（电力系统及其自动化专业论文）低压断路器智能控制器的研制.pdf

浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t 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 ec i r c u i tb r e a k e r s w h i c ha r e a p p l i e d t od i s t r i b u t i o ni sr e c o m m e n d e di nt h i sp a p e r t h ei m p o r t a n tp u r p o s e o ft h er e s e a r c hi st oa c h i e v et h ei 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 dc e n t r a l i z e m a n a g eo ft h el o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r s t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r eo ft 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 ho ft h er e m o t es y s t e mi st h e p r i m a r y c o n t e n t f i r s t l yt h ef r a m eo f t h ee q m p m e n td i s c u s s e di si nt h ep a p e r t h r o u g ht h ed e s i g n o ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo fs i n g l e - c h i p c o m p u t e rs y s t e m ，t h ei n t e l l i g e n t c o n t r o lo ft h ec i r c u i tb r e a k e r , t h ei n t e l l i g e n t p r o t e c t i o n o ft h es h o r tc i r c u i t ，t h e o v e r l o a da n dt h ec o n t a c tt oe a r t ha r er e a l i z e d t h er e a l t i m ec u r r e n ta n di n f o r m a t i o n o ff a u l t sc a nb es h o w n w ei n t r o d u c et h et h e o r ya n dt h ed e s i g no ft h em o d u l e c o n c r e t e l y t h ea r i t h m e t i co f t h em e a s u r ea n dt h ep r o t e c t i o ni sr e p r e s e n t e di nd e t a i li n t h i sp a p e r t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sb a s e do nt h ec 8 0 5 1 p r o c e s s o rt os a m p l ea n d p r o c e s st h es i g n a l ，a n dt h e nt oh a n d l et h ef a u l t s o ft h ec i r c u i ti ft h e r ea r ea n yt o a c h i e v et h ec i r c u i tb r e a k e r ss e l f - c o n t r 0 1 t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e a l lm o d u l a r i z e da n d o p e n e d ，t h e i c ss e l e c t e dt h es t a n d a r da n dm o d u l a r i z e d c o m p o n e n tw h i c hi s s e r i a l i t st h eb e s ti fi tc a nb ee x p e n d e d t h ed e s i g no ft h e s o f t w a r ea d o p t e dt h ew a yo f s e q u e n t i a la n d m u l t i - t a s kt oi m p r o v et h ef l e x i b i l i t ya n d t r a n s p l a n t o f t h e s y s t e m s e c o n d l yw ei m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n tb e t w e e nt h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l e ra n dt h ep c t h er e m o t es y s t e mw h i c hi sf r i e n d l yt ou s e r sa n de a s yt o s u p e r v i s ea n dm a n a g ei sd e s i g n e dw i t ht h es o f t w a r eo f l a b v i e w t h ei n t e r f a c eo f t h e c o m m u n i c a t i o ni sr s 4 8 5s t a n d a r dw h i c hh a sh i g hl i a b i l i t y t o i m p l e m e n t t h e c o m m u n i c a t i o n i ti sp a r t i c u l a r l yp r e s e n t e da b o u tt h ea n t i - j a r m u i n go nt h es o f t w a r e a n dt h eh a r d w a r e 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 r e x p e c t a t i o n i t i sar e f e r e n c ef o rf n r t h e rd e s i g no ft h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r k e y w o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r ；p r o t e c t i o nf o r o v e r f l o w 1 1 浙江大学硕士论文 第一节课题背景 第一章绪论 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，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。由于单片微机在保护器设计上的应用，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。 低压断路器在配电和保护线路中起着日益重要的作用，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，同时具有一定的智能化功能。它 不仅能在正常工作情况下接通或断开负载电流，而且允许在不正常情况下( 过电 流、短路、欠电压等) 自动切断电路，从而保护用电设备和电缆等；故障排除后， 还可迅速恢复供电。断路器可以就地操作，还可以远距离操作，且安全、方便。 近年来推出的智能型断路器，具有智能化保护功能，选择性保护精确，能提高供 电可靠性，避免不必要的停电，可实现配电自动化。智能控制器作为智能型断路 器的中枢部件，它承担断路器的各种保护、报警、显示、试验与故障诊断功能， 当前己成为断路器是否先进的主要标志之一。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。断路器和各种 控制电器配合对电力系统进行控制、保护和监测。当系统中出现故障时，控制电 器控制断路器动作，快速切除系统中的故障部分，防止故障扩大，保证设备与人 身的安全，使系统正常运行。 随着电力系统和配电自动化的不断发展，电力系统保护装置经历了电磁式保 护、晶体管保护和微机保护。电磁式保护装置是基于电磁和电磁感应原理的有接 点继电器组成，具有原理简单、价格便宜等优点，但能耗高、动作速度陧、抗震 性差，可靠性和灵敏度难以得到保障。而晶体管保护装置虽然具有体积小、重量 轻、消耗功率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是 浙江大学硕士论文 晶体管保护装置也有抗干扰能力差、装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点。 随着用电系统的规模和等级不断扩大，系统的网络结构和运行方式日趋复杂，传 统的控制器已越来越难满足系统的可靠性、准确性和实时陛的要求。随着微电子 技术的发展，出现了以专用集成电路为基础的电子式控制电器。这种控制电器较 电磁式控制电器具有功耗低、重量轻、体积小等优点，易于构成较复杂的保护装 罱，但抗干扰能力差，电子元件的质量，焊接的效果将直接影响到装置的动作特 性和可靠性。这两种控制电器，如元件发生损坏，则无法进行自诊断，可能引起 误动作，造成故障扩大和升级，致使供电中断和设备损坏，给系统和用户造成极 大的危害。 当前，智能化已是低压断路器的一个熏要发展方向。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。为了满足市场需求及提高产品竞争力，要求我们设 计出性能优良、价格合理、保护功能完善的智能化控制器。为了提高断路器工作 的可靠性，完善保护功能，降低功耗，节约能源，断路器的保护由电子式向数字 智能化的方向发展。随着计算机、微处理器、光纤传导技术、传感器技术和数字 处理技术的迅速发展和应用，出现了带微处理器的智能控制电器，使得断路器的 智能化得以实现。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，可以存储在非易失性存储器中 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。 第二节智能控制器简介 传统的断路器，其检测和保护功能是利用了某些物理效应，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，保护精度低， 整定困难，效果也不够理想。传统的电磁式控制、保护技术，由于特性不一致体 积大及成本高，已经无法适应现代配电自动化发展需要，必须将计算机技术引入， 监测、保护功能一体化：将计量、保护、控制、通讯、故障记忆等功能集成一 体，比以往机电式和模拟集成电路式二次电路所具备的功能更全：控制、保护智 能化：可以根据电网和被控对象的运行状态进行智能控制、网络化。比如将每一 智能控制器单元通讯接口与上位机相连，就可构成综合自动化系统。采用新的工 作原理及具有良好特性的新型电流和电压互感器，对保护、控制单元来讲，电流 互感器、电压互感器是提供电流与电压信息的，传统的电磁式电流、电压互感器 浙江大学硕士论文 由于体积大及铁芯的饱和特性已经不能满足智能化高压电器要求，因此使用罗柯 夫斯基( r o g o w s l 【i ) 线圈测量电流，电阻电压分压器测量电压。 智能控制器具有两个显著的特点：是可靠性高。控制器在正常运行时， 不断进行自检，一旦保护装置本身出现故障，可以立即检出。而一般传统继电保 护是没有这种功能的。二是灵活及性能优良。微机保护技术的原理是测量、计算 和逻辑判断，即将检测出的电气量与动作量整定值比较，超过整定值发出动作信 号。所以只要研究出适当的算法，c p u 就能迅速计算出相应的电气量，完成功 能不同的保护，如馈线保护、变压器保护或电容器保护。 1 2 1 基本结构及保护功能 断路器的结构比较复杂，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。断路器的结构原理如图1 1 所示。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、分励脱扣器。另外，断路器必须具有自由脱扣机构。 它的作用是在上述任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。 图1 1 断路器的基本结构 1 一主接点；2 一弹簧： 3 一接点拉钩；4 一动作拉钩； 5 一电磁脱扣器；6 一失压脱扣器； 7 一双金属片；8 一热元件； 9 一杠杆；1 0 一衔铁； 1 1 一弹簧 浙江大学硕士论文 1 2 2 断路器的主要技术参数 1 分断能力 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，含义同限流式) 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 = 纛霸釜器鼍； ；訾拳c 。 6 ，在0 3 0 6 2 _ 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 。 3 动作时间 从电路出现短路的瞬间至触头分离、电弧熄灭、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于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 来描述。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。 第三节智能断路器的功能特点及发展现状 1 3 1 智能断路器的功能特点 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，具有较高的性能和可靠性。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 浙江大学硕士论文 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。 ( 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) ，又能通过连续巡回检测对各种保护 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。 1 3 2 国内外的现状及发展趋势 ( 1 ) 国内外的发展现状 早期的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现 的，因而体积较大，效果也不理想。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，在传统断路器的基础上逐步开 发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器。例如，具有短路保护、热保护、漏 电保护、缺相保护等功能的断路器。早期的脱扣器是电磁式过电流脱扣器，该脱 扣器功能简单，只能完成瞬时保护，在此基础上又逐步出现了带有过载延时、短 浙江大学硕士论文 路延时功能的脱扣器。7 0 年代开始出现了电子式脱扣器，随着微型计算机技术的 发展，电气开关的智能化成为了可能。智能化装置应包括信号检测的随机性、灵 敏性和精确性：信号的处理、逻辑思维及正确的判断性：有效、灵敏的执行功能 及信息的可通讯性。对于智能化的电气开关，不仅能够提供普通断路器的各种保 护功能，还能实时显示电路中各种参数，各种保护功能的动作参数也可以监视、 设定和修改，保护电路动作时的故障值也可以存储在非易失存储器中以便查询。 具有了这些优点，智能脱扣器的功能日益强大，现在己在低压配电系统中得到广 泛的应用。 目前具有代表性的国外产品有梅兰日兰的m 系列，a b b 的f 2 系列，三菱的a e 系列，西门子的3 w n 系列，该系列产品的脱扣器中还有一种可选功能，就是脱扣 前导信号，当3 w n 断路器过载时，过载脱扣前2 0 0 m s 时它会给出报警信号，在某些 场合如晶闸管变流系统中这个功能是很有用的。 我国的低压断路器可分为三代。第一代以d w i o 、d z l 0 等系列产品为代表，其 性能水平相当于国外5 0 年代水平，市场占有率为2 0 一3 0 。第二代产品包括自 行开发产品和技术引进产品，自行开发产品以d w l 5 、d z 2 0 为代表，共5 6 个系列， 技术引进产品则以m e 、t o 、t g 、3 t b 、b 系列为代表，共3 4 个系列，性能水平 相当于国外7 0 年代末至8 0 年代初水平，市场占有率为5 0 - - 6 0 。第三代产品以 最近开发的d w 4 5 、s 等系列产品为主，其性能水平相当于国外9 0 年代初水平， 市场占有率为5 一1 0 。目前国内低压断路器的额定工作电压为交流3 8 0 v ，交 流额定电流为6 3 0 a - - 5 0 0 0 a ，极限分断能力为5 0 k a 一1 2 0 k a ，一般都具有3 极( 可 分断a 、b 、c 相) 和4 极( 可分断a 、b 、c 、n 相) 两种类型。 因为智能型断路器具有许多传统断路器所无法比拟的优点，所以其研制受 到国内外的普遍重视。自1 9 8 5 年出现第一台以微处理器为基础的智能型断路器 以来，法国梅兰日兰( m g ) 公司、日本寺崎公司和美国西屋公司等相继开发了 带微处理器的智能断路器。 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j 司进行双向 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中央计算机控制系统、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迫切实现的课题，它在国内具有广阔的发展前景和用户市 场。 6 浙江大学硕士论文 工业的发展对配电系统的要求越来越高。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。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来越高。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。 ( 2 )智能控制器的发展趋势 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： 夺产品化 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。 夺智能化和可通信化 智能化就是采用了微处理器技术，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相关的检测、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。 就我国的实际情况而言，可通信化的具体要求可体现为“四遥”遥测、遥 信、遥控和遥调，这距离网络化能力还有很大的差距，但比较符合我国科研水平 和经济水平。 夺模块化和通用性 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，诸如降低产 品设计、制造和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用性，这一点无论在生产者 的设计、制造和技术继承等方面，还是在用户使用、维修方面，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 求的目标。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 特性有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 浙江大学硕士论文 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。 第三节本文的主要工作 本文研究工作的主要目的是通过研制低压断路器的智能控制器单元，为断路 器的智能化的实现提供条件，研究的重点是智能控制器单元的硬件和软件设计。 智能型断路器的中枢部件是基于微处理器实现的智能控制器，该控制器的设 计首先要满足较高的可靠性、实时性、电磁兼容性要求，同时也要从产品角度考 虑其体积及成本。 智能控制器其功能是根据输入电流大小，判断过流保护装置是否按长延时 部件过电流控制器去执行长延时、短延时、瞬时中的一种特性动作，并输出信号 给执行机构动作。它作为断路器的核心保护部件，有较高的短路分断能力，过载 长延时、短路短延时、短路瞬时、单相接地等参数均可由用户自行设定。 本论文的主要任务是在分析传统断路器的特点和不足的基础上，研制低压 断路器的智能控制单元及其上位机管理系统。智能控制器单元要求具有实时检 测、实时显示、故障值存储、故障报警、参数整定、试验脱扣以及与上位机通信 的功能。上位机管理系统要求具有良好的用户界面，实现整定值与故障的存储、 查询、修改等功能。 智能控制器整个系统采用上位机和下位机的主从式工作方式。下位机即智能 控制器是整个系统的基础，实现对低压断路器的测量和保护。上位机即p c 通过 串行通信接口与控制器进行数据交换，实现对多个控制器的集中控制、调度和管 理。整个系统的设计任务包括控制器的设计、通信接口和协议的设计、上位机管 理系统的设计。设计所主要实现的功能如下： 实现线路电流检测； 实现断路器的三段电流保护特性和各种反时限保护特性等； 通过硬件实时监控( 包括主电流监控、接地监控、负载监控等) ，并经过 软件数据处理后送显示模块； 可以方便地设定断路器的整定值； 线路故障参数的记录； 具备智能控制器本身的自诊断功能； 设置了通讯接口，实现了通讯。 浙江大学硕士论文 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、短路等故障的保护。 智能脱扣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c p u ，在c p u 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 e e p r d m 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c p u 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数据，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。 智能控制器单元是断路器的中枢部件，它承担着断路器的各种测量、保护、 报带、显示与控制功能。早期的控制单元以过电流保护和脱扣功能为主，通过逐 步改进和发展，现在其功能远不止此。除了过电流保护功能外，还具有报警、接 地保护、温度保护、电流显示、电压显示、故障记录以及与计算机通信等功能。 本章从计量、保护等方面讨论断路器智能控制单元的设计原理与其实现方法。 第一节电量参数的计量原理 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恢复原信号，但由于受c p u 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其主要成 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r c 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。本智 能控制器每周期采样3 2 个点，采样频率为1 6 0 0 h z ，为信号基波频率( 5 0 h z ) 的 3 2 倍，可实现非失真采样。 9 浙江大学硕士论文 2 1 1 电压、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，对正弦电流采样 数据有如下几种可能选择的处理方法： ( 1 )由最大值计算 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 斤 ，= 半。 式中i 为有效值，i m a x 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 ) 按有效值计算 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： ，= j 专f f 2 出 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： r ? i 一 ，2 j 7 1 鲈, v , 2 式中：i n 为第n 一1 个时间间隔的电流采样瞬时值，n 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n ，点数增加，计算量增大，但是采用这种方法求取有效值对信 1 0 浙江大学硕士论文 号波形的依赖性很小。 ( 3 ) 由傅立叶变换得 由傅立叶变换求取有效值的原理是，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，计 算公式如下： r ： i = i ；七i ； 厶= 专篓 啦石寺 i ，2 万1 刍n - ! 矗s i n ( 2 z r 专) 其中n 为每周波的采样点数，为第1 1 个采样数值，。为电流的实部，为电流 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，本控制器采用本方式。 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，常常用作各种保护 算法的依据，其余谐波分量可以作为故障分析等的参考。 2 1 2 电网频率、功率因数及功率的计量 ( 1 )电网频率和功率因数的计量 利用l m 3 9 3 芯片将正弦交流电压信号和正弦交流电流信号转换为方波信 号，产生单片机的两个外部中断信号，同时启动内部定时器进行定时，两个中断 信号0 ( i n t o ) 之间的定时即为电网的周期，通过相应的运算即可得到频率。中 断0 ( i n t 0 ) 和中断1 ( i n t l ) 之间的计时即为电压与电流之间的时间差，通过 相应的运算即可得到功率因数。 ( 2 )功率的计量 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线电流的乘积 在时间段内的积分；三表法即三相对应相电压与相电流的乘积在时间内的积分。 由于低压供电系统中绝大多数为三相四线制，所以智能控制器采用三表法测量功 率。 p = ( u a i a + u e l + u c 七) x c o s o 浙江人学硕士论文 第二节保护的原理及实现方法 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。 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，因此在其他条件相同的情况下，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。在满足精度 的条件下，在算法中经常采用缩短数据窗、简化算法以减小计算工作量，或采用 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，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“2 r = 常数”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2 ，= p ，保护功能是智能控制器最重要的 i = l 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，重点介绍过载延时、短路短延时和短路 瞬动三段电流保护的实现原理。 2 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衰减的非周期分量和各种高 频分量，因此要求控制器对输入的电流、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。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、虚部分别如下所示： 浙江人学硕士论文 实部： 虚部： k = 万2 酗n 咖争 = 斋瓢q 砌等 将n = 3 2 ，n = 1 代入，得基波的实部丘。、虚部，则电流基波幅值为： i t = 0 i k + 味 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 矸( 如定值) 2 时，认为故障发生。 2 2 2 三段电流保护的实现原理 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。 过电流保护是智能型断路器最重要的保护功能。智能断路器具有过载长延 时，短路知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 由时间一电流曲线表示，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。 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、短路短延时和知路瞬动三段电流保护特性。三个电流保护段的电流整定值 覆盖范围可以用数轴表示，见图2 2 。 浙江大学颂+ 论文 q j ，3lm 图2 1 断路器保护特性曲线 、霄 图2 2 整定值覆盖范围 图中短延时电流覆盖范围分别与长延时电流和瞬时电流覆盖范围相重叠。根 据电流保护整定值的不同，断路器可以同时或分别具有三段保护特性，见表2 1 表2 i 电流整定与保护特性关系 序号电流整定电流保护功能备注 l三段保护 i r l ir 2 1w 2 长延时、瞬动 3 i ，r 2 ，l 3 l 2 4瞬动 i r 。= ：= ，3 5长延时、短延时 n = o f f , 瞬动功i ，l t ：。输出的触点可用于报 警，亦可用于控制分断两路负荷，保证主系统供电。方式二一般用于控制支路负 荷，当运行电流超过l 整定值1 2 倍后，延时发出触点分断支路负荷，若分断后 运行电流恢复正常，当电流值低于l ，整定值，且持续6 0 s 后，控制器再发出一个 信号触点，可接通已分断的负荷，恢复系统供电。 2 3 3 电流不平衡保护特性 电流不平衡的保护可以对断相和三相的电流不平衡进行保护。其计算公式为 j = 量乏盖，l 。为三相电流的平均值。其延时为定时限，延时时间为乃，当乃为 o f f 时表示只报警不跳闸。 2 3 4m c r 接通分断及超限跳闸功能 这两种方式均为瞬时动作，动作值与断路器的运行分断和极限分断能力相 关，故障电流信号直接通过硬件比较电路发出动作指令，接通分断是指在开关闭 合前电网己处于故障状态，在合闸瞬间产生大于m c r 设定值的电流，控制器以 瞬时方式使断路器分断。此功能只在合闸瞬间( 1 0 0 m s 内) 起作用。 越限跳闸是指断路器在正常运行时，当短路电流超过一定值后( 一般为断 路器的极限电流) ，控制器以瞬时指令使断路器分断，此功能不受瞬时设定值的 影响。这两个单元分别是上电前的短路判断单元和上电后的特大短路判断单元。 此种功能由用户通过开关确定是否需要。 塑望查主塑主丝塞 第三章智能控制器的硬件系统设计 硬件电路是智能控制器工作的基础，其设计的好坏，将直接影响到智能控制 器单元功能的实现。除了工作性能以外，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。 硬件电路的设计要求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， 而且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。 第一节硬件设计准则 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典型电路，各模块间的联系力求松散，以便于硬件发生故障 时的检修。 ( 3 )防干扰设计：智能控制器单元工作现场环境比较恶劣，在硬件设计时必 须具体分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增强 自身工作的稳定性。 浙江大学硕士论文 第二节智能控制器的硬件电路设计 智能控制器单元具有测量、控制、保护、显示、通讯等功能，其硬件设计围 绕功能进行。整个智能控制器单元根据所完成的功能分为以下几个主要功能模 块：c p u 系统、数据采集模块、开关量的输入输出回路、用户界面模块、串行 通信接口电路、时钟电路、监控电路等。其中c p u 系统为整个控制器单元的核 心，是断路器实现数字智能化的标志。 智能控制器单元的硬件总体结构框图如图3 1 所示。下面依次讨论各硬件模 块的工作原理及硬件电路的实现。 传 感 器 速 饱 和 互 感 器 图3 1 控制器结构框图 处理器主要是对信号进行实时采集处理，完成计量、各种保护和辅助功能， 并且通过通信接口与上位机进行通信。其中，对数据要进行有效值的处理，还要 进行复杂函数的即时运算，使保护器真正达到所需的保护( 反时限、定时限)