典型的智能技術(shù)應(yīng)用[8]。它采用了新型傳感器和執(zhí)行器代替了感應(yīng)式互感器和電磁繼電器及輔助開關(guān)，通過6個傳感器檢測電壓和電流、溫度、氣壓、氣體的密度、開關(guān)閉合、操作機(jī)械能量；同時給每個一次裝置配備傳感器和執(zhí)行器的處理器接口，傳感器收集的信息存儲在分散的PISA，完成A/D轉(zhuǎn)換、測量信號的預(yù)處理，向總線發(fā)送和執(zhí)行控制以及保護(hù)命令等功能。此外，所有一次元件都通過串行光纖總線接到間隔的控制箱，提高了信號傳輸?shù)目煽啃?。（見圖1.1）ABB公司最近幾年推出的插接式開關(guān)系統(tǒng)，是具有金屬外殼的、氣體絕緣的、配有斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓/電流傳感器的全封閉的開關(guān)設(shè)備，這種新型智能化高壓開關(guān)的結(jié)構(gòu)上具有緊湊、體積小、少連接電纜和占地面積小的特點(diǎn)，它的設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)了一次電氣設(shè)備的未來發(fā)展方向[9-11]。（見圖1.2）圖1.1EXK-01型GIS方案（a)實(shí)物圖(b)示意圖1—組合式電壓/電流傳感器；2—斷路器；3—組合式隔離開關(guān)/接地開關(guān)；4—間隔控制單元；5—主保護(hù)；6—后備保護(hù)；7—光纖母線。圖1.2PASS系統(tǒng)的構(gòu)成（2）西門子公司。西門子公司的8DN9GIS使用了在線檢測系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)的輔助電子控制和進(jìn)行連續(xù)控制和監(jiān)測的監(jiān)視單元，用電流和電壓傳感器取代傳統(tǒng)電流電壓互感器，具有間隔處理能力的數(shù)字間隔控制系統(tǒng)用于監(jiān)測和記錄所有基本運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)開發(fā)趨勢進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的修復(fù)[12]。（3）美國GE公司。美國GE公司已經(jīng)研制出的高壓限流熔斷器，其特點(diǎn)是規(guī)模小、大額定電流、分?jǐn)嗄芰?qiáng)。內(nèi)部的智能檢測單元能對線路供電狀況進(jìn)行檢測和判定，再通過觸發(fā)化學(xué)炸藥包按要求動作，從而實(shí)現(xiàn)熔斷器時間-電流特性的智能控制[13-14]。智能化熔斷器的保護(hù)系統(tǒng)是由多個智能化熔斷器和一個保護(hù)控制中心組成。（4）日本三菱電機(jī)。550千伏智能化GIS產(chǎn)品MITS：是傳統(tǒng)電流互感器和電壓互感器被無鐵心電流互感器和分壓式電壓互感器取代，與同步相位控制器和復(fù)合傳感器配合使用，可以滿足全數(shù)字化的智能化變電站的要求。（5）日本東芝。C－GIS設(shè)備：采用傳感器技術(shù)，如使用電暈傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器和漏電流傳感器監(jiān)測和診斷絕緣性能；應(yīng)用溫度傳感器、光纖溫度計(jì)檢測導(dǎo)電性能；使用通、斷傳感器檢測力學(xué)性能，掌握GIS的內(nèi)部狀況。C-GIS投入運(yùn)行后可以按照診斷結(jié)果進(jìn)行預(yù)先維修，提高各設(shè)備可靠性[15]。智能化開關(guān)設(shè)備是一項(xiàng)創(chuàng)新性和綜合性較強(qiáng)的研究工作，其中涉及到很多領(lǐng)域的新技術(shù)和新發(fā)展，目前國內(nèi)外還沒有真正意義上的智能開關(guān)，國內(nèi)目前進(jìn)行的數(shù)字化變電站項(xiàng)目，開關(guān)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)大多是通過二次設(shè)備來轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)，一般采用數(shù)字操作箱的模式，因此智能化開關(guān)的研究設(shè)計(jì)是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工程。第二章智能開關(guān)研究與設(shè)計(jì)的成果2.1配電網(wǎng)智能開關(guān)的設(shè)計(jì)最近幾年隨著計(jì)算機(jī)在社會各個領(lǐng)域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地深入，因?yàn)樗哂泄δ軓?qiáng)，體積小，耗能低，價格便宜，可靠性高，易于使用等特點(diǎn)，所以特別適用于與控制有關(guān)的系統(tǒng)，并且更多更廣泛的用于自動控制，智能儀器，儀表，數(shù)據(jù)采集，軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個領(lǐng)域，大多數(shù)單片機(jī)是作為一個核心元件來應(yīng)用，根據(jù)具體的硬件結(jié)構(gòu)，并且與針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件相結(jié)合，使之更加完善。單片機(jī)應(yīng)用的重要性在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前大部分功能是由模擬電路或數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在可以用單片機(jī)通過軟件的方法來實(shí)現(xiàn)，這種硬件被軟件代替的控制技術(shù)稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次偉大變革。2.1.1智能開關(guān)的原理與結(jié)構(gòu)智能開關(guān)將電子式互感器的二次側(cè)信號通過單片機(jī)的輸入端口載入,并通過濾波,A/D轉(zhuǎn)換等處理后,傳送到控制中心進(jìn)行故障診斷。此外,也可以通過開關(guān)輸入電路把開關(guān)的開啟和關(guān)閉狀態(tài)反饋給單片機(jī),然后由單片機(jī)傳送到控制中心。并且開關(guān)輸入電路也可以通過遠(yuǎn)程控制中心向智能開關(guān)發(fā)出跳閘、閉鎖等控制命令，此外,智能開關(guān)還具有液晶顯示、現(xiàn)場調(diào)試等功能,硬件原理結(jié)構(gòu)圖（見圖2.1）。圖2.1智能開關(guān)硬件原理圖由智能開關(guān)的概念我們可以看出，智能開關(guān)除了具有傳統(tǒng)開關(guān)的開閉功能外,還具有遠(yuǎn)程通信功能,無論是采樣數(shù)據(jù)的上傳還是遠(yuǎn)程控制信號的傳輸,都是因?yàn)橹悄荛_關(guān)具有遠(yuǎn)程通信的功能。因此智能開關(guān)設(shè)計(jì)的主要重點(diǎn)是通信端口的設(shè)計(jì)。2.1.2智能開關(guān)通信端口的設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中，開關(guān)設(shè)備是通過多條線路與其它設(shè)備連接起來的，不僅有大量的資源被消耗，而且還增大了維護(hù)的負(fù)擔(dān)，但在智能配電網(wǎng)中，數(shù)據(jù)的傳輸是使用交換式以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的，大大的提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，目前主要廠商均生產(chǎn)集成了以太網(wǎng)通信端口的單片機(jī)，大大提高了智能配電開關(guān)的遠(yuǎn)程通信功能實(shí)現(xiàn)的可能性。為了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換功能和以單片機(jī)為核心的智能配電開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，一定要對以太網(wǎng)通信端口的接收兩方進(jìn)行配置，包括雙方的通信模式、以太網(wǎng)最大幀長度、數(shù)據(jù)傳輸速度、目標(biāo)MAC地址等。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)要采用GOOSE報(bào)文模塊，包括開關(guān)設(shè)備的建模、生成SCL配置文件和所要發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)是按照SCSM中定義的GOOSE報(bào)文的具體格式來形成的，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸還要使用以太網(wǎng)模塊。2.1.3智能開關(guān)軟件程序的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸使用以太網(wǎng)有兩方面的內(nèi)容，以太幀的發(fā)送和接收，在這里中斷響應(yīng)的方式被以太幀的接收所使用。首先要初使化EPHY模塊，完成單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，通過設(shè)置EPHY介質(zhì)無關(guān)接口寄存器，即使數(shù)字自回環(huán)模式，來驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性，將單片機(jī)與PC機(jī)通過串行線來相連，然后來驗(yàn)證單片機(jī)EPHY模塊初使化的準(zhǔn)確性通過PC機(jī)上的串口調(diào)試器，與外界建立網(wǎng)絡(luò)連接的準(zhǔn)確性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后，我們將對FEC模塊進(jìn)行初使化和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送／接收程序的編制，其中包括查找可用發(fā)送緩沖區(qū)的描述符BD，確定空閑緩沖區(qū)是否可用；形成以太幀并放入發(fā)送緩沖區(qū)；配置發(fā)送緩沖區(qū)的描述符長度字段；使寄存器能夠被發(fā)送緩沖區(qū)描述符激活。驗(yàn)證FEC模塊接收／發(fā)送函數(shù)的正確性，與驗(yàn)證EPHY模塊能否成功建立網(wǎng)絡(luò)連接的原理是相同的，首先也是設(shè)置自回環(huán)模式，只需要使在FEC初使化函數(shù)中的寄存器的DO位的數(shù)值改為l，通過串行通信線使單片機(jī)與PC機(jī)相連，當(dāng)FEC測試函數(shù)和中斷程序在單片機(jī)內(nèi)部執(zhí)行時，如果程序是正確的，那么我們可以準(zhǔn)確地收到在PC機(jī)上通過串口調(diào)試器所發(fā)出的數(shù)據(jù)。智能開關(guān)的接、發(fā)程序設(shè)計(jì)好之后,將程序下載到單片機(jī)的內(nèi)部通過采用單片機(jī)配套的寫入器，在正確連接的前提下，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芸梢酝ㄟ^以單片機(jī)為核心的智能開關(guān)裝置來實(shí)現(xiàn)。2.2具有電能質(zhì)量監(jiān)測功能的智能開關(guān)設(shè)計(jì)該智能開關(guān)裝置除了具有微機(jī)保護(hù)功能，還具有波形失真、電壓波動、三相不平衡、電壓驟降等電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測功能，該智能開關(guān)裝置是一種將開關(guān)設(shè)備與電能質(zhì)量監(jiān)測有效的組合起來的。配電網(wǎng)的主要供電點(diǎn)應(yīng)用這種智能開關(guān)設(shè)備，為保證供電的可靠性和提高電能質(zhì)量做了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2.1智能開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在充分采用DSP芯片內(nèi)部資源的前提下做智能開關(guān)的硬件設(shè)計(jì)，是通過參數(shù)輸入與輸出、信號采集與調(diào)理、液晶顯示和數(shù)據(jù)通信等功能相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。其整體的結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。圖2.2智能開關(guān)電器硬件原理結(jié)構(gòu)圖硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括處理器單元、工作電源單元、信號處理、跳閘執(zhí)行電路、人機(jī)的交互。關(guān)于處理器單元的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是采用了TMS320LF2407最小系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)理念，所有對于TMS320LF2407的監(jiān)控裝置可以通過外圍控制板的插接來實(shí)現(xiàn)。并且LF2407具有成本低、功耗小和高性能的特點(diǎn)。應(yīng)該進(jìn)行實(shí)時分析處理采集到的數(shù)據(jù)，并且輸出控制的功能通過處理結(jié)果來完成。系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時性可以大幅度的提高。為了提高智能元件工作的可靠性、簡捷性，該設(shè)計(jì)的供電方式主要是采用直接從母線取電。且考慮了主回路正常與不正常的工作模式[16]。當(dāng)主回路正常供電時，使用特制變壓器直接從母線上取電，系統(tǒng)所需要的電壓要通過整流、濾波、穩(wěn)壓來得到。當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生相間短路時，主回路失壓,第一組電源工作失常，這時供電由第二組電源。第二組電源采用一種帶雙繞組線圈的電流互感器，此互感器有一個空芯線圈用于測量。另有一個鐵芯線圈作系統(tǒng)電源用。工作電源電路原理圖如圖2.3所示。圖2.3工作電源單元因?yàn)長F2407的模擬信號是以0V到3.3V為標(biāo)準(zhǔn)輸入的，所以一定要采用信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，然后提供給微處理器且要經(jīng)過去耦、整流、濾波等過程。若要提高負(fù)載能力，運(yùn)放的輸出級可以再接一級電壓跟隨器。信號調(diào)理電路如圖2.4所示。圖2.4信號調(diào)理電路經(jīng)過運(yùn)算分析的DSP采集到的電壓與電流信號，如果是正常的參數(shù)值時，則DSP的輸出端為低電平信號。因?yàn)槿龢O管的基極是低電平，所以不能夠?qū)?。如果?jīng)過分析處理后參數(shù)值超過一定的數(shù)值，使DSP的輸出端為高電平，因?yàn)槿龢O管的基極為高電平且對大電容充電，所以三極管能夠?qū)?，由于電流流過線圈，導(dǎo)致鐵芯吸合、切斷電源，從而有效地保護(hù)了設(shè)備。跳閘執(zhí)行單元電路圖如圖2.5所示。圖2.5跳閘執(zhí)行單元電路圖采用LCD12864液晶顯示器來顯示電能質(zhì)量的實(shí)時信息。該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，而且低電壓低功耗。鍵盤操作面板提供按鍵操作，通過按鍵可實(shí)現(xiàn)整定、試驗(yàn)、檢測等功能。2.2.2智能開關(guān)的軟件設(shè)計(jì)智能開關(guān)裝置是由主程序、外部中斷子程序、通信子程序和定時中斷子程序的DSP芯片而設(shè)計(jì)的。編寫程序時是通過定時器中斷的形式來實(shí)現(xiàn)信號的采集、過電流三段式保護(hù)、電能質(zhì)量的監(jiān)測和通信等功能。信號的采集時電流和電壓的測量采用方均根值法，計(jì)算的方法如下：（1）（2）式中N—每周波采樣點(diǎn)數(shù)（N=24）；Ik—電流第k次離散采樣值；Uk—電壓第k次離散采樣值.波形畸變率的計(jì)算是使用FFT算出各次諧波的幅值，所采用的公式如下：HRh=（3）THD=（4）式中Uh—h次諧波分量的有效值(或幅值)；U1—基波分量的有效值(或幅值)。其他電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算包括電壓跌落、欠電壓、過電壓；電壓波動；三相不平衡；功率與功率因數(shù)?？梢岳孟旅娴墓接?jì)算出有功功率和無功功率：（5）當(dāng)前實(shí)際電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓值之差，再與標(biāo)準(zhǔn)電壓值相比較的百分比是否大于整定值作為判斷依據(jù)。其中電壓值低于正常值70%為電壓跌落，低于80%為欠電壓，高于正常的1.1倍為過電壓。電壓方均根最大值與最小值之差相對額定電壓的百分比,若電壓波動變化率低于每秒0.2%時，應(yīng)視為電壓偏差。三相不平衡可以用比較三相電壓的的差值是否大于設(shè)定值，按下式計(jì)算。（6）其中（7）（8）式中Ua、Ub、Uc為三相的相電壓。采用三采樣值積算法可以求得電流電壓信號幅值以及相位。取三個等間隔時刻的電壓電流有效值，先經(jīng)過兩兩相乘,在采用適當(dāng)組合消元得出功率因數(shù)正切值。該設(shè)計(jì)方案電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，對于電源部分，解決了獲取工作電源能量的問題，該設(shè)計(jì)方案具有監(jiān)測電能質(zhì)量的功能，且具有能實(shí)時的監(jiān)測各種電能質(zhì)量參數(shù)并顯示，為提高電能質(zhì)量和供電的可靠性提供了依據(jù)。2.3關(guān)于智能開關(guān)的一些其他研究與設(shè)計(jì)2.3.1用戶分界智能開關(guān)一般10kv架空配電線路的責(zé)任分界點(diǎn)處安裝用戶分界智能開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)自動切除單相接地故障和自動隔離相間短路故障。用戶分界智能開關(guān)是由FZW28-12F分界負(fù)荷開關(guān)本體和FDR-100分界負(fù)荷開關(guān)控制器組成的成套設(shè)備，開關(guān)本體與控制器同桿安裝配套使用，該裝置具有檢測故障功能、保護(hù)控制和通信功能，控制器與開關(guān)本體進(jìn)行電氣連接是通過控制電纜和航空接插件來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)其保護(hù)及自動監(jiān)控功能。示意圖見圖2.6。圖2.6用戶分界智能開關(guān)安裝示意圖用戶分界智能開關(guān)具有自動切除開關(guān)負(fù)荷側(cè)單相接地故障和自動隔離開關(guān)負(fù)荷側(cè)相間短路故障的功能[17-18]，其故障處理動作邏輯如表1所示。表1故障處理動作邏輯故障性質(zhì)及故障點(diǎn)保護(hù)處理單相接地故障中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)用戶界內(nèi)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地用戶界內(nèi)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)用戶界外中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地用戶界外中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地用戶界內(nèi)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地用戶界外判定為永久性接地后跳閘判定為永久性接地后跳閘不動作不動作先于變電站保護(hù)動作跳閘不動作相間短路故障用戶界內(nèi)用戶界內(nèi)電源側(cè)斷路器跳閘后分界開關(guān)分閘不動作用戶分界智能開關(guān)的配電監(jiān)控管理系統(tǒng)監(jiān)視運(yùn)行時要發(fā)出警示和短信，依據(jù)變電站開關(guān)的變化，計(jì)算電壓型線路的故障區(qū)域，提供裝置的異動信息為調(diào)度和維護(hù)人員簡便迅速的解決問題。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2.7。圖2.7用戶自動化配電監(jiān)控管理系統(tǒng)關(guān)于用戶分界智能開關(guān)運(yùn)行情況的分析可知，由于用戶分界智能開關(guān)的正確動作，可以成功的去除故障點(diǎn)，而且配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及線路上其它用戶的正常供電也得到了保證。假如沒有采用用戶分界智能開關(guān)，那么故障會有兩種可能性：一是單相接地故障，二是由單相接地故障導(dǎo)致的短路故障。所以分界智能開關(guān)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，是用戶自動化領(lǐng)域的一次偉大研究與探索，并且適應(yīng)智能配電網(wǎng)的發(fā)展前景與形式，也提高了智能配電網(wǎng)的自動化技術(shù)水平。2.3.2ZigBee技術(shù)在智能開關(guān)中的應(yīng)用ZigBee技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它具有省電、便捷、功耗低、通信可靠性高、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使智能家居網(wǎng)絡(luò)的需求得到了滿足，而且它還具有自組織、自愈能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee技術(shù)能夠成為智能家居網(wǎng)絡(luò)理想的通信方式。整個系統(tǒng)是由控制中心，遙控和ZigBee開關(guān)構(gòu)成的?？刂浦行挠糜赯igBee網(wǎng)路的建設(shè)、接收設(shè)定數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)，遙控器用于無線控制，用ZigBee開關(guān)來執(zhí)行相應(yīng)的控制命令?？刂葡到y(tǒng)傳輸?shù)男畔⑹歉鞣N設(shè)備的控制信息，因此，可靠性要求比較高，因?yàn)殄e誤的信息不但會導(dǎo)致設(shè)備工作異常，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。智能開關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（見圖2.8）。系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ZigBee開關(guān)模塊通過控制中心連接起來。圖2.8ZigBee智能開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是采用模塊化設(shè)計(jì)，所有部件都是由ZigBee模塊構(gòu)成的。ZigBee射頻芯片選用CC2430，該芯片支持ZigBee協(xié)議棧，有豐富的片上資源，包括一片高性能8051核、8KSRAM和128K閃存，ADC、USART等，為了方便調(diào)試可以做成可插拔的模塊，并且設(shè)計(jì)時使用PCB天線能夠節(jié)約成本。在設(shè)計(jì)時采用CC2430芯片，使射頻電路簡化了?？刂浦行挠蒢igBee、RF功率放大、存儲單元、鍵盤控制和顯示五大模塊組成，硬件系統(tǒng)框圖如圖2.9所示?？刂浦行臄U(kuò)展RAM，用于存儲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和遙控指令。同時對RF信號進(jìn)行放大，以增加收發(fā)距離滿足實(shí)際需要，RF放大模塊選用CC2591芯片，該芯片集成了功率放大器將輸出功率提高到+22dBm、低噪聲放大器將接收機(jī)靈敏度提高到+6dB[19]，加入顯示模塊用于顯示開關(guān)狀態(tài)，控制模塊完成整個系統(tǒng)的控制。圖2.9控制中心硬件框圖遙控器由ZigBee、鍵盤、顯示、電源和語音五個模塊組成，遙控器構(gòu)成框圖如圖2.10所示。ZigBee模塊所有I/O引腳全部引出。鍵盤模塊采用4×5掃描電路。顯示模塊選用帶SPI接口的低功耗LCD模塊，采用AA電池供電，同時，使用BL8505芯片將兩節(jié)AA電池電壓升壓到3.3V，為ZigBee模塊和LCD模塊提供穩(wěn)定的電壓。語音模塊中加入樂聲報(bào)警功能。圖2.10遙控器構(gòu)成框圖ZigBee開關(guān)模塊由ZigBee、電源、顯示、機(jī)械開關(guān)、無觸點(diǎn)開關(guān)五個模塊組成，開關(guān)構(gòu)成框圖如圖2.11所示。ZigBee模塊電源采用3.3V開關(guān)供電。每個ZigBee開關(guān)可控制4路開關(guān)量，16種狀態(tài)。所有機(jī)械開關(guān)輸入均為弱電，安全可靠。ZigBee開關(guān)模塊復(fù)位電路采用高電平復(fù)位模式，顯示單元采用冷光LED，可在黑暗環(huán)境下啟指示作用。開關(guān)狀態(tài)由ZigBee模塊P0.0-P0.3引腳引入的4路機(jī)械開關(guān)信號和遙控信號一起控制。圖2.11ZigBee開關(guān)構(gòu)成框圖系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，智能開關(guān)的控制系統(tǒng)是在Profile的基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的。開始時首先初始化物理層和網(wǎng)絡(luò)層，然后建設(shè)ZigBee網(wǎng)路，網(wǎng)絡(luò)被建立成功后，初始化外圍硬件、APS層、ZDO層以及用戶自定義任務(wù)，然后進(jìn)入消息循環(huán)機(jī)制來檢測RF中斷，當(dāng)檢測到中斷時處理相應(yīng)的任務(wù)，完成后再次進(jìn)入循環(huán)，使SOC大部分時間處于休眠狀態(tài)，使電源的壽命延長。智能開關(guān)系統(tǒng)主程序流程如圖2.12所示圖2.12主程序流程圖該設(shè)計(jì)安裝時，不用另外布線和改動室內(nèi)線路，只需要安裝該開關(guān)。該系統(tǒng)使用簡捷，在家庭、公司、商店以及賓館等場合中有著廣泛美好的應(yīng)用前景。2.3.3控制與保護(hù)開關(guān)電器CPSCPS是一種新型的集斷路器、接觸器、熱繼電器、和隔離器的控制與保護(hù)功能與一體的控制與保護(hù)開關(guān)電器，該系統(tǒng)解決了各電器之間的協(xié)調(diào)配合問題，具有分?jǐn)喽搪饭收虾蟮倪B續(xù)運(yùn)行性能，為低壓配電與控制系統(tǒng)提供了一種新型、理想、小型化、多功能的基礎(chǔ)元件。CPS的結(jié)構(gòu)如果按CPS的功能模塊分，該系統(tǒng)主要包括動力模塊、保護(hù)與控制單元、輔助觸頭、擴(kuò)展功能模塊以及附件等。國內(nèi)新一代CPS產(chǎn)品VK60系列、KBO—T系列；施耐德公司新一代的TesysU系列；西門子公司的3RA6等CPS典型產(chǎn)品的外觀如圖2.13所示(a)國內(nèi)新一代VK60系列CPS(b)國內(nèi)研制的KB0一T系列(c)施耐德公司的TeSysU系列(d)西門子公司的3RA6系列圖2.13CPS的典型產(chǎn)品從功能方面看，依據(jù)市場的需要，國內(nèi)產(chǎn)品提供了一些更豐富、實(shí)用的功能，例如剩余電流保護(hù)功能、電壓保護(hù)功能、消防場合的特殊功能、欠壓／失壓重起動功能及多種控制型式等。從性能指標(biāo)看，國內(nèi)產(chǎn)品與國際領(lǐng)先水平的產(chǎn)品相比基本相當(dāng)，個別指標(biāo)甚至高于國外產(chǎn)品。CPS的使用量大、涉及的領(lǐng)域廣，特別適用于自動化集中控制系統(tǒng)和基于現(xiàn)場總線的分布式生產(chǎn)線的控制與保護(hù)。從技術(shù)發(fā)展角度看，從功能和結(jié)構(gòu)型式上CPS不但呈現(xiàn)多樣化，并且各種保護(hù)方式及表現(xiàn)型式也呈現(xiàn)出越來越多樣化的特點(diǎn)。對于不同的用戶及使用場合，都能夠得到較合理的認(rèn)識與使用，為電控系統(tǒng)提供了高可靠性和解決方案多樣性的高端產(chǎn)品。2.3.4一種新型智能開關(guān)的研究與設(shè)計(jì)為了提高重要負(fù)荷的用電連續(xù)性、可靠性和穩(wěn)定性，提出了一種以TMS320F2812作為核心、以斷路器為控制對象的智能開關(guān)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)充分利用DSP豐富的硬件資源和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了電源電壓、電流監(jiān)測，斷路器監(jiān)控，鍵盤和顯示，RS485通訊等功能。伴隨各種用戶或用電系統(tǒng)對自動化程度的需求和微電子技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用，雙電源自動切換裝置逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用[20]。本文利用TMS320F2812作為主控芯片，通過對電源電壓、電流的檢測和判斷來切換，實(shí)現(xiàn)對斷路器正確、快速的控制[21-22]。系統(tǒng)軟件開發(fā)靈活方便，具有良好的實(shí)時檢測與控制特性，可根據(jù)用戶的不同需要選擇控制模式、設(shè)定電壓和電流的正常工作范圍、顯示信號參數(shù)等功能?？刂破鞯挠布O(shè)計(jì)是利用電壓電流互感器將兩路電源上的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，經(jīng)過信號調(diào)理的模擬量送入DSP內(nèi)置的12bitA／D轉(zhuǎn)換模塊，同時通過校準(zhǔn)電路提高采樣精度。利用DSP高速數(shù)據(jù)處理能力對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和判斷。當(dāng)檢測到電源電壓、電流信號偏差超出系統(tǒng)設(shè)定的正常工作范圍，并且備用電源無異常狀況時，就發(fā)出控制信號，此信號經(jīng)過光電隔離模塊控制接觸器動作。當(dāng)檢測到常用電源電壓、電流達(dá)到正常設(shè)定的范圍時，則發(fā)送備用電源斷路器開閘和常用電源斷路器合閘命令，自動將負(fù)載切換到常用電源，實(shí)現(xiàn)控制目的。同時通過RS485串行通信協(xié)議，采用中斷和查詢的方式與上位機(jī)實(shí)時通信，并且利用HD7279控制芯片，完成顯示和鍵盤輸入任務(wù)[23]。按照模塊化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)中將整個硬件電路分為：電壓、電流互感器及信號調(diào)理，DSP數(shù)據(jù)采集及處理，外部數(shù)據(jù)存儲，串口通信，鍵盤和顯示，斷路器控制等模塊。硬件原理結(jié)構(gòu)圖如圖2.14所示。圖2.14硬件原理結(jié)構(gòu)圖控制器的軟件設(shè)計(jì)，軟件采用C語言和匯編語言混合編程。算法部分采用匯編語言編程，可提高程序代碼效率，節(jié)省CPU時間，其他部分由C語言編程，增強(qiáng)程序可讀性，便于調(diào)試。全部程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、AD采集和數(shù)據(jù)算法處理程序、斷路器控制程序、數(shù)據(jù)存儲、通訊及鍵盤顯示等功能子程序。主程序首先完成上電復(fù)位和系統(tǒng)初始化，然后掃描按鍵，看是否有按鍵被按下，有則先進(jìn)行相應(yīng)的按鍵中斷處理程序，隨后啟動ADC采集處理模塊，得出檢測結(jié)果并進(jìn)行判斷，確定是否需要切換電源。如果需要切換，就發(fā)送控制信號完成相應(yīng)操作。同時將采集的電壓、電流信息保存在數(shù)據(jù)存儲器中，便于分析和計(jì)算，并實(shí)時與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，最后將數(shù)據(jù)信息傳輸給顯示模塊，即時顯示相應(yīng)l的數(shù)值和狀態(tài)信息。主程序流程圖如圖2.15所示。圖2.15主程序流程圖智能開關(guān)控制器以TMS320F2812作為核心，充分利用其豐富片內(nèi)資源及高速數(shù)據(jù)處理性能極大地提高了對原始采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理和計(jì)算速度，實(shí)現(xiàn)了電壓、電流實(shí)時監(jiān)測與計(jì)算、斷路器控制、鍵盤顯示及通訊等功能，具有良好的人機(jī)交互界面。2.3.5智能開關(guān)控制裝置關(guān)鍵技術(shù)研究目前國內(nèi)外還沒有真正意義上的智能開關(guān)。國內(nèi)目前進(jìn)行的數(shù)字化變電站項(xiàng)目，開關(guān)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)大多是通過二次設(shè)備來轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)，一般采用數(shù)字操作箱的模式。數(shù)字操作箱安裝在變電站控制室智能控制柜內(nèi)，通過電纜與開關(guān)連接，現(xiàn)場仍然有不小的接線工作量。采用上述方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化變電站普遍沒有對開關(guān)內(nèi)部的二次回路進(jìn)行集成化改造，智能數(shù)字操作箱與開關(guān)整合度較低。適用于智能化變電站的智能開關(guān)，其控制裝置必須就地安裝于開關(guān)匯控柜內(nèi)。開關(guān)自身取消了開關(guān)內(nèi)部二次回路，僅提供跳合閘接口、閉鎖觸點(diǎn)、開關(guān)輔助觸點(diǎn)，由控制裝置實(shí)現(xiàn)開關(guān)跳合閘閉鎖、防止跳躍、強(qiáng)制跳閘、就地操作等功能。同時控制裝置還必須承擔(dān)開關(guān)大量數(shù)字量和模擬量測量的任務(wù)。面對不同的開關(guān)現(xiàn)場要求，要實(shí)時可靠地實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)測的任務(wù)，設(shè)計(jì)一個能完成靈活配置的控制裝置硬件平臺是我們首先要解決的問題。智能開關(guān)的過程層接入技術(shù)則是在數(shù)字化變電站過程層通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前，過程總線采用以太網(wǎng)技術(shù)在業(yè)界已達(dá)成共識，部分采用IEC61850-9-1點(diǎn)對點(diǎn)方式傳輸采樣值的試驗(yàn)（或示范）工程已得到了應(yīng)用。然而，如果采用IEC61850-9-2方式，采樣數(shù)據(jù)、控制命令、狀態(tài)信息和診斷信息以總線方式在過程總線、甚至全變電站統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)上完全共享原理可行，優(yōu)越性明顯，工程實(shí)現(xiàn)有較大難度，例如以太網(wǎng)的CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方法限制了其直接應(yīng)用于強(qiáng)實(shí)時要求這類應(yīng)用場合。因此，可以說智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)新的過程層功能，實(shí)時性要求和流量特性與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比發(fā)生了很大變化，這不是片面提高通信帶寬可以解決的。因此，有必要對過程網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性能進(jìn)行專門研究，以判斷其能否滿足智能變電站的過程層功能的實(shí)施要求。傳統(tǒng)開關(guān)是變電站控制和保護(hù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過電纜的連接，利用模擬的開關(guān)量實(shí)現(xiàn)開關(guān)操作和簡單的監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)數(shù)字化開關(guān)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字通信的開關(guān)操作，其本身也是一個操作機(jī)構(gòu)；配置了智能控制裝置的智能開關(guān)，基于實(shí)時的數(shù)據(jù)監(jiān)測和智能保護(hù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基于通信的開關(guān)操作，還能實(shí)現(xiàn)開關(guān)本體的控制邏輯和保護(hù)自動作，即智能變電站可以將部分保護(hù)功能下放到智能開關(guān)本身完成。開關(guān)就地保護(hù)簡化了數(shù)字化變電站保護(hù)的動作流程，縮短了保護(hù)動作時間，實(shí)現(xiàn)開關(guān)就地保護(hù)功能是智能開關(guān)的一個主要特征。開關(guān)作為電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，肩負(fù)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)，其性能的可靠性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。目前，對開關(guān)性能的檢查主要是在停電狀況下進(jìn)行預(yù)防性檢測，檢查其機(jī)械和電氣性能，但這種方法不能及時發(fā)現(xiàn)事故的異常狀況，且過度拆卸檢修反而會影響開關(guān)的正常運(yùn)行。而正在研建的智能變電站不僅需要運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且需要盡量減少停機(jī)檢修的可能性。因而，為了有效地提高輸配電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，必須能夠?qū)崟r地了解開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況，加強(qiáng)對開關(guān)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測。開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測功能是智能開關(guān)的另一個主要特征。為了實(shí)現(xiàn)控制裝置的靈活配置，我們需要的是開發(fā)一套適合廠站自動化未來發(fā)展，同時也滿足可靠性和低成本要求的高速串行總線。近年來興起的低壓差分總線（BLVDS）具有高速及數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)，其330MV的低壓差分信號和快速過渡時間，可以使通信速率達(dá)到100Mbps~1Gbps，非常適合裝置級背板總線設(shè)計(jì)。FPGA技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)高速串行總線提供了便利條件。我們采用的XILINX3S系列FPGA自帶BLVDS的驅(qū)動器，基于該硬件實(shí)現(xiàn)的串行通信總線，其電路示意圖如圖2.16所示。圖2.16高速串行總線電路示意圖高速串行總線具有以下特點(diǎn)：高速度：裝置內(nèi)部通信能夠達(dá)到至少200Mbps的串行通信速度。可擴(kuò)展：總線上至少外掛20個通信模塊，為廠站自動化裝置的實(shí)現(xiàn)提供了極大可能?？煽浚焊咚倏偩€傳輸中應(yīng)用了高速數(shù)據(jù)通信的容錯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖约m錯，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?。冗余：裝置高速串行總線采用四條總線，總線間完全獨(dú)立，為裝置內(nèi)部通信提供多路冗余。實(shí)時性：裝置內(nèi)部通信采用完全可控的收發(fā)機(jī)制，保證了裝置內(nèi)部通信的高實(shí)時性。如測量模塊的全部采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU模塊的傳輸時間僅在微秒級，如此性能確保了保護(hù)裝置的實(shí)時性要求。靈活性：裝置背板各模塊插件位置管腳定義完全相同，模塊采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，因此模塊插件位置可以任意互換?？垢蓴_：高速串行總線采用差分電路，并在總線板上采用EMC提高技術(shù)?；诟咚倏偩€的樣機(jī)裝置現(xiàn)通過了各項(xiàng)EMC試驗(yàn)。目前，基于高速串行總線技術(shù)，我們根據(jù)結(jié)構(gòu)要求開發(fā)了數(shù)種總線板?？偩€板應(yīng)用了高速PCB布線技術(shù)，經(jīng)詳細(xì)測試，其總線高速通信性能穩(wěn)定。變電站過程總線實(shí)時特性的研究，是根據(jù)智能變電站過程層自動化應(yīng)用環(huán)境，綜合考慮響應(yīng)時間、抖動、同步性和吞吐量等標(biāo)準(zhǔn)，參考工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61784-2，將每個通信周期分成兩個不同的部分，一個是循環(huán)的、確定的部分，稱之為實(shí)時通道；另外一個是標(biāo)準(zhǔn)通道，軟實(shí)時數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)通過這個通道傳輸，如圖2.17所示。圖2.17過程總線通信周期示意圖在實(shí)時通道中，為實(shí)時數(shù)據(jù)預(yù)留了固定循環(huán)間隔的時間窗，而實(shí)時數(shù)據(jù)總是按固定的次序插入，因此，實(shí)時數(shù)據(jù)就在固定的間隔被傳送，循環(huán)周期中剩余的時間用來傳遞標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP數(shù)據(jù)。兩種不同類型的數(shù)據(jù)就可以同時在網(wǎng)絡(luò)上傳遞，而且不會互相干擾，實(shí)現(xiàn)了對以太網(wǎng)技術(shù)的兼容。針對過程總線采樣數(shù)據(jù)、控制命令、狀態(tài)信息和診斷信息等不同的具體應(yīng)用所要求的實(shí)時等級差異，將其分別映射到不同的通信通道上進(jìn)行傳輸以滿足區(qū)分的實(shí)時特性。這里，按實(shí)時性的高低，將智能電網(wǎng)過程層信息按傳輸?shù)膶?shí)時性分為兩類。標(biāo)準(zhǔn)通信，包括：參數(shù)與配置；診斷數(shù)據(jù)；IEC61850-8-1MMS。實(shí)時通信，包括：GOOSE報(bào)文，采樣數(shù)據(jù)傳輸。以上兩類數(shù)據(jù)按照不同的優(yōu)先等級（實(shí)時通道最優(yōu)）在過程層總線相應(yīng)的時間窗內(nèi)傳輸，從而保證變電站過程總線實(shí)時特性。智能開關(guān)控制裝置構(gòu)成如圖2.18所示，主要板件有主CPU板、交直流測量板件、IO測量板件和出口板件，板件數(shù)目根據(jù)開關(guān)現(xiàn)場配置，板件之間基于高速串行總線來實(shí)現(xiàn)相互通信。主CPU基于雙核CPU構(gòu)建，主要完成高速總線的接口（接收其他板件的測量數(shù)據(jù)和發(fā)送到出口板件的動作命令等）、測量數(shù)據(jù)的運(yùn)算、保護(hù)和控制邏輯的實(shí)現(xiàn)、過程層通信的實(shí)現(xiàn)、間隔層通信的實(shí)現(xiàn)、人機(jī)界面等功能。交直流測量板件主要完成開關(guān)就地交流量的測量、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測傳感器的接入，并組織數(shù)據(jù)通過高速串行總線上送到主CPU。IO測量板件主要測量開關(guān)的動作狀態(tài)等開關(guān)量信息，并將測量數(shù)據(jù)通過高速串行總線上送到主CPU。出口板件通過高速串行總線接收主CPU板發(fā)送的動作命令，接口開關(guān)本體的操作機(jī)構(gòu)，使能開關(guān)動作的發(fā)生。圖2.17智能開關(guān)控制裝置構(gòu)成開關(guān)就地保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)框圖如圖2.18所示。圖2.18就地保護(hù)實(shí)現(xiàn)框圖其工作過程簡述如下：控制和保護(hù)邏輯、保護(hù)的定值等設(shè)定數(shù)據(jù)由間隔層通信接口或人機(jī)界面接口下載到控制裝置主CPU的參數(shù)空間。開關(guān)就地交流量經(jīng)互感器等轉(zhuǎn)換器件傳送到交直流測量板件。交直流測量板件將就地交流量經(jīng)濾波等處理和組幀后經(jīng)高速總線上送到主CPU板，主CPU板按照設(shè)定的控制和保護(hù)邏輯進(jìn)行處理，如判斷故障，則向出口板發(fā)送相應(yīng)的動作命令，啟動開關(guān)動作。本裝置就地保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)是裝置保護(hù)功能的數(shù)據(jù)源和出口操作都是基于高速串行總線完成的。高速串行總線數(shù)據(jù)通信的微秒級實(shí)時性保障了保護(hù)動作的及時性，同時其帶來了裝置的靈活可配置，使控制裝置能使用不同現(xiàn)場的開關(guān)特性。開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測功能實(shí)現(xiàn)框圖如圖2.19所示。圖2.19狀態(tài)監(jiān)測框圖其工作過程簡述如下：由傳感器或測試裝置測定的數(shù)據(jù)或信號傳送到控制裝置交直流測量板件，數(shù)據(jù)組幀并通過高速串行總線上送到裝置主CPU板。主CPU板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)補(bǔ)償工作，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)通過裝置過程層網(wǎng)絡(luò)接口送至智能變電站過程層總線標(biāo)準(zhǔn)通信通道，作為開源數(shù)據(jù)，供其他各IED使用。本裝置開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測功能實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)是，開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)上送到智能變電站過程層總線經(jīng)由總線的標(biāo)準(zhǔn)通道，這種方式不占用總線實(shí)時通道的帶寬，保證了過程層通信中GOOSE跳閘命令等數(shù)據(jù)的實(shí)時傳送，同時使開關(guān)數(shù)據(jù)傳送經(jīng)由過程層總線到變電站其他設(shè)備成為可能。智能開關(guān)的研究是變電站自動化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一。作為開關(guān)的智能化的關(guān)鍵部件操作裝置必然被大量使用。本項(xiàng)目對開關(guān)控制裝置靈活可靠的硬件平臺、控制裝置的過程層實(shí)時通信、開關(guān)就地保護(hù)和在線狀態(tài)監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行的研究，為智能開關(guān)控制裝置的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。第三章對智能開關(guān)的認(rèn)知與見解國家電網(wǎng)公司提出“2020年全面建成堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)”的目標(biāo)，因此我國電網(wǎng)未來幾年發(fā)展的主要方向?qū)⑹侵悄茈娋W(wǎng)的建設(shè)[24]。作為智能電網(wǎng)的主要部分，智能變電站已經(jīng)成為變電站自動化系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。數(shù)字化變電站是實(shí)現(xiàn)全站數(shù)字方式交換信息和互操作的功能；智能化變電站更強(qiáng)調(diào)變電站一次和二次裝置及全站系統(tǒng)功能的智能化，強(qiáng)調(diào)設(shè)備的在線監(jiān)測、快速診斷和自動執(zhí)行。但從目前的情況來看，要完成變電站的智能化，變電站智能化研究的關(guān)鍵在于智能一次設(shè)備的研究。因?yàn)殚_關(guān)是變電站主要的一次設(shè)備之一，所以智能開關(guān)的實(shí)現(xiàn)是智能變電站研究的重要內(nèi)容[25-26]。開關(guān)作為電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，同時擔(dān)負(fù)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)，其性能的可靠性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。3.1智能開關(guān)一些方面的設(shè)計(jì)對智能開關(guān)的可靠性和對環(huán)境友好及電磁兼容等方面的設(shè)計(jì)。3.1.1智能開關(guān)設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)開關(guān)設(shè)備是電能生產(chǎn)、輸送、分配、使用各環(huán)節(jié)中最重要的控制與保護(hù)設(shè)備，它的性能對供用電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行是非常重要的。傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備不具有信息交互的功能，不能夠支撐電力系統(tǒng)的重構(gòu)和電能管理信息化的發(fā)展；傳統(tǒng)電器無狀態(tài)自診斷功能，是導(dǎo)致電力系統(tǒng)“火燒連營”的重大隱患；而且傳統(tǒng)電器用材多、耗能高、噪音大，不能夠滿足建設(shè)節(jié)約型社會的要求。智能開關(guān)電器是具有完整的感知及自診斷功能，能夠依據(jù)電力系統(tǒng)的故障類型及自身情況，實(shí)時地執(zhí)行有效操作的開關(guān)設(shè)備。智能開關(guān)電器是對傳統(tǒng)開關(guān)電器的改革，是開關(guān)電器技術(shù)發(fā)展的里程碑。開關(guān)電器的現(xiàn)有設(shè)計(jì)，大部分仍是以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，仿真分析為輔，采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的方法。也沒有考慮智能單元如何有效、可靠地與開關(guān)設(shè)備融為一體，既不能夠影響開關(guān)電器原有的工作性能，又能夠充分發(fā)揮智能單元的作用，來滿足智能開關(guān)電器高可靠性的要求。因此為了滿足智能電網(wǎng)對智能開關(guān)電器可靠性的要求，可以按以下方面來開展工作。(1)根據(jù)模型試驗(yàn)與仿真分析，研究電、機(jī)械等多影響元素對開關(guān)電器可靠性的影響。如圖3.1所示[27]，可以采用仿真軟件（ADAMS）來建立開關(guān)電器的操作機(jī)構(gòu)的仿真模型，對開關(guān)電器的機(jī)械性能進(jìn)行仿真分析，獲得最佳的運(yùn)動特性曲線，并應(yīng)用于指導(dǎo)開關(guān)設(shè)備樣機(jī)的設(shè)計(jì)，來提高開關(guān)電器的可靠性；如圖3.2所示[28]，利用電磁場及流體仿真軟件（ANSYS軟件）來建立開關(guān)電器滅弧室的電磁場、流場等仿真模型，并通過仿真分析，對開關(guān)電器的電磁場及流場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1—主軸；2—絕緣拉桿底部軸銷；3—中間相拐臂軸銷；4—外側(cè)相軸銷；5—油緩沖器；6—觸頭彈簧；7—合閘彈簧；8—分閘彈簧。圖3.1中壓真空斷路器仿真模型圖3.2低壓斷路器滅弧室電弧溫度分布圖(2)研究環(huán)境因素及特殊條件下（如覆冰、低氣壓、重污染等）的絕緣破壞機(jī)理和絕緣可靠性。(3)研究關(guān)鍵材料及生產(chǎn)工藝條件（如雜質(zhì)顆粒大小及濃度、設(shè)備加工等）對開關(guān)電器可靠性的影響。(4)建立開關(guān)設(shè)備的可靠性分析故障樹，找出其影響可靠性的關(guān)鍵原因，并設(shè)法尋找其改進(jìn)的辦法，研究新的絕緣結(jié)構(gòu)及智能控制方法，來進(jìn)一步提高開關(guān)設(shè)備的制造水平及長期可靠性。3.1.2智能開關(guān)設(shè)備的環(huán)境友好設(shè)計(jì)智能開關(guān)電器的環(huán)境友好設(shè)計(jì)包括兩個方面的內(nèi)容：①智能開關(guān)電器在操作與運(yùn)行時對電網(wǎng)的友好，即對電網(wǎng)中運(yùn)行的其他設(shè)備不能夠造成不允許的電磁干擾，以及低的操作過電壓；②對自然環(huán)境的友好，即不能夠?qū)Ξ?dāng)前的自然環(huán)境造成污染，例如不排放SF6氣體。（1）對電網(wǎng)環(huán)境友好的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的開關(guān)設(shè)備在操作時，容易產(chǎn)生操作過電壓及電磁干擾，對電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有一定的影響，并且也有可能對開關(guān)的本身造成損壞。智能開關(guān)設(shè)備為了保證其對電網(wǎng)的友好需要采用新型操動機(jī)構(gòu)與開斷技術(shù)，對可控的智能操作技術(shù)來進(jìn)行研究，依據(jù)開關(guān)電器操作時的電弧燃弧特性、介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性以及調(diào)節(jié)開斷速度特性，來降低操作過電壓、提高操作可靠性，并提高開關(guān)電器的使用壽命，減小對其他裝置的干擾。（2）對自然環(huán)境的友好設(shè)計(jì)，智能開關(guān)電器對自然環(huán)境的友好主要是在其使用時不會對自然環(huán)境造成破壞。2009年12月在哥本哈根舉行的全球氣候峰會，全世界大約有192個國家代表參會，討論工業(yè)發(fā)展對全球氣候的影響及其危害，其中最重要的是關(guān)于溫室效應(yīng)氣體的排放問題。目前高壓/超高壓開關(guān)裝置中大量使用的滅弧介質(zhì)SF6的溫室效應(yīng)系數(shù)是CO2的23900倍。因此，替代SF6介質(zhì)（如N2，H2等以及真空）的研究與采用是智能開關(guān)電器的發(fā)展方向。3.1.3智能開關(guān)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)智能開關(guān)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)主要有兩個方面的內(nèi)容。（1）智能開關(guān)電器自身應(yīng)該能承受電網(wǎng)所產(chǎn)生得電磁干擾的影響。智能開關(guān)電器中廣泛采用了電子元件，并且在工作時這些電子元件處于高電壓、強(qiáng)電流的磁場中，如果智能開關(guān)電器受到電磁干擾的影響，就會引起誤判及誤操作，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重的影響，并且會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，一定要對智能開關(guān)電器進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，使其在強(qiáng)電磁干擾下不影響它的正常運(yùn)行。（2）智能開關(guān)電器的應(yīng)用，不允許電磁干擾向電網(wǎng)中采用的其他電子設(shè)備發(fā)射，而影響其他電子裝置的使用。為滿足這一要求，需要對開關(guān)電器采用例如隔離、屏蔽、接地等抗電磁干擾的措施。3.2智能開關(guān)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用智能開關(guān)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在電動機(jī)啟動、無功補(bǔ)償器的投切、有載調(diào)壓變壓器的調(diào)節(jié)三個方面。3.2.1智能開關(guān)在電動機(jī)軟啟動中的應(yīng)用電動機(jī)的傳統(tǒng)啟動方法，對于傳統(tǒng)的直接啟動、電抗器啟動、電容器啟動、自耦變壓器降壓啟動等等[29-30]，無論使用哪種啟動方法，其等效電路與電網(wǎng)電壓施加于其上的多阻抗串聯(lián)電路是一樣的。在啟動期間，這些阻抗主要是電抗性的。直接啟動是啟動電動機(jī)常用的方法。電網(wǎng)電壓通過刀開關(guān)或者接觸器直接施加于電動機(jī)。直接啟動是啟動電動機(jī)最簡捷和最經(jīng)濟(jì)的方法。其優(yōu)點(diǎn)就是操作與啟動裝置都很簡單，缺點(diǎn)就是啟動電流很大。因此對于刀開關(guān)或者接觸器的額定電流一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電動機(jī)正常運(yùn)行過程中的額定電流，并且大的啟動電流需要較大的公用電網(wǎng)。優(yōu)點(diǎn)還有當(dāng)驅(qū)動大慣性裝置時需要較大的加速轉(zhuǎn)矩，由于這種方法通常能夠減小加速時間，因此能夠降低電動機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升。在同步電動機(jī)的直接啟動中，因?yàn)榇蟮募铀偌罢袷庌D(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)械問題，所以需要降壓啟動。在采用直接啟動方法時，如果電網(wǎng)的容量不夠大，則電動機(jī)的啟動電流可能引起電網(wǎng)電壓的顯著下降，影響接在同一電網(wǎng)的其他電動機(jī)及電氣裝置的正常工作。在一般情況下，只有直接啟動時的啟動電流在電網(wǎng)中引起的電壓降落不超過10％～15％，才允許采用直接啟動。在電動機(jī)啟動期間，把電抗器引入電路內(nèi)以減小啟動電流及電網(wǎng)上的壓降。在啟動期間啟動電流將隨電動機(jī)兩端的電壓線性減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩將隨電動機(jī)兩端的電壓的平方降低。電抗器可以裝在電網(wǎng)與電動機(jī)的線路上或接在電動機(jī)和其中性點(diǎn)之間。當(dāng)是后面情況時，電抗器的耐短路容量可近似地降為：(3.1)其中：Sr為電抗器容量，Xm和Xn分別為電動機(jī)的等效電抗和外加電抗器的值，V是電網(wǎng)電壓。圖3.3為電抗器啟動方法的線路示意圖。與直接啟動方法對比，該方法需要額外的接觸器或斷路器，電動機(jī)啟動后需要把電抗器短路。電抗器也可以放在線路上，但是如果這樣電抗器兩端會產(chǎn)生壓降和損耗。電抗器一般都是裝在啟動器柜附近，電抗器啟動方法的一個優(yōu)點(diǎn)是在加速期間電抗器和電動機(jī)上壓降的分配將產(chǎn)生變化。電動機(jī)的功率因數(shù)隨其速度及電動機(jī)電壓增加而增加，從而使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩提高，特別是對電動機(jī)而言，因?yàn)樵诩铀俳Y(jié)束時電動機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，所以這一優(yōu)點(diǎn)顯得非常重要。電抗也可以用電阻來代替，只是用電阻降壓啟動時，因?yàn)殡娮柘碾娔鼙容^多，所以很不經(jīng)濟(jì)。而且由于啟動時功率因數(shù)很低，所以用電抗降壓比用電阻降壓的效果要好的多。圖3.3電抗器啟動方法的線路示意圖自耦變壓器接入電動機(jī)，電動機(jī)端電壓的減小取決于所選抽頭。電動機(jī)啟動后，變壓器被旁路。自耦變壓器與電抗器非常相似，而且在許多情況下極易互換，提供的標(biāo)準(zhǔn)電壓抽頭通常為50％，65％和80％。通過選擇一定的電壓抽頭，電動機(jī)端電壓的降低就能轉(zhuǎn)換成按比例的電動機(jī)電流降低，反映在電網(wǎng)的啟動電流則按變壓器匝比的平方和自耦變壓器的磁化電流減小。除了自耦變壓器外，還需要3個接觸器或斷路器，這取決于電動機(jī)的規(guī)格。所以，這種方法比電抗器啟動花費(fèi)更大。反映在電網(wǎng)的啟動電流和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩隨變壓器匝比降低，所以變壓器抽頭的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)電動機(jī)的端電壓，使其達(dá)到所需的最小電動機(jī)轉(zhuǎn)矩或起動電流。電容器是在電動機(jī)啟動的時候被接通的，它提供的無功電流由電動機(jī)吸收并且支援電網(wǎng)。當(dāng)達(dá)到額定速度的時候，電容器斷開。當(dāng)然，電容器可以用來與上述的任何降壓啟動方法相結(jié)合。當(dāng)啟動某臺電動機(jī)的時候，提高同一母線上運(yùn)轉(zhuǎn)的同步電動機(jī)的激磁，也可以產(chǎn)生無功功率的效果，這種啟動方法主要用于弱電網(wǎng)。當(dāng)在同一母線上多于一臺電動機(jī)的時候，只需要采用一組電容器，可以進(jìn)一步減少電容器的費(fèi)用，但是電容器會增加暫態(tài)過電壓及諧波共振的危險(xiǎn)。在電動機(jī)的啟動過程中智能開關(guān)的應(yīng)用的主要表現(xiàn)，軟啟動技術(shù)是一種先進(jìn)的電動機(jī)控制技術(shù)，使用智能開關(guān)更能體現(xiàn)這種技術(shù)的優(yōu)越性，它能夠適用于不同斜率電壓增量的啟動，讓電動機(jī)得到提前預(yù)定的初始轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩由用戶在轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的0％~90％范圍內(nèi)自主設(shè)定[31]。軟啟動器結(jié)構(gòu)見圖如圖3.4所示。在電動機(jī)的啟動過程中，先由無觸點(diǎn)開關(guān)反并聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通來接通電源，然后有觸點(diǎn)開關(guān)K閉合，從而來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的無火花閉合。當(dāng)電動機(jī)正常運(yùn)行后，晶閘管退出，用接觸器控制電動機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)要停止電動機(jī)運(yùn)行時，先使晶閘管導(dǎo)通，接觸器斷開，再關(guān)斷晶閘管，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的無火花斷開。圖3.4軟啟動器結(jié)構(gòu)簡圖智能開關(guān)軟啟動器可以選擇不同的啟動方式，下面分別介紹四種常用的軟啟動方式：斜坡電壓軟啟動：早期的軟啟動器是以啟動電壓為控制對象來進(jìn)行軟啟動的。圖3.5為斜坡電壓控制示意圖。圖中，啟動電壓先根據(jù)設(shè)定的速率增加，然后再變?yōu)轭~定電壓。這種啟動方式比傳統(tǒng)的自耦變壓器或Y-△降壓啟動有了很大的提高，但在某些工作狀態(tài)下采用時，還會出現(xiàn)較大的二次沖擊電流，并且容易損壞晶閘管。目前的軟啟動器大部分是以啟動電流為控制對象進(jìn)行軟啟動的。啟動時電動機(jī)的啟動電流要保持恒定，其電流限定值Ism一般是在額定電流的1.5～4.5倍之間選擇。圖3.6表示了這種恒流軟啟動方式的電流特性。設(shè)定的電流限定值Ism大，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動時間短；如果Ism小，啟動轉(zhuǎn)矩小，啟動時間就長。這種方式一般適應(yīng)于啟動慣性比較大的場合。圖3.5斜波電壓控制圖3.6恒流軟啟動如果控制啟動電流以一定的速率平穩(wěn)地增加，當(dāng)啟動電流增大到所設(shè)定的電流限定值Ism時，就將啟動電流保持恒定一直到啟動的結(jié)束。圖3.7表示了斜坡恒流軟啟動方式的電流特性。從圖中可以看出，電動機(jī)的啟動過程分為兩個階段，先為斜坡啟動階段，后為恒流啟動階段。當(dāng)啟動將要結(jié)束時啟動電流會自動的降下來。啟動電流上升變化率及恒流值都可以隨意的設(shè)定，恒流值Ism的大小決定了啟動時間的長短。所以啟動電流的上升變化率和恒流值通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載情況與生產(chǎn)要求來設(shè)定，使軟啟動器獲得最好的啟動過程，并減小啟動損耗。斜坡恒流軟啟動方式一般適用于空載或輕載啟動，也適用于啟動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加而增大的負(fù)載裝置，如通風(fēng)機(jī)、水泵等。在啟動初始階段脈沖恒流軟啟動方式有較大的啟動沖擊電流，該電流值超過了設(shè)定的恒流值Ism，從而可以產(chǎn)生較大的啟動沖擊轉(zhuǎn)矩來克服較大的靜磨擦轉(zhuǎn)矩，使裝置能夠迅速啟動；然后進(jìn)入恒流啟動階段，直至啟動結(jié)束。圖3.8表示了脈沖恒流軟啟動方式的電流特性。圖中脈沖啟動階段電流的幅值及脈沖維持時間是可以設(shè)定的?？梢姡@種啟動方式的啟動轉(zhuǎn)矩大，適用于重載啟動。除了上面介紹的四種軟啟動方式之外，還有電壓與電流控制的各種組合方式，如斜坡電壓與電流限制下的軟啟動，啟動脈沖、斜坡電壓與電流限制下的軟啟動等。圖3.7斜波恒流軟啟動圖3.8脈沖恒流軟啟動因?yàn)橹悄荛_關(guān)軟啟動器采用微機(jī)作為控制核心[32-35]，所以能夠提供其他各種功能：對于電動機(jī)控制、軟停車等，能夠提供診斷功能及保護(hù)性能；對于超過預(yù)定時間的輕載或空載運(yùn)行，可選擇作為節(jié)能器來工作，使用微機(jī)檢測可調(diào)整電機(jī)端的電壓使負(fù)載運(yùn)行到最佳點(diǎn)。具有過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)和失速保護(hù)、電網(wǎng)故障、電源掉電、電壓不平衡、過電壓、欠電壓、相序、過電流等保護(hù)功能。（3）通信功能：可以提供標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口，可以連接到各種通信模塊，能支持多種通訊協(xié)議，例如RIO、DeviceNet、RS232／422／485、現(xiàn)場總線Profibus等，便于與計(jì)算機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，組成完善的控制系統(tǒng)。3.2.2智能開關(guān)在無功補(bǔ)償裝置中的應(yīng)用目前，國家對城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)的改造，無功補(bǔ)償裝置已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。無功電源與有功電源都是維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、保證電能質(zhì)量和安全運(yùn)行必不可少的。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置是通過控制交流接觸器或空氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)電容器組的投切，這種裝置的致命弱點(diǎn)是機(jī)械觸頭動作速度與工頻電壓和電流的變化速度不匹配，在投切過程中由于電容器極性的存在必然會產(chǎn)生涌流，這種涌流沖擊嚴(yán)重時會產(chǎn)生電弧重燃而造成過電壓或過電流，由于設(shè)備的原因或用戶水平的局限，很難實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化運(yùn)行，并且經(jīng)常發(fā)生過補(bǔ)。尤其是在電壓較高時向電網(wǎng)返送無功功率，容易引起電壓質(zhì)量問題[36]。智能式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置由智能開關(guān)和電容器組成，其控制部分采用以單片機(jī)為核心的新型實(shí)時無功功率控制器，性能穩(wěn)定，功能設(shè)置簡便，無需人工干預(yù)即可自動跟蹤無功變化。主控制電路采用可控交流電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電容器投入使用。無功功率智能補(bǔ)償裝置的主電路如圖3.9所示。由于采用三角形接線方式可以降低晶閘管開關(guān)的電流容量，避免中線電流，且三角形接法電容器總?cè)萘渴切切谓臃ǖ?倍，因此電容器一般采用三角形接線，容量比采用二進(jìn)制方案?？刂齐娙萜魍肚械臒o觸點(diǎn)開關(guān)采用兩只反并聯(lián)的晶閘管，由單片機(jī)根據(jù)線路中的電流來控制晶閘管的控制極。當(dāng)向主電路施加正向電壓且晶閘管的控制極上有觸發(fā)信號時，晶閘管導(dǎo)通，將電容器接入電網(wǎng)。當(dāng)去掉脈沖觸發(fā)信號后，電流過零或反相時，晶閘管截止，將電容器從電網(wǎng)上切除，每個電容器支路上有快速熔斷器作為短路保護(hù)。在諧波含量較大的場合中，由于諧波的影響，電容器支路上還要串聯(lián)電抗器，限制突變電流．否則，電路在諧振時產(chǎn)生比平時大幾倍甚至幾十倍的過電流，造成晶閘管的燒毀。晶閘管上并聯(lián)有阻容吸收回路，用來吸收浪涌電壓和抑制過電壓。在三相電路中，影響功率因數(shù)的因素除了電壓和電流的相位差、波形畸變外，還有一個因素就是三相不對稱。而對于三相不對稱的功率因數(shù)至今還沒有統(tǒng)一的定義。因此，這里只考慮三相對稱電路的功率因數(shù)及無功的計(jì)算。在三相對稱電路中，各相電壓、電流均為對稱，功率因數(shù)也相同，三相電路總的功率因數(shù)就等于各相的功率因數(shù)[37]。由于諧波分量的存在，相電壓和相電流只能用諧波分量的集合來定義，即（3.2）