（电力系统及其自动化专业论文）开关智能控制器的开发与研制.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文通过研究智能断路器的发展历程，总结了开发基于永磁机构开关智能控制 器所应具备的各项智能功能。开关智能控制器硬件部分选用p i c 公司的 d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 数字信号处理器构建了双c p u 的系统硬件结构：系统采用电力电子 器件i g b t 设计开出回路，选用磁敏开关代替了传统的辅助开关控制断路器的分合 闸操作，增加各种传感器回路监测断路器的运行工况：编程实现了开关智能控制器 的监测功能和保护功能，设计的c a n 总线通讯实现了智能控制器与上位机的双向 通讯，从而完成四遥功能。 关键词：智能控制器，i g b t ，c a n 总线 a b s t r a c t b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r , w es u n lu pt h en e e d e d i n t e l l i g e n c ef u n c t i o nt h a ts h o u l db ed e v e l o p e di no u ri n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e rb a s e do nt h e v a c u u l nc i r c u i tb r e a k e r 、肮mp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r t h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e ra d o p t s d o u b l ec p u ，w h i c hc o n s i s t so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p i c 3 0 f 6 011a s y s t e mu s e st h e p o w e re l e c t r o n i cd e v i c ei g b tt od e s i g n et h eo p e nc i r c u i t , w ec h o o s et h em a g n e ts e n s i t i v e s w i t c hi n s t e a do ft h ea u x i l i a r ys w i t c ht oc o n t r o lt h es w i t c h i n gc l o s i n gc i r c u i ta n di n c r e a s et h e v a r i e t yo fs e n s o rc i r c u i tt om o n i t o rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h es o f t w a r es y s t e mf o l l o w st h e m o d u l a ra n du p - t o - d o w nd e s i g np r i n c i p l e s w eu s et h ea s s e m b l yl a n g u a g ep r o g r a m m i n gt o a c h i e v et h ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i o nf o ro u ri n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r c a n b u sc o m m u n i c a t i o n si sd e s i g n e dt oa c h i e v et h et w o w a yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n d p cs ot h a ti tr e a l i z e st h e ”f o u rr e m o t e f u n c t i o n s w a n gc o n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n ja n k e yw o r d s ：i n t e u e c t u a lc o n t r o l l e r ，l g b t ，c a n b u s 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文开关智能控制器的开发与 研制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 懈 作者签名：丝签导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1课题研究背景 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，社会对电力的需求越来越大，而 电力法的公布和执行，更要求电力供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。 在配电和供电系统中，断路器是十分重要的电气设备，它的任务是关、合电流及开 断短路故障电流，保护电网及回路上电力设备免受损坏，因此断路器的可靠性至关 重要。研究断路器智能控制技术对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量， 切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。 随着微处理器技术、电力电子技术和智能控制理论的迅速发展及其在电力系统 领域的广泛应用，智能化成为工业装置的发展趋势。在断路器领域，智能化断路器 发展迅速，其动力首先来自电力系统越来越高的可靠性要求及其越来越高的自动化 程度。现代配电和用电系统都要求在监测、控制及保护等方面完全自动化和智能化， 断路器作为最重要的电力系统控制元件，其智能化则是上述自动化与智能化的基 础。为满足电力系统日益提高的可靠性要求，电力设备的状态检修技术得到了飞速 发展，这一技术要求设备能自诊断、运行状态可控、能及时发现故障的前兆，这与 断路器智能化的基本要求是一致的【l 】f 甜。因此，开发与研制智能断路器具有及其重 要的意义。 真空断路器是利用真空作为灭弧介质和绝缘介质，动、静触头被密封在真空泡 内。它的特点是开断短路电流能力强，体积小，无污染，操作方便，易维护，适用 于频繁操作的场合，如补偿电容器。在中压领域，特别是配网自动化中正得到越来 越广泛的应用 3 4 1 。 早期设计的真空断路器操动机构为电磁操动机构或弹簧操动机构。电磁操动机 构较弹簧操动机构具有结构简单、制造成本低等优点，但其缺点是合闸线圈消耗的 功率太大、合闸时间较长、电压波动对合闸速度的影响较大，同时电磁机构带有机 械锁扣装置，机械附件较多；弹簧操动机构与电磁操动机构有很大不同。弹簧操动 机构的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧。它将电机的机械功在短时间内储存在合闸 弹簧申，然后将合闸弹簧中的能量释放进行合闸，同时，分闸弹簧储能。缺点是完 全依靠机械传动，零部件多，故障率较高，对零件的制造工艺、加工精度要求高。 近年来，一种用于真空断路器的电子控制、永磁保持的电磁操动机构( 简称永磁 操动机构) 备受关注。永磁机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实现传统断 路器操动机构的全部功能，其最大特点在于它无需传统的脱扣和锁扣装置即可实现 华北电力大学硕士学位论文 机构终端位置的保持功能。永磁机构动作部件少，中间转换和连接机构也很少，这 大大减小了动作时间的分散性和不可控性，并且机构的所有动作都可电控。因此永 磁机构为断路器实现自身的智能控制提供了可靠的操动机构【6 l 【7 1 ，为开发智能化断 路器提供了条件。 1 2国内外研究动态 在断路器领域较典型的有九十年代初富士公司的智能式真空断路器及a b b 公 司近年来推出的v m l 型永磁机构真空断路器。前者包括三种功能：自动保护功能、 早期维护功能和信息传递功能。其中保护功能指开关本体可对过电流和短路故障进 行检测与判断并发出指令，使开关可靠分闸；早期维护功能指开关在真空度降低、 电接触部位温升异常以及脱扣线圈断线时均能发出报警，提示操作人员把断路器退 出运行进行维修；信息传递功能则指除正常外部加入的控制信号外开关状态的信号 输出。该断路器比较有特色的是其光温度开关，温度传感元件为双金属片，当受热 板的温升达到给定值时，就会带动光路开关动作。由于没有电的联系，受热板可安 装在要监视的电接触部位p j 。 a b b 的v m l 型真空断路器是该公司的最新产品，除了薪颖的一体化绝缘结构， 最显著的特色是采用了永磁操动机构和二次控制无触点化以及采用新型传感器。断 路器的位置传感器和辅助接点均为无触点的接近开关或光开关，新型电量传感器信 号可以直接变换成数字信号，取代了传统的电磁式电压和电流互感器。该断路器简 化了机械传动，改进了操动的可控性，为进一步的智能化打下了基础【5 j 。 上述两种智能断路器都是以微处理器为核心，具有测量、变换、保护、控制等 功能，实际上就是一台现场控制计算机。具备的通讯接口通过通讯网络与上位机进 行通讯形成可通讯的智能断路器。 在发展智能型断路器的同时，功能越来越强大的监控系统也得到了快速发展： 如西屋公司的i m p a c c 系列；g e c a l s t h o m 公司的i c i s 系统；a b b 公司的i n s u m 系统以及西门子公司的s i m o c o d e 系统：k l o c k n e rm o e l l e r 公司的配电系统 i d 2 0 0 0 等。通过这些系统与断路器装置等现场设备的配合，使成套供、配、用电系 统能够在本机、上位机环境、负载等对象中交换各种信息，通过网络实现状态检测、 信息回馈、综合判断、发出指令及操作等，从而提高了整个配电系统的运行可靠性。 目前，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。但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一d w 4 5 系列智能型万能式断路器， 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 2 华北电力大学硕士学位论文 路瞬时、单相接地等均可由用户自行设定。我国现已涌现出多种型号的智能型断路 器，如m 系列、a h 系列、h a 系列、d w 4 8 等。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s t 型智能控制器，其特点是具有高 短路分断能力和智能性保护功能、电流表与电压表功能、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。北京四方华能电气设备有限 公司开发的智能控制器应用于永磁断路器操作机构，具备三段式电流保护功能和三 次重合闸功能，具备的4 8 5 通讯接口方便了用户实现配网自动化。国内很多高校和 科研机构也都在进行智能控制器的相关研究，如江苏科技大学研究的基于c a n 总 线的新型可通讯智能控制器，重点研究智能控制器的通讯功能，便于使断路器同上 位机连接构成分布式监控系统。 1 3开关智能控制器的设计思路 开关智能控制器是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。 通过上面的阐述，智能断路器就是通过断路器所配套的开关智能控制器来控制 断路器的操作，从而实现断路器的智能化功能，因此，研究断路器的智能控制器( 本 文称之为开关智能控制器) 是实现断路器智能化的最重要任务。 当前国内很多高校和科研机构都在研究开关智能控制器，但是国内关于智能控 制器的研究都基本注重在通讯功能和保护功能上，很少研究断路器本体的在线监 测、智能判断等更加智能化的功能【l 引。 本文认为，研究开关智能控制器须从两方面入手： ( 1 ) 研究开关智能控制器对断路器本体和电网参数的自动监测。 ( 2 ) 研究开关智能控制器对断路器的智能操作。 1 3 1 开关智能控制器的自动监测 开关智能控制器的自动监测须具有以下功能：能够自动监测断路器分、合闸位 置；能够自动监测辅助电源电压及分合闸电容器的电压水平；能够自动监测高压侧 电网的过电流、过电压等故障信息；能够自动监测断路器当前的机械寿命和电寿命； 能够自动监测驱动回路；能够对开关智能控制器内部重要芯片进行监测。其自动监 测单元的结构原理示意如图1 1 【4 0 】【4 。 3 华北电力大学硕士学位论文 分合闸电容器 电压监测模块 c p u 逻辑模块 叫断路菊曩卖命监 电网一次侧ii 断路器自诊断 监测模块ll监测模块 图1 1 自动监测单元的结构原理 所有监测模块监测到的信息都汇总到c p u 逻辑模块，经过逻辑运算，为开关智 能控制器的智能化操作提供信息。 1 3 2 开关智能控制器的智能操作 关于断路器智能化操作当前也没有一个统一的定义。本文认为，智能化操作是 依托于开关智能控制器通过采集并接收断路器当前各种类型的信息以后，通过智能 判断，有目的有选择性的进行相关操作的过程。也就是说，代替原先盲目的，无选 择性的操作，使断路器通过对自身智能的判断，作出相应智能操作的一种方式1 0 。1 6 】。 永磁机构真空断路器智能化操作的内容主要包括：能够对电容器进行恒流充 电；能够在输入宽范围电压( 6 5 一1 2 0 ) 下输出恒定的直流电压：能够及时响应分、 合闸信号；具备防跳闭锁功能；能够及时切断分、合闸线圈电流；能够在分合闸电 容器电压过低时闭锁分、合闸信号，使断路器不能进行分、合闸操作；能够在线路 上出现短路电流、过电流、过电压、欠电压时及时分闸，并能够向监控中心发出警 告信号等。 智能操作单元原理示意图如图1 2 所示。 图1 2 智能操作单元原理示意图 对于开关智能控制器而言，c p u 逻辑控制模块除了应具备逻辑判断功能以外， 4 华北电力大学硕士学位论文 还应具备在对当前断路器各种性能参数监测分析的基础上执行智能判断的功能，只 有满足各种条件的基础上，才可以执行分合闸命令，保证断路器动作的可靠性。 在c p u 逻辑模块中主要包括如下几个方面： ( 1 ) 能区分是保护分闸还是手动或遥控分闸。 ( 2 ) 能区分是保护重合闸还是手动或遥控合闸。 ( 3 ) 能区分是调试分合闸还是运行中分合闸。 ( 4 ) 能通过监测分合闸电容电压水平智能决定是否闭锁分合闸操作。 ( 5 ) 能根据断路器当前的机械寿命和电寿命决定是否执行分合闸操作。 ( 6 ) 能够根据所分合闸的对象执行相应的同步关合方案，降低断路器分合闸 操作对电网的影响。 ( 7 ) 能够自动监测断路器分合闸操作全过程，并全程记录。 ( 8 ) 能具备防跳闭锁功能。 具备上述功能的智能控制器c p u 逻辑模块才能称之为智能化操作模块。 1 4 论文研究的主要内容 本文基于永磁机构真空断路器研制开发了开关智能控制器，使其能与永磁真空 断路器合为一体成为真正的智能化断路器。 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 在对智能断路器的智能化概念理解的基础上，设计开关智能控制器的总 体框架，并对其各个组成部分做详细的阐述。 ( 2 ) 对开关智能控制器进行硬件设计，设计上采用双c p u 体系结构，按功能 分为保护c p u 模块和测控c p u 模块，分别实现保护和测控功能。 ( 3 ) 设计保护c p u 模块软件和测控c p u 模块软件。保护c p u 模块软件设计 主要包括三段式电流保护、三相三次重合闸保护程序以及过电压和低电压报警监测 程序。测控c p u 模块实现遥测数据的计算及主要监测和统计功能。 ( 4 ) 根据开关智能控制器的通讯功能需求，设计c a n 总线通讯和2 3 2 调试接 口。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章开关智能控制器的总体设计 断路器是电力系统中重要的电器元件。传统断路器的监测和保护功能多由电磁 元件完成，其动作时间长、保护精度低、整定困难。随着社会的发展，技术的进步， 人们对供电力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 力系统自动化的需要。因此，对于单台断路器就要求其模块化、自动化和智能化， 对于供电系统中的多台断路器要求能实现联网通讯、集中监控等，即所谓的智能断 路器。本章结合永磁机构真空断路器进行所配套的智能控制器一开关智能控制器的 总体设计。 2 1开关智能控制器的功能要求 2 1 11 0 k v 永磁真空断路器的技术指标 本章以z w 3 4 1 2 型永磁真空断路器的主要技术参数为例，说明1 0 k v 永磁真空 断路器的技术指标，如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1z w 3 4 1 2 永磁真空断路器主要技术指标 序号参数名称单位参数值 l 额定电流 a6 3 0 2额定短路开断电流 k a2 0 3 额定短路持续时间 s 4 4 额定短路开断电流次数次 3 0 5 触头开距 m m 9 l 6触头行程m m3 l 7 平均分闸速度 m 夸1 1 0 2 8 平均合闸速度 m s 0 6 0 2 9 分闸时间 m s 4 0 l o 合闸时间 m s6 0 1 1 合闸触头压力 n2 0 0 0 4 - 2 0 0 1 2 真空泡的机械寿命 次1 0 0 0 0 表2 2z w 3 4 1 2 永磁真空断路器永磁机构电气参数表 项目合闸线圈分闸线圈 额定电压( v ) ll o1 1 0 额定工作电流( a ) 4 05 0 操作工作电压范围 8 5 11 0 额定电 6 5 1 2 0 的额定电压下可靠动作 压下可靠动作 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 开关智能控制器的自动监测功能 通过表2 1 和2 2 可知，开关智能控制器的自动监测功能必须具备监测表中所 列出的各项指标功能，具体体现如下： ( 1 ) 关于对断路器机械寿命的监测 断路器在投入运行前进行过多少次调试分合闸，在投入运行后，又进行过多少 次负荷投切的分合闸以及断路器在保护动作情况下的分合闸次数，通过统计这三种 类型的分合闸总次数，可判断断路器的机械寿命损耗，为断路器的状态检修提供数 据。 ( 2 ) 关于对断路器电寿命的监测 断路器电寿命监测模块，主要是监测断路器的触头磨损量，而断路器的触头位 于真空泡内，很难监测。而影响触头电磨损的主要因素有短路时开断电流的大小、 燃弧时间的长短以及触头材料，磁场结构，弹跳性能和真空泡的真空度等。但对于 某一具体断路器而言，实际上就体现在电流的大小和次数以及当前真空泡的真空度 这几个主要因素上。因此，对于断路器的电寿命监测就是监测断路器在开断每一次 短路电流时的电流大小、历史开断次数，以及当前的真空度，来间接计算断路器的 电寿命。本文通过n i b 曲线( 额定开断电流与次数关系曲线) 以及真空度因子修正 的方法在线计算出断路器当前的电寿命。具体计算方法在第四章中详细阐述。 ( 3 ) 关于对断路器分合闸过程的监测 断路器分合闸过程的健康状况间接反映了断路器的机械寿命和电寿命。开关智 能控制器在每次接收到分合闸命令时，除了详细记录每次分合闸过程中三相电流的 信号外，还必须监测以下项目：( a ) 监测短路电流从故障开始到实际切除后的短路 电流总存在时间；( b ) 监测分合闸线圈的电流变化过程，从而间接知道分合闸线圈 的工作状态；( c ) 监测分合闸的动作时间，通过监测从发送开出命令到相应接近开 关到位所用的总时间作为分合闸的动作时间，从而了解分合闸时间是否在规定的范 围内，以便监测分合闸动作的健康状况；( d ) 监测合闸完毕后超行程弹簧中的压力， 从而间接测量出超行程的距离，以此判断合闸是否真正准确到位；( e ) 计算出分合 闸过程中的分合闸速度。 ( 4 ) 关于对分闸电容电压合闸电容电压的监测 由永磁机构电气参数表2 2 可知，合闸线圈在8 5 1 1 0 额定电压下才能进 行可靠动作；分闸线圈在6 5 1 2 0 的额定电压下可靠动作，因此必须时刻监测 分合闸电容的电压状况。对于合闸电容电压低于8 5 将可靠闭锁合闸操作，对于分 闸电容电压低于6 5 将可靠闭锁分闸操作。 ( 5 ) 关于开关智能控制器自诊断监测 7 华北电力大学硕士学位论文 开关智能控制器是由微处理器以及一系列电子芯片电气元件构成，因此，对于 开关智能控制器必须具备自身自诊断功能。主要包括开出回路的自检，c p u 自检， e 2 p 自检，通讯回路自检，模拟量采集通道自检，自检应能够自检到芯片级，一旦 自检出错，应能报告哪个芯片发生故障，从而大大提高检修的效率，提高智能控制 器的自检能力。 2 1 3 开关智能控制器的智能控制功能 开关智能控制器的智能控制功能主要体现在开关智能控制器通过自动监测功 能采集相应的数据后，能做出相应的智能判断，本文研制开发的开关智能控制器具 备以下智能控制功能： ( 1 ) 通过对分合闸电压的监测判断是否闭锁分合闸操作并报警。 ( 2 ) 通过监测断路器的电寿命和机械寿命判断是否应该执行预报警任务。 ( 3 ) 通过判断断路器安装后所处的位置( 事先通过人机界面输入) ，在进行远 方或手动分合闸时执行同步关合控制，减少断路器合闸时对空载变压器、电容器、 空载线路合闸暂态过程中的涌流和过电压危害，减少分闸时对触头的电磨损。 ( 4 ) 能够通过监测断路器电容电压水平以及历史分合闸时间来调整同步关合 控制，尽可能的保证同步关合的准确性。 ( 5 ) 智能控制器发出合闸延时脉冲后，能识别断路器是否合闸到位，若未合 闸到位，能自动短延时后发送合闸到位延时脉冲，保证断路器的可靠合闸。 2 1 4 开关智能控制器的其它常规功能 开关智能控制器应具备的保护功能如下。 ( 1 ) 三段式电流保护功能：速断保护、限时速断保护、过流保护，能分别通 过软压板远方或就地投退。 ( 2 ) 三相三次重合闸功能：可分别投入一次、两次或三次重合闸。 ( 3 ) 重合闸后加速功能：当重合于故障段加速跳闸，并能分别投退后加速i i 段和后加速i i i 段。 ( 4 ) 手合于故障段加速跳闸功能。 ( 5 ) 低电压、高电压告警，不平衡电压告警等功能。 开关智能控制器应具备“四遥 功能： ( 1 ) 遥控功能：开关智能控制器作为断路器的控制装置，应该能接收主站的 遥控命令，完成开关的远方分合闸操作。遥控的执行完全按照电力系统标准的执行 过程，保证远方遥控的安全可靠。当就地操作开关分合闸时，能可靠闭锁远方遥控 8 华北电力大学硕士学位论文 操作。 ( 2 ) 遥测功能：开关智能控制器应能根据断路器所配置的一级电压互感器和 电流互感器完成对线路运行参数的计算，主要包括断路器所在线路的电压、电流、 有功功率、无功功率、功率因数、频率等参数并实时上传给监控主站。 ( 3 ) 遥信功能：开关智能控制器应该能实时监测断路器的各种状态，不仅包 括正常运行时断路器的位置信息、分闸电压合闸电压储能信息、装置报警信息等， 还包括当线路发生故障后保护动作的信息，还应具有把重要遥信变位优先快速上传 给监控主站的能力，保证断路器运行状态的实时监控。 ( 4 ) 遥调功能：开关智能控制器的遥调功能不是指遥控调整变压器分接头， 而是远方遥控调整开关智能控制器的保护定值，通过监控主站可以在线修改断路器 的保护定值，以满足断路器在配网线路运行中保护定值在线修改的需求。 开关智能控制器还应该具备以下功能： ( 1 ) s o e 事件顺序记录功能：主要是指对智能控制器检测到的开入量变位信 息进行时间的记录。 ( 2 ) 故障记录功能：当断路器因线路发生故障而保护动作后，应该能记录故 障发生的时间、故障动作的类型、故障开出时的故障电流有效值，以便事故分析。 ( 3 ) 自动对时功能：开关智能控制器应具备自动和监控主站计算机对时的功 能，保证开关智能控制器时间记录的准确性。 ( 4 ) 通讯功能：开关智能控制器应具备通讯接口以便与其它开关智能控制器 组网且与监控主站相连进行通讯的功能。 ( 5 ) 调试功能：开关智能控制器应能与笔记本电脑相连接，进行就地调试和 设置开关智能控制器的相关参数和保护定值。 一2 2 开关智能控制器的性能要求 2 2 1 开关智能控制器的保护性能要求 ( 1 ) 保护整定值要求 i 段电流( 电流速断) 保护整定范围： i = 0 5 a - 一9 9 9 9 a i i 段电流( 限时电流速断) 保护整定范围： i = 0 5 卜9 9 9 9 a ，t = 0 s 一9 9 9 9 s i i i 段电流( 带时限过电流) 保护整定范围：i = 0 5 卜9 9 9 9 a t = o 卜9 9 9 9 s 重合闸延时时间：t = 0 s 一9 9 9 9 s 重合闸后加速时间： t = o s 一9 9 9 9 s 电压保护整定范围： u = 2 v 一2 0 0 v 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 整定误差 电流、电压整定值不大于士5 时间整定值误差不大于2 0 m s ( 3 ) 精确工作采样范围 电流：0 1 i n 一2 0 i n 电压：2v - 一2 0 0 v 2 2 2 开关智能控制器的遥测性能要求 电压电流遥测精度为l 级。 有功功率、无功功率精度为2 级。 2 3开关智能控制器的技术核心 开关智能控制器的技术核心主要为以下几个方面： ( 1 ) 当线路发生故障时，开关智能控制器应能可靠启动保护并执行跳闸，如 何快速可靠的判断故障并启动保护后快速的切除故障是开关智能控制器的最主要 核心技术。本文开发的开关智能控制器将传统的用继电器和接触器设计的开出回路 控制改为采用i g b t 作为开出回路的控制器件，可以精确的控制开出时间，为断路 器的智能化控制提供了条件。 ( 2 ) 传统断路器经过长时间的运行后，因天气等户外因素的影响，断路器往 往会在需要动作的时候发生拒动，这在电力系统中是绝对不允许的。传统断路器中 普遍使用的辅助开关以及接触器控制系统在一定程度上存在了拒动的可能性，在断 路器中采用非接触式磁敏开关代替传统辅助开关可大大降低拒动的可能性，保证断 路器的正常运行。 ( 3 ) 通过对断路器电寿命和机械寿命的在线监测，可提高断路器的状态监测 水平，提高断路器的预报警能力。 ( 4 ) 如何比较准确的监测短路时的电流有效值是准确计算断路器电寿命的前 提，针对当前断路器采集电流普遍采用电磁式电流互感器而存在磁饱和的问题，本 文选用最大差值算法计算断路器的开断短路电流，通过n i b 结合真空度修正因子来 计算断路器的电寿命。 ( 5 ) 传统的断路器控制系统只会机械的执行分合闸命令，本文开发的智能控 制器将综合各种信息以后，通过逻辑判断，最终执行断路器的分合闸操作，保证断 路器的可靠动作。 ( 6 ) c a n 总线技术的迅速发展以及通讯需求的不断提高，采用c a n 总线构成 l o 华北电力大学硕士学位论文 的可通讯智能化开关控制系统优于现在广泛采用的r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 通讯方式。 2 4 开关智能控制器的总体结构 开关智能控制器作为一个独立的智能设备，由核心模块c p u 控制器、保护开出 回路、电源回路、开关量输入回路、模拟量采集回路、报警信号回路、各种传感器 回路以及各种附件组成，其总体结构如图2 1 所示。 阚墼信县蜡恤i i 磐妯年粕掘饴i r 霄。扁弓俣狄1 1 i 瓴地于明猓作l 通讯接口 保护 开出 回路 模拟量采集回路 - 开关智能 1 0 k v 永 磁真空 控制器断路器 本体 电容 - 开关 量输 入回 f 路 分合 闸电 整流桥l 容电 压监 f 各种传测回 感器监 路 测回路 遥控器接收模块 干式变压器 图2 1开关智能控制器的总体结构图 核心模块c p u 控制器需要完成开关智能控制器的主要功能，如模拟和数字信号 的测量、逻辑计算、故障判断、保护动作信号输出和通讯处理。 保护开出回路：为执行经过c p u 判定为线路发生故障时的发出开出动作信号回 路。 电源回路：为开关智能控制器提供工作电源，将线路上获取的线电压经过干式 变压器以及整流桥后给电容充电。 开关量输入回路：检测各种开关状态信号以及分合闸电容电压信号。 模拟量输入回路：完成对保护电流及其计量电流和电压的采集，为保护判断及 遥测计算做准备。 各种传感器回路：主要包括断路器本体温度传感器监测，分合闸线圈监测回路， 华北电力大学硕士学位论文 弹簧压力传感器回路，真空泡真空度监测回路等。 报警信号回路：主要包括自检故障报警、分合闸电容电压报警、事故报警、闭 锁报警、电寿命和机械寿命预报警。 其它附件主要包括就地遥控分合闸电路，就地电动分合闸电路及其相关的指示 灯信号回路。 由于开关智能控制器安装在户外，机箱外壳受酸雨等的腐蚀较严重，因而机箱 外壳采用耐腐蚀的不锈钢材料做成。 2 5本章小结 本章详细介绍了开关智能控制器的功能要求、性能要求以及技术核心，并根据 这些功能要求给出所设计开关智能控制器的总体结构。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章开关智能控制器的硬件系统设计 开关智能控制器的硬件部分是整个控制系统的基础，其性能的好坏对控制系统 控制功能的实现至关重要。由于本系统所控制的设备运行于1 0 k v 馈线上，一旦硬 件发生故障所带来的危害是很大的，同时它自身的工作环境也是较为恶劣，因此在 硬件的设计中应该非常注意它的抗干扰性和可靠性。 3 1开关智能控制器的硬件系统结构 图3 1 为开关智能控制器硬件系统结构图，系统采用双c p u 体系结构，按功能 划分为2 大模块：保护c p u 模块和测控c p u 模块。保护c p u 模块采用1 6 位高性 能数字信号处理器( 型号为d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a ) ，测控c p u 模块也采用完全一致的c p u 型号。保护c p u 模块主要完成保护电流数据的采集、故障判断和保护开出等开关智 能控制器核心功能。而各种网络通讯、就地调试通讯、遥测量的采集、断路器电寿 命和机械寿命的计算以及其它外围事务均交给测控c p u 模块进行处理。这样就把保 护和测量通讯相分开，一方面使保护c p u 模块只专心的完成保护的逻辑判断和实时 数据的采样分析，最大限度的提高保护运行的可靠性和实时性。另一方面测控c p u 模块完成四遥功能和人机接口等后台调试功能。双c p u 之间通过s p i 串口通讯相互 联系，方便了两c p u 之间的协调和控制。预留l 路c a n 接口，方便用户接入c a n 总线完成与主站的通讯，预留1 路2 3 2 接口，用于完成现场调试功能。 2 路计量宅藏互t l 2 路计量钱电医 c i | 屯v 西) 6 盛开出l 啦秀入i l 一一一一一一一一。一一。一。一一j 图3 1 智能控制器系统结构图 1 3 、， 一 - 一 - 一 -_ 一 _-_ 一一 -_ - -_-_ _ - -_-，-i-o- p。ll 华北电力大学硕士学位论文 保护c p u 模块和测控c p u 模块均采用d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 数字信号处理器，它具有 以下性能特点： ( 1 ) 高性能改进型r i s cc p u 改进型哈佛架构，c 编译器优化指令集，零活的寻址模式，8 4 条基本令，2 4 位宽指令，1 6 位宽数据总线。 最多1 4 4k 字节的片内闪存程序空间，最多4 8 k 的指令字，最多8 k 字节的片内 数据r a m ，最多4 k 字节的非易失性数据e e p r o m 。 1 6 x 1 6 位工作寄存器阵列，高达3 0 m i p s 的工作速度，d c 至4 0 m h z 夕b 部时钟输 入，4 m h z 1 0 m h z 振荡器输入，带p l l ( 4 倍频、8 倍频和1 6 倍频) 。 多达4 1 个中断源，8 个用户可选择的中断优先级，5 个外部中断源，4 个处理器 陷阱。 ( 2 ) d s p 功能 双数据取，模寻址和位反转寻址模式。 两个4 0 位宽累加器，具有可选的饱和逻辑，1 7 位x 1 7 位单周期硬件小数整数 乘法器。 所有d s p 指令都是单周期的，乘法，累加( m a c ) 运算，单周期+ 1 6 位移位。 ( 3 ) 外设功能 高灌拉电流i o 引脚：2 5 m a 2 5 m a 。 5 个1 6 位定时器计数器，可以把1 6 位定时器配对形成3 2 位定时器模块。 1 6 位捕捉输入功能，1 6 位比较p w m 输出功能。 数据转换器接口( d c i ) 支持常见的音频编解码器协议，包括1 2 s 和a c 9 7 。 3 线s p i 模块( 支持4 帧模式) ，1 2 c 模块支持多主器件从模式，支持7 位1o 位寻 址；两个可寻址的、备具f i f o 缓冲器的u a r t 模块；两个c a n 总线模块，与c a n 2 0 b 标准兼容。 ( 4 ) 模拟功能 1 2 位模数转换器( a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) ，具有2 0 0 k s p s 转换速 率，多达1 6 个输入通道。 可编程低压检测( p r o g r a m m a b l el o w - v o l t a g ed e t e c t i o n ，p l v d ) ；可编程欠 压检测和复位产生。 ( 5 ) 特殊单片机功能 增强型闪存程序存储器：对于工业级温度范围，最少擦写次数1 万次，典型擦 写次数1 0 万次。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 数据e e p r o m 存储器：对于工业级温度范围，最少擦写次数l o 万次，典型擦 写次数1 0 0 万次。 软件控制下，可自行再编程。 上电复位( p o w e r o nr e s e t ，p o r ) 、上电延时定时器( p o w e r u pt i m e r ，p w r t ) 以及振荡器起振定时器( o s c i l l a t o rs t a r t u pt i m e r ，o s t ) 。 零活的看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ，w d t ) ，片内带有低功耗r c 振荡器， 以便可靠的工作。 ( 6 ) c m o s 技术 低功耗高速闪存技术，宽广的工作电压范围( 2 5 v 至5 5 v ) ，工业级和扩展级 温度范围，低功耗。 开关智能控制器为了保存数据、事件和定值等参数，选用了a t m e l 公司生产 的，接口为1 2 c 的2 4 c 2 5 6 型号的串行e e p r o m ，其存储容量为3 2 k 字节数据。 时钟芯片选用r x 8 0 2 5 ，该芯片是日本e p s o n 公司生产的内置高精度调整 3 2 7 6 8k h z 晶振的1 2 c 总线接口的实时计时器，具有6 种中断功能、2 个系统的闹 钟功能和时钟精度调整功能，保证事件记录时间的准确性。 e e p r o m 和r x 8 0 2 5 在接口上都采用1 2 c 接口，大大简化了系统的硬件设计。 接口电路原理图如图3 2 所示。 图3 - 2e 2 p 和时钟的1 2 c 接口电路 利用d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 本身具备的s p i 接口，在开关智能控制器设计中，保护 c p u 模块和测控c p u 模块之间的通讯采用s p i 接口。本文设计保护c p u 模块为主 机，测控c p u 模块为从机，从机通过s p i 接收中断来接收主机发送的数据，完成通 1 5 华北电力大学硕士学位论文 讯。连接示意图如图3 3 所示。 p 一一一。一一。一一。一一一一一一。一r 一。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ： 嗣生- 件 ： 蜊扶器件 ： i晒u 静i f麟i s b i 一p 翌苎l _ 一脚 ； ： 妊理薯 ：赴理- 2： 图3 3 双c p i j 的s p i 接口示意图 3 2 数据采集电路设计 3 2 1 模拟量输入及转换 开关智能控制器的模拟输入端的电压电流信号均来自一级电压互感器和电流 互感器，一级电压互感器p t 变比在配电馈线上一般配置为1 0 k v 1 0 0 v ，电流互感 器的c t 变比一般为1 0 0 a 5 a ，所以在开关智能控制器上配置的二级电压互感器和 电流互感器必须和一级电压互感器和电流互感器相配合，为了准确、快速地反应出 电网的运行状态，要求该部分电路必须保证很高的线性度。 保护c p u 侧模拟量采集只有2 路保护相电流( i a 、i e ) ，测控侧模拟量采集包 括2 路计量相电流( i a 、i e ) 、2 路计量线电压( u a b 、u e b ) 、6 路分合闸线圈电流( 1 分、i 合) 、3 路弹簧压力信号、3 路真空泡霍尔输出信号。由于开关智能控制器既 要进行保护故障电流的识别计算，又要进行遥测数据的计算，所以在p t 、c t 的选 取上一定要保证足够的精度和线性度。本文研发的开关智能控制器采用申科自动化 仪表有限公司的电流变换器和电压变换器。其中保护用电流互感器的c t 变比为5 ( 1 0 0 ) a 5 m a ，0 5 级精度，负载电阻为1 5 欧姆；计量用电流互感器的c t 变比为 5 ( 1 0 ) a 5 m a ，0 1 级精度，负载电阻为1 5 0 欧姆。负载电阻均采用o 1 级高精密 电阻；计量用电压互感器的p t 变比为1 0 0 v 1 v ，0 1 级精度。 电力系统控制设备所处的场合是一个比较恶劣的环境，其电磁干扰非常严重。 在这种场合下，原始信号幅度越大，其受噪声干扰的影响也就越小。本文中采用的 a d 转换量程为0v 5 v ，转化为双极性则相当于一2 5 v 一+ 2 5 v ，一般在设计电路 时都会考虑设计为系统实际最大电压a d 量程的6 0 ，这样即满足a d 转换芯片的 可靠输入又满足实际发生故障时的正确采样。对于保护电流，一般电力系统考虑故 1 6 华北电力大学硕士学位论文 障最大电流为2 0 倍额定电流，2 0 倍数由一级电流互感器决定，所以5 ( 1 0 0 ) a 5 m a ， o 5 级精度，负载电阻为1 5 欧姆的保护c t 在最大电流下的负载输出电压为1 5 v ， 正好是满量程的6 0 ，计量c t 和计量p t 的设计原理类似于保护c t 的设计。 由于模拟量进入a d 通道的转换量程为0 v 一5 v ，是单极性的，而实际电压电流 模拟量为双极性，所以有必要把双极性的模拟信号转换成单极性输入。在硬件上本 文采用了a d 公司的a d 5 8 0 芯片产生标准的2 5 v 基准电压，通过l m 3 5 8 将模拟量 抬高2 5 v 电压，这样就有效的保证了进入a d 转换的范围在0 v - 5 v 之内。模拟量 通道上增加两级r c 滤波，由于本设计每周波采样3 6 点，采样频率为1 8 0 0 h z ，为 了消除频率混叠，根据香浓采样定理，将低通滤波器的截止频率设计为9 0 0 h z ，经 滤波后进入采样保持器，图3 - 4 为模拟量输入原理图。 图3 4 模拟信号输入回路电原理图 3 2 2 弹簧压力传感器输入回路 在断路器本体上安装弹簧压力传感器的目的是监测当断路器完成合闸操作后， 为了保证可靠合闸。规程规定在完成触头开距行程后，断路器还必须完成一定距离 的超行程，使得合闸触头之间具有一定的压力，以降低合闸后触头之间的接触电阻。 本文中断路器本体在合闸完成后，超行程的距离为3 m m ，需要产生2 0 0 0 n 左右的合 闸触头压力。因此，通过加装压力传感器来获知合闸完毕后弹簧中是否具有2 0 0 0 n 的压力来测量出当前合闸到位的情况。 由于弹簧压力和弹簧的压缩行程之间是简单的正比数学关系，因此通过测量压 力的大小也就可以间接测量超行程的完成距离。 如图3 5 显示了弹簧压力传感器在断路器中的安装位置。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 习叠 j 臣 4e ，郴驯l 图3 - 5 压力传赙器安装位置示意图 本文选用蚌埠金诺传感测控工程有限公司定制生产的j h a s 型半导体系列荷重 传感器。该传感器的压力测量范围为0 - 3 0 0 0 n 二次输出电压信号为0 - 4 v ，工作温 度范围在一3 0 c 8 0 c ，因此满足了断路器本体的测量需要。输出的电压信号直接与 单片机的a d 模拟量转换口连接，完成对弹簧压力的监测。 323 分合闸线圈电流传感器输入回路 测量真空断路器操作机构起动时刻应根据分、合闸线圈中电流的有无而定，因 此对线圈电流信号的在线监测为真空断路器合、分闸起始时间的精确计算提供必要 的前提条件。真空断路器在每次合、分闸过程中，线圈的电流随时间变化变化波 形中蕴藏着极为重要的信息。线圈电流曲线可以反映的状态有铁心行程、铁心卡滞、 线圈状态( 如匝间短路) 、合( 分) 闸线圈的辅助节点状况与转换时间。通过对合、分闸 操作线圈动作电流的监测，可以大致了解断路器一次控制回路的工作情况及机械操 动机构状况等，为检修提供一个辅助判据。考虑到所检