（电路与系统专业论文）配网故障隔离控制器的研究与开发.pdf

摘要 故障隔离控制装置是电力系统可靠运行的重要保障，广泛使用在供电系统 上，以监测电力系统运行状态、记录和显示故障参数、控制开关嚣工作等。 基于目前国内和国际上故障隔离控制装置的技术现状，针对我国电网运行及 装备的特点，本文提出了一种适用于供电系统的新型故障隔离控制装置的设计方 案。该方案中提出了一种新型核心控制逻辑结构，这种结构能够有效地判断、隔 离故障，解决了合闸合到故障上时系统动作的方法，实时显示系统状态、故障参 数和故障位置，硬件提供电源转换，在系统断电前能够可靠保存系统状态，并能 在系统上电后自动恢复系统状态，具有智能程度高、动作迅速、灵敏度高、可靠 性高、可扩展性强、成本较低且简单易行等特点。本设计中核心控制逻辑采用 c p l d 实现，有效地增强了设备的抗干扰能力，同步了输入输出、拓宽了系统的 工作频率范围，并且使设计具有很好的可移植性。 硬件实验和软件仿真结果表明，该方案实现了设计目的并在保证功能的基 础上提高了部分性能，降低了成本，是一种可行的故障隔离控制装置实现方寨。 本文阐述了故障隔离控制装置的设计方法，c p l d 的编程基本流程和原则， 硬件实现方案的选择，系统整体工作原理以及设计中所遇到的问题和相应的解决 _ 方法。 关键词：配电网，故障隔离，断路器，分段开关，联络开关，c p l d a b s t r a c t t h ef a m ti s o l a t i o nc o n t r o l l e ro ft h ee l e c t r i f i e dw i r en e t t i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r k si nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e me n s u r i n gt h ec r e d i b i l i t yo f t h et r a n s m i t t i n gn e t w o r ki ti sb e i n g w i d e l yu s e di nt r a n s m i t t i n ga n dd i s t r i b u t i n gt h e e l e c t r i cp o w e r , e x a m i n i n gt h eo p e r a t i n gs t a t u s ， r e g i s t e r i n ga n dd i s p l a y i n gt h ep a r a m e t e r so fp o w e rf a i l u r e a n dc o n t r o l i n gt h em o v e m e n t so ft h e s w i t c h e s o nt h eb a s eo ft h ed e v i c e gc u r r e n t l yu s e di nt h ee l e c t r i cp o w e r t r a n s m i t t i n gn e t w o r ki nt h e w o r l d = an e wa u t o c o n t r o li n s t r u m e n to ft h ef a u l ti s o l a t i o nc o n t r o l l e r1 s d e s i g n e dt o s a r i s 如t h e r e q u i r e m e n t so ft h ec h i n e s ep o w e rs y s t e m t h ek i n do fn e wa u t o c o n t r o ll o g i cs l r a c t u r e su s e di n i t sj u d g m e n tp a r th a sh i g ha p t i t u d e ，j u d g m e n tc r e d i b i l i t ya n d d e l i c a c y , f a s tr e a c t i o n , l o wc o s ta n d e a s ym a l i z a r i o n , w h i c hc a ne f f e c t i v e l yj u d g ea n di s o l a t et h ef a i l u r e ，a n dd e a lw i t ht h ec o n d i t i o n t h a tt h ea r e ao ff a i l u r ep o w e ro na g a i ni tc a l la l s os a v et h ed a t ab e f o r e p o w e r f a i l u r ea n dr e c o v e r t h es t a t u so ft h es y s t e ma st h ep o w e ro n u s i n g c p l d t e c h n i q u e i nt h ec o r ec o n t r o l l o g i cd e s i g n ，t h i s i n s t r u m e n th a s b e t t e r a n t i - j a m m i n g , s y n c h r o n i z e di n p u t sa n do u t p u t s ，w i d ew o r kf r e q u e n c ya n db e m g r e p l a n t a b l e p a r t i a lh a r d w a r et e s ta n ds o f t w a r es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h es u c c e s so f t h i sd e s i g n ，w h i c hc a n r e a l i z et h eb a s i cf u n c t i o na n d p r o m o t es o m ep e l f o z r n a n c eo ft h ef a t f l ti s o l a t i o nc o n t r o l l e rw i t ha l o w e rc o s t i nt h et h e s i s ，t h ed e s i g no ft h ef a u l ti s o l a t i o nc o n t r o l l e ra n d t h eb a s i cp r i n c i p l eo fc p l da r e e x p a t i a t e da n d ，i ti s a l s od i s c u s s e di nd e t a i lh o wt oc o p ew i t ht h ep r o b l e me n c o u n t e r e di nt h e d e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c ha tt h e8 a r a et i m e ，t h es i m p l ei n t r o d u c t i o no nt h ed e s i g nt o o la n dh d l i ss h o w ni nt h ep a p e r , t o o k e y w o r d s ：t h ee l e c t r i f i e dw i r en e t h n g , t h ef a u l ti s o l a t i o n ，s w i t c h e ，s u b s e c t i o nb r e a k e r , l i a i s o n b r e a k e lc p l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进厅的研究工作和取得的 - 研究成果，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，也不包含为获得丞鋈盍堂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；签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼盍堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复献手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 f 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文怍者签名： 签字日期：卯妒年 寻师签名 签字日期：沙蚰z 年。月喝日 二瓯0滕 日 砬夕 锣蝴 第一章绪论 第一章绪论 现代社会离不开电。目前，我国电能占终端能源消费的比率大约为1 1 2 ， 这个比例还在以每年o 7 o 8 的速度增长。图1 - 1 中画出了用电率随着年代 变化的情况。正如图中所示，各个家庭、产业及社会的用电量，年年增长。年人 均用电量如图1 2 所示，从图中可以看出，人均用电量正在以每年1 5 2 0 的 速度增长。由此可以推测，电力负荷将以每年2 0 2 5 的比例飞速增长。 圈1 - i 电能占终端能源消费的比率 i 拭砧f 一 塞e 三孑 5 卜一= 裔一 举出l ，耐出点燃：t ， 圉1 - 2 年用电量 因为电能不能储存，所以为 了达到对增长负荷的供电平衡及 控制功率的潮流。提高供电的可 靠性，电力部门在全国范围内建 立了连接发电厂到用户的输配电 网。这就构成了电力系统。电力 系统作为支撑现代社会的基础， 具有举足轻重的作用。 安全可靠是电力系统运行中 的首要任务。因为供电中断将导 致生产停顿、生活混乱，甚至危 及人身和设备安全，造成严重的 经济和政治损失，所以电力系统 的设计和运行必须满足供电可靠 性的要求。 电力系统中最常见也是最危 险的故障是各种形式的短路。各种短路会产生大于额定电流几倍到几十倍的短路 电流，同时使系统的电压降低。其后果可能会导致烧毁或损坏电器设备，破坏用 户工作的连续性、稳定性或影响产品的质量，严重者可能破坏电力系统并列运行 的稳定性并引起系统振荡，甚至使系统崩溃。 电力系统中电气设备的正常工作遭到破坏，但并未发生短路故障，这种情况 属于不正常运行状态。例如，设备过负荷、温度过高、小电流接地系统中的单项 接地等。 故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故。对于电力系统应采取 子种措施减少或消除故障。当故障一旦发生时，必须将故障设备迅速切除，恢复 王常运行；而当系统出现不正常运行状态时要及时处理，以免引起设备故障。 故障隔离控制器的作用是在电力系统中发生故障和不正常运行状态时，通过 测量电流、电压、频率的升高或降低，能在极短的时间里做出判断，向有关部分 的断路器发出指令，切断故障，把故障部分限制在系统的最小的范围内。被切断 区间的设备，可以是线路、母线，或其他设备等。此外，还有测量电压的电压互 感器测量电流的电流互感器。 技术上，一般用如下几个指标来衡量故障隔离控制器的自动化程度： 1 ) 选择性：是指故障隔离控制嚣动作时，仅将故障区间从电力系统中切除， 使停电范围尽量小，以保证系统中非故障部分正常、安全运行。 2 ) 速动性：是指故障隔离控制器应尽可能快地断开故障区间。故障切除时 第一章绪论 司等于故障隔离控制器和断路器的动作时间之和，根据我国电力系统统 计，这个时间目前一股为0 1 2 o 2 7 秒。 3 ) 灵敏性：是指故障隔离控制器对其保护范围内的故障或不正常运行状态 的反应能力。 4 ) 可靠性：是指在规定的保护范围内发生了故障，故障隔离控制器应该做 出反应时。保护装置应可靠地工作( 即不拒动) ，而在不属于该故障隔离 控制器动作的其它任何情况下，不应该误动作。 就以上四个指标而言，目前国内电力系统中故障隔离控制器的自动化程度还 较低。例如：在选择性方面，国内的故障隔离控制器一般能够切断故障区域供电， 但并不能有效地隔离故障区域，往往使故障区域周围较大范围内长时间停电，并 且要有人为干预才能恢复供电，隔离故障；在灵敏性方面，国内的故障隔离控制 器灵敏度较低，尤其是对小电流短路接地反应能力较差； 同时，国内的故障隔离控制器系统一般只包括测量部分、逻辑部分和执行部 分，原理框图如图1 - 3 所示。当系统出现故障，跳闸掉电之后，系统状态全部丢 失，人工合闸之后，系统状态只能由操作人员重新设置。 目前，国际上发达国家正在使用的故障隔离控制器的自动化程度也不高。主 要由于这些国家的电力系统设施较为完善，技术较为成熟，电力系统员工的技术 水平也较高，因而在故障隔离控制器的自动化程度不高的情况下仍能够保持较短 卅鹪喵” 罾 整定值 图l _ 3 国内现有继电保护装置原理框图 图1 - 4 各国的年停电事故时间 年平均停电时间，如图1 - 4 中所示。从图中可以明显 看出，日本年停电时间仅 为5 分钟左右，法国、英 国、美国等国家年停电时 间也均小于1 0 0 分钟，一般 为l 小时左右，面我国的 年停电时问一般在每年3 5 小时以上。同时，我国的 电力系统设施、技术尤其 是员工的技术水平与上述 国家相差太多，所以迫切 需要一套自动化程度较高 的故障隔离控制器来缩短 年停电时间。 本文中提出了种适 用于供电系统的自动化程 度较高的故障隔离控制器 的设计方法，这种方法与目前国内和国际上同类设计相比较，具有如下突出优点： 1 ) 选择性很强：本设计能够迅速切断故障，并通过自动重合闸( 重合闸 次数1 3 可选) 实现对故障区域的隔离； 2 ) 动作反应快：旦系统出现故障本控制器会立即判断故障状态，作 出相应反应( 如跳闸等) 。然后，在延迟一定时间之后再次重合闸， 如果系统中有故障，则故障点处的开关器进入闭锁状态，将故障隔离， 非故障区域仍能安全运行； 3 ) 有状态记录功能：能够在故障发生时记录系统状态，如：故障参数， 第一童绪论 一 一 系统当前状态等等，以便在下一次重合闸的时候，无需人工介入，便 能恢复系统状态，实现完全复位； 4 )对开关器的要求低：以往的故障隔离控制器中要求每一个开关器都必 须具有断流能力，即开关器只能是断路器或重合嚣，这样成本很高。 本设计中并不要求每个开关器都有断流能力，开关器还可以是隔离开 关、负荷开关、熔断器等； 5 )灵敏度商：本设计中带有精确的记忆和延时模块，并且根据实际情况 设置了全局调整功能，可以根据开关器在供电系统中所处的实际情况 来调整，以精确地反映系统状态； 6 )价格优势大：由于本设计方法是在原有供电系统的开关器上附加控制 板，不需要大规模地拆除或更换现有系统设备，所以在设计成本上也 具有绝对的竞争优势； 7 )可靠性高：本设计的各个部分均经过最坏情况下的周密仿真和调试， 并且在器件的选择上充分考虑稳定性和抗干扰问题，能够应付运行中 的突发性问题和极端情况，并且随着运行时间的增长系统性能不会有 显著下降； 8 )可扩展性强：本设计中采用c p l d 器件设计核心逻辑控制部分，因而 方便了系统功能的扩展和调整。 本故障管隔离控制器与断路器做在起将形成的最终产品( 称为“配网故障 隔离开关”) 的设计充分考虑到电网运行人员的情况，充分体现人陲化设计，该 配网故障隔离开关技术优势主要有： 1 型号不分：统一为一种型号。无论装在线路首端、中间、支线或联络点的位 置上，都是同一种型号，因此互换性强，增减性强；开始是辐射线路，以后 发展成手拉手，甚至是多联络的复杂网，控制嚣均能适应，不存在升级的二 次投资问题； 2 负荷不问：隔离故障开关在线路上的安装不需要逐个核定负荷，由于采用新 方法，它不会动作于过载和涌流，因此开关可安装于线路的任何位置； 3 开关不择：无论是其备断流能力的断路器( 油介质、s f 6 、真空等) 还是不 具备断流能力的负荷开关均可适用；无论是室内变电室、箱式站的开关还是 室外的柱上开关，均可适用； 4 动作不慢：控审器故障掉闸时间为o 2 秒和o t 秒，对变电站原保护( 一般为 0 3 秒) 而言，一方面减轻对变电站开关和网络的故障冲击，也使原保护成为 控制器的后备保护。两者不存在配合问题； 5 整体不散：由于结构设计适应性强，控制嚣既可装在开关内，也可装在开关 外，还可装在操作机构内等。和开关形成一个整体。避免现场安装的麻烦和 可能出现的错误。非整体结构的控制器连接线，既容易受损，还需登杆造成 不便。( 美、日均分装) 6 电池不用：由于采用新的供电方式无需蓄电池； 7 故障隔离开关可解挟线路灵敏度不够的问题； 8 故障隔离开关减少变电站配电线开关的遮断负担，延长其运行寿命； 9 故障隔离开关可返回安全信息，在发展成集中控制时，可极大地减少控制点。 配网故障隔离开关除了其技术优势外，还在于其经济优势。国外的重合嚣价 格约为l l 万元，屠外技术、国内生产的价格约为7 万元，故障隔离开关的价格 为5 3 万元。其成本低廉的经济优势是明显的。 第一章绪论 综上所述，从一段较长的时期来讲，采用配网故障隔离开关是恰当的，它既 是相对先进的技术，也不阻碍迸一步进行技术升级，更不存在二次投资问题。 本文大致按如下结构描述： 第一章：绪论一一简要介绍目前国内故障隔离装置发展现状及本文中所述设 计方法的科研价值； 第二章：故障隔离控制器的基本原理及功能简要介绍该控制器的故障处 理逻辑； 第三章：故障隔离控制器总体结构设计提出该控制嚣的多种实现结构， 并对之进行比较选择； 第四章：故障处理核心部分的c p l d 实现详细介绍本设计中故障处理逻 辑的设计方法、实现方案选择和结构组成，以及本设计项目中的创新之处； 第五章：单片机与遥控器通信部分的实现一一简要介绍了单片机与遥控嚣 通信接口规程设计； 第六章：故障隔离控制器的其它硬件组成一一介绍调整电路、控制电路及电 源管理部分的原理和实现； 第七章：c p l d 开发技术及工具简介一一简述c p l d 的设计流程、保证c p l d 设计可靠性的规则及其在本项目中的应用以及c p l d 设计的优化技术； 4 第二章故障隔离控制器的基本原理及功能 第二章故障隔离控制器的基本原理及功能 2 1开关分类 由于本故障隔离控制器控制的对象为配电干线中的断路器( 开关) ，因此其 工作与断路器类型及状态有关，标志断路器类型和状态的参量主要有： 1 开关类型：断流月 断流 断路黯在通过短路电流的情况下突然断开时，在它的动、静触头之间会产生 电弧。在输电系统中，由于设备新旧不一，型号不同，有些断路嚣使用年限较长 若在短路情况下分闸，电弧的作用可能使断路器无法立即断开，造成异常，产生 的电弧甚至会对设备造成损伤。因此，将这些设备设定为非断流开关十分重要。 所谓非断流开关指的是仅当无故障电流时方可分闸的开关。当有故障发生，即有 短路电流时，非断流开关的判断逻辑使其分闸( 断开) 动作稍慢于断流开关，这 样断开动作发生时已无短路电流，也就避免了电弧的产生。 2 开关状态：联络分段 断路嚣在工作时可作为联络开关或者分段开关。当出现故障点时，处于不 同位置的开关需要有不同的动作。分段开关在探测到两端电压不等，即一侧有电 压、一侧无电压的时候，马上进行电机储能，并在1 0 秒( 含开关机械动作时间) 以后进行合闸动作。而联络开关若遇电压不等的情况下，需等待一段时间( 设计 为3 0 3 0 0 秒可选择) ，再进行判断。由于故障出现后的延时时间不同，可以自 动按预先设置好的供电顺序进行合闸动作。联络开关在一定条件下可自动转变为 分段开关，而分段开关变为联络开关需手动设置。如图2 - 1 ，在该线路中，a 0 段由变电站a 供电，段q b 由变电站b 供电，q c 段由变电站c 供电。其开关 设嚣如图所示。而当开关3 和4 之间有故障时，分段l 分段3 仍然由变电站a 供电，分段4 和分段5 的用电则改由变电站b 或c 供电。若b 优先级高于c ， 则其供电由变电站b 供电，同时联络开关l 自动转变为分段开关。 图2 - 1 简单的配电线路 逝啪c 逝鹬。 3 开关类型：重合，j e 重合 输电线路中，一个断路器的一侧有电压，一侧无电压，此时开关类型如为可 重合，则自动记录时问，并在一定时间后进行合闸动作；如设为非重合，则断路 器分闸后不产生合闸信号，只有手动才能合闸。另外，在本次设计中，又将是否 重合分为向左重合月e 重台、向右重合月 重台重合时间也可分别设置6 s 1 0 s 。 4 开关状态；解锁，闭锁 根据断路器的组成原理，可知断路器的合闸动作是靠一个弹簧势能的释放提 供的。当断路器- - n 有电压，另一侧无电压时，利用这个电压差的逻辑控制直流 电机拉起弹簧，储存势能。状态解锁闭锁即是表示此弹簧是否能够储能( 积蓄 第二章故障隔离控制嚣的基本原理及功能 势能) 。当开关处于解锁状态，可启动电机使弹簧储能；当开关处于闭锁状态， 即使存在电压差，也不启动电机使弹簧储能。这样就控制了开关是否可以具有自 动合闸的能力。通常断路器开关为解锁状态，当遇到故障时，系统发出闭锁信号， 开关闭锁，必需人工解锁。 5 开关状态：分闸，合闸 即断路器当前状态，这个状态不是预先设置的。此信号会反馈到控制逻辑输 入端，用于判断下一时间开关应该执行的动作。 2 2 控制器对断路器实施控制的基本规则 控制嚣对断路器实施控制时，断路器的动作应符合以下的基本规则： 曾经发生过流( 有记忆) ，现在欠压，2 0 0 m s 内跳闸； 一侧有电压，另一侧无电压( 遵守异或规则) ，1 0 s 合闸； 合到故障上( 过流或过流欠压) ，l o o m s 跳闸，且闭锁； 人为预置成联络开关时，仍然遵守规则( 异或规则) ，但其动作时间以 分钟计( 与规则有区别) ，并且当合闸到故障上时，l o o m s 跳闸( 遵守规则， 但并不闭锁) ，跳闸后恢复到原来的层面。 2 3 控制器对断路器的控制过程 图2 - l 为简单的配电线路。在该线路中，变电所a 为a q 段供电，b 为。b 段供电，c 为q c 段供电。 将线路a q 、q b 、q c 分别进行分段设置，如图2 1 所示，注意分段开关处 于常闭状态，而联络开关处于常开状态。其控制过程描述如下： ( 1 ) 假定将各个断路器按如上所示类型设置，系统运行正常。 ( 2 ) 假定在分段3 相分段4 之间突然发生故障，发生过流( 系统有记忆) 、欠 压，满足规则，那么分段l 分段3 立即跳闸( 实质上发生故障到跳闸完成耗 时2 0 0 m s ) 。而分段4 和分段5 并不跳闸( 因为它们虽有欠压但无过流) ，但随着 分段1 分段3 的跳闸，分段4 和分段5 的供电停止。 f 3 ) 分段i ，分段2 由于依次满足规则而依次自动合闸，同时电机储能。接 着；分段3 也由于依次满足规则而依次自动合闸，但是此时由于分段3 合到故 障上，满足规则，那么在l o o m s 时间内完成跳闸( v 2逆潮流不重合功能不能合闸 v 2 v l逆潮流不重合功能不能合闸 8 ) v t v 2分段不能合闸 v 2 v 1分段不能合闸 v l v 2 或v z v i 手合h + ，i i m c + l o o m s 掉闸d + 闭锁 ( 合闸，储能电机不能输出)【手合故障】 9 ) 闭锁 闭锁应测定合闸永远不能输出，同时储能电机永远不能输出。 1 0 ) k 或i c + 后，停，( 使s 4 有记忆) v z + v t - ( v z v t ) 经时限送电v 1 + 【测量重合功能】 1 1 ) i 。或i c + v 1 或v z - 则d + i 。，i c 断，v l +v z - 然后时限1 0 秒后，合闸有输出h 十 合闸有输出后i 。，i 。+ v m ，v 。2 则经时限1 0 0 毫秒掉闸，闭锁d + b + 【测量闭锁功能】 2 、联络 1 ) v 1 v 2 或v z v 1联络 时限6 0 秒合闸h + 【测联络功能】 2 ) v i v 2 或v z v l时限6 0 秒合闸h ! a r i a 或h n c + 1 0 0 毫秒后d 十 联络转分段 【测联转分功能】 3 ) 联转分后i 。或i c - 时限6 秒合闸h + 【测联转分后重合】 4 ) 联转分后时限6 秒合闸h +i m a 或i m c + 1 0 0 毫秒掉闸d +闭锁b + 【测联转分后，合故障】 5 ) 双向调时限v l v z 或v z v l 调不同的时限( 如2 0 秒，6 0 秒等) 合闸 【测联络合闸时间】 3 、非断流 合闸状态 i 。或i 。+v l 或v 2 不掉闸d 分闸状态合闸h +i 。或i 。+ v m l ，v 。2 闭锁b + 不掉闸d 一 合闸状态k 或i c + v l 或v 2 不掉闸d 一秒后 i 。或i c 一掉闸d + 为了测试上述各项，专门设计了故障处理逻辑c p l d 芯片的电路，见图4 - 2 8 。 第四章故障处理部分的c p l d 宴现 这里用单片机模拟故障信号和断路器返回的状态。使用该测试电路，不仅能测试 发生故障后该芯片的各种反应，而且还可以对芯片进行各种设置以及可以读出芯 片中存储的状态( 可以在o u t d a t a 7 o 】管脚处测的) 。 图4 2 8 测试电路 笔五章单片机与遥控器通信设廿 第五章单片机与遥控器通信设计 对于单片机和遥控器之间的通信，专门设计了一套通信规约t 描述如下 、篙辫胬匈匈匈囡困困困巫妇亘l 起始位id o d li d 2 l d 3id 4 j d 5 l d 61 里! l 丝堕堡i 堑墨堡i 数据传输速率：1 2 0 0 b p s ；偶校验 二、报文格式 i固定报头( 6 8 h ) i地址低位( a d d r l ) 地址高位( a d d r 2 ) 固定报头l 6 8 h ) 数据长度( l ) 控制码( c ) 数据体( d a t a ) 校验和( c s ) 结束字符( 1 6 h ) 说明：数据长度l 表示数据体字节数；累加校验和c s 是从报头到校验和之前的 所有字节的累加。 三、控制码 d 7id 6 fd 5 id 4 | d 3i d 2 l d 1 d 0i 其中各位的意义说明如下： d 7 = 0 表示报文为下行报文；d 7 = l 表示报文为上行报文； d 6 = 0 表示红外通信；d 6 = 1 表示无线通信； d 5 、d 4 表示下设报文类型。具体如下 fd 5 d 4报文类型 0 0设置终端参数 1 0 1 查询终端参数 l 1 0查询终端数据 j 1 1待扩展 d 3 、d 2 、d 1 、d o 表示具体报文类型 对于属于上行报文的确认帧和否认帧控制码分别为f 8 h 、f c h 。 四、终端参数设置 踢d 2 d i d o 终端参数设置 0 0 0 0终端初始化 0 0 0 1 设置终端时钟 0 0 1 0 时钟终端通信地址 0 0 设置电流定值 0 1 0 0 设置电压定值 0 1 0 1设置大电流情况下的电流定值 0 1 1 0设置大电流情况下的电压定值 0 1 1 1 设置开关功能类型( 联络或分段) 1 0 0 0设置开关性能类型f 是番断流) l 0 0 1设置电机解、闭锁命令及开关跳、合闸命令 第五章单片机与遥控器通信设计 f 1 0 1 0设置跳闸时间( 凑2 0 0 毫秒) 1 0 1 1设置合到故障时间上的处理时间l 凑1 0 0 毫秒) 1 1 0 0 设置分段开关向左重合闸时间( 凑1 0 秒) ； 1 1 0 1 设置分段开关向右重合闸时间凄1 0 秒) 、 ； 1 1 1 0 设置联络开关向左重合闸时间j i 1 1 1 1 设置联络开关向右重合闸时间 终瑞初始亿 下行报文：主站一 终端 固定报头( 6 8 h ) 地址低位( a d d r l ) 地址高位( a d d r 2 ) 固定报头( 6 8 h ) 数据长度( l ) 控制码( 0 1 h ) 数据体( d a t a ) 校验和l c s ) 结束字符( 1 6 h ) 数据体： j d 7 j d 6 i 现 j d 4 i d 3 ld 2 d 1| d oj d o 表示硬件初始化；d - 表示进行参数区初始化；d ：表示进行数据区初始化 d 3 表示全部初始化 下行报文：主站一 终端 固定报头( 6 8 h ) 地址低位( a d d r l ) 地址高位( a d d r 2 ) 固定报头t 6 8 h j 数据长度( l ) 控制码ff s h f c h ) 数据体( d a t a ) 校验和( c 8 ) 结束字符r 1 6 h ) f c h ) ；如果终端接收主站发送来的报文正确，终端发送确认帧( 控制码为f g h ) 。 第六蕈欹障隔离控制器的萁它硬件组成 第六章故障隔离控制器的其它硬件组成 6 1 电源管理 本设计方案由于采用了新的无需蓄电池的供电方式，不仅降低了系统维护 的成本，而且减少了停电次数和停电时间。 6 1 1 问题的提出 前文曾提到对于如图6 - 1 所示的情况，发生故障联络开关1 合闸，并将转 变为分段开关，然后“合至q 故障上”，分段4 和分段5 “在1 0 0 m s 内合闸”。然而 控制器的电源供应取自高压电经过互感器降压、整流器整流及稳压后的输出，也 就是说只要分段4 和分段5 跳闸，则控制器的供电停止。解决此问题最简单的方 法是在设计中加入蓄电池。然而由于蓄电池不仅使用寿命有限，而且其本身维护 也比较麻烦；蓄电池的更换不仅要求工作人员爬杆高空作业，而且连该配网线路 供电也需停止，这样不仅增加了系统维护成本。而且配网线路停电违背了开发该 系统的初衷a 因此只要此问题不解决，将影响所有部分发挥其应有的作用。 一“堕卫_ 伍囵吨母斜殖 垣虱如匿 团 广1 旺貉斗叫分段叶 图6 - 1 简单的配电线路图 逐啪c 匹囵斗。 经过段时间研究与实践，试验成功采用电容出能的方法加以解决，当断路 器跳闸后用以向控制器提供暂时的电源。然而又出现了新的问题：电容为系统供 电时间最多也不超过1 0 秒，而分段4 和分段5 从跳闸停电到“合闸，的时间在1 分钟以上。 为了解决这一难题，专门设计了一套电源管理方案。 6 1 2 电源管理方案 电源管理方案的原理图如图所示： b 图6 - 2 电源管理方案 图中，a b 两端接高压电经过互感器降压、整流器整流及稳压器稳压后的输 出；继电器q 2 控制的开关f 记为q 2 ) 常闭于触点1 ；控制信号c o n 由故障信 号经过一定的逻辑后提供。其原理描述赂。 酌2 输入信号采集和产生电路 第六章故障隔离控制器的其它硬件组成 故障隔离器依靠分析断路器两端的电压及电流值的变化判断线路是否有故 障产生，因此，输入信号采集和产生电路部分完成的主要任务是测量断路器两端 电压及通过的电流值并通过整定值产生电路来得到核心控制逻辑所需的故障信 号。 6 2 1 输入信号采集和产生的工作原理 本设计中针对流过开关器的三相电压和电流中的两相进行采样，即：使用不 完全星形接线法。下面以电流采样为例说明这种接线方法能够遍历供电系统中各 种故障情况，示意图如图2 3 所示。 i a i c i o abc 图6 - 3 不竞全星彤接线法 图中只对三相线路中的a 相和c 相采样，采样后 输出电流量i a 和i c 。如果系统中存在短路故障，那么 共有六种可能。其中三种为a ，b ，c 三相中任何一相 对地短路，另三种为三相间任意两相短路。如果出现 任一相对地短路，从i a 和k 中均可反应出过流；如果 出现相闻短路，也可以从a 相和c 相的采样值中反映 出b 相的状态。所以，这种不完全星形接法可以完全 实现对系统电流故障的遍历。同理，采用同种接法的 、，1 和v 2 也能够遍历电压故障的全部情况。 实际上，在故障出现时，电流和电压是同时反应的，例如：如果出现接地故 障，在电流增大的同时电压也将下降，一般来讲电流上升到整定值之上，电压下 降到整定值之下。在本文中，将电流的采样信号经模数转换之后反相输入核心 控制逻辑模块，即：在核心控制逻辑模块中，电压和电流的输入信号高电平表示 系统运行正常，低电平表示系统处于故障状态。 欠压故障信号产生部分主要由电压变换器、整流滤波电路、比较器和整定值 选择电路组成，见图2 3 。输入电压为三相交流电的两相。 图6 - 4 欠压故障信号产生的原理图 v 1 。t v 2 a u l 电网用户线变压器两端为2 2 0 v ，5 0 h z 交流电，要求经变压器变为5 v 。 经必要的整流滤波，得到稳定的直流输出，当故障出现时，v 。即可正确反 映输入交流电的变化，当v i l 突降而低于事先确定的整定值时，比较器输出发生 变化( 正常状态为1 ，出现欠压时电压为0 ) ，产生逻辑判断部分需要的启动信号， 表示发生了故障，要求系统判断和动作。 过流故障信号产生电路由电流变换器、整流滤波电路、比较器、a d 转换 嚣组成，如图6 - 5 所示。输入为断路器通过的电流值。 第六奄故簿隔离控制嚣的其它硬件组成 图6 - 5 过流故障信号产生的原理图 ，t o u t i a 电流测量原理与电压测量基本相同。电流互感器输出电压与输入电流呈线性 关系，经整流滤波后的电压与基准电压比较。此处的基准电压由整定值选择电路 输出，输出基准电压与输入为线性关系。因为系统要显示事故电流以及要根据其 大小进行不同情况的处理，因此采用8 位a d 变换器a d 6 7 0 ，将、采样， 转变为数字信号输入到下级控制逻辑部分。比较器输出为二值信号( 有故障电流 时为0 ，正常为1 ) 。 测量部分的最终输出为v l 、v 2 ，i 。、i c ，电流采样值k 。、i c 。v l 、 v 2 ，l 、i c 为一位数字信号，表示是否欠压和是否过流，k 。、i c 。为8 位数字 信号，表示实时电流值大小。 6 2 2 整定值产生部分的工作原理 整定值产生部分主要用来产生供电系统状态的基准值，以供核心控制逻辑 判断系统状态，具体电路原理图如图6 - 6 所示。 + 钠 o5 o e d70g 图 4 整定值选择电路 图6 6 整定值产生的原理图 由于输电线上电压和用电设备上有压降，所以从变电所出来的电能经过输电 线的传输，电压逐渐降低，但由于采样部分变压器和互感器的初级和次级线圈的 比值固定，所以采样电压也在随着输电线长度的增加逐渐降低。因此，要求p c b 板上的基准电压能够随着输电线长度的变化进行调节。本设计中，由核心控制逻 辑控制，将电源提供的5 v 电压分压得到5 v - 的1 0 、3 0 、5 0 、7 0 、9 0 作为判断的基准电压，分压的选择电路由m a x 4 6 6 5 实现。m a x 4 6 6 5 是c o m s 形四路模拟开关，其导通电阻小于5 q 。同时，经分压计算，分压电阻的阻值f 如 上图所示) 均在千欧级，所以模拟开关的导通电阻相对于分压电阻来讲已经很小， 造成基准电压的误差可以忽略。基准电压与采样保护部分传输来的电压相比较， n 甚制旷 m 址勰看| ! 圮 第六章故障隔离控制器的其它硬件组成 产生系统状态的数字信息。 6 2 3 整定值产生电路的改进 上述整定值选择电路所能选择的整定值档位太少而如果要增加其档位必须 大量增加模拟开关和电阻的个数并重新确定电阻值。针对这种情况，重新设计了 该电路。主要选择两片具有二线串行总线接口的x 9 4 0 8 芯片来实现。下面首先 介绍该芯片。 x i c o r 公司的x 9 4 0 8 包含4 个1 0 k q 的电阻阵列，每个阵列包含6 3 个电阻单 元。每个阵列的物理终端等效于一个机械电位器的固定端( v h 和v l 输入端) 。 在每个单元之间和二个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。该抽头点实质上 一个连接到滑动输出端( v w ) 的c m o s 开关；而且在每个单独的阵列中，同一 时间只有一个开关可以接通。滑动单元在阵列中的位置由用户通过二线串行总线 接口控制。 每个电阻阵列均有一个滑动端计数寄存器( w c r ) 和四个6 位数据寄存器 ( r 0 r 3 ) 联系在一起，这四个数据寄存器可以由用户直接写入和读出。滑动端计 数寄存器的内容控制滑动端在电阻阵列中的位置。它可以被直接写入，或者也可 以通过把4 个辅助数据寄存嚣之一的内容传输到其中来改变其内容。而所有的数 据寄存器和w c r 都可以由主系统来读写。上电时数据寄存器r 0 中的内容将设 置到滑动端计数寄存器中。 x 9 4 0 8 支持双向总线的协议。这个协议定义任何器件，当它把数据送至总线 时为发送器。而当它从总线接收数据时为接收器。控制传输的器件是主机，而被 控制的器件是从机。主机总是启动数据的传输并为发送和接收操作提供时钟。所 以x 9 4 0 8 在所有应用中被认为是一个从机。 在s d a 线上的数据只有在s c l 为低期间才能改变状态。当s c l 为高时s d a 状态的改变被保留用作表示开始或终止的条件。所有给x 9 4 0 8 的命令都由开始 条件引导，这个条件就是当s c l 为高电平时。s d a 由高至低的跳变。x 9 4 0 8 一 直监视着s d a 和s c l 线上的开始条件，在遇到这个条件之前将不响应任何命令。 所有的通信必须由一个终止条件来结束，这个条件就是当s c l 为高时s d a 由低 至高的跳变。 应答是一个软件约定，这个约定用来在主、从器件的总线间提供一个正的握 手信号，以表示数据接收成功。发送器件r 不管是主或从) 在发送8 位数码以后 将释放s d a 总线。主器件将产生9 个时钟周期，而在这个期间接收器把s d a 线 拉低，作为成功接收了前8 位数据的响应。在识别出开始条件和它的从地址后， x 9 4 0 8 将给出一个应答作为响应，而在成功接收命令字节后再一次应答。如果命 令后面跟一个数据字节，则x 9 4 0 8 将响应一个最终的应答。 在开始条件的后面，主器件必须输出它所要访问的从器件的地址。从器件的 高4 位地址是器件类型标识符( 见图) 。对x 9 4 0 8 来说，这个识别符是0 1 0 1 b 。 从器件地址的后4 位是该器件的地址。物理地址是由a 0 a 3 输入端的状态来定 义。x 9 4 0 8 把串行数据流与地址输入端的状态比较i 若要x 9 4 0 8 作出一个应答 信号，则必须是所有的4 个地址位都比较成功。输入端a 0 a 3 能被c m o s 的 输入信号有效地驱动或受v c c 及v s s 的限制。 送到x 9 4 0 8 的下一个字节包括指令以及寄存器指针的信息。4 个高位是指令。 接着的2 位( r 1 和r 0 ) 选择四个寄存器中的一个，当一条与寄存器有关的指令 发出时。该寄存器将受影响。最后二位( p 1 和p 0 ) 选择四个电位嚣中的哪一个。 第士章故幢隔离控制器的其它磋件组成 给出从器件的地址和指令格式如下图： 回卫丑皿亚四回面卫霹哑婴 器再类型摆瑟 黔专馨嚣 图6 7 从器件的地址和命令格式 在9 条指令中有4 条以发送指令字节来作结束。图说明了基本的序列。这些2 字节指令在w c r 和一个数据寄存器之间交换数据。 s c l 几几r nr _ nn 几nnn nn 几几几 r nn s o t 日旦f 圃丑皿卫且西回亚巫正皿厂 s t a r ta c k “q p 图6 一s2 字节指争序列 在9 条指令中有4 条需要一个3 字节的序列来完成，这些指令在主机和x 9 4 0 8 之间传输数据。这些指令是：读w c r ，即读出选定电位器的当前滑动端的位置； 写w c r ，即改变选定电位器的当前滑动端的位置；读数据寄存器，即读出选定 的非易失性寄存器的内容；写数据寄存嚣，即写一个新的值到数据寄存器中。其 操作序列如下图所示： s 旺几几nnr 厂 厂 几r 几nr 几n 几几厂 n 几n 几几nnn 几nr _ 几 s d a ! 同2 | _ _ 匝固卫鲴一巨匝匝叵圃匝固圈匝巨叵匦圆匣圈皇堡厂 s t a e l ta c k a c k f r o p 图6 9 三字节指令序列 增加减少命令与其它的命令不同。一旦这