（控制理论与控制工程专业论文）框架式断路器智能控制器的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 低压框架式断路器是电力系统中低压配电网中的主要电器开关之一，它不 仅可以接通和分断正常负载电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。 主要在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用，并对线路、 电器设备等实行保护，当它们发生严重过流、过载、短路、断相、漏电等故障 时，能自动切断线路，起保护作用，应用十分广泛。智能控制器是框架式断路 器上的保护装置，也是断路器的核心控制装置。2 0 世纪9 0 年代，随着电力电 子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，断路器的保护装置 已由传统的电磁式过流脱扣器发展成采用集成电路的电子式脱扣器，直至目前 出现了带高性能微处理器的智能控制器。新一代的智能控制器采用了模块化结 构设计，集测量、监视，控制，通信，保护等功能于一体，在低压系统中得到 了广泛的应用。本文依据智能控制器的技术要求和设计指标，设计了一款适合 当前国内需求的智能控制器。 本文介绍了断路器智能控制器的设计原理，包括测量及保护算法原理和保 护功能原理；并进行了具体的硬件和软件模块化设计，旨在实现智能控制器的 测量、监视、控制、通信和保护等各种功能。在设计中，优化了保护算法，克 服了同类产品跳闸速度慢的缺点，很好地解决了跳闸出口灵敏性与准确性之间 的矛盾。 在本课题中，该智能控制器在硬件上以t i 公司生产的d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 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 障保护等。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。丰富的用户资源使该控制器可以满足国内 绝大多数用户的要求，友好的用户界面使得控制器的操作更加简单明了软件 程序部分采用模块化的设计方法，使用汇编语言和c 语言混合编程的方式，大 大提高了编程效率又能很好的兼顾程序的执行效率。 最后，就t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 本身具有的一个全双工的s c i 串行口，提出了 基于r s 4 8 5 总线转l o n w o r k s 现场总线的通信模块的设计方案，实现了智能 山东大学硕士学位论文 控制器与p c 机的双向通信功能，通过总线系统达到遥调、遥控的目的，使得 智能控制器的性能得到增强，符合配电系统的要求。 【关键字】断路器智能控制器d s pr s - 4 8 5l o n w o r k s 山东大学硕士学位论文 a b s r a c t t h el o w v o l t a g ef r a m ec k c n i tb r e a k e ri so n eo ft h em a i ne l e c t r i ca p p a r a t u s s w i t c h e si nt h el o w - v o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，i tc a l lp u tt h r o u g ha n d d i s c o n n e c tn o to n l yn o r m a ll o a dc u r r e n ta n do v e r l o a dc u r r e n tb u ta l s os h o r tc u r r e n t i t i sm a i n l yu s e di nt h en o tf r e q u e n t l yo p e r a t e dl o w - v o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o nl i n eo r c u b i c l es w i t c h b o a r da n ds e r v e da sp o w e rs w i t c h ，a n dp r o t e c tc i r c u i t ，e l e c t r i c e q u i p m e n t ，e t c ，w h e nt h e yt a k ep l a c eo v e r c u r r e n t ，o v e r l o a d ，s h o r t i n go u t ，l o s so f p h a s e ，l e a k i n ge l e c t r i c i t y , e t c ，i tc a nc u to f f t h ec i r c u i ta u t o m a t i c a l l y , s oi t i s u s e d w i d e l y t h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e ri sap r o t e c t o ro ft h ef r a m eb r e a k e r , a n di sak e y c o n t r o ld e v i c eo ft h ec k c n i tb r e a k e rt o o i nt h e1 9 9 0 s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n ta tf u l l s p e e do fe l e c t r i c a n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r i ct e c h n i q u e ，c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep r o t e c t o ro ft h ec i r c u i tb r e a k e rh a s a l r e a d yb e e nl e a db yt r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i s mr e l e a s et od e v e l o pi n t oa e l e c t r o n i c r e l e a s ew h i c ha d o p t st h ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，u n t i lp r e s e n t i n gt h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r w i t hh i g hp e r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o ra tp r e s e n t t h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e ro fn e w g e n e r a t i o na d o p t st h em o d u l e s t r u c t u r a l d e s i g n ，i n c o r p o r a t ef u n c t i o n s ，s u c h a s m e a s u r e m e n t ，m o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，p r o t e c t i n g ，e t c i n t oa n o r g a n i cw h o l e ，w i d e l yu s e di nt h el o w - v o l t a g es y s t e m a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n r e q u i r e m e n ta n dd e s i g ni n d e xo ft h e i n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r , w eh a v ed e s i g n e df l i n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e rw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ep r e s e n td o m e s t i cd e m a n d t h i st e x ti n t r o d u c et h ed e s i g np r i n c i p l eo fi n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r , i n c l u d i n g m e a s u r e m e n ta n dp r o t e c t i o np r i n c i p l eo fa l g o r i t h m sa n dt h ep r o t e c t i o nf u n c t i o n p r i n c i p l e ，a n dh a sc a r d e d o nt h ec o n c r e t ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e m o d u l a r i z a t i o n ，a i ma tr e a l i z i n gv a r i o u sk i n d so ff u n c t i o n s ，s u c ha sm e a s u r e m e n t ， m o n i t o r i n , c o n t r o l l i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，p r o t e c t i n go f t h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r , e t c i n t h i st e x t ，w eo p t i m i z ep r o t e c t i o na l g o r i t h m ，o v e r c o m et h es h o r t c o m i n gt h a ti st r i p p i n g s l o w l yo fc o n g e n e rp r o d u c lh a v ew e l ls o l v e dt h ec o n t r a d i c t i o no ft r i p p i n gb e t w e e n i i l 山东大学硕士学位论文 s e n s 试v i t ya n da c c u r a c y a m o n g t h i s s u b j e c t , t h i s i n t e l l e c t u a l c o n t r o l l e r r e g a r d s d s p c h i p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7w h i c hnc o m p a n yp r o d u c e sa st h ek e yp r o c e s s o ro nt h eh a r d w a r e ，i t i sm a i n l yd e a lw i t ht r o u b l ep r o t e c t i o ni nc i r c u i tb r e a k e ra n dg a t h e r i n gd a mi nr e a lt i m e h a r d w a r ea d o p t ss t a n d a r d i z e dm o d u l ed e s i g nm e t h o d , h a r d w a r ec i r c u i tc h o o s e s t a n d a r d i z a t i o n , m o d u l et y p i c a lc i r c u i to fs t r u c t u r ea sm u c ha sp o s s i b l e ，i no r d e rt o e x p a n d a b u n d a n tu s e rr e s o u r o e ss l a k et h i sc o n t r o l l e ra b l et om e e td o m e s t i cm o s t u s e r s r e q u e s t , f r i e n d l yb s e l j si n t e r f a c em a k e st h eo p e r a t i o no ft h ec o n t r o l l e rm o r e s i m p l ea n dm o l ec l e a r t h es o f t w a r ea d o p t st h em o d u l ed e s i g nm e t h o d , u s e st h e a s s e m b l e rl a n g u a g ea n dcl a n g u a g et om i xp r o g r a m m i n gw a y , h a v ei m p r o v e dt h e e x e c u t i o ne f f i c i e n c yo fg i v i n gc o n s i d e r a t i o nt ot h ep r o c o d u r et h a tp r o g r a m m i n g e f f i c i e n c yc a l lb ev e r yg o o dg r e a t l y f i n a l l y u s i n gf u l ld u p l e xs e r i a lp o r to fs c io ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i t s e l f , w ep u t f o r w a r dap l a no f c o m m u n i c a t i o nm o d u l ed e s i g no nt h eb a s i so fr s - 4 8 5b u st o l o n w o r k sf i e l db u s i th a sr e a l i z e dt h et w o - w a yc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e nt h e i n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e ra n dp c a c h i e v e st h ep u r p o s eo fr e m o t ec o n t r o la n dr e m o t e a d j u s tt h r o u g hf i e l db u ss y s t e m , m a k e sl f f o r m a n c cs t r e n g t h e no ft h ei n t e l l e c t u a l c o n t f o l l e la c c o r d 、i mt h ed e m a n d sf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e ri n t e l l e c t u a lc o n 仃o l l e rd s pr s 4 8 5l o n w o r k s i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：重麴霆e t 期：2 1 箜：! 型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一：蠼黜名缉 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外低压电器的发展状况及趋势 低压电器通常是指在低压配电系统和控制系统中起开关、控制、保护、检测、 显示和报警等作用的元件或装置。电能是国民生产和生活不可缺少的、也是不能 取代的重要能源随着经济的发展，电能的需求和依赖越来越大，特别是某些工 业发达国家，电能在整个能源中所占比例相当大。因此，在电能的传输与分配中 起重要作用的低压电器，自然就显得越来越重要了i 。低压电器的产生和发展是 与电能的发现和广泛使用联系在一起的。 我国的低压电器经过5 0 年的发展，大致可以分为三代产品，目前已形成比较 完善的体系。第一代是6 0 年代至7 0 年代初开发的产品，其性能水平相当国5 i - 5 0 年代水平。现己列入行业的淘汰产品，技术特征是性能指标低，体积大，耗材、 耗能多；第二代是7 0 年代至8 0 年代开发的产品，产品包括自行开发和技术引进的， 其特征是技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，结构上适应成套设备 的要求；第三代产品是9 0 年代开发的产品，开发方针为抓住主要系列，跟踪国外 先进技术，特征是高性能、小型化、智能化、组合化、多功能化，但此类产品市 场占有率仅为5 l o 。因此，促进此代产品的推广，从而促进我国低压电器 总体水平的提高己刻不容缓1 2 。目前，国内低压电器领域技术人员正在进行不断 的探索、研究和开发新产品和新技术的工作，并己取得了可喜的成绩。 随着科学技术的进步，新技术、新材料、新工艺的不断出现，为低压电器产 品的开发提供了良好的条件。电力电子技术、微电子技术、计算机技术、通信 技术、智能化技术和可靠性技术等新技术的应用，给低压电器产品的发展更是注 入了新的活力。如今，低压电器的发展已进入了多功能与智能化的时代，跟踪国 外先进技术，继续探索开发国内第四代产品智能化，可通信电器是低压电器 发展的趋势1 3 1 。所谓智能化电器是采用微处理器等电子元件，按照设定的程序执 行命令，使系统得到可靠及最佳的保护。这种电器还具有提供系统运行信息的通 信功能，能与现场总线系统连接，以便实现遥控、遥测、遥调和遥信( 四遥) ， 山东大学硕士学位论文 前景十分广阔1 4 1 。智能化电器在国外已取得了很大的发展，从9 0 年代开始国外就 在不断开发新一代低压电器产品。 现场总线系统是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数 字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。现场总线是当今自 动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。在结构特点 上，传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接；现场 总线可以实现一对总线( 如双绞线) 上传输多个节点的多种信号( 如运行参数值、 设备状态、故障信息) 。在技术上，现场总线最显著特点是系统的开放性和互操 作性，可以使低压电器与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接， 可以实现互连设备问、系统间的信息传送与沟通。另外现场总线还有节省硬件数 量与投资、节省安装费用等优点而l o n w o r k s 现场总线技术由美国e c h e l o n 公司 于9 0 年代初推出后，由于它在网络通信方面的突出优点，如它的网络应用层采用 “网络变量”这一全新概念，使得复杂的网络通信程序设计变成了简单的“网络 变量”定义和捆绑，缩短了系统的开发周期，又它的网络物理层支持多种通信介 质( 双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电缆、光纤等) ，扩展了系统的应用 范围，因而现在开始被国内各个领域的分布式测控系统所采用，广泛应用在工业、 智能大厦、交通、能源等自动化领域1 5 - 7 1 如今，世界上各大低压电器生产厂家 都已生产了这种智能化、可通信的低压电器产品。这将成为今后一段时间低压电 器发展的重要方向之一综上所述，在我国开发研制新一代的低压电器产品非常 有必要，发展智能化、可通信低压电器势在必行 1 2 低压框架式断路器及智能控制器的简介 低压框架式断路器是电力系统中低压配电网中的主要低压电器之一，它 不仅可以接通和分断正常负载电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电 流。主要在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用，并对 配电系统、输电系统和用电设备的过载、短路、接地故障以及欠压等实现智 能保护，以避免或减少故障对电力系统和用电设备所造成的损失，确保供电 系统的可靠性和安全性，应用十分广泛。 2 山东大学硕士学位论文 传统的断路器的保护功能是通过电磁元件来完成，其抗干扰能力差，动 作时间长，保护精度较低，整定起来比较困难；而且没有自检测和自诊断功 能，如果元件受到损坏，极有可能引起误动作随着人们对供电系统自动化 程度要求越来越高，对断路器也提出了更高的要求：对单台断路器要求其自 动化、智能化、模块化；对于供电系统中多台断路器要求能实现联网控制， 集中监控降1 智能控制器是框架式断路器上的保护装置，也是断路器的核心控制装置 它通常安装在断路器本体上，与断路器本身构成一个整体。早期的保护装置 为电磁式或热式，功能十分单一，只能控制断路器跳闸，时限曲线非常简单， 故将其称为脱扣器。当时一台框架式断路器需要配置数个不同的脱扣器( 如 瞬动脱扣器、延时脱扣器、热脱扣器等) 以完成不同的保护功能。2 0 世纪9 0 年代，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展， 断路器的保护装置已经由传统的电磁式过流脱扣器发展成采用集成电路的电 子式脱扣器，直至目前出现了带高性能微处理器的智能控制器，提高了断路 器的智能化程度。其保护功能也从原有的过电流保护扩展至过载、短路、接 地、断相保护功能等；另外，还可以实时显示电网的有关参数，允许用户根 据具体的情况来设置各种保护整定参数，具有自检测功能和报警功能，同时 提供网络通信接口，方便和计算机进行通信。若干个智能断路器通过现场总 线组成智能供电系统，实现电力系统的“四遥”功能。 目前，世界上各大断路器生产厂家都在纷纷生产这种具有智能控制器的断 路器产品，如法国施耐德公司的m 系列，美国g e 公司的m p a c t 系列、德国 西门子公司的3 w n 6 系列、a b b 公司的f 系列等产品。总之，国外低压电器厂 家对智能控制器的开发研制十分重视，他们的一些先进技术值得我们学习和借 鉴。 山东大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的目的及意义 2 0 世纪9 0 年代，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术 的飞速发展，出现了采用微处理器等器件构成的智能控制器，标志着进入了断 路器智能化阶段。而近年来流行的现场总线技术，使智能控制器与中央控制设 备实现双向通信功能，从而通过总线系统达到“四遥”的目的，可见具有此类 功能的产品前景十分广阔。并且为适应城市、农村电网改造的需要，促进电网 配电质量有一个新的进步，断路器也要求“体积小、短路分断能力高、功能齐 全、工作安全可靠、进而向智能化( 可通信) 电器发展”。因此，对智能控制 器的研究十分符合目前低压电器的发展趋势，开发和研制新一代的智能控制器 具有重要的现实意义。另外，在当今的数字化时代背景下，d s p 己成为通信、 计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。因 此采用d s p 微处理器的框架式断路器智能控制器的研制前景更是振奋人心，它 的研制成功将使断路器的开发与研制进入一个新的阶段，使其在体积上更加 小，功能上更加完善与提高，成为智能化( 可通信) 的电器。 目前，大多数国内厂家研制的智能控制器与国外同类产品相比较，功能较 弱，显示信息量小，操作比较繁琐，人机界面不友好，产品的档次低；而国外 的产品功能较为强大，设计思想比较领先，有些甚至可与中压电器保护产品相 媲美。但是由于习惯上的差异，这些产品在国内电力系统中使用也有很多不便 之处，非中文界面更增加了用户的操作使用难度，而且价格普遍都很昂贵，不 适合国内市场。所以，开发适合国内用户的智能控制器很有必要 1 4 本课题完成的工作 本课题分析了国内外产品的特点以及国内市场需求，吸取和综合它们的 优点，克服其不足的一面，设计开发了一种适用于低压框架式断路器的智能 控制器，主要完成的工作是： ( 1 ) 智能控制器的硬件设计 该智能控制器的微处理器采用1 1 公司的1 m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s p 芯片，具有强大 4 山东大学硕士学位论文 的数据和信息处理能力，能对大量的数字信号进行快速的运算。主要的设计工作 包括智能控制器的原理图的设计，硬件线路板( p c b ) 的绘制智能控制器硬件 设计采用了标准化模块设计方法，整个硬件结构由主要以下几个模块组成： c p u 模块、模拟信号变换模块，开关量输入输出模块，按键和液晶显示模块， 时钟和温度模块，电源模块，通信模块等。这些模块在功能上和电路结构上都 相互独立，以便针对不同的具体要求，进行灵活的配置。 ( 2 ) 智能控制器的软件设计 软件部分设计的主要任务是用汇编语言和c 语言编写程序以实现预期的功 能，主要包括软件结构设计和软件程序设计。本设计的软件程序部分采用模块化 的设计方法，根据智能控制器预期要实现的功能，所设计的系统软件主要由初始 化程序，数据采集程序，通信程序，各种保护程序和主程序等部分组成。另外， 还优化了保护算法，以提高故障的判断速度，同时也要兼顾供电系统对控制器 可靠性的要求。 ( 3 ) 通信模块的设计 就t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 本身具有的一个全双工的s c i 串行口，提出了基于 r s - 4 8 5 总线转l o n w o r k s 现场总线的通信模块的设计方案，实现了智能控制器 与p c 机的双向通信功能，通过总线系统达到“四遥”的目的。 山东大学硕士学位论文 第二章智能控制器设计的技术特点和要求 通过分析广大用户对智能控制器产品功能的要求，结合国内外同类型产品 的技术特点，本文对所设计的智能控制器提出了以下的技术要求和设计指标。 这些功能和指标可以满足当前国内市场上绝大部分用户的需求争1 们 2 1 智能控制器设计的技术要求 2 1 1 测量功能 ( 1 ) 三相电压u a 、u b 、u c ，并可根据测量值计算出u a b 、u b c 、u c a ： ( 2 ) 三相电流i a 、i b 、i c ，中性线电流i n 及接地电流i g ； ( 3 ) 有功功率p 、无功功率q 、视在功率s 及功率因数c o 即； ( 4 ) 电网频率f ( 5 ) 有功电度w h 、无功电度q h 及视在电度a h ： ( 6 ) 设备温度t ； ( 7 ) 系统复位次数。 2 1 2 保护功能 ( 1 ) 过载长延时反时限保护； ( 2 ) 短路短延时定时限保护，当用户有特殊要求时，短延时特性可以由 “定时限+ 反时限”组成； ( 3 ) 短路瞬动保护； ( 4 ) 接地故障保护； ( 5 ) 超温保护 2 1 3 其它功能 1 、从站地址号设定 6 山东大学硕士学位论文 当控制器( 从站) 与上位机( 主站) 联网运行时，从站地址号可由控制器 ( 近控) 或上位机( 遥控) 方式设定，但联网前首先工作于“近控”方式，设 置好从站地址号后再与上位机联网，然后可工作于遥控方式并由上位机修改从 站地址号 2 、试验功能 控制器可模拟瞬动故障试验，可按脱扣、不脱扣两种方式进行，检查控制 器与断路器配合的完好情况。 3 、显示功能 采用l c d 液晶显示控制器信息，显示c p u 周围的环境温度、运行、故障、 试验、通信、设置参数等状态。 4 、自诊断功能 控制器会定时对c p u 、模拟量输入和开关量输入输出通道等主要芯片做自 检，一旦发现电流互感器断线、机内温度越限( 8 0 ) 等故障后会做出诊断 并报警，亦可按需要瞬动分断断路器。 5 、负载监控功能 负载监控保护用于控制支路，在线路故障电流超过负载监控整定值，而未达 到过载电流整定值时，智能控制器发出报警和控制信号。利用控制信号可进行负 载调度，若智能断路器为上一级保护开关，下一级多路负载支路分别供电给不同 性质的负荷，重要负荷不允许停电，当线路发生过载时，为防止过载脱扣引起重 要支路断电，利用智能控制器的负载监控信号分断支路断路器，卸掉一般负荷， 以保证重要负荷不问断供电。 6 、热记忆功能 控制器具有模拟双金属片的热效应特性，在未达到长延时过载脱扣的情况 下反复的过负荷，则可能引起导体发热，记忆主回路电流开始回落以前积聚的 过载能量，在回落期间进行释放，3 0 m i n 释放完毕( 短延时反时限1 5 r a i n 释放 完毕，短延时定时限无热记忆特性) ；在释放期间主回路电流再次过载时，过载 能量从以前积聚而未释放完毕的剩余能量上继续进行积聚，过载脱扣时间将缩 短 7 山东大学硕士学位论文 7 、故障信息存储 导致智能控制器动作的即时故障将作为最近一次历史故障信息( 故障类型、 故障电流值、动作时间) 存入e 2 p r o m 内，最多可记忆5 次历史故障，这样有 助于工作人员作出正确判断，减少线路维修时间。 8 、区域选择性联锁 当多台断路器上下联接在一起时，选择区域选择性联锁可确保断路器上下 级完全选择性保护，这样减少了故障动作范围，并缩短了断路器的分断时间。 此功能适用于断路器短路短延时和接地故障保护。 9 、通信功能 控制器具有r s 4 8 5 标准接口，可实现半双工( 双线) ( 必要时也可实现 全双工，4 线) 通信，可以通过l o n w o r k s 现场总线和上位机进行通信。另外， 控制器c p u 内含c a n 接i = l ，因而以c a n 总线联网时可省掉外置接口模块， 降低成本，提高可靠性。 2 2 控制器的主要设计指标 2 ；2 1 电源指标 控制器采用外接工作电源和内部速饱和互感器两路并联允错供电，一般 情况下以外接工作电源为主。外接工作电源为交流2 2 0 v 1 3 8 0 v ，或者直流 2 4 v 。 2 2 2 测量指标 电流：2 5 级； 电压、频率均为1 级。 2 2 3 保护指标 电流型保护主要包括过载长延时，短路短延时，短路瞬动，接地故障保 护以及负载监控保护 8 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 保护范围： 1 ) 过载长延时电流定值i r l ：( o 4 1 ) x l m ( h a 为额定电流，下同) 2 ) 短路短延时电流定值以：( o 4 1 5 ) x l n ； 3 ) 短路瞬动电流定值扔：1 0 i n 5 0 k a ； 4 ) 接地故障电流定值川：( o 2 o 8 ) x l m 5 ) 负载监控电流定值五c i ：( 0 2 1 ) x l mi m p = ( o 2 1 ) x n ( 2 ) 保护特性分别为： 1 ) 过载长延时保护为反时限特性，其时限误差为1 0 ，时间定值 为1 5 s 4 8 0 s ，热记忆时间为3 0 m i n ，热记忆可闭锁； 2 ) 短路短延时保护既可以是反时限，也可以是定时限当过载电流 大于电流奶且小于等于8 r i 时，即为反时限保护；若过载电流大于 8 r l 时自动转为定时限保护。时间定值为l o o m s 4 0 0 m s ：短延时为 定时限时无热记忆功能，为反时限+ 定时限时有热记忆功能，热记 忆时间为1 5 m i n ，热记忆可闭锁； 3 ) 瞬动时间应当不超过5 0 m s ； 4 ) 接地故障保护为定时限特性，时间定值为1 0 0 m s 4 0 0 m s ； 5 ) 一型负载监控分断两路负载均为过载反时限特性，其时限误差为 1 0 ：二型负载监控分断负载为过载反时限特性，重新合闸为定 时限特性，延时为6 0 s ，时限误差为1 0 。 9 山东大学硕士学位论文 第三章智能控制器的设计原理 3 1 电网电参数的测量原理 本控制器的测量功能主要是完成电网电参数的测量，这其中包括可以直 接测量的电压、电流、频率的测量和间接测量的有功功率、无功功率、视在 功率、功率因数以及累加电度的计算。 对电力系统参数采样和计算的方法主要有两种：直流采样法和交流采样 法。直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换 即可得到被测量的数值。这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但投 资较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用受到 限制。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，须采用交流采样技术i n ! 。 交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算 法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。交流采样的主要优点是实时 性好，相位失真小，投资少、便于维护；其缺点是算法复杂，精度难以提高， 对a d 转换速度要求较高。该方法的理论基础是香农采样定理，即要求采样 频率为被测信号频谱中最高频率的2 倍以上。电力系统中的电信号其主要成 分是l ，3 、5 次谐波，对于6 次以上的谐波和其他高频的干扰经过两级r c 低通 滤波器即可以滤除；对于6 次及其以下的各谐波分量可以采用数字滤波算法进 行提取那么电网频率为5 0 h z ，则采样频率不小于6 0 0 t - ! z ，即每个周期的采样 点数应不小于1 2 个，实际中每个周期采样3 2 点，即6 2 5i ls 采样一个点，测量 及保护均依据一定的算法在这些采样点的基础上进行。 交流采样的算法很多，在文中电流、电压的测量算法采用均方根算法。 均方根算法能计及高次谐波的影响，并且随着每周采样点的增多，可以提高 采集精度，比较适合电量计算时的数据采集：但采样点太多必然降低采集速 度，增加了运算量，因而需要在精度和快速之间作出适当选择。 i o 山东大学硕士学位论文 3 1 1 电流和电压的测量 测量的电流、电压指的是有效值测量，根据有效值表达式1 1 2 - 1 3 ： i = 承丽 c ，= 厨丽 ， ( 3 1 ) ( 3 2 ) 其中r 是工频周期当每工频周期采样n 点时，将以上连续函数离散化， 可得电流、电压有效值的表达式如下； 一厨k = 丽l u = 糜丽 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中，n = 3 2 ，为每周波采样点数。f f 】 ；j 、“倒分别为电流、电压的离散采 样值。 当i 和村中含有谐波时，根据有效值表示式，测量到的谐波有效值为 _ 医 y 肛i 医 y 丑= i ( 3 5 ) ( 3 6 ) 其中x = l 、2 、3 、m ，m 为f 、“中谐波最高次数。 为防止采样信号有微小的波动而影响计量的精度，在每次采样中可通过软 件两次选择同一转换通道，分别对电压、电流进行两次转换，将两次采样值的平均 值作为本次测量结果： f ) ：型生掣尘 ( 3 7 ) “( ；业娑坠旦 ( 3 8 ) 二 “( 七一1 ) 、r ( k 1 ) 、“( 七) 、f ( 七) 分别为第一次和第二次的采样值。事实证明， 这种方法对精度的提高非常有效。 山东大学硕士学位论文 3 1 2 功率和功率因数的测量 功率的计量有两表法和三表法。两表法即两相对应线电压与相电流的乘 积在时间段内的积分，通常取a 相电流和c 相电流，相应的接入电压是a b 相和c b 相的电压；三表法即三相对应相电压与相电流的乘积在时间段内的 积分由于低压供电系统中绝大多数为三相四线制，所以控制器采用三表法 测量功率u 4 1 ，其表达式为： p = 只+ 晶+ 尼 ；吾r ( + “。+ 如l i c p 3 9 蚴、妇、口、b 、“c i c 分别是各相的相电压和相电流。 将式( 3 9 ) 离散化，得到功率的表达式： p = 专兰阮( 七) + 心( 女) + ) ( 膏) + f c ( 七) + ( 豇) 】( 3 a o ) 其中n = 3 2 。将采样数据代入上式，即可得到有功功率p 。 无功功率同样采用三表法： q ；专私七一半饥吲七一半( 叭”- - - n 4 ) * u c ( k ) ( 3 1 1 ) 从式( 3 1 1 ) 可以看出，只需将式( 3 1 0 ) 中各相电流向滞后方向移3 4 周期工频电角度就得到了无功功率的表达式。我们知道对于周期的正弦信号， 滞后3 4 周期工频电角度即相当于超前1 4 周期工频电角度，所以式( 3 1 1 ) 可以变为： g = 专射( | | + 争+ ( d + 屯( 后+ 争( + f c ( 七+ 争+ ( 七) ( 3 1 2 ) 由于采样点n = 3 2 ，则n 4 = 8 ，代入式( 3 1 2 ) 可得到。 q = 专羔h ( 七+ 8 ) ( | ) + g ( k + 8 ) ( _ j ) + 七( 七+ 8 ) + ( 七) 】 ( 3 1 3 ) 在求得有功功率p 和无功功率q 后，可得到视在功率s 和功率s 尹为： s ；霹 ( 3 1 4 ) 山东大学硕士学位论文 3 1 3 电度的测量 p c 0 3 伊2 i 电能计量采用离散量定时累加的办法代替连续量的积分，即： 有功电度： 无功电度： i r r h 。, = 阡7 l 耐+ r p 幽= 阡，7 l 甜+ p 。a t = q h a a + r 触= q h 。a + q a t 3 2 各段保护功能的保护原理 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 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智能控制 器的设计中占有很重要的地位，各种故障保护的动作电流通过键盘设定并存于串 行e 2 p r o m 中( 掉电不丢失) 保护原理框图如图3 1 所示，其中测量部分实时监视被保护线路，c p u 不断 地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的有效值和整 定值进行比较，判断执行部分是否脱扣；如果是，则确定时间并发出控制信号及 报警信号，显示故障电流和故障类型，并且它的输出信号还应该经过放大后驱动 执行元件；否则智能控制器刷新显示，并进行自诊断和环境温度检测。下面将介 绍一下保护算法和各段保护功能的保护原理及特性。 输入值 整定值 图3 1 保护原理框图 输出值 山东大学硕士学位论文 3 2 1 保护算法分析 电力系统发生短路故障时，线路上流过的电流异常增大，而且因为线路的 分布电感、电容等产生瞬态过程，使故障出现时电流中除基波分量电流外， 还有衰减的非周期分量电流和各次谐波电流，波形严重畸变。而一旦发生短 路故障或不正常运行状态，需要快速且有选择地切除故障元件，保证无故障部 分正常运行。这样我们就需要找到一种保护算法，能快速地计算出故障电流， 从而发生相应的动作来实现其保护功能。 本文我们采用半周积分保护算法计算故障电流，但故障电流必须呈正弦波 形，所以需采用差分滤波器将故障电流的非周期分量电流和各次谐波电流滤 去。差分滤波器( 可称减法滤波器) 的算式为1 4 】： y ( 七) = x ( k ) 一x ( k 一1 ) ( 3 18 ) 式( 3 1 8 ) 中x ( t ) 是电流以) 在k 时刻的采样值，x ( 女一1 ) 是k - - 1 时刻的采 样值，y ( _ j ) 是滤波后k 时刻的输出电流。通过数字滤波器滤波后，非周期分量 电流大大减少，得到了很好的抑制；基波电流幅值发生了2 s m 专倍的变化，相 位超前原来基波电流( 争n ) r a d 。 半周积分保护算法的依据是一个正弦量在任意半周期内绝对值的积分为一 常数s ，并且积分值s 和积分起始点无关。 设电流f o ) = i ms h a ( w t + o ) ，则半周期内绝对值的积分为： s = 乎聃蚴删虹昙l = 等j ( 3 1 9 ) 式( 3 1 9 ) 中亚工频周期；厶：电流最大值； 电流有效值。 此式说明s 值与积分起点无关。采用阶梯形近似法也可求s 值，表达式为： 眦阻确舭卅荆| 2 。， 1 4 山东大学硕士学位论文 计及l f ( 。) i = l f ) i ，式( 3 2 。) 可写成： ：n s “t , 杰l i ( k ) l ( 3 2 1 ) 式( 3 2 1 ) 中：每个周波的采样点数；瓦：采样周期，且i = 斋= 嘉。 将式( 3 2 1 ) 代入式( 3 1 9 ) ，得到： j “ 等1 ( 3 _ 2 2 ) 2 篙。 式( 3 2 2 ) 就是计算故障电流的表达式，此式还具有一定的滤去高次谐波 的能力。 本文中n = 3 2 ，采样频率为1 6 0 0 h z ，故用梯形近似法求得的s 值误差很小， 从而求得电流j 误差也很小；另外i 的计算量极小，所以可以快速地计算出短 路故障电流值，故可以满足保护动作的时间要求，克服了同类产品跳闸速度慢 的缺点，很好地解决了其灵敏性与准确性之间的矛盾。 3 2 2 过载保护 1 ) 过载故障及其危害性 过载就是指供电线路中的电流高于额定电流的一种不正常的工作状态。过载 电流不会马上危害到电网和电器设备，但是如果长期存在的话，会使导体发热， 影响其使用寿命。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 ) 长期的发热会使金属性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。 2 ) 过载保护原理1 1 5 舶i 过载电流相对于整定电流的倍数越小，延时时间越长，通常将该保护称 为过载长延时保护。 传统的实现长延时脱扣功能的热脱扣器直接反应开关的发热程度，针对电 山东大学硕士学位