（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga智能断路器控制器实现.pdf

摘要 摘要 本文介绍了面向电网系统断路器的智能控制单元的研制，实现低压断路器 信号采样与运算、智能保护功能以及上位机远程测控等功能。主要内容为智能 控制器的单元的软硬件设计与上位机通信的开发。 首先比较了国内外智能型断路器的发展状况。对于前人已经做过的研究， 分析了己有的智能控制在软硬件构成以及算法上的局限和缺点，通过保护算法 的建模，有针对性的提出解决的方案。在电网的信号计算过程中，针对以往对 信号运算只求取平均值等做法，采用快速傅里叶变换求取基波，大大提高了保 护精度；在信号采样过程中，并针对传统傅里叶变换算法存在工频延迟、非同 步采样造成频谱泄漏的问题，采用了一种基四快速傅里叶变换和软件同步采样 的电流实时检测算法，有效抑制了电网频率波动对运算精度的影响。其次，分 析了作为传统智能断路器控制器核心单片机，其性能特别是运算性能上的弱点， 采用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 为运算核心，并协调各个功能模块 的工作。在对硬件描述语言以及f p g a 设计流程深入理解的基础上，设计采用 v e r i l o g 语言实现了智能控制器的功能以及v c + + 开发上位机，完成电流的采集， 滤波处理，a d 转换，并将结果传给上位机以及接收上位机的保护数据等。最后 对设计进行了总结，并阐述了尚需进一步解决的问题以及下一步的：- l ：作内容。 实验结果表明，本文研制的低压断路器智能控制器基本上达剑了预期的没 计效果，对以后开发低压断路器智能控制器具有一定的参考价值。 关键词：智能控制器，三段保护，f p g a ，快速傅立叶变换，同步采样 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro ft h el o w - v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r st h a ta l ea p p l i e do np o w e rn e ts y s t e m t h ep u r p o s ei st oa c h i e v et h e d a t as a m p l i n ga n dc o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n tp r o t e c t i o n ，r e m o t ec o n t r o la n dt h eh m i t h e d e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h es o 脚a r eo f t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n dt h er e s e a r c h o ft h er e m o t eh m i s y s t e mi st h ep r i m a r y c o n t e n t a tf as t , c o m p a r e st h ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o n s b e t w e e nn a t i v ea n df o r e i g n i n t e l l i g e n tr e l e a s e ，p o i n t so u tt h en e c e s s i t yo fd e x ，e l o p i n gi n t e l l i g e n tr e l e a s e ，a n a l y z e d s o m ee x i s t i n gi n t e l l i g e n tr e l e a s et h a td e s i g n e db yf o r m e rd e v i s e ra n df o u n do u t s e v e r a lw e a k n e s sa n dt h e np u tf o r w a r dr e s o l v e n tt h r o u g hp r o t e c t i o nm o d e l i n g i n p o w e rn e t si g n a l c o m p u t i n g a v o i d i n ga 7 e r a g i n g a p p r o a c h ，u s i n g f a s tf o u r i e r t r a n s f o r mt os t r i k eaf u n d a m e n t a l ，g r e a t l ye n h a n c et h ep r o t e c t i o no ft h ep r e c i s i o n ；i n s i g n a ls a m p l i n g ，t oi m p r o x r et h ep r o b l e mo f o n ep e r i o dt i m ed e l a y , a sw e l la ss p e c t r u m l e a k a g ec a u s e db ya s y n c h r o n o u ss a m p l i n g ，t h i sp a p e rp r o p o s e sar e a l - t i m eh a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o na p p r o a c hb a s e do nr a d i x - 4f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a n d s o f t w a r es y n c h r o n o u ss a m p l i n g s e c o n d l y , t h i ss y s t e mi sb a s e do nf p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) w h i c ha l s o c o n t r o l so t h e rm o d u l e s o p e r a t i o na s i t s c o m p u t i n gc o r ea n dc o m p l e t e st h ef u n c t i o n so fc u r r e n ts a m p l i n g ，f i l t e r i n g ，a d c o n v e r t i n g ，a n dh m ic o m m u n i c a t i o n o nt h eb a s i so fad e e pu n d e r s t a n d i n go f h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n df p g ad e s i g nf l o w , t h ea l g o r i t h m sa r ea c t u a l i z e d w i t hv e r i l o ga n dt h eh m ii sc o m p l i e db yv c + + t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h ek e y p r o b l e m so ff i x p o i n td i g i t a lf o r m a t ，d a t as t o r a g e a n dm a t h e m a t i co p e r a t i o no f c o m p l e xn u m b e r sa n da n a l y z e s t h ef i n a le x p e r i m e n t1 c s u l t s a tl a s t ，t h i sp a p e r s u m m a r i z e st h ed e s i g n ，i n t r o d u c e se x i s t i n gp r o b l e m sa n ds u g g e s t st h ef u t u r ew o r k c o n t e n t t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rw ew o r k e do u th a d r e a c h e do u re x p e c t a t i o n i ti s ar e f e r e n c ef o rf u r t h e rd e s i g no ft h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r i i a b s t r a e t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r , t h r e e p h a s ep r o t e c t i o n ，f p g a ，f f t s y n c h r o n o u s s a m p l i n g i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全j ，解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如一下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 手f 描、数字化或其它手段保存沦文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向困家有 关郜| 、j 或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提卜，学校可以适当复制 八义的部分或令部内容用于学术活动。 学位沦文作者签名： 鼷。之苦j 舀 、 7 年弓月f6 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 一躲格昔，孓 。q 年弓月e l 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题的提出 第1 章绪论 工业的发展对配电系统的要求越来越高。低压断路器作为一种量大面j “的 配电电器，是低压配电系统中的重要电器元件，在配电和保护线路中起着重要 的作用。其作用是分配电能和保护电气配电网络和工业设备免受短路、过载、 欠电压和接地故障电流的破坏。正因为如此，断路器广泛应用于配电系统、电 力输送系统及用电设备等，如各类电站、变电站、车载系统( 包括窄调机车、 电力抢修车) 、船用系统等等。 随着电力事业的发展，供电线路上各种功能的保护器也应运而生，而且发 展迅速。这类保护器其保护原理一般来说主要基于电路上的电流或功率超过一 定的限度时，自动切断电源来达到保护下级负载及供电线路的目的。断路器是 电力系统中最重要的开关电器设备之一，主要用于线路的接通、分断和对系统 中各种故障进行保护，在供电和配电系统中起着开断和闭合正常线路或故障线 路的作用。而脱扣器就是对被保护线路进行各种电参数的检测，在符合预定条 件时发出信号使断路器动作的器件，因此断路器的性能很大程度上取决于脱扣 器的性能，脱扣器是断路器里最重要的核心部件，其操作性能对电网的安全、 稳定及经济运行至关重要。由于誓片微机在保护器设计卜的应用，保护器由以 前的电子式、电磁式向智能式发展。智能式脱扣器即智能控制器更为精确、及 时，故在电力系统上得到了广泛的应用。 为了适应电力系统技术进步和发展的需要，世界各大电器设备制造公司竞 相开发研制性能更加先进、结构更加合理、可靠性更高的开关电器产品。同时， 随着现代信息技术的飞速发展，智能化己成为工业装置的发展趋势。在丌关领 域中，智能化开关技术发展迅速，其动力来自电力系统越来越高的可靠性要求 及越来越高的自动化程度的要求。现代配电和用电系统包括小区或智能人厦的 电气设备都要求在监测、控制及保护等方面能够完全实现智能化和自动化。 第1 章绪论 1 1 2 课题研究目的和意义 智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。智能型断路器的“大脑”，即 断路器内的智能控制器，采用微处理器为核心，具有显示、三段保护、试验、 负载监控、故障诊断等功能。智能型断路器不仅能够提供传统断路器的各种保 护和控制功能，还具有保护的多样性和可选择性：能够实时显示电路中的各种 参数( 电流、电压、功率、功率因数、触头磨损率、不平衡率等) ，也可以设定 和修改各种保护功能的动作参数。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非 易欠性存储器中以便查询。若干个智能断路器通过互动网络可组成智能配电系 统，实现遥测、遥信和遥调等功能。各种信息的共享包括控制信息( 如欠电压 脱扣器或分励脱扣器的动作控制) 和运行信息( 如工作状态使接通还是断开、 是否待命状态、以准备好否、报警、故障状态等；所在工作支路的电参数，如 电流、故障参数以及相关参数；控制网络工作参数) 通过网络远程管理。近年 来随着通信技术和网络技术在电气控制系统中的应用，以及工业控制网络化的 发展，对智能断路器信息管理提出了现场网络化的要求。凶此，一利，既能完成 传统断路器的各种保护和控制功能，又能解决其在- r , l k 控制电力网络中进行数 据的传输的新型断路控制器。町行性方案，已经成为各个研究领域所关注的热点 2 1r 3 1 r i o 低压断路器对故障出现时的判断与关断快速性要求极为苛刻。一般应用数 字电路的智能断路器的通用处理器是基于传统的冯诺依曼结构设计的，其取指 与存指的瓶颈，导致指令只能串行执行。而f p g a 不同之处在于逻辑可以并行 执行，因此可以同时处理不同任务，这就导致了f p g a 工作更有效率，能够满 足系统的快速响应。包括在采样周期的选择卜更加多样化；数据的算法处理方 面更佳快速；软件的硬件化；低功耗等，f p g a 有着其他微处理器不可比拟的优 势。这些特点，使得f p g a 智能低压断路器控制系统中有着广阔的发展前景与 应用。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 传统的断路器，其检测和保护功能是利用了某些物理效戍，通过机械系统 的动作来实现，多由电磁元件完成。因而其体积较大，动作时间长，保护精度 2 第1 章绪论 低，整定困难，效果也不够理想。随着社会的发展，技术的进步，人们对供电 系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供电系统自动 化的需要。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及在供电网络 出现异常时损坏用电设备，因此，在传统断路器的基础上就要求其自动化、智 能化、模块化，更可靠和具有更多保护功能。微型计算机技术的发展为断路器 的智能化提供了条件。 近年来不断推出的智能型断路器，性能更好，可实现配电自动化。它不仅 能够提供普通断路器的各种保护功能，还具有传统断路器无法比拟的特点控制 信号准确可靠、实时显示电路中的各种参数( 电流、电压、功率、功率因数等) 、 随时设定动作电流和动作时间、存储故障信息、预报警、联网通信等。由于以 上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛应用 。 美国早在2 0 世纪6 0 年代初就推出了半导体脱扣器，但其可靠性受到担心。 目前国外生产的断路器，除小容量的外，都装有智能型控制器( 也称脱扣器) 。 如法国m g 公司的m 系列断路器、a b b 公司的f 系列断路器、西门子公司的3 w e 系列断路器、德国a e g 公司的m e 系列断路器，以及美围g e 公司、日本三菱电机 的a e 系列断路器和寺崎电气公司的a l l 系列断路器等。 随着技术不断进步，发达国家产品也不断更新换代。8 0 年代末期，以法国 m g 公司为代表的国外低压电器生产商推出了不带电磁脱扣器的电子式过电流 脱扣器，采用了微机控制技术，摆脱了电磁脱扣器的束缚。加上其它一些辅助 功能，如电流表、电压表、故障报警、自诊断的应用。日本寺崎电机推出了x h 系列塑壳断路器采用了8 位微处理机，实现了多功能。9 0 年代初，美国通用电气 公司推出了带数字化固态脱扣器的p o w e rb r e a k e r 系列塑壳断路器a e g 公司开发 m e - 0 7 系列代替m e 系列；西门子推出3 w n 6 系列代替3 w e 系列，其经济技术指 标和保护特性均提高了一大步n ，。 表1 1 国外智能断路器的主要功能及技术指标 额定电流分断能力 国别厂家型号 功能 ( a )( k a ) 三段保护、接地、 区域选择性联锁、 法国 m g m 系列8 0 0 - 3 2 0 0 5 0 1 0 0 ( 4 0 0 v ) 测量、试验、自诊 断、能量监控 第1 章绪论 三段保护、接地、 德国两门子 3 、v n l6 3 0 4 0 0 06 5 1 0 0 ( 3 8 0 v ) 试验、娃示 三段保护、接地、 区域选择性联锁、 p o w c i 不平衡、久压、试 美国 g p8 0 0 4 0 0 06 5 1 0 0 ( 2 4 0 v ) b r e a k e r 验、人功率、测量、 数让、试验、通信 对话 三段保护、接地、 过载预警、逆功率 口本寺崎啜6 3 0 - 6 2 0 03 5 8 5( 2 4 0 v ) 脱扣、久压、试验、 测量、自诊断、显 不 有了来自外部的压力，就迫使我们的低压电器企业引进先进的生产资料， 形成先进的生产力。我国自六十年代起，生产了d w l o 系列万能式断路器。它的 优点是结构简单，使用方便，便于维修：缺点是短路分断能力低，保护性能差， 只有瞬时动作，难以满足现代低压电网的配电要求。在八f 年代，为了满足电 网选择性保护的需要，提高我国的断路器设计与制造水平，先后引进了一些国 外技术，丰富了我国断路器系列品种，提高了断路器制造行业的工艺水平。八 十年代我国开发成功d w l 5 系列万能式断路器，它不仅提高了短路分断能力 ( 5 0 - 8 0 k a ) ，还采用了半导体式过电流脱扣器，实现了过载长延时和短路短延 时，特大短路电流瞬时动作保护，至今应用非常广泛。在现代化电站和工矿企 业中，已广泛采用电子计算机监控系统，对与之配套的低压断路器提出了高性 能、智能化的要求，并要求产品具有保护、监测、试验、自诊断、显示等功能。 目前，低压断路器已发展为智能断路器，其功能除实现基本的三段保护功能外， 还能对主干线路的电压、电流、功率、功率因数、谐波等电量参数及环境温度 等进行实时显示、监测及报警，能通过现场总线进行远程监控等，并且满足配 电系统( 尤其对环网系统) 级间精确的选择性要求、且具有区域联锁、远方控 制、能量监视和记录、事故记忆、在线调试等功能，集保护、测量、监控于一 体吲。 当前，国外已经开发出了系列化智能断路器。这些智能化断路器的性能大 大优于传统的断路器产品。我国在这方面的产品开发还刚刚起步。从2 0 世纪9 0 年代初开始，我国研制、开发的新一代万能式断路器d w 4 5 系列智能型万能式 低压断路器，采用智能控制器( 国内行业称之为“智能控制器”，以示与原半导体 4 第1 章绪论 式脱扣器的区别) 作为核心保护部件，短路分断能力有了显著的提高，过载长 延时、短路短延时、短路瞬时、单相接地等均可由用户自行设定。我国现己涌 现出多种型号的智能型断路器，女i ：i m 系列、a h 系列、h a 系列、d w 4 8 等。9 0 年 代，又推出了新的i e c 标准：i e c 9 4 7 2 “低压开关设备和控制设备低压断路器”标 准，国标g b l 4 0 4 8 2 “低压开关设备和控制设备断路器”标准。本世纪初，国标 g b l 4 0 4 8 2 “低压开关设备和控制设备断路器”标准进一步完善。现在有的单位专 门开发生产智能型控制器，如江苏黄海电器控制设备厂生产的智能型控制器， 其特点是具有高短路分断能力和智能性保护性能，电流表、电压表功能、报警 功能、自诊断功能、试验功能、负载监控功能、m c r 脱扣和模拟脱扣功能一应 俱全。 微处理器引入到断路器，使中央计算机、前级和后级断路器之间进行双向 通信成为可能。九十年代，国外许多公司相继开发出智能断路器的集中控制和 检测系统，包括有多种平台和相应软件支持的巾央计算机控制系统、智能化断 路器的对话模块、低压配电装置的监控系统等。国内在微机保护和监控系统的 研制方面起步较晚，主要从引进技术和自行开发两个方面进行，产品的主要性 能跟国外相比还存在的差距。而且研究主要集中在变电站综合自动化系统，而 以断路器为控制对象的智能化产品则很少，直到1 9 9 6 年才有针对单个断路器的 测控单元出现，且其功能与国外相比基本上处于配制开发阶段。因此，开发高 性能的智能断路器是国内电器行业追切实现的课题，它在国内具有广阔的发展 前景和用户市场。 根据国内外各断路器及监控装置生产厂家的新产品和研究动态来看，低压 断路器监控单元具有以下发展趋势阳h 1 0 1 ： 1 产品化 将智能监控单元做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不限 于某种断路器，而且检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在 断路器整个设备装配完成后才能进行同，而智能监控单元产品化以后，其测试 可以独立于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也 大为减少。 2 智能化和可通信化 第l 章绪论 智能化就是采用j ，微处理器技术，从而具有应用软件，这样在硬件不变的 情况下具备较大的适用性和升级能力。可通信化是在产品中加入柑关的检测、 判断和通信等芯片或电路，使监控单元的各种状态和工作参数能较好地通过传 输媒质( 如现场总线、串口线等) 与线路上的其它电气设备交流，适应当前电 气设备智能化及网络化的趋势。 3 模块化和通用性 模块结构给产品设计、制造及市场适应能力带来了许多好处，诸如i i 年低产 品设计、制造帚i 新产品开发的复杂性，功能扩展与维护方便，产品的市场应变 能力强等。模块化设计及尺寸、零件等具有应当具有通性，这一点无论在生 产者的设计、制造和技术继承等方而，还是在片j 户使用、维修方而，其作用及 重要性当前都已为多数人所认识。另外，产品高可靠性、高稳定性、操作方便 与安全等方面也应当是不断追求的耳标。对我国的产品，在材料和加工工艺、 产品的外观和整体布局方面还有待进一步的提高。 以上的这些特点，一方面可以使一台断路器实现多种功能，使单一的动作 特性肓可能做到一种保护功能多种动作特性，另一方面可以使断路器实现与中 央控制计算机双向通讯，构成智能化的监控、保护、信息网络系统，使断路器 从基本保护功能发展到智能化、网络化的保护功能。 1 3 本文主要工作 目前，智能型断路器被广泛研究和应用在电力系统中，其关键核心为智能 控制器的研究与设计设计。本系统设计的目的在于设计出一种新型智能断路器 的控制系统，能够满足对电力系统进行控制、保打和监测的需要，实现其网络 化管理的要求，以及故障出现时，故障处断路器的报警，便于节省时白j ，排查 故障，尽快恢复电力系统的正常运行。 本课题将探讨在于工业控制网络领域的应用。其中主要涉及到： 1 基于f p g a 的软硬件系统设计。 2 信号的采样与数据处理。 3 故障的判别与保护的实现。 4 上位机通讯技术集成。 6 第2 章智能断路器基本原理 第2 章智能断路器基本原理 2 1 低压智能型断路器 2 1 1 低压断路器基本结构 断路器的结构比较复杂，一般由触头系统、灭弧装置、脱扣装置和操动机构 等四部分组成。智能断路器中的智能控制器，是断路器中技术含量最高的部分， 对断路器性能的影响也最大。 断路器的触头系统包括主触头和辅助触头。主触头接在主电路中，辅助触 头接在控制电路中。主触头中通过的电流很大，它应能通断负载电流和分断短 路电流。电路发生短路时，短路电流比额定电流大得多，此时断路器要能分断 电路，必须有很强的灭弧能力。触头断开时产生的电弧，受电弧电流产生的磁 场作用，被吸入灭弧罩中，分割成一段一段的短弧。由于短弧电压低、热量小， 所以能很快散热灭弧，切断电路。 断路器有一套较为复杂的自动脱扣装置和传动杠杆，所以能在发生短路等 故障时自动跳闸，切断电源，起到保护作用。脱扣装置有以下四种：过电流脱 扣器、热过载脱扣器、欠电压脱扣器和分励脱扣器，如图2 1 。另外，断路器必 须具有自由脱扣机构。它的作用是在上述任一种脱扣器动作到脱扣状态后，均 能使触头与操动机构失去联系，即使这时再推动操动机构，合闸力也不能传到 触头，使得断路器无法合闸。这就可以避免电路故障状态时合闸引起的危害1 。 7 第2 章智能断路器基本原卿 ， 1 t夕 店 扣一 壤 l 图2 1 断路器结构图 2 1 2 智能型控制器主要技术参数 1 主接点 2 动作拉钩 3 过电流脱扣器 4 分励脱扣器 5 热过载脱扣器 6 欠电压脱扣器 智能型控制器是断路器的核心部分，当前已成为断路器是否先进的主要标 志之一。目前国内外生产的断路器，除小容量的外，都装有智能型控制器( 也 称脱扣器) 。智能控制器的明确定义为：要求在极短的级差( 如o 2 s ) 内完成各 种外部电路故障的检测与判断，包括过载、短路、失压、欠压、接地等。动作 电流应数字记录，过载时应给出声光显示，当控制器内部出现故障，应使断路 器分断并显示报警n 2 1 。 1 分断能力 是指在规定条件下能够可靠接通和分断的短路电流值。对配电用选择型断 路器要求有尽量高的延时通断能力，最好是与瞬时极限通断能力相等。选择断 路器时必须考虑电路可能出现的最大短路电流，再根据断路器的技术数据进行 选用。 2 限流能力 限流式断路器( 分断时间短得足以使短路电流达到其预期峰值前分断的断 路器) 和快速断路器( 直流断路器) 要求有较高的限流能力，一般要求限流系 数( 极限接通和分断能力时限流系数为k = 妻簧釜要糍 0 6 ) 在 0 3 o 6 之间。为了达到较高的限流能力，要求限流电器的固有动作时间小于3 m s 。 第2 章智能断路器基小原卵 3 动作时间 从电路出现短路的瞬间至触头分离、电弧熄火、电路完全分断所需的全部 时间。限流式和快速断路器一般小2 0 m s 。 4 使用寿命 在正常负载条件下，断路器应能保证在操作规定的次数( 即使用寿命) 内 不需更换零部件。一般断路器的寿命根据容量不同在2 0 0 0 2 0 0 0 0 次之间。 5 保护特性 断路器的过电流保护特性，可用各种过电流情况与开关动作时间的关系曲 线来捕述。断路器的保护特性必须与被保护对象( 如电动机、电缆等) 的允许 发热特性相匹配。 2 1 3 智能断路器控制器功能特点 智能断路器的主要特点是在传统的断路器基础上充分应用了微电子技术、 计算机技术以及网络通讯等新技术作为其控制部分，因此具有较高的性能和可 靠性。现今，我国电力工业的发展和用电量的猛增，发电容量和用户的日益扩 大，低压电网对配电型断路器的要求也越米越高。不仅要求它具备很大的短路 电流分断能力，实现选择性保护和供电安全，同时对电业管理提出能在断路器 上显示对电流的监视、自行调节、测量、试验、自诊断甚至可通讯等智能化功 能，智能型断路器应运而生。 其主要功能特点表现如下： 1 保护功能多样化 传统断路器普遍采用双金属片热继电器作为过载保护，用电磁快速脱扣器 作为短路保护来构成长延时、瞬动两段保护，实现保护功能的一体化较难。智 能型断路器除了可同时具备长延时、短延时、瞬动的三段保护外，还具有断相、 不平衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能，而 且可做到一种保护功能多种保护。脱扣具有数字量脱扣和模拟量脱扣两种脱扣 方式，提高了系统的可靠性。 9 第2 章智能断路器基本原理 2 选择性强 智能型断路器由于采用微处理器，惯性小、速度快，其保护的选择性、灵 活性及重复误差都很好，加之它的各种保护功能和特性可以宽范围调节，因此 可任意选择动作特性和保护功能，实现级联保护协调，实施区域选择性联锁和 良好的级间协调配合。 3 人机界面和通讯功能 智能型断路器具有良好的人机界面，既能从操作者那里得到各种控制命令 和控制参数( 通过键盘、开关、按钮等实现) ，又能通过连续巡同检测对各种 保护特性、运行参数、故障信息等进行直观显示( 通过信号灯、数码管等实现) ， 还可与上位机联网实现双向通讯，实施遥测、遥信、遥控和遥调。人机对话功 能强，操作人员易于掌握，有利于避免误动作的发生。 4 显示和记忆功能 智能型断路器能显示三相电压、电流、功率因数、频率、有功功率、动作 时间、分断次数以及预示寿命等，能将故障信息储存，如故障类型，故障电流 值，动作时间，故障时间等，有助于工作人员做出正确的分析和判断，减少线 路维修时间。 5 故障自诊断、预警与试验功能 智能型断路器可对构成断路器的电子元器件的工作状态进行自诊断，如触 头磨损率、c t 断线等，当出现故障时可发出警报并使断路器分断。通过预警功 能，操作人员可以及时处理电网的异常情况。微处理器能进行“脱扣”与“非 脱扣”两种方式试验，利用模拟信号进行长延时、短延时、瞬动整定值的试验， 还可进行在线试验。智能型控制器还能够模拟热积累具有热记忆功能。 2 2 智能控制器参数计量原理 2 2 1 电压与电流的计量 电流与电压检测方法是程序设计的关键部分，以电流为例，对正弦电流采 l o 第2 章智能断路器基小原钾 样数据有如下几种可能选择的处理方法n 引： 1 最大值计算 通常认为配电系统是按照正弦电流电路工作的，由有效值和最大值之间的关 系式： ，：害k ( 2 1 ) 式中，为有效值，l 。为最大值。为了得到一个周期内采样数据的最大值( 可以 认为最大值为峰值) ，我们设计硬件电路来判断信号最大值的到达时刻，在该 时刻对信号采样。设计触发电路在信号从负到正变化时引发单片机中断，相移 电路使信号产生9 0 度的相移，中断时单片机读取a d 转换器的转换值即为正弦 信号的最大值。 这种方法求取有效值在信号不出现畸变时可行，而且软件设计简单方便、 计算量小，当然需要硬件电路的支持，并且对硬件电路参数稳定性要求高。但 这样只适用于正弦波无畸变的情况，在智能控制器系统中，当电网出现谐波干 扰时，该方法将出现相当的偏差，特别是在出现短路电流时，偏差更大。 2 有效值计算 根据热量相等原则，均方根值( 即真有效值) 适用于任何周期交变电路的 定义为： i = 再 ( 2 2 ) 离散化后，以一个周期内有限个采样数字量来代替一个周期内的连续变化 的电流函数值，则有： 斤1 f 一 ，= 砉毒 ( 2 3 ) y1n m 式中f 。为第刀一1 个时问间隔的电流采样瞬时值，为一个周期内的采样点数。 交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线，其原理性误差主要 有两项：一项是用时间上的离散数据近似代替时间上的连续数据所产生的误差， 这主要取决于a d 的转换速度和c p u 的处理速度；另一项是将连续的电流进行 第2 章智能断路器基小原理 量化而产生的量化误差，这主要取决于a d 转换器的位数。采用这种方法求取 有效值，硬件电路简单，但是软件计算量大。为了减小有效值的误差，应适当 增加一个周期内的采样点数，点数增加，计算量增大，但是采用这种方法求 取有效值对信号波形的依赖性很小。 3 傅里叶变换 由傅立叶变换求取有效值的原理是，a i d 以一定的采样频率进行模数转换， 获得信号离散的采样数据，经过离散傅立叶变换( d f t ) ，计算出基波有效值， 其计算公式如下： i = , i ：+ p ( 2 4 ) 和擎n - i c o s ( 2 万号) ( 2 5 ) 厶= 矗c o s ( 2 万昙) ( 2 5 ) 月卸 j 善n - 1 2 7 r x , , s i n ( 2 昙) ( 2 6 ) ，= 导) ( 2 6 ) ”1 0 其中为每周波的采样点数，为第，7 个采样数值，厶为基波电流的实部， j ，为基波电流的虚部。应用该方法计算有效值的条件和按有效值公式计算的条 件差不多，但是该方法计算中大量引用了正弦、余弦函数。根据综合考虑，本 设计控制器采用本方式。由于工业电网中，基波信号占到总信号的9 5 以上， 而且不包含各种谐波分量，因此常常用作各种保护算法的依据，其余谐波分量 可以通过通信接口提供给上位机作为故障分析等的参考。 2 2 2 功率与功率因数的计量 根据式2 5 、2 6 ，同理对电压进行采样求得其基波电压幅值实部与基波 电压幅值虚部u i ，则可由下式得电网电流与电压信号的相位差缈： 伊一砌瓷一a r c t a ni l r ( 2 7 ) 将式2 4 中、l 分别替换为、u ，z 。，i j 电压u ，并代入式2 8 得到电 网功率： p = u 拿，木g o s 伊 ( 2 8 ) 第2 章智能断路器基小坂理 根据傅立叶分析的基本理论，任何一周期信号都可以分解为其直流分量，基 波分量和个次谐波分量的加权。所谓谐波，就是频率为基波整数倍的余弦信号。 若为基波的倍，即称为次谐波。总谐波失真( t h d ) 是指用信号源输入时， 输出信号比输入信弓多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性 造成的，它通常用百分数来表示。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真n 钉n 5 i 。 n 鬈 f t h d = 旦三l x l 0 0 ( 2 9 ) l 其中，。为基波电流信号，。为各次谐波，可由后续介绍的快速傅里叶变换 求得。则功率因数可由下式求得 2 3 保护原理与数学建模 2 3 1 保护的算法与分析 p f 2 丽c o s q ( 2 1 0 ) 在电力系统中，存在发生各种故障的可能，虽然危害最大的是发生系统的 短路，但是从发生的几率来看，出现最多的故障则是过电流线路中的电流长期 高于额定电流的一种非正常工作状态。因为发生过电流故障时系统电流比额定 电流略高，所以其程度不会立即对线路或电力系统中的负载设备造成损害，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。 随着用电保护技术的不断完善，各种保护装置的功能和技术要求也不断地 提高。新型的低压断路器既要具有传统功能，又要满足配电系统( 尤其对环网 系统) 级间精确的选择性要求，且具有区域联锁、远程控制、能量监视和记录、 事故记忆、在线调试等功能，集保护、测量、监控于一体。 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 第2 章智能断路器基本原理 的评价也取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若t 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c p u 的运算速度、存储器的容量等) 的不同，采用不同的算法。本智能控制器的保 护算法采用傅氏算法，以电流为例，分解出刀倍频率的电流的实部、虚部分别如 下所示： k = 艺锄c o s ( 2 万等) ( 2 1 1 ) l n 脚- i = zi t ) s i n ( 2 z r - - 等：- ) ii kn ”= o 1 其中n 为采样点个数，k 为谐波次数，。) 为各点采样值。当| i 为l 时，即 为基波。当带入采样点个数时，即可得到基波实部厶。、虚部l 。，带入式2 4 得到基波电流幅值。则可与电流整定值进行比较，根据保护算法进行保护动 作。 2 3 2 三段电流保护 三段电流保护是指智能断路器具有过载长延时，短路短延时和短路瞬动三 段电流保护特性。智能型断路器的过电流保护特性由时间电流曲线表示，曲线 位于直角坐标系中。纵坐标为动作时间，横坐标为电流倍数。信号检测部分采 用罗可夫斯基线圈，不仅具有良好的线性度和不饱和性，并且能真实地反映回 路中故障电流的变化和大小。智能型断路器已广泛应用到多种领域，有配电、 有发电、有电动机保护、有普通上下级配合、有与高压侧熔丝配合等，因此采 用了五种特性曲线，该五条特性曲线有5 1 6 ，共8 0 级特性，完全包容了 g b l 4 0 4 8 2 的要求，且针对性更强，选用更方便n 劬。 典型的智能型断路器过电流保护特性曲线如图2 1 所示，图中包含了过载长 延时、短路短延时和短路瞬动三段电流保护特性。 1 4 第2 章智能断路器基本原理 f 藏 笈 肇 瘙 图2 1 断路器保护特性曲线 根据电流保护整定值的不同，断路器可以| 一时或分别具有三段保护特性， 见表2 1 。 表2 1 电流整定与保护特性关系 序号电流整定电流保护助能备注 l i n ir 2 i r 2 短延时、瞬动 3 ir l ir 2 ，i r 3 s i r 2 长延时、瞬动 4 i ，l = i ，2 = i ，3 瞬动 5 i r l ，2 ，i ，3 = 饼矿 长延时、短延时 i ，3 = o f f 瞬动功 6 i ，l i t 2i ，3 = o f f 短延时 能被锁定 注：，。长延时电流整定值；：短延时电流整定值：，瞬动电流整定值。 下面根据特性曲线图依次分析智能断路器三段保护特性n 铂n 引n 引。 1 过载长延时特性 w艟强-_-m。，帕蕾。，口晡_嘣 tl求+，l簿上 第2 章智能断路器基本原理 过载长延时特性的数学表达式为 ，：瓦= ( 1 5 i ，i ) 2 t( 2 1 3 ) 其中，l 为过电流值，瓦为长延时动作延时值， i r l 长延时电流整定值，t l 为长 延时动作时间系数整定值，为特快反时限特性( 动作时间与故障电流成反比) 。 长延时动作时间系数整定值缩皂定过载长延时保护的选择范围。 2 短延时特性 系统中导线间或相对地发生金属性的连接或经较小阻抗的连接，就发生了 短路，其直接后果就是电力系统中各工作点的电压降低，电流增大，而由大电 流作用产生的热和力的作用又会造成绝缘破坏、设备变形等后果。 由于短路电流很大，会在出现故障的瞬间释放巨大的能量，所以后果是非 常严重的，但只要正确的选择保护装置、合理整定保护动作值，就可消除或减 轻短路的影响。为此有必要对短路电流进行分析和汁算，再确定合理的保护措 施。 短延时保护有两种方式，一种为反时限保护，当故障电流超过反时限电流 设定值时，控制器按与过载一样的曲线进行保护，仅是保护的速度要快1 0 倍( 即 按过载曲线函数计算出的故障延时时间的十分之一) ；另一种为定时限保护， 当故障电流超过定时限电流设定值时，控制器按定时限延时保护。每个保护可 根据 需要关闭相应的功能。 当短延时动作电流在( 1 - - 8 ) l ：之间时，特性呈反时限并满足式 五= ( 8 l ：) 2 珞 ( 2 1 4 ) 其中0 ：短路电流整定值，i s 为过电流值，瓦为动作时间，为短延时动作时间 整定值。当短延时动作电流大于8 ，。时，保护特性自动转换为定时限，动作时 间与其电流的整定值无关。定时限动作的时间一般有0 1 s 、0 2 s 、o 3 s 、0 4 s 可 供选择。 3 短路瞬动特性 瞬动保护时采取即采即比的方案，即将每次的采样值与整定值比较，若大 于整定值，则再采样一次，如果仍然大于整定值，说明是故障出现，否则属于 尖峰干扰。当检测到电流超过短路瞬动保护的设置值时，理论上断路器应该马 1 6 第2 章智能断路器基本原理 上动作，考虑到断路器固有分断时间，短路瞬动保护的动作时间( 含断路器固 有分断时间) 应小于l o o m s 。智能断路器一般设有o f f 锁定功能，在不需要的 相应的保护中可关闭相应的保护功能。 2 3 3 三段电流保护的实现原理 定时限保护的实现原理比较简单。 启动定时器，定时时间到，保护动作。 定值，则保护退出。 当故障电流值大于相应的整定电流值时， 在定时时间内，如果故障电流值小于整 反时限保护实质为热保护，动作时间与电流平方成反比。在定时时问内， 如果故障电流值小于整定值，则保护退出。其具体整定值可通过计算，也可以 通过上位机给定传输得到。 反复的过负荷可能引起导体发热，控制器因过载、短延时等故障延时动作 后，具有热效应( 模拟双金属片特性) ，过载热效应能量在故障撤除后3 0 分钟 释放结束，短延时热效应能量在故障撤除后1 5 分钟释放结束，在此期间如再次 闭合断路器发生过载、短延时等故障，则延时动作时间变短，可使线路或设备 得到较合适的保护。 2 3 本章小结 本章只要介绍了智能型低压断路器的基本结构、原理、技术参数、以及其 功能特点。本文针对比较传统电量计量方法在硬件处理速度与算法精确度上的 缺陷，提出采用快速傅里叶变换( f f t ) 算法的优势与f p g a 硬件系统的强大资 源和运算速度，提取基波与各次谐波。保护功能是测控单元最重要的功能之一， 保护功能的设计在整个测控单元的设计中占有极其重要的地位。电力系统发生 故障时，往往是在基波的基础上叠加有衰减的非周期分量和各种高频分量，因 此要求测控单元对输入的电流、电压信号进行预处理，尽可能的滤除非周期分 量和高频分量。对于断路器保护算法，本章分析了断路器过流的各个特点：包 含过载长延时、短路短延时和短路瞬动，并采用三段电流保护算法实现保护功 能。 第3 章智能控制器信号检测理论与算法 第3 章