（电机与电器专业论文）基于arm系统的智能脱扣器研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 r c s e a r c ho n i n t e l l i g e n tr e l e 躐b a s e do n 舢ms y s t e m a b s t r a c t l o wv o l t a g ec i r c 诚b a k c ri sak 砌o fc o m r o l 孤dp r 0 铡o n 印弘玳m 塔i nt l l ei o w v o l t a g en 咖。咄砌c hc 锄b c 瑕c d t oc l o 辩觚d d r 叩o u t m i a lc u 鹏m ，o v 盯l o a d c u 玳n t 越 w e l l 勰s h o nc i r c i l i tc i 哪m t t h er e l e a w h i c hi st h ec e n t r a lp a r to fl o wv o l t a g ec i r c l l i t b r e a l 【盯p 幽咖sa l lk i n d so fp t c c t i a l l dc o n t r o lf h n c t i o 璐a n dt h ci i l t e l l i g e n c eo f 托l e a s e 咖g a l l ya d v a n c et l l e 即g 陀s so fc 疵nb f e a k e r w i mt h ed e v e l o p m e mo fs e n s o r t 。蜘l o g y ，c o m p i l t 既t e c h n o l o g y ， n i i c m - c l c c m m i c s t e c l l r l o l o g y ，p o w 凹 e l e c 廿i ) n i c s t c l 凼n o l o g ya i l d 玳怕，o 】出c 0 姗嘶c a 廿o nt 。c h n o l o g y ，t l l er ；c l e a e v o l v e s 丘d mt h e m l a lt y p e ， e l e c 仃o m a g 芦e t i ct y p e c l e c t r o l l i c st y p et on e t w o r kt y p ei n ：t c l l i g e n tr e l e a b a s e do n n 五c r o 舶n 时o l l c r ht h i sp a p i n t e l l i g e mr e l e a f o rl o wv o l 协g ec 沁疵b 础妇ri s d e s i 印e d ，w i l i c hi s b a s e do nt l l ea r mc o r em i c m 伽啪1 1 t h c i b e d d e dr c a lt i i n e 舢1 1 t i 协s ko p e r a t i n gs y s t c m 肛c o sa n dn 圮c a nf i e l db 啦c o i n l n 岫i c a t i 1 kr e l e a d e s i 朗e dc a r r i e so i l tt l 艟f 1 1 n 甜o o fo v e d o a dc u n _ e mp r o t e c d o n s l l o nc i r c u i tc u r r e n tp r o t 。c t i o i l ，g r o u n d i n gp r a t t i o n ，l c d p a 舢e t 盯d i s p l a y i n g ，p a 舢e t e rs e t t i n g ，c o 咖l l l l i c a 吐n gc o n 仃d l 嬲w e l l 勰l o wv o l t a g e n e t w o 出p o w e rq l l a l i 锣m o n i t o r i n g o nt h eh a r d 嘴d e s i g n m i 伽卜c 蚰昀l l e fl p c 2 2 9 4b a s e d j d 岷mc o i sa d o p t c d 勰 t l l e 劬眦c o n t l l i n gu n i t t h el l a r d w a 陀s y s 衄na l i n c l l l d e sp 删n e t 盯s 锄1 p l i l l g 咖沁p l l 缸q u e 眦ys y n c h r o n i z i n gm 吐l c dp a 豫m 鲫盱d i s p l a y i l l gl l i l i t k e yp a r 姗e t 盯s e t 垃n gu i l i t ， a c t i o np 晌眦i n g 衄i t 鹊w e l l 鹤c a n c o m m i l i l i c a t i l l gi n t c l h c et l n i t o nt h e f h a 旭d e s i g i l ，啪b c d d e dr e a lt i m em l l l t i 诅s k 0 p e r a 【i n gs y s t e m 弘c o s i s e s t a b l i s h e dt oc o 衄e c ct h el o w e rh a r d w a 阳l a y e r 柚dt h el l p p 盯a p p l i c a t i r 啪r e ；c u 玳i n t p l o t t i o n ( o v e r l o a dc 峨m，s h o r tc i f c u i t 伽r r e m ，g r 0 咖d 啦删删m a t h e m a t i m o d c l i sg i 、嘲1 ；f f ri sa p p l i e dt oa n a l y t h el o wv o l t a g e t w o r l p o w e rq u a l i t ) ，p a n m e t e r s t h e w h o l e f t w a u s 髓cl 粕g g c 仞p r o g 啪彻di sd e b i l g g e db a s c d a d se i i f o 姗e n t l p c 2 2 9 4 谢t l lc a nc o n 仃0 l l 盯i l n p l 锄e 1 1 _ t s 吐蛇锄b e d d c dn e t w o r kc o n 扛o l ，砌c h e n a b l e s 也ec h u i tb r e a k c rt oc o m i n l l n i c a t e 、i t l lt h er 锄o t em a i l ip cc o m p u t 盯u 鲕【l gv b 基于a r m 系统的智能脱扣器研究 l 赳喀u a g ct 0p r o g r a mt h em o i l i t o r i i l gi n t e r f 如et od i s p i a yt b cl i n ep 啪e t e r ss u c h 鹤c u r r e n t ， v o l t a g e ，p o w 口q u a l i t yp a r 卸1 e t e 硌勰w e i l 鹤f a u l t si o 加1 a t i o l l ，t 0s e t 讲咖e t e 瑙衄o t e l y ，t o 百v eo u tm ec o n t r o lc o m m 锄d s 锄d t 0i n q u i mt i l el l i s t o r y 咖， f o re i l s 嘶n gm ce l e c 蛔脚印c t i cc o m p a t i b i l 姆( e m c ) o fm es y s i c i n m cp r 蚓i c a b l e r e s i s t i n gi n t e r f b n c em e 雒u r e s r w a r ea i l dh a r d w a r ch a v eb c e na d o p t c d t h ee x p c r i m e n t 托s l l l tp m v 韶t l l a tt h ei i l t e l i i g c n tp r o t e c t i o nc o n t r o l 锄dt h ee m b e d d e dn e t w o f kc o m m u i l i c a t i o n b o 也豫a c ht 1 1 ep m d u c td e s i g n 坞q u i r e r n e n t s k 呵w o r d s ：l o wv o l t a g ec i r c u i tb a k e r r e i e a s e a r m ，p c o s - i i ，c a nf i e l db 哪 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：粘日期：型q l 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：生乳导师签名：衄日期：苎之l 址 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题提出的依据和意义 低压断路器是配电系统中的重要开关电器之一，它不仅可以接通和分断负载电流， 过载电流而且还可以接通和分断短路电流【1 1 在线路出现严重过载、短路、断相、漏电 等故障时，能自动切断线路，尽可能地隔离故障，起到保护电气配电网络线路、电器设备 及电动机的作用，应用十分广泛。 随着社会的发展，技术的进步，无论是工业的生产还是百姓的日常生活都对电力系 统的供电质量提出了越来越高的要求：能实现不间断供电或断电时间尽可能短，停电范 围尽可能小，这就对供电系统的智能化和自动化水平提出了更高的要求。显然传统断路 器的功能已不能满足供电系统智能化与自动化的需要，人们对断路器提出了更高的要 求，对于单台断路器要求其智能化、自动化、模块化；对于供电系统中的多台断路器要 求能实现联网通信、集中监控删。 我们把能使断路器实现对电气设备免受过载、短路，欠电压、过电压等故障的危害 的各种保护功能的机构统称为脱扣器，其由电磁式、电子式脱扣器，发展到具有微控制 芯片的智能化脱扣器。智能化脱扣器是将计算机技术、信息技术、机电一体化技术与传 统断路器本体相结合而使其具有感知、决策和执行能力。智能化脱扣器首先使断路器的 保护功能大大增强，保护特性调节十分方便【6 j ，三段保护特性中的短延时可设置成1 2 t 特性，以便与后一级保护更好匹配。除此之外，还具有液晶显示、故障记录、自诊断等 功能。智能化脱扣器可以实现与低压配电网络通信，操作人员可通过上位机集中监测和 控制，实现遥测、遥调、遥控、遥信等“四遥”功能，及时了解现场设备运行情况，处 理各种故障。 由于软启动器、变频器和不间断电源等非线性装置在电力系统中的使用，使得系统 中出现了高次谐波，传统的断路器容易受高次谐波的影响发生误动作，而以微控制器为 核心的智能化断路器可以对采集的电流进行谐波分析和消除，可以计算得到线路中电流 的真实有效值，可以避免高次谐波给保护特性带来的影响。因此在断路器向智能化、嵌 入式网络化发展的同时，对于电网中谐波进行分析这一功能也逐渐加在断路器的研究当 基丁：a r m 系统的智能脱扣器研究 中，成为其有力的辅助技术，为断路器的智能化多功能设计推进了一大步川。这一功能 完全可以等价于具有单一功能的电能质量仪。 基于上文所述，本文要进行框架式低压断路器智能脱扣器研究设计，实现低压断路 器的智能保护与控制，同时兼有电能质量测试功能。 1 2 低压断路器脱扣器国内外发展状况 随着计算机技术、微电子技术和网络通信技术的发展，脱扣器由热式、电磁式、 电子式，发展到具有微控制芯片的智能化脱扣器。 1 2 1 电磁式脱扣器 最初采用电磁式脱扣器保护断路器，它是按照过去的继电控设备的应用条件而设 计的，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。1 ”。电 磁式脱扣器动作单元是热继电器，主要靠双金属片受热弯曲变形而发出脱扣信号，在整 定值附近继电器不能准确可靠的动作。并且由于大电流和机械碰撞，双金属片容易产生 永久变形使整定值发生变化，热继电器的动作特性会受到环境温度的影响，有很多难以 克服的弊端。时间的分散性大、累计误差大、可控性差，已经无法满足当今社会对高质 量产品的需求。 1 2 2 电子式脱扣器 第二阶段是电子式脱扣器，也叫半导体脱扣器。它主要是通过阻容充放电调整动作 时间，通过调整电位器来设定电流的整定值，脱扣信号则通过电压比较器来发出嘲。相 对电磁式脱扣器，在很大程度上提高了断路器的保护功能，但也存在很多不足：动作时 问和电流整定值的调整范围有限，精度不高，不具备监控、显示以及联网的功能。 1 2 3 智能型断路器 以微处理器为核心的智能脱扣器的诞生，曾在美国1 9 8 4 年1 月的e l e c 们t e c h n o l o g y 杂志上被誉为是断路器技术的一场革命【1 2 】。智能断路器的核心是智能脱扣器，而微处理 器系统又是智能脱扣器的核心部分，这是智能化与电子化的最大区别，其具有应用软件 沈阳工业大学硕士学位论文 程序，这样在硬件不变的情况下具备较大的适用性和升级能力。智能型断路器也分为如 下几个发展阶段： ( 1 ) 以低端8 位微控制器为核心的智能断路器保护装置。这是智能断路器的最初发 展阶段，微控制器多数以8 位机为主，最具代表性的就是5 l 单片机。特点是以8 位m c u 为核心，辅助以一些简单的传感器、监控设备、伺服控制、指示、显示、信息处理及控 制功能。这一阶段8 位机占据价格优势，不足之处是外围设计体积大、处理速度与保护 精度低、片内集成外设少、存储空间小( 一般需要外扩) ；软件上基于裸机硬件编程， 前后台循环运行模式，实时响应速度慢，同时大多数处于单机使用状态、无通讯控制功 能。 ( 2 ) 以中端微控制器为核心的智能断路器保护装置。处理器性能上有所提高，出现 了很多1 6 位微控制器，通讯功能逐渐加入但是只是初步发展阶段，绝大部分采用r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 通信方式，其通信速率、距离、资源共享程度、网络可靠性均受到限制。用r s 2 3 2 串行通讯进行传输时经常会受到外界的电气干扰而使信号发生错误，而且r s 2 3 2 适用于 1 5 m 以内的通信1 粥。l 峪4 8 5 在性能上比r s 2 3 2 有所提高，但还是摆脱不了一主多从的 通讯方式。 ( 3 ) 以高性能微处理器为核心的智能断路器高性能多功能保护装置。 1 ) 处理器性能：这一时期，中低端微控制器价格已经不占主要优势，基于3 2 位a 跚 核的微控制器、d s p 等具有较高的性价比，是主流控制核心。其中a 蹦核是3 2 位的，以 飞利浦公司l p c 2 1 0 0 ，l p c 2 2 0 0 系列和三星公司的s 3 c “b o x 为代表。a i m 核的低功耗、 高性能等突出优点已在3 2 位嵌入式应用中稳居第一位，a i 洲公司中国区总裁谭军博士 分析了a r m 战胜8 位微处理器的原因：一是8 位微处理器的性能不能满足人们越来越多的 需求；二是3 2 位微处理器越来越成熟，销量越来越大，从而8 位微处理器价格优势将消 失“。d s p 处理器是对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率高，指令执行速度也快，在数字滤波、f f r 及谱分析等方面占据优势，比较有 代表性的产品是t e x 舔h l s 觚蚰铡i 协的1 m 3 2 0 系列和m o t o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列“”。 2 ) 通信网络发展：这一时期比较流行的现场级通讯网络是现场总线，现场总线被 基于a r m 系统的智能脱扣器研究 喻为“控制领域新世元时代的起点”，是2 1 世纪自动控制系统的主流。用新一代的现场 总线控制系统代替了传统的分散控制系统，实现通讯网络与控制系统的集成，最终形成 了一个全数字化、全分散式、全开放、智能、双向、多变量、多主、可互操作和开放式 互连的自动化控制系统“”。现场总线网可采用自定义的现场总线，也可采用当前流行 的几种现场总线，如m o d b 哪，l o n w j r k s ，p r o f i b u s ，c a n b 惦等，其中以c a n b u s 最 为流行，其具有技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的优势。智能化可通信断路 器的主要特征是在智能化的基础之上具备现场总线的可通信特点，这一阶段高性能芯片 都自带通信控制模块，可以很方便的搭建通信网络硬件。 国外在脱扣器的电子化和智能化研究和制造方面则走在前面，现在大约领先我国5 1 0 年，比较有代表性的产品是a b b 公司的f 系列，施耐德公司的m 系列，西门子公司 的3 w n 6 系列，3 v f 系列和3 w l 系列( 具备内部通信总线c u b i c b u s ) ，三菱公司的a e 系列“”；我国在这一阶段大力开发第四代智能化、可通信电器产品，逐渐缩小与国外电器 产品的差距，具有代表性的有d w 4 5 、c w l 、c m l 、m a 4 0 、s d w l 。以上海电科所为主 研制的可通信低压电器产品已形成完整的系列，并已投入批量生产，已具有与国外产品进 行竞争的能力，其中d w 4 5 系列等产品的脱扣器已具有与工控机、p l c 等通讯的功能， 在国内同类产品中处于领先水平。为开发我国高智能化的网络配电、控制系统及其产业化 奠定了技术和物质基础。 3 ) 软件开发模式：智能控制器的灵魂是其软件程序设计，软件设计的好坏直接影响 到智能控制器的性能和稳定性，采用传统的顺序结构程序设计存在微处理器利用率不高、 程序设计复杂、软件修改升级困难等缺点。这一时期软件设计利用平台策略，加载嵌入 式操作系统，摒弃了传统的前后台循环编程思想，让操作系统来管理用户的应用程序， 软件设计易于分工与合作，有效地提高系统的资源利用率，提高系统的实时性和可靠性 ”9 j ，这是测控软件系统的一大革新与进步，软件开发模式转变见图1 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 应用程序 ji 1 底层硬件 图1 1 软件开发思想的转变 f 皓1 1c h 锄g eo f f h a 地d c v e l o p 缸g 啪y 4 ) 装置的多功能性及产品化：影响电力质量主要是电力网络上的电气骚扰( 电压 跌落和骤增、电压的谐波分析、电压波动、过电压、三相不平衡等) 。为了供电网络的 安全、可靠与供电连续性，对电力质量必须进行有效的监控。在低压智能化电力管理系 统中，引入电力质量监控器或让低压智能化断路器兼有电力质量监控功能，是当前智 能化电器的一个发展方向”1 。得益于这一阶段微控制器的位宽大、速度快，从而完全可 以在一台低压断路器智能保护装置中实现多种不同的保护与控制功能，在原有电流保护 f 和电压保护的基础之上，将电能质量监测功能集成到其中，延伸了断路器智能化的内涵， 大大提高了断路器的智能化水平。这是一种经济有效的方案，由于智能断路器分布于低 压网络的各个供电端，通过与中央计算机通信可以获得配电网各端点的电能质量信息， 记录并显示电网的波动情况侧施耐德电气公司新世纪推出的新型m 勰t c r p a c t 仃型框 架断路器，它不仅可以测量三相电流、电压、功率、功率因数等参数，并且能捕获电力 质量事件和波形，可以进行第5 1 次以下的谐波分析。日本三菱公司2 1 世纪推出的额 定电流为3 l 8 0 0 a 的p s s 塑壳式断路器具有一个m d u 数字检测显示模块，它能检 测并显示负载电流、线电压、功率用电量、功率因数，并能检测3 次、5 次和7 次谐 波以便进行电力质量监控 将智能脱扣器做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不仅限于某种 基于a r m 系统的智能脱扣器研究 断路器，而且脱扣器的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，而脱扣器产品化以后，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，而测试时间也大为减少“。 1 3 本课题的主要工作 本课题使用基于3 2 位删核的微控制l p c 2 2 9 4 进行低压断路器智能综合保护装 置的设计，软件平台则使用嵌入式实时多任务操作系统c o s ，通信控制则采用c a n 总线。这一设计将使断路器具有常规的过载长延时，短路短延时，短路瞬动，接地故障 保护、负载监控、液晶参数显示、参数现场整定、联网通讯控制功能，同时也具有低压 电网电能质量信息监测的功能，最大化地发挥了a r m 控制器的功能，提高了断路器的 智能化和自动化水平。 3 1 建立数学保护模型 ( 1 ) 建立电流保护的数学保护模型； ( 2 ) 运用快速傅立叶变换进行电流基波提取及电能质量分析。 1 3 2 构建本系统的嵌入式操作系统平台 ( 1 ) 在满足功能要求前提下，对操作系统进行裁减，减少心，o s i i 占用的c p u 和 存储资源。编写修改头文件( o sc f g h ) ，裁减不必要的内容； ( 2 ) 编写c 语言头文件( o s c p u h ) ； ( 3 ) 编写四个汇编函数( 汇编程序源文件o s - c p u a a s m ) ； ( 4 ) 用c 语言编写六个简单的函数( c 程序源文件o s p u - - c c ) 。 1 3 3 硬件电路设计 以基于3 2 位a r m 核的微控制器l p c 2 2 9 4 为核心进行低压断路器智能综合保护装置 的硬件设计，具体包括如下几部分： ( 1 ) 信号前置处理电路； 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 锁相环频率跟踪电路； ( 3 ) 人机交互电路： ( 4 ) c a n 总线通信接口电路； ( 5 ) 动作执行电路； ( 6 ) 特大短路电流处理电路； ( 7 ) 电源电路。 1 3 4 软件编程 软件设计包括： ( 1 ) 7 路a d 数据采集分析； ( 2 ) 使用基2 时域抽取法进行短路基波电流的提取和电能质量f f t 分析； ( 3 ) 用g u i 编写l c d 页面显示程序； ( 4 ) 用c 语言编写c a n 总线通讯的初始化程序、接收数据程序和发送数据程序； ( 5 ) 用可视化编程语言v b 编写上位机监控界面； ( 6 ) 使用嵌入式实时多任务操作系统“c o s - n 进行系统各任务调度运行。 基丁ta r m 系统的智能脱扣器研究 2 智钱脱扣器设计原理 设计原理主要包括过载电流保护、短路电流保护、接地电流保护和电能质量参数分 析计算。其中过电流保护特性可调，更好与配电线路或电动机负载匹配，整个产品设计 符合i e c 6 0 9 4 7 2 和g b l 4 0 4 8 2 2 0 0 l 低压断路器标准。 2 。1 过载保护 过载也称为过负荷，是指主线路中的运行电流高于额定工作电流的一种非正常工作 状态。“。过载保护特性是指过载电流与保护动作时间之间的关系，过载保护原理如下： ，2 r = ( 1 5 “) 2 气 ( 2 1 ) 其中。，为实际一周波电流有效值； r 为实际过载保护动作时间： 厶为过载保护电流整定值，用户可以设置为0 4 1l ： 乇为动作时间整定值，用户可以设置为1 5 ，3 0 ，6 0 ，1 2 0 ，2 4 0 ，4 8 0 s 。 过载保护的实质是热积累，当检测到的电流，一旦电流大于，1 ，就进行热量积累 ，2 r ，其中7 为2 0 m s ，把该累计值加入到总的累加和中，只要最终的累加和超过能量门 槛( 1 5 。) 2 r ，则c p u 发出动作信号。 在e e p r o m 中设置内存单元放断路器的整定电流值和动作时间值，根据用户的需 要，通过键盘进行读写操作。为了与不同的保护对象特性配合，把所需要的不同的长延 时反时限曲线制成表格存在存储器中，可以用c 语言中的s 谢劬语句进行多条过载保护 曲线的选择使用。过载延时脱扣之后，要模拟金属片散热，过载能量3 0 分钟释放。 沈阳工业大学硕七学位论文 2 2 短路保护 短路是指不同相之间，相对中线或地线之间的直接金属性连接或经小阻抗连接2 1 。 短路电流较正常电流大数十倍，这样，短路产生很大的热量，导体温度上升，绝缘损坏； 短路产生巨大的电动力，使电气设备受到机械损坏；短路使系统电压严重降低，造成停 电，给国民经济和人民生活带来损失汹1 。所以要在短路发生后，通过智能检测保护装置 自动将短路与断路器分离开来，保护系统安全。本系统短路保护原理分为短延时反时限、 短路定时限和瞬动保护，保护特性见图2 1 ，其中短路电流基波有效值的提取见后文。 t ( g ) i 2 i “ i ( a ) 作时闻整定 图2 1 短路保护特性 f i g 2 1p r o t c c t i n gc h a r a c t e r i s t j c so f s h o nc i r c u i tc u r 圮m 当，2 = ( j ( = 8 ，l 时，断路器具有反时限短延时保护特性： ，2 r = ( 8 ，i ) 2 f ， ( 2 2 ) 其中，：= o 4 1 5 l ，l 短延时功能可以实现选择性保护，如果下一级断路器 发生短路事故，在未开断之前，短路电流会流经上级断路器，此时如果上下级一起跳闸， 将会切断下级未发生短路的负载，这就很不合理，造成了很大的影响。所以上级断路器 设置短延时功能，合理选择电流整定值和动作时问，干线上脱扣器短延时可返回时间必 须大于支路上的脱扣器全分断时间，实现选择性保护，躲过下级故障电流。 基于a r m 系统的智能脱扣器研究 定时限保护的保护原理比较简单。当8 ， ， ，。( 瞬动电流整定值，。一5 0 k a ) ，则执行机构动作，同时要进行故障电流 与故障时间的锁定。以上方法能够每采集一个点就进行一次短路瞬动判断，同时又具有 一定的累积效果，不会造成短路判断的误动作 模拟脱扣作为一种瞬动后备保护，不必经由c p u 处理，通过硬件进行比较再输出信 号，加快了反应速度，在硬件设计章中细述。 2 3 接地漏电保护 漏电故障是指因绝缘损坏致使相线与电气装置的外露导电部分或大地之间发生的 短路故障嘲1 。漏电故障除了与短路故障一样会损坏导线甚至有可能引起火灾事故外，还 将使正常不带电的外露可导电部分带上危险电压，以至引起人身电击事故。本设计中漏 电电流信号的取得来自零序电流互感器，当漏电电流达到或者超过整定值，发出分断 信号。断路器正常运行时，各相线路上电流相量和为零，此时零序电流互感器次级没有 感应电流产生。一旦所接负载发生漏电故障或人身触电事故，就会产生一个故障电流， 在零序电流互感器次级就会产生感应电流，该电流至动作电流整定值时，驱动脱扣器 执行机构动作。接地电流一般很小，所以将其接入硬件设计中的小信号采集通道，接 地整定电流= o 2 珈8 ，。，当接地电流超过1 5 ，。时，断路器将按定时限保护动作， 沈阳工业大学硕士学位论文 动作时间档为o 1 ，0 2 ，o 3 ，o 4 s 。 2 4 电流基波提取及电能质量分析 2 4 1 概述 短路发生时，电流可能达到正常工作电流的1 0 2 0 倍，含有高次谐波成分和非周 期分量( 衰减的直流分量) 。根据i e c 6 0 9 4 7 2 低压开关设备和控制设备第二部分断路 器规定，为了使智能脱扣器能正确地发出脱扣信号，不致使脱扣器产生误动作，必 须对输入的电压、电流信号进行预处理，尽可能地滤除那些非周期分量和高频谐波，提 取基波电流有效值，以此作为电流故障保护模型的输入，提高断路器保护特性的准确性， 避免谐波额外的加热能量作用于脱扣器使其提前动作涵嘲 电能质量分析这一功能有力地补充了低压断路器的智能化、综合化。对电网上的电 气骚扰必须进行监控，以使及早获得有关电能信息并做出及时处理，这就是电力监控的 目的。电能质量指标如下： ( 1 ) 电压偏差：电压偏离额定电压的幅度，一般以百分数表示，即 c ，：垫i o o ( 2 4 ) “ 其中，a u 为电压偏差百分数，u 为实际电压，l 0 为额定电压。g b1 2 3 2 5 9 0 规 定了供电电压的允许偏差，其中2 2 0 v 允许偏差为+ 7 ，一1 0 。 ( 2 ) 电压波动和闪交：电压波动是指电压的急剧变化，以电压最大值与电压最小值 之差或其百分数表示，即6 u = u 。一【，_ ( 2 5 ) 础：坠尝1 0 0 ( 2 6 ) u 其中，敬，为电压波动，改，为电压波动百分数，u 一，u 。分别是电压波动的最 大值和最小值。电压闪变是指周期性电压急剧变化引起光源光通量急剧波动而造成人眼 视觉不舒适的现象。我国目前采用巧u 。来测量和评价电压闪变。故，l o 是指电压波动波 形中各频谱分量的方均根值等效为1 0 z 正弦电压波动值后的总方均根值， 础i 。= 口，( 时) 2 ( 2 7 ) 基于a r m 系统的智能脱扣器研究 ( 3 ) 电压波形：波形的质量是以正弦电压波形畸变率来衡量的。在理想情况下。电 压波形是正弦波，但在电力系统中有大量的非线性负荷，使电压波形发生畸变，除基波 外，还有各项谐波，g b 厂r1 4 5 4 9 9 3 规定3 8 0 1 ，电网中电压总谐波畸变率为5 o ，奇次 谐波电压含有率为4 0 9 b ，偶次谐波电压含有率为2 0 9 b 。 ( 4 ) 谐波： 第h 次谐波电压含有率： 舰玑= x l o o ( 2 8 ) u i r 一 谐波电压总含量：【，= 1 ( 以) 2 ( 2 9 ) i = 2 电压总谐波畸变率：= 半l o o ( 2 1 0 ) “l 其中， u 为h 次谐波电压方均根值，u 为基波电压方均根值。 提高电能质量，防止谐波危害，限制电力系统的谐波，就是要把上述指标限制在国 家标准规定的允许的范围之内。根据国家标准每2 5 周波( 0 5 秒) 由采样任务进行触发 一次电能质量谐波分析任务。硬件电路设计的低通滤波器截至频率为1 0 0 0 h z ，所以本 文只对3 相电压进行2 0 次以下谐波分析，对供电电压质量进行精确检测。 2 4 2 基2 f f t 电能质量分析原理 文献2 7 3 5 讨论了f f t 在电流电压检测中的应用，对本文设计有很大的帮助。本 文使用的是按时间抽取的f f t 算法，首先对电流、电压进行谐波分析，然后在进行衰减 直流分量的补偿计算后计算各次谐波的有效值和相角等。基波电流有效值作为短路故障 保护数学模型的输入，迸行短路保护判断，为了提高保护速度，可以直接将i 的平方值 与整定值比较。 基2 f f r 的基本做法是将n 点d f t 运算分解为要点的d f t 运算，并逐步分解下去， z 最小分解点数称为基数，基2 的f f t 就是最小变换为2 点d f t ，通常令n 为2 的整次 幂，即= 2 “，柳为正整数。按n 为偶数和奇数将x ( ) 分成2 个序列，使用这种方 法经过席一1 次分解，最终成为2 点的d f t 运算，每个碟形运算有一次复数乘法运算，两 沈阳 业大学硕士学位论文 次复数加法运算( 加减各一次) ，其中复乘次数婴l o g ；，复加次数2 l o g ! ，次变换 时间乒要l o g ；乘法时间+ 2 l 。g ；加法时间。 基2 f f t 将整个运算分成m 级，每一级包括n 个节点，上一级与下一级节点之间的 运算公式为： 置+ l ( p ) 2 置( p ) + 孵置( g ) ( 2 1 1 ) y “l ( 碍) 。置( p ) 一联置( 吁) ( 2 1 2 ) 其中， p 为偶次因子： g 为奇次因子： z 。为碟形运算中第j 吖级节点： z 为碟形运算中第j 级节点； = e 叫2 。为旋转因子： 2 5 本章小结 结合国内外参考资料和低压断路器设计标准i e c 6 0 9 4 7 2 和g b l 4 0 4 8 2 2 0 0 1 ，提 出了本课题所设计的低压断路器智能控制器设计原理，建立了过载保护、短路保护、接 地保护的数学模型，同时也对供电电压进行了分析，达到了电能质量在线监测的目的。 在电参数的预处理方面，使用了基2 f f t 离散算法，以此来提取基波电流的有效值 作为短路保护数学模型的输入，同时对电压进行f f t 变换来分析每2 5 个周波的电能质 量。 基丁a r m 系统的智能脱扣器研究 3 硬件设计 3 1 硬件设计方案 智能断路器检测来自空心电流互感器和电压互感器的电流、电压信号，通过信号前 置处理电路将其进行滤波、放大、通道判别等处理，然后由微控制器l p c 2 2 9 4 内部的 模数转换器转化为数字信号。a r m 核c p u 对采集到的数据进行运算和逻辑判断，若判 断到电路发生故障。则根据预设的数学保护特性，发出脱扣控制信号，由执行电路驱动 断路器动作，a r m 同时也能对电能质量参数( 谐波、电压波动、闪变等) 进行分析计 算。如果断路器在智能控制器上电瞬间发生短路或者正常运行的时候发生特大短路，则 由模拟短路处理电路进行脱扣处理。除此之外，还配有液晶参数显示电路和键盘输入电 路，各种故障保护的电流值和动作时间预先存储在f l a s h 中。同时采用c a n 总线网络 使得低压断路器可以与上位机连接和通信。硬件总体设计见图3 1 。 图3 1 低压断路器智能控制器总体设计方案 f g 3 1w h o l ed e s i g r i 蠡”i o wv o i t a g ec i r c u i tb r c a k e ri n 纠i g e n tc o n t r o l l e r 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 微控制器单元 3 2 1a i t m 7 t d m i 介绍 a r m 公司是专门从事基于s c 技术芯片设计开发的技术提供商，它不直接进行芯 片生产而是将技术授权给各大半导体公司，他们根据不同的应用领域，加入适当的片内 外设，生产各具特色的芯片。近年来，嵌入式应用领域以a 眺处理器发展最为突出，被 公认为业界领先、优秀的3 2 位嵌入式处理器结构，凭借高性能、低成本、低功耗的特 点在嵌入式应用领域占据了绝对的市场份额“。 本设计所使用的是a r m 7 m i 处理器，其具有两个指令集：标准3 2 位a r m 指 令集和1 6 位t h 啪b 指令集。处理器使用3 级流水线来增加处理器指令流的速度，这样 可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0 9 m i p s m h z 的指 令执行速度。t d m i 含义如下： t ：支持1 6 位n u m b 压缩指令集。 d ：支持片上调试，内核中有边界扫描链盯a g ，可以使c p u 进入调试模式，进行 断点设置、单步调试等。 m ：内嵌硬件乘法器。 i ：有嵌入式i c e ，用于实现硬件观察点。 3 2 2 微控制器l p c 2 2 9 4 介绍 l p c 2 2 9 4 是基于a 1 m 7 1 d m i 核、可加密、具有外部存储器接口的一款微控制器， 特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机( p o s ) 等领域。l p c 2 2 9 4 特 点如下“”： ( 1 ) 基于1 6 位a r m 7 1 d m i - s 微处理器，l q f p l 4 4 表贴封装，体积小，成本低。 ( 2 ) 1 6 k b 片内静态删和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器。通过片内b 0 0 t 装载程序实现在系 统编程( i s p ) 和在应用编程( 1 a p ) 。 ( 3 ) e m b e d d e di c e - r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进行实时调试 并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪 ( 4 ) 8 路1 0 位a 7 d 转换器，转换时间低至2 4 4 | s 。 基于a r m 系统的智能脱扣器研究 ( 5 ) 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 实时时钟和看 门狗。 ( 6 ) 4 路互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器；多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业 标准u a r t ；高速1 2 c 接口( 4 0 0k b i 以) 和2 个s p i 接口。 ( 7 ) 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址，通过外部存储器接口可将存储器配置 成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数据宽度为8 1 6 3 2 位。 ( 8 ) 多达1 1 2 个通用i ，0 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断脚。 ( 9 ) 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，片内晶振频率范围：1 3 0 m h z ，2 个低功耗模式：空闲和掉电。 ( 1 0 ) c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8v o 1 5 v ) ： i 0 操作电压范围：3 o 3 6v ( 3 3v l0 9 6 ) ，可承受5 v 电压。 3 3 参数前置处理电路 参数前置处理电路由空心互感器，电压互感器、模拟积分电路、信号采样与滤波放 大电路、自动量程切换电路、电压提升电路。 采用体积小、重量清的空芯互感器和电压互感器分别采集断路器线路中的4 相电流 和3 相电压，其中空心互感器在处理大电流时线性度好( 保证电流故障情况下采集的准 确度) ，为了提高小电流时的测量精度，采用对信号进行分量程采集，当线路正常运行的 时候采用小通道处理信号，当线路发生故障时，采用大电流处理信号，这由c p u 根据 转换结果自动进行切换。其中空心互感器的输出与电流成微分关系，所以采用模拟积分 电路使得互感器输出与输入成比例关系。参数前置处理电路见图3 2 ，其中r l 和c 1 构 成积分环节，u a 对电压信号进行跟随，u b 对小信号进行放大，其中u b 的同相输入端接 2 5 v 电压，来提升整个电路电压，把采集信号全变成正极性信号。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 2 参数前置处理电路 f i g 3 2p a m m e t e rp 悖俨髂s i i l g 岫i t 3 4 锁相环频率跟踪电路 由于电力系统输入模拟信号的频率会发生波动，若采样频率保持恒定，就不能保 证采样数据的有效性。锁相环能够锁定并在一定范围内跟踪输入频率。确定采样点， 寻找到精确的相位，根据输入频率的波动及时自行调整输出频率，使得采样脉冲的频率 ， z 严格跟踪电网基频石，且每一个电网基频周期内的采样点数= 粤为恒定常数，保证 ，l 个采样点均匀落在一个整周波中。 设计中采用通用c m o s 锁相环电路芯片c d 4 0 4 6 和外围电路，c d 4 0 4 6 组成见图3 3 ， 图3 4 是锁相环控制电路组成。交流电压信号经过过零比较器整形为方波信号后作为 c d 4 0 4 6 的输入，经分频器6 4 分频，锁相环输出的信号直接作用于微控制器l p c 2 2 9 4 外 部中断引脚，利用上升沿来启动、停止每周波6 4 次采样。 基丁二a r m 系统的智能脱扣器研究 图3 3c d 4 0 4 6 内部结构 f i g 3 3i n n 材s 呲t u mo f c d 4 0 4 6 图3 4 锁相环控制电路组成 f i g 3 4d e s i 印s 打u c t 哪f 研p l l 岫“ 3 5 数据存储模块 l p c 2 2 9 4 具有1 2 8 位宽存储接口，通过外部存储控制器( e m c ) 接口使用1 6 位总线 方式与外部f l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 存储器相连，数据总线使用了d 0 一d 1 5 ，地址总线使用 了a 卜a 2 0 ，图3 5 是外扩存储器电路图。扩展的片外f l a s h 有3 2 k 字个区，每个区有 2 k 个扇区，用来保存电能质量分析所需要的大量采样数据、电能质量分析结果、断路器 的电流、电压和时间整定值以及最终的程序。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 5l p c 2 2 9 4 外扩r 柚( i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ) 和f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) 电路连接图 f i 舀3 5c i r c u nc o 加e c t i i i go f e 】c t c n d e dr a m 锄df l a s hf o rl p c 2 2 9 4 1 9 一 基了：a r m 系统的智能脱扣器研究 3 6 人机交互模块 采用s m g 2 4 0 1 2 8 a 点阵图形液晶模块使得断路器使用者可以方便快捷地就地查询 断路器电压、电流值等参数值；通过键盘进行电压电流保护整定值的输