基于ARM的断路器智能控制器的研究.doc

基于ARM 的断路器智能控制器的研究摘 要智能控制器是智能断路器的核心，不仅具有普通脱扣器的各种保护功能，而且还具有实时参数显示、故障记忆和查询、自诊断等多项功能。在回顾和总结了智能断路器的发展历程后，讨论了当前智能断路器的发展趋势，提出了基于ARM 的断路器智能控制器的研究。本论文介绍了断路器智能控制器的设计原理，同时重点阐述了断路器智能控制器的各项参数测量及保护原理和算法，并进行了具体的硬件和软件模块的设计，旨在实现断路器的智能保护。本文涉及的断路器智能控制器，在硬件上以PHILIPS 公司的ARM 芯片LPC2294 为核心处理器，主要进行数据的实时采集处理和断路器的故障保护。硬件设计采用了标准化模块设计方法，硬件电路尽可能选择标准化、模块化结构的典型电路，以便扩展。其中，液晶选用的是SMG240128A，键盘芯片选用的是ZLG7290。软件的编制采用模块化编程方法，每一个模块相对独立，完成特定功能，便于维护添加新功能。编程工具为ARM 公司提供的ADS1.2。为了保证智能控制器各种保护功能的可靠实现，论文中对智能控制器的干扰源进行了分析，从硬件和软件两个方面采取了多项设计措施，提高了智能控制器的稳定性和可靠性。实践证明，论文中构建的断路器智能控制器结构简单，易于实现，可以满足系统需要，因此具有较高的实用价值。关键字：ARM,断路器，智能控制器第二章 智能控制器的设计原理供配电系统中的低压断路器的主要功能是通过采集单元得到系统母线中的电流、电压信号，由脱扣器的逻辑控制单元进行分析判断，根据结果采取相应的动作，实现对线路中的过载、短路、失压等故障的保护。智能控制器也是基于这个原理，通过互感器将主线路中的电压、电流信号转换成模拟电路可处理的信号，信号处理单元对这些信号进行滤波和整形，信号采样后经多路开关送入CPU，在CPU 内部进行A/D 转换后进行逻辑运算与处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设定保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动断路器的执行机构和其他辅助继电器，使断路器动作或输出声音、光信号。各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定并预先存储在EPROM 中，并可在运行期间随时进行修改。此外，当产生特大短路电流时，独立于CPU 的模拟脱扣电路可立即产生动作信号控制执行单元，使断路器动作。在电力系统中，大都需要对电压电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数等进行测量和计算，作为上级电力部门进行监控的可靠依据，计算故障电流，以实现系统的保护功能。在系统中，为了减少各种干扰造成的影响，除了硬件的抗干扰、滤波措施外，软件也需要一定的数字滤波处理，以便达到更好的抗干扰效果。2.1 电网参数的计量原理智能控制器使用采集转换而来的数字信号完成各种电量参数的计算，包括电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的计算。装置对监控对象的模拟信号量的采集，理论上采样频率越高则越能反映原信号，但由于受CPU 速度、A/D 转换时间等因素的影响，采样频率不可能太高。电力系统中的模拟信号主要成分是1、3、5 次谐波，对于六次以上的谐波和高频干扰经过模拟通道中RC 低通滤波加以滤除;对于六次及以下各次谐波分量借用数字滤波算法加以提取。由香农采样定理21可知，采样频率应不小于6 次谐波的两倍，假定电网频率为50Hz，则采样频率不小于600Hz，每个周期采样点数应不小于12 个，考虑到要对谐波进行FFT 分析，采样点N 应该为2 的幂。本智能控制器每周期采样32 个点，采样频率为1600Hz，为信号基波频率(50Hz)的32 倍，这样一方面满足了保护所需的各参数能比较如实地送入系统，另一方面也使微处理器承担的计算任务不致过重，保证了数据采集的实时性。基于ARM 的断路器智能控制器的研究101.电压、电流的计量根据IEC60947.2低压开关设备和控制设备、第二部分断路器，为了使断路器在信号波形发生畸变时不会产生误动作，我们采用均方根法对电压、电流进行计算。电流和电压采用均方根值显示，均方根值检测提供了可靠的系统保护，在波形中含有的高的谐波分量时均方根值检测将减小保护装置误脱扣的可能性22。本装置中三相电流、电压均采用相应的均方根值显示。根据周期性连续函数有效值的定义，电压和电流的有效值表达式为：201 ( )TUT= u t dt（21）201 ( )TIT= i t dt（22）式中，T 为电压、电流信号的周期。将这两个函数离散化，可以得到电压、电流有效值的离散表达式：1201 NkkUN u-= （23）1201 NkkIN i-= （24）式中，N =32 为每周波采样点数， k u 、k i 为电压、电流的离散采样值。为了防止采样信号由于微小波动而影响计算精度，我们采用一次延迟数字滤波方法来计算k u 、k i ，进一步消除波动和扰动的影响，公式如下25:1(1 )n n n y b x by-= - + （25）式中， n x 是第n 次的采样值， n y 是第n 次采样值的数字滤波输出值，其中b 是滤波系数。2.功率因数和功率因数的计量（1）有功功率的计算对于周期信号，其有功功率为: 0 0 01( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )A B CT T Ta a b b c ct t dt t t dt t t dtTP P P Pu i u i u i= + += + + （26）将式(2-6)离散化后可以得到功率的有效值为:11 Nak ak bk bk ck ckk N P u i u i u i= + + （27）其中N =32。将采样得到的数据代入式，即可得到有功功率的值。（2）无功功率的计算对于周期信号，无功功率的表达式为:河北工业大学硕士学位论文112 2 2 2 2 2( ) ( ) ( )A A A B B B C C C Q =U I -P +U I -P +U I -P （28）将前面各式计算得到的结果代入上式，即可得到无功功率的值。（3）视在功率的计算求得有功功率和无功功率后，视在功率S 为:2 2 S = UgI = P + Q （29）（4）功率因数的计算功率因数为有功功率和视在功率的比值，表达式为:COS PSj = （210）2.2 智能控制器的保护原理与实现方法大多数保护算法的计算可视为对交流信号中参数的估算过程，对算法性能的评价也取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若干采样值中获得基波分量或某次谐波分量的精确估计值。衡量各种算法的优缺点，重要指标可以归结为：计算精度、响应时间和运算量。这三者之间往往是相互矛盾的，因此应根据保护的功能、性能指标(如精度、动作时间等)和保护装置硬件条件(如CPU 的运算速度、存储器的容量等)的不同，采用不同的算法。保护特别是快速动作的保护对计算速度要求很高。由于反映工频电气量的通道设有滤波环节，各种保护算法都需要时间，因此，在其它条件相同的情况下，尽量提高算法的计算速度，缩短响应时间，可以提高保护的动作速度。可采用兼有多种功能的算法以节省时间等措施来缩短响应时间，提高速度。配电系统和用电设备的过载运行是经常发生的，例如，照明线路的过负荷、大容量电动机的起动、变负荷系统中负载的增减等等。低压断路器作为保护元件，智能控制器保护特性必须与被保护对象的热特性配合，其中必须考虑的主要问题之一是被保护对象热积累的模拟。过载时，系统中负载电流成倍增加，在线路和设备上直接以I t 2 的形式表现出来。在反时限延时保护特性曲线范围内被保护电器的时间一电流特性呈现“ I t = 常数2 ”的反时限特性。不管电流如何变化，被保护对象最终的热积累总值应符合=nii i I t I t12 2 ，保护功能是智能控制器最重要的功能之一，保护功能的设计在整个控制器的设计中占有极其重要的地位。本节讨论智能控制器的保护功能及其实现原理，重点介绍过载长延时、短路短延时和短路瞬动三段电流保护的实现原理。基于ARM 的断路器智能控制器的研究122.2.1 保护的算法及分析电力系统发生故障时，往往是在基波上叠加有非周期分量(衰减的直流分量)和高次谐波分量。根据IEC60947.2低压开关设备和控制设备、第二部分断路器规定，为了使智能控制器能正确地发出脱扣信号，不致使脱扣器产生误动作，必须对输入的电流、电压信号进行预处理，尽可能的滤除那些非周期分量和高频谐波。傅氏算法带有很强的滤除高次谐波的功能，且收敛稳定，因而得到了广泛的应用。本课题研究的智能控制器的保护算法采用傅氏算法，以电流为例，分解出n 倍频率的电流的实部、虚部分别如以下公式所示：实部 ( ) 1Re2 2( ) cosNkk n kN NI ip= * * * （211）虚部 ( ) 1Im2 2( ) sinNkk n kN NI ip= _* * * （212）将N=32，n=1 代入上述两式，则电流基波的实部R1 I 、虚部I1 I ，电流基波幅值为：12 2I IR1 II1 = +当计算出来的电流基波幅值大于或等于电流整定值的时候，就判断为故障。为了计算上的方便，同时为了减小误差，编程时直接采用平方值来比较，即2 21 I I设定值时，认为故障发生。2.2.2 三段电流保护的实现原理过电流保护是智能型断路器最重要的保护功能。断路器的智能控制器具有过载长延时，短路短延时和短路瞬动三段电流保护特性20。(1)过载保护a.过载及其危害性在电力系统的运行当中，可能发生各种故障和一些非正常的运行现象，其中最常见的非正常运行状态就是过载。过载是指供电线路中的电流高于额定电流的一种非正常的工作状态。过载电流不会马上危害到电网和电器设备，但是如任由其发展下去，长时间的累计效应，同样会给线路和用电设备带来很大的破坏。系统长时间工作在超过其额定电流的情况下，不论是绝缘还是各部件的机械强度都将迅速降低，加速系统的老化，而且机械性能、电接触性能的降低又会给其他类型的故障提供了可能性，所以更要认真对待。主要有以下几个方面的影响:1) 绝缘材料在使用中如果超过了限定的温度，将会加速老化，其电气绝缘强度和机械强度将不断的降低，大大缩短使用的寿命。2) 导体发热会引起接触部分的接触电阻增大，温度升高，危及正常的工作。3) 长期的发热会使导体的抗拉强度显著降低，可能在短路电动力的作用下变形或者损坏。4) 可能引起火灾。河北工业大学硕士学位论文13b.过载及保护的基本原理及其实现过载长延时具有斜波特性，即I2t 特性，数学表达式为：2 (1.5 )2 L L r L I T = I t （213）其中L I 为过电流值，L T 为动作时间，r I 为电流整定值， L t 为长延时动作时间整定值。由公式可见长延时保护具有反时限特性，其动作时间与故障电流成反比。长延时动作时间整定值决定了过载长延时的保护范围。对于过载电流产生的故障，智能控制器按2 I t 等于常数关系呈反时限特性，可以实现前后级的断路器选择功能。反时限保护的实质是热保护，动作时间和电流平方成反比，我们可以根据测得的过电流倍数，查表得到动作时间，动作时间一到，就发生保护动作。具体的技术指标为:Ir=(0.4-1)In；tL=15，30，60，120，240s，其中In 为额定电流值。图2.1 是过载保护的原理框图，其中采样部分实时监视被保护线路，不断的采集电流信号并加以处理送入逻辑单元，逻辑单元将得到的信号经过计算后和整定值进行比较，判断是否要对保护装置进行动作，如果是，那么它的输出信号还应该经过放大后驱动执行元件。图2.1 过载保护原理框图Fig. 2.1 Circuit diagram for over loading protect为了提高系统的可靠性，由互感器转化过来的电信号还必需进行预处理，处理的过程包括滤波、隔离、放大、隔直。为适应断路器能工作在不同电流范围的电网中，互感器选用线性范围大的空心互感器；放大隔离环节的放大器采用5V 电源供电；在线路中并联电容，滤去电网中的高次谐波；另外，为了保证A/D 采样的精度，加入隔直电容去掉直流成分。具体电路图如图2.2 所示。6图2.2 过载保护信号处理电路图Fig.2.2 Circuit diagram for dealing with over loading protect signal整定值输入信号 输出信号采样单 元逻辑单 元保护单 元基于ARM 的断路器智能控制器的研究14(2)短路保护a.短路故障及其危害性短路是指在电力系统中不同相的两个导线之间或者是导线和地线之间产生直接接触的现象。短路故障的发生，使得电力系统中的电压降低，电流增大，引起严重的不良后果:1)强大的短路电流将引起热效应，使得导体和电气设备由于过热而造成绝缘破坏，导体熔化。2)导致设备的变形或者损坏。3)破坏整个系统的稳定性。4）使触点熔焊，引起火灾。b.短路短延时的特性及其保护实现短路短延时特性可以分为两段，即反时限特性和定时限特性。当短延时电流整定值小于8Ir 时，断路器短延时特性同时具有反时限和定时限保护特性；当短延时电流整定值大于8Ir 时，断路器短延时特性只有定时限特性。短延时的反时限保护和过载的一样，也是通过查表法判断是否动作。具体的技术指标为:Ir=(0.4-15)In；tS0.1，0.2，0.3，0.4s，其中In 为额定电流值，tS 为延时时间。当短延时动作电流在(18)Ir 之间时，短路短延时呈反时限特性，数学表达式如下所示:2 (8 )2 s S r S I T = I t （214）其中IS 为过电流值，TS 为动作时间，Ir 为电流整定值，tS 为短延时动作时间整定值。当短延时动作电流大于8Ir 时，保护特性自动转换成定时限特性，这时候短延时的动作时间和电流的整定值无关，一般有tS=0.1，0.2，0.3，0.4s 可供选择。当故障电流大于整定电流值时，启动定时器，只要定时时间一到，就产生保护动作。在定时时间内，如果故障电流值小于整定值，则保护退出。短路故障是电力系统非正常运行的最重要原因，有效切断故障线路是断路器的主要功能，同时又要保证没有出现故障的线路正常运行。这就是所谓的选择性短路保护。对于具有选择性保护功能的系统，动作时间的整定应该分级进行:主干线上的断路器短延时的动作时间应该大于支路上的全分断时间。在短路短延时保护中，对采集到的电流信号利用积分法进行有效值处理，CPU 将结果和整定值进行比较，判断是否动作。由于经过互感器转化来的电流信号属于大信号，所以不需要进行放大就可以送入CPU 进行处理，在设计短路延时保护时，只要加滤波和隔离电路即可。其中一路短路保护信号处理电路原理图如图2.3 所示。河北工业大学硕士学位论文15R1 R2C1 C2IA A/D图2.3 短路保护信号处理电路图Fig.2.3 Circuit diagram for dealing with short circuit protect signalc.短路瞬动短路瞬时保护功能是为了在较大短路电流时能及时分断线路而设置的，它的动作特性为定时限，动作时间一般在10-20ms。采用即采即比的方法，CPU 将采集来的电流信号的峰值和整定值进行比较，如果某次的电流信号峰值大于整定电流值，则再采样一次，两次的结果相近的话，说明发生短路故障。如果两次结果相差很大，那么就不是短路故障。2.2.3 其他保护功能除上述的三段保护功能外，智能脱扣器还可以实现断路器的接地保护，欠电压和失压保护，不平衡和断相保护功能：（1）接地保护接地故障是指电网的线和地发生短接而产生的故障，严重危及电气设备和人的安全。智能控制器必须在接地电流超过整定值时实现断路器的脱扣或者发出报警信号。具体的技术指标为:Ir=(0.2-0.8)In；ti=0.1，0.2，0.3，0.4s 其中In 为额定电流值7。接地电流取中线电流IN 与三相电流的矢量和，即G A B C N I& = I& + I& + I& + I& ，具体的实现电路如图2.4 所示。三相电流和中线电流在A 点进行矢量和，然后经过放大和隔离处理后，进入CPU 进行处理。由于接地故障电流可能出现断续现象，在超过电流整定值后不能持续到故障的整定时间，造成主控制器不能正确的发出脱扣信号，这就要求在软件设计的时候，让断路器智能控制器附带记忆功能，把几次超过故障整定电流值的时间记录下来，一旦累计的时间超过了故障整定时间，智能控制器就进行正确的脱扣。基于ARM 的断路器智能控制器的研究16图2.4 接地保护信号处理电路图Fig.2.4 Circuit diagram for dealing with grounding protect signal(2)欠压/失压保护、不平衡和断相保护这两种保护功能主要是针对电动机的保护功能。失压/欠压保护是当电源电压短时降低或中断时，对不需要自起动的电动机，或为保证重要电动机的自起动而需要断开的次要电动机，需装设的带延时动作的保护，其电压整定值为:异步电动机60-70的额定电压，同步电动机50-70的额定电压，保护装置的动作时限为0.5-1s。当三相电流不平衡时，会产生正序和负序电流，进而产生正序和负序力矩使电动机的综合力矩减少，增加电动机的电流，使电动机发热增加，严重则会烧毁电动机。因此不平衡和断相保护是以三相电流的差值来判断是否动作的，当三相电流的差值大于整定电流时，一旦到达整定时间，就发出脱扣信号8。2.3 负载监控河北工业大学硕士学位论文17在供电电网运行过程中，当智能断路器(控制器)作为上一级的保护开关，下一级有多条负载支路给不同的负荷供电时，如果下一级某条支路存在故障使上一级的保护开关动作，这将使接在保护开关下的所有支路断电。因此，在实际使用过程中，要求控制器(断路器)具有负载监控功能，能保障供电主回路和下级重要负荷支路的继续供电。负载监控保护的主要思想是负载调度，保护分为两种方式。方式一可控制两路负载，当运行电流超过相应的电流整定值LC1 I ， LC2 I 时，延时发出指令信号分断相应的下级不重要负载。其数学表达式为：延时12 2 ( )12 1.5 r LI T = I t （215）延时22 2 ( )14 1.5 r LI T = I t （216）在式（215）和（216）中， r I 为过载长延时保护的电流整定值，设定范围（041） n I ； L t 为长延时动作时间整定值，设定范围15s、30s、60s、120s、240s、480s。方式二控制一路负载，当运行电流超过电流整定值LC1 I 时，延时分断下级不重要负载，其延时特性的数学表达式为2 2 ( )12 1.5 r LI T = I t ，如分断后主电流下降至LC2 I 整定值并持续60s 后，控制器可再发出指令信号再次接通已分断的负载，恢复整个系统的供电。2.4 智能控制器的自诊断智能控制器的自诊断功能主要对控制器自身的工作状态和运行环境进行监测和保护。通过自诊断，智能控制器(低压断路器)能确知当前系统是否工作正常。如果诊断出系统错误，控制器能发出报警信息，进入保护处理;进而能启动自我修复程序。通过自诊断功能，智能控制器将提高自身的智能化水平和可靠性程度。智能控制器主要对以下四个方面进行诊断:（1）环境温度监测，当环境温度超过80+5时，发出故障信号；（2）MCU 或E2PROM 的运行状态，当出现故障时报警；（3）拒动报警，当控制器发出脱扣指令后，若断路器拒动，则再次发出脱扣指令，如断路器仍然拒动，则输出报警信号；（4）电源监视，当断路器闭合运行时，一旦MUC 的工作电压出故障，则报警。_第三章 智能控制器的硬件设计硬件电路是智能控制器工作的基础，设计的好坏，将直接影响到智能控制单元功能的实现。除了工作性能之外，经济指标也是工业应用系统在设计过程中要考虑到的一个重要因素，尤其是在我国当前经济不甚发达的情况下，能够长期占据市场的将是那些高性价比的产品。硬件电路的设计要围绕智能控制器单元功能的要求进行，本控制器集测量、保护、控制、通讯等功能于一体，为此控制器必须对电压、电流等模拟量进行采样，采集开关量，并输出各种控制和报警信号。同时可以和上位机进行通讯，具有良好的人机交互功能。在设计时应充分考虑增强其自身的抗干扰性能，本章主要介绍低压断路器智能控制器单元硬件电路的设计。硬件设计的主要任务是综合考虑系统所要实现的各种功能和各部分硬件之间的关系，来选择所需芯片，设计出系统电路原理图以及印刷电路板。3.1 硬件设计准则智能控制器的硬件设计围绕其功能进行，同时要求遵循以下准则：软硬件合理划分：系统中软件和硬件在逻辑功能上等效的。具有相同功能的微机应用系统，其软硬件功能分配可以在很宽的范围内变化。系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、减少所需的存储量，有利于检测和控制的实时性。相反，提高软件功能的比例可以降低硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需的存储器容量要增加。划分的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提下，系统功能尽可能用软件来实现。（1）简化设计：硬件设计时尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利于提高系统的集成度，减少元器件相互之间的连线、接点和封装数目，从而大大提高系统工作的可靠性。（2）模块化设计：硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可能选用模块化结构的