新型电力自动化保护控制装置的研究.doc

新型电力自动化保护控制装置的研究摘要随着我国电力工业的发展和用电量的猛增，低压断路器在配电和保护线路中起着重要的作用，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。近年来，世界各大公司加紧对低压电器前期开发进行技术研究，并取得了很不错的成绩，测量精度越来越高，保护功能越来越多。本文在国内外有关电子电力方面理论和技术文献的基础上，对低压断路器保护控制装置的有关技术进行了深入的研究，给出了具体的软、硬件设计方案。 为了满足电网选择性保护的需要，适应市场需求及提高产品竞争力，设计出保护功能完善、价格合理的智能控制器具有重要的应用价值。本文主要解决了设计中遇到的一些实际问题。依据其原理从硬件、软件两方面入手，首先在硬件设计上，对于信号的检测、采集，电源的设计，脱扣方式以及CPU的处理提出了实现方法，基本实现了电流监控等功能。其次，软件设计采用实时多任务操作系统较好的完成了任务的实时处理，其中多任务的具体实现，电流检测算法和程序设计的实时性要求是这部分的重点。并就软、硬件的抗干扰设计和现场试验的分析作以论述。关键词：低压断路器；控制器；电磁兼容；三段保护第一章 引言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广的配电电器，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、般用系统等。1.1 课题的背景和意义 在现代社会，无论是工业、农业、交通运输、国防、文化教育、卫生安全、金融、商业、旅游服务和人民生活等领域都离不开电。电的产生、输送、使用中，配电是一个极其重要的环节。配电系统包括变压器的各种高低压电器设备，而低压断路器则是一种使用量大面广的电器。随着传感器技术、电子技术和计算机技术的进步，低压电器在经历着从电磁式向电子式的发展，以微处理器为核心的测控技术被成功地应用在各种低压电器中，在改进了开关性能的同时，也推进了电网技术的更新。 近年来世界各国加紧对低压电器前期开发进行技术攻关并已取得较为显 著的成绩 例如采用灭弧室腔体产气技术用低压断路器使之用不同于磁吹的 气吹来加强灭弧。采用不同于电磁脱扣的压力脱扣来解决脱扣器与机构之间 动作时间配合。采用智能化通信电能管理系统来扩大智能电器功能等等总之 一句话控制器性能越来越好可靠性越来越高功能越来越多。 1.2 低压断路器国内发展概况 由于电子技术、计算机技术的发展，电力质量和环保要求的不断提高，国内外低压电器的智能化和信息化近期有了新的发展。 为了适应城市、农村等广大地区电网改造需要，促进电网配电质量有一个新的进步，我国配电系统中大多低压断路器，已经或将按照国家有关部门提出的“体积小、短路分断能力高、功能齐全、工作安全可靠、进而向智能化电器发展”的要求，研发新一代，科技含量更高的产品，以便向国际水平靠拢，缩小与先进国家的差距。最近几年以来，我国低压电器制造业，以上海电器科学研究所为龙头，浙江正泰集团公司、上海人民电器厂等先后研制了具有20世纪90年代国际水平的各种断路器，并陆续投放市场。包括杭州之江开关有限公司生产的HSZ1系列外壳式断路器等一些塑壳式断路器达到了国内领先水平，具体有以下一些主要的功能；1、 具有过载长延时，短路短延时，短路瞬时三段保护功能。2、 包括额定电流，长，短延时整定时间等参数现场可调。3、 过载预报警。1.3 低压断路器国外发展概况 世界各国都在向高新技术方向发展，特别是近几年计算机工业的迅速发展，使断路器实现智能化成了可能，目前国外各大公司已经将现代微电子技术、计算机技术、传感器技术、通信技术及网络技术应用到配电系统，把强电控制和上述技术结合起来，纷纷推出了各种最新产品。新一代产品除了高性能、小型化、电子化、智能化、模块化、组合化外，其主要特征是可通信、高可靠、维护性能好、符合环保要求等。特别是新一代产品能与现场总线系统连接，实现网络化。如ABB公司的Emax系列等产品。这些产品都是以微处理器为核心，具有测量、保护、控制、通信等功能。 随着节能和电力质量要求的不断提高，也了低压智能化断跨器的不断发展以及功能的不断增强。生产厂家纷纷推出具有电力质量监控功能的断路器，它可以测量三相电流、电压、功率、因数等电气退席进行谐波分析，并且能捕捉电力质量突变的事件和波形。包括ABB公司、施耐德公司等国外大公司研发的电子式塑壳断路器代表了国际的先进水平，除了传统的三段保护、现场可调、过载预报警等功能外，还增加了很多的辅助功能：1. 自供电模式2. 波形监测、功率显示3. 远程控制1.4 控制器结构 控制器是以单片机为中心，外围电路为扩展组成。控制器外围电路由信号处理电路、电流互感器、电源电路、脱扣电路、单片机及时钟电路、报警电路、复位电路等组成。 图1 控制器结构原理图由电流互感器提供的交流电流信号经电源及取样电路处理后，提供控制装置所需的电源，并由取样电阻取出整流后的信号，提供给放大电路，信号经放大后送到控制电路，通过微处理器对放大信号根据参数设定的参数进行相应的处理，并对指示电路发出相应的指令，当过载达到动作条件时，则发出脱扣信号，命令机构进行分断，达到保护目的。1.5 论文主要研究内容本论文主要研究的内容是以单片机及其外围电路、大电流信号采集电路及脱扣电路等其它电路为基础，通过程序设计，设计出在一定体积限制条件下性能优越，抗干扰性能强的新一代断路器控制器。其详细性能如下：1、 断路器的外形尽可能设计得小为了降低成本，提高产品的市场竞争力，方便用户的使用，产品最好能够向小型化方向发展。2、 自供电模式不外接电源，所需电源来自电流互感谢器经处理后得到。3、“预报警”提示 当通过电流超过预先设定的电流值时，要有报警指示。4、 现场可调功能根据现场的实际情况，可以随时调整额定电流值、时间等参数。5、 三段保护功能包括长延时、短延时、瞬时的三种保护功能。电流保护动作时间精度10%。突破原来的只有长延时、瞬时两种保护功能。6、 达到规定的电磁兼容性能主要包括防静电干拢、防群脉冲干扰、防浪涌电压干扰、防辐射干扰等。第2章 控制器的控制技术原理 低压断路器断路器最主要的作用是在配电网络中，用来分配电能和保护线路及设备受过载、短路、欠电压和接地故障等的危害。特别适用于需要提高供电可靠性，避免不必要停电的配电网络中。 低压断路器具有较多的保护功能，其中由控制器来实现的主要有过载长延时、短路短延时、瞬时动作等。2.1 过载长延时保护功能 当低压断路器实际电流超过长延时电流设定值时，控制器发出报警信号，延时一段时间控制器发出脱扣信号。 过载长延时保护时间是基于通过电流的有效值来计算的，当实际通过电流iIr1且iIr2且iIr3时计算公式为 t2=其中Ir2是控制器的短延时电流设定值，T2是短延时动作时间设定值，i是实际电流值，t2是实际动作时间。2.3 瞬时保护功能瞬时保护基于通过断路器的实际电流的有效值超过瞬时电流设定值时，控制器立即跳闸信号，动作时间不大余40ms。第三章 控制器的信号调理技术 在这一章里，应用了NI Multisim 10电子仿真软件，利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。 精准的控制是建立在准确的测量基础上的，而准确的测量是以精确的信号处理为基础的。对电流、电压信号的处理是实现一切功能的基础。下面介绍一下控制器的信号处理技术。3.1 电流、电压信号同步处理 一般来说，功率是一个看起来非常简单的概念，只要把电压与电流值直接相乘，就可以得到结果。但是在这里就不一样了，就像在力学上一样，只有力的方向和物体运动的方向一至了，才能得到实际所做的功，所以说只有电流与电压信号同步了，它们相乘的得到的结果才是功率。 低压断路器使用的测量电流互感器为茹可夫线圈，可作为信号采集电路，具有线性度好、线性范围广、能与主回路隔离等优点，它反映的是di/dt的量，因此初次级有+90相移，这样就需要用积分电路来复原电流信号。从理论上说，当积分电路时间常数为无穷大时，被测量的电流和积分电路的电压能很好的还原，但时间常数为无穷大时，信号的幅值交款将趋向无穷小，显然是没有实用意义的。 RC积分回路时间常数=RC，一方面T越大则对于电流暂态分量响应越真实，也就是说对于提高测量精度越有利，由于电容的精度较难提高，因些电阻值R取大，电容值取小，电容对RC电路精度影响较小，而电阻精度可以做的非常高，另一方面取值过大影响瞬动保护精度，一般取为0.050.1。电压采样采用经典的差分电路，因为电容的存在，复原后的电流信号与输入的电流信号必然存在相移，为了使电流、电压信号同步，在电压采样电路上加上串联电容，补偿电流采样电路中RC积分引起的相移，这样功率测量的问题就解决了。解决了功率问题，功率因数测量、电能测量等问题也就能够解决了。3.1.1 电流采样通过霍尔元件采集电流，利用RC回路把高频成分过滤，得到低频信号。再通过电流采样电路，来计算同一时刻A/D采样口的电流相位与断路器里电流互感器的初级线圈中电流相位之间的相位差。即由电流和电容组成的RC回路首先对电路进行滤波，然后再通过反射运放器产生相移。 图2 电流采样电路 , （RR8+R9） （31） , （N1） （32） (为相移） （33）RC积分回路经运放电路1N2反相放大后相移为180+，另外再加电流互感器相移+90，则最终送入A/D的相移为90+（180+）。3.1.2 电压采样 进行电流采样的同时，还需要进行电压采样；用于和电流采样进行对比，从而得到与真实值更接近的采样信号。图3是电压采样的原理图。 图3 电压采样电路先讨论补偿电容值的计算。考虑放大倍数A： A=- （34） 在工频50Hz时，电流采样电路中RC积分回路的相移为，即电压与电流的相位差，这样，功率、功率因数测量时就会有偏差。为了弥补这个偏差，在电压采样电路上加上C1、C2两只电容，用来补偿电流采样电路中RC积分引起的相移，经运放电路1N1反相放大后相移为180+。当然，随着电流采样电路中RC积分参数的不同，电压采样电路中C1、C2的电容值将随之改变。3.2 功率计算3.2.1 有功功率的计算： 电压有效值，即电压的均方根值： (N为周期采样点数） （35）电流有效值，即电流的均方根值： （36）视在功率： （37） 3.2.2 无功功率的计算： 在系统没有谐波的情况下，无功功率可以用下式表示， （38） 但如果存在谐波时，无功功率的计算不能简单的用该式表示了，可以采用称相90法，即将被测功率的输入电流向超前方向移相90，利用有功功率的测量原理，将原来的 变为了 ( 90 )=，从而实现无功功率测量。这也是我国电力系统使用的绝大部分无功变送器采用的方法，其优点是在电压不对称、负载不平衡的系统中，仍能对系统的无功功率进行准确测量。90移相器是同RC电路组成，对有功功率而言，存在幅频的影响。在理想条件下，90移相器的幅频影响量为 ，相频影响量为零。因些当频率相对变化1%。在具体电路中，由于电容电阻RC的存在，使得90移相器不但存在E幅频影响量 （3-9） 而且还存在相频影响量 （3-10） 由此对线路功率为1时，无功功率测量带来的误差约为 （3-11） 虽然电容漏电阻不为无穷大，但通常,故由此可得 （3-12） 设则 当 %，则 0.968%。由此可以说明对频率的相对影响量太大，这就是使用移相器的缺点。但是如果通过软件移相技术的话，完全可以避免上述问题，本论文是采用了这一方法。第四章 控制器的整体实施方案 本设计采用电子电路，微处理器作为控制核心，断路器电流信号通过电流互感器，电压信号直接通过电阻分压，分别通过信号调理电路及处理电路后送给微处理器及A/D转换器，变换为数字信号后进行信号处理，实现测量保护功能。 控制器能在三相电路的任意一相电流达到目的某一整定值时报警，当过载电流达到动作条件时分断断路器，实现长延时保护、短延时保护、瞬时保护等功能。4.1 微处理器介绍4.1.1 架构STC12C5A60S2/AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S2系列单片机不但具有高速/低功耗/超强抗干扰的功能，而价格低廉，具有很好的经济效益。4.1.2 结构及功能1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）；3.工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0420MHz；4.用户应用程序空间8K-64K字节可选。5.片上集成1280字节RAM；6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma；7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；9. 看门狗；10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；13.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟； STC12单片机图4 STC12单片机图515.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)；16.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；17. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)；18.工作温度范围：-40 - +85(工业级) / 0 - 75(商业级)19.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口, 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。4.2 硬件方案 整个控制器是由信号输入单元、电源单元、信号处理单元、控制单元、显示单元、参数调整单元等组成。1、 输入单元是断路器中电流互感器的次级线圈输入点。2、 电源单元产生整个控制器电子电路工作需要的+5V电源。3、 信号处理单元是对输入的电流信号进行放大。4、 控制单元主要是对处理过后电流信号进行判断，根据不同情况发出不同指令。5、 显示单元为发光二极管，满足过载预报警功能。6、 参数调整单元是根据使用条件直接调节参数，满足现场可调功能。4.2.1 电源单元 1、输入、电源部分工作原理 图6 电源框图 +5V电源的产生：是由电流互感器的能量线圈产生，该信号经过整流后通过稳压电路然后得到。 优点：自供电模式，不外接电源，方便、简单、安全。 缺点：（1）它与通过断路器的电流有关，当通过电流小于一定值时，由此产生的电源会功耗不够，使控制器不能正常工作。 （2）电源受通过断路器的电流影响较大，容易受到干扰。 措施：（1）对传统的电流互感器进行改进，根据低压断路器通过电流的特点增加匝数、减小线径，使它功率损耗。 （2）尽量使用低功耗元件，减小功率损耗。 （3）对稳压电路进行必要的处理，使受干扰程度降低。 （4）必要的时候可以增加一个外部电源供电。 4.2.1、工作电路介绍 图7 电源稳压及基准电路本电路通过信号采集得到的信号经过由D1、D2、D3、D4组成的电桥电路进行全波整流，得到15V的电压输出。再通过电容C1、C2和三端稳压器LM7805CT对15V的不平滑电压变成5V的平滑的直流电压，即一级稳压。再通过TL431ACD对上一级得到的电压进行可调分压，最后得到更加稳定的5V基准电源。4.2.2 信号处理单元1）信号处理的算法。 有效值计算子程序完成电流、电压的均方根值计算，有A、B、C、N四相电流，接地电流，三相电压共8个物理量。有效值处理一周期处理一次，对于50Hz工频周期为20ms。A/D采样率为一周期64点（N=64），将A/D采样的64点数据平方和后取平均值，乘以相应的系数，就是对应的有效值。（1） 电压： （41）（2） 电流： （42） 2）A/D采样程序流程图。 A/D采样定时器中断方式实现，利用定时器的精确定时，可确保A/D转换结果的正确性。程序中对每个周波进行64点采样，每间次转换后计算当次转换电流值，进行瞬时保护处理，以提高断路器瞬时保护的响应速度。 图8 A/D采样程序流程图 图9 信号处理电路 本电路主要作用是对取样信号进行反相放大，以获得合适的信号电压送到A/D输入进行模数转换。进行反相放大是为了得到两个相位固定的电压值进行对比以使信号更加接近真实值；C1、C2有一定的滤波作用。采用反相放大的好处是只需要单电源，这样的话电源部分就可以简单些。其中放大器选用的器件是LM311。4.2.3 A/D基准电路集成电路adc0804为微处理器内部A/D转换提供一个精确的基准电源5.003 用于保证电流采样的精确度。 图10 A/D基准电路4.2.4 脱扣机构 脱扣机构可以直接用继电器来实现。继电器是一种电控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。 固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为Solid State Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。过零触发型ACSSR为四端器件，其内部电路如图1所示。1、2为输入端，3、4为输出端。R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。继电器的工作原理如图11 继电器图11 要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在1025V或-(1025)V区域内进行触发，如图2所示。图中交流电压分三个区域，区为-10V+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。区为1025V和-(1025)V范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR立即导通。区为幅值大于25V的范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制。当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。此时若V3两端电压在-(1025)V或1025V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V 4的控制极上得到从R6URV 3URR7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2中的区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。由于1025V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为025V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型ACSSR都能导通。当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时V4仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR才转为截止。SSR的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。若负载为电动机一类的感性负载，则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/s)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/s)，因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。4.2.5 控制单元、显示单元、复位电路 本电路由微控制器STC12C5A60S2及其外围电路组成，晶振电路为单片机提供运行时钟，以保证其正常运行。通过A/D转换将电流信号由模拟信号转换成数字信号，读取编码开关所设定的值并进行转换，根据相关的设定值和所采到的电流值进行有关的运算和处理，执行有关的操作，如只亮绿灯，系统正常运行；黄灯或红灯亮，则发出过载报警，控制系统发出脱扣命令等。指示电路由发肖二极管构成，庙宇电路由编码开关构成。下面以100A电流系列为例来说明有关发光二极管显示情况。表1 发光二极管显示情况点灯情况状况显示只亮绿灯正常运行（实际电流0.9Ir1）绿灯和黄灯同时点亮满负荷运行（实际电流在0.9-1.05 Ir1）只亮黄灯过载报警（实际电流在1.05-1.2 Ir1）只亮红灯过载报警（实际电流1.2 Ir1） 对于图12的各个单元电路的总体描述如下：如图晶振电路由24MHz晶振和电容C1、C2构成；电容的作用是与晶振组成一个谐振电路；从而输出较稳定的正弦波振荡提供给单片机。 复位电路由开关和电容C3、电阻R1、R2组成；用以拉低单片机复位引脚，使单片机在需要的时间复位。 左下角的开关电路是提供模拟信号输入时的触发功能的作用；帮助模拟观察指示、显示和继电器控制效果。 电路右边则是相应的LCD1602显示、指示灯显示、和继电器控制电路显示单元。 图12 控制单元、显示单元电路4.3 软件方案4.3.1 整体介绍 1、整个程序采用模块化结构设计，汇编语言和C语言混合编程方式。 2、软件分为主程序和中断程序两大部分。主程序包括：系统初始化、参数设置处理、报警故障处理、能量记忆处理等。中断程序包括：定时器中断。 3、电流、电压信号处理采用有效值处理，减小干扰信号及畸变的影响，提高电磁兼容性能。 4、电流大、小理程同时采样，保证大、小切换时对测量和保护没有影响。 5、各相电流、电压信号分别调整系数，提高检测精度。4.3.2 程序流程图和算法1、 主程序流程图。 主要有系统初始化、信号处理和故障处理组成。 图13 程序流程图2. 模块程序1）A/D模数转换模块程序如下：void AD_init() /AD的程序转换 cs=1; /片选打开wr=1;rd=1; void AD_start() /启动停止 P1=0xff; /把0xff的值赋给P1口 cs=0;wr=0;wr=1;cs=1; uint AD_read() /读取信号 cs=0; /片选先选通rd=0; /给低电平delay(1); /延时temp=P1; /把P1口值赋给temprd=1; /给高电平拉高cs=1; /关闭片选return(temp); /返回值2) 信号采集模块程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit led1=P20 ; /指示灯红灯显示定义sbit led2=P21; /指示灯绿灯显示定义sbit led3=P22; /指示灯黄灯显示定义sbit RELAY=P32; /继电器控制定义sbit K1=P11; /模拟转换控制sbit E=P27;/1602使能引脚sbit RW=P26;/1602读写引脚sbit RS=P25;/1602数据/命令选择引脚void delay() /us延时函数 int i,j;for(i=0; i=100; i+) /双重for循环控制延时时间for(j=0; j=20; j+);void delay_m(uint m) /ms延时函数 int i,j; for(i=0;im;i+) /双重for循环控制延时时间 for(j=0;j1827;j+);3）显示及指示功能模块的驱动程序如下：void enable(uchar del) /使能函数读函数P0 = del; /把取值赋给P0口RS = 0;RW = 0;E = 0; /使能拉低delay(); /延时E = 1; /使能拉高delay(); /延时void write(uchar del) /液晶写函数P0 = del; /把取值赋给P0口RS = 1;RW = 0;E = 0; /使能拉低delay(); /延时E = 1; /使能拉高delay(); /延时void L1602_init(void) /液晶初始化函数enable(0x01); /显示清0，数据指针清0enable(0x38); /设置显示16x2显示，5x7点阵，8位数据接口enable(0x0c); /设置开显示，不显示光标enable(0x06); /写一个字符后地址指针加1enable(0xd0);void L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign) /液晶设置显示函数uchar a;if(hang = 1) a = 0x80; /第一行显示设置if(hang = 2) a = 0xc0; /第二行显示设置a = a + lie - 1;enable(a);write(sign);void L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p) /液晶字符显示设置函数uchar a;if(hang = 1) a = 0x80; /第一行显示设置if(hang = 2) a = 0xc0; /第二行显示设置a = a + lie - 1; /显示字符enable(a);while(1)if(*p = 0) break; /显示到最后跳出write(*p);p+;void led_m() /指示灯函数 led1=0; /初始化全亮 delay_m(10); /延时 led2=0; /绿灯亮 delay_m(10); /延时 led3=0; /黄灯亮 delay_m(10); /延时 led1=1;led2=1;led3=1;delay_m(20); /关闭所有指示灯 led2=0; /绿灯亮 delay_m(100); /延时 4）继电器控制模块程序：while(1)if(K1=0) while(K1=0); RELAY=RELAY; /继电器打开和关闭delay(); /延时 第五章 控制器的电磁兼容技术 在公共电网上存在着各种形式的干扰，除了供电中断可以明显察觉外，绝大多数干扰都是不容易察觉的。然而，正是这种不易察觉的干扰对正常运行的电器电子设备存在着严重的威胁。如：雷电在电网上的感应干扰可使瞬间电压高达二万伏以上，将电网上的用电设备烧毁。高次谐波在零线上的干扰会严重影响高频通讯设备的工作，使数字电路误操作，从而导致通讯中断，系统数据丢失等严重后果。断路器对低压配电系统的安全、可靠运行起着非常重要的作用，而其控制器系统的电磁兼容性能又是其安全、可靠运行的核心问题。要解决断路器的电磁兼容问题，首先得找出可能受到哪些干扰，针对不同的干扰采取不同的解决方法。5.1 电磁干扰 所谓电磁干扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。它可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化，它可能引起设备或系统降级或损害，但不一定形成后果。而电磁干扰则是由电磁骚扰引起的后果。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的，通常称作干扰的三要素。 根据干扰传播的途径，电磁干扰可分为辐射干扰和传导干扰。 辐射干扰是通过空间并以电磁波的特性和规律传播的。但不是任何闲置都能辐射电磁波的。 传导干扰是沿着导体传播的干扰。所以传导干扰的传播要球在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接。 当电磁干扰噪声越过一定门限时，将导致系统出错。在实验室运行正常的设备到了工业现场却不能运行，或者出现运行不稳定等，那是因为工业环境有强烈的电磁干扰，因此必须采取抗干扰措施，否则难以稳定可靠地运行。5.2 电子塑壳断路器是主要干扰源 电子塑壳断路器所受到的干扰可分为外部干扰与内部干扰。5.2.1 外部干扰 1、电力电子器件的噪声。如电网上的晶闸管变流装置所产生的噪声。主要表现有：使电网中的谐波分量大大增加；使电网电压产生严重缺口即瞬时电压跌落；使电网电压产生波动；产生高频噪声。 2、电感负载切断时产生的瞬变噪声。 3、接通负载时的冲击电流及开关触点抖动。 4、天电噪声，包括雷电等。 5、无线装置如对讲机、手机等所产生的信号骚扰。 6、操作面板时人手静电放电。 以上几种干扰通过传导、共阻抗、感应、辐射等途径进入控制器系统，扰乱系统正常工作。5.2.2 内部干扰 电器本身产生的干扰。断路器本身便是一个很强的干扰源。当断路器闭合时，渡过很大的交流电流。根据电磁场原理，交变的电流会产生向四周辐射的电磁信号。当开关通断电路时，会产生电弧。电弧燃烧时除产生很强的电磁辐射外，在其熄灭时会产生过电压，形成电网浪涌电压。另外，电磁铁线圈电厂和分布电容谐振，形成高频干扰信号。这些由电器本身产生的电磁干扰信号通过静电感应、电磁感应等方式进入智能控制器，形成干扰，扰乱系统的正常工作。此外，断路器控制器本身也会产生干扰。控制器由许多模拟电路和数字电路共同构成，彼此会互相干扰，主芯片M30201的外接晶振也会对其它器件产生干扰。5.3 控制器系统的硬件抗干扰设计 电磁兼容学科是在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的，两者目标都是为了使设备和系统达到在共存的环境中互不干涉长最大限度地发挥其工作效率。但是早期的抗干扰方法和现代的电磁兼容技术在控制电磁干扰策略上有着本质的差别。 单纯的抗干扰性方法在抑制干扰的思想上比较简单，或者认识比较肤浅，主要是思想集中在怎样设法抑制干扰的传播上，因此工程技术人员牌被动的地位，哪里有干扰哪里就是论事的加于解决，当然经验丰富的工程师也会采取预防措施，但仅仅是根据经验局部的应用，解决问题的方法也是单纯的对抗的措施。 电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的方针。电磁兼容控制是一项系统工程，应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分给予考虑和实施才能有效。科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分。 在控制方法，除了采用众所周知的掏干扰传播技术外还可以采取回避和疏导的技术处理，空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收等。有时采用这些简单而巧妙的回避和疏导技术能够替代昂贵且质量、体积都较大的硬件措施，从而取得较大的抑制效果。在解决电磁干扰问题的时机上，以前往往是设备研制后期暴露出不兼容问题后，再来采取挽救修补的措施进行被动的EMC控制，这种情况在电子设备发展精度日益增高的今天应当极力避免，因此必须在设备设计的寝阶段就开展预测分析和设计，预先进行详细的论证和检验计算，并尽可能全面的规划实施细节和步骤，把涉及到相关系统的电磁兼容性和可靠性设计，产品的维护性与产品的基本功能结构设计和软硬件设计综合考虑并同步进行，只有这样才有可能最大限度地减少电磁干扰，实现更高层次上的电磁兼容策略。总之，电磁兼容技术是现代并行工程的组成部分之一。5.3.1 对电流互感器及其产生信号的处理 在电子式塑壳断路器中，电流互感器是包括电源信号液吴内的所有信号的来源，同样也是外部干扰的主要来源。只要对互感器及信号处理正确，外部干扰就基本能解决。这部分的干扰主要有以下的表现形式。a、 各相流过的电流产生的磁场对其它相上的电流互感器产生干扰，使电流互感器不能准确的反映实际通过电流，导致误动作或不动作。b、 包括瞬间脉冲在内的电网上各种骚扰信号通过电流互感器进入控制器，导致主芯片判断为大电流而导致误动作，并且经常表现为瞬动。c、 电网上的各种谐波信号随着电流信号进入控制器，导致有效信号减弱，影响测量。采取措施：a、 对电流互感器使用钢片进行外面屏蔽、减少磁场干扰。 屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体地说。就是用屏蔽体将电子元器件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们收到外界电磁场的影响。屏蔽体对来自导线、电缆、元器件以及电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁