低压智能断路器的研究与设计

1、本科毕业论文（设计、创作）题目：低压智能断路器的研究与设计学生： 学号：0801002115所在系院：专业：入学时间：2010 年 9 月导师：职称/学位：副教授/博士导师所在单位：完成时间：2014 年 6 月三联学院教务处制低压智能断路器的研究与设计摘要：论文阐述使断路器智能控制的技术，设计控制单元使之达到智能化。其 意义使之达到智能保护的效果，主要是设计控制单元的硬软件。在本文中，分析断路器的原理和相关算法，确定单片机及其功能单元周 围的原则，全面的硬件设计后，对系统的软件设计，实现断路器智能。对短路、 过载和接地等故障的相关参数进行实时检测。叙述它紧要功能模块相关原则、 设计方案，智能

2、控制重点是C8051单片机，因为它是核心处理器，其任务是对 数据进行收集、对故障线路进行保护，从而达到断路器自动控制的效果。软硬件 设计是以模块化和开放性为原则的。硬件的串行芯片采用标准化和模块化，还 留下空间，为今后的扩大提供条件；而软件选用层次化、多任务原则，提升软件 系统灵活性、可移植性。关键词：断路器；智能控制器；过流保护;Research and design of low-voltage circuitbreaker intelligentAbstract: Pa per describes the technology of circuit breaker intelligent

3、 control intelligent control unit to design. The effect of its significance to intelligent protection, main is hard for the design of the control unit software.In this article, analyzed the principle of circuit breaker and relevant algorithm, determine the single chip microcomputer and its functiona

4、l units around the principle, the hardware design of a comprehensive, the software of the system design and realization of intelligent circuit breaker. For short circuit overload, and earthing fault operation related parameters, such as the real-time detection. Describe its important function module

5、s related principle and design scheme of intelligent control with a focus on the C8051 singlechip, because it is the core processor, its task is to collect data, the fault line protection, so as to achieve the result of automatic control circuit breaker. The hardware and software design based on mod

6、ular and open principles. Using standardized and modular hardware serial chip, but also leave a space, provide the conditions for future expansion. And hierarchical multitasking software chooses principle, improve software system flexibility and portability.Key words : circuit breaker; intelligent c

7、ontroller; overcurrent protection;目录绪论 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 课题研究的意义与目的1课题研究的意义1课题研究的目的2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 智能断路器在国外发展的现状3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2智能低压断路器的原理及理论分析4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 低压智能断路器控制单元的算法分析4电

8、压、电流的计量4电网频率、功率因数及功率的计量6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 保护的原理及实现7221过电流保护特性曲线的运用7222保护的实现8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3智能低压断路器的硬件设计9 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 硬件设计准则9 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 智能控制器的硬件电路设计10 HYPERLINK l bookmark28 o Current D

9、ocument 嵌入式片上系统11C8051系统单片机11数据采集模块13 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4智能低压断路器的软件设计14 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 软件设计概述14 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 主要程序设计15 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 定时采样18键盘程序设计18 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 故障处

10、理21 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 4.6自检程序设计22 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 结论24 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 致25 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 参考文献261绪论课题研究的意义与目的课题研究的意义随着电力工业的发展，各种功能的电力线保护装置也应运而生，并得到迅 速发展。这种保护电路的原理是电流或功率超过一定的基于时间限制，自动切 断电源线实现保护负载。电路

11、断路器是电力系统中最重要的设备之一，主要是 用于电路交换的各种继电保护系统，判断线路是否正常运行，若出现故障，则 供配电系统关闭。低压断路器的重要部分是脱扣器，智能脱扣器的智能控制器 是更准确的更及时的，因此它被广泛地应用于电力系统。在供电系统中的低压断路器中的分布更为重要的是，不仅需要保护电路， 中断容量和短路电流，但也具有一定的智能化功能的实现，保障供给的选择性 保护。这不仅可以连接或断开连接在正常工作状态下的负载电流，但在正常情 况下，过流，短路，电压等现象的情况下，自动切断电路的断路器，从而保护 电气设备和电缆；故障排除后，快速恢复供电。断路器既可工作在本地，也可 远程操作。智能控制器

12、是核心，各种断开电路保护、报警、显示、测试和事故 诊断功能，它目前已成一个先进断路器主要标志；它的功能是电能的分配、电 路的保护（线路及设备超负荷、短路、欠压、接地故障等），从而控制断路器、 维护电源监控系统。在发生事故时，智能断路器是非常重要的，立即断开电路, 避免事故扩大，从而保证设备和人身的安全和设备的正常运行。根据电力系统的发展，配电自动化提升，电力系统保护装置通过电磁防护, 晶体管保护，微机保护。电磁防护装置是基于电磁和电磁感应原理，它是由一 个继电器，一个比较简单的原则，成本低，但其能耗高，动作很慢，抗冲击能 力差，可靠性，灵敏度很难得到保障。然而，晶体管保护装置，体积小，重量 轻

13、，功耗低，灵敏度高，动作迅速，无振动，无磨损等，该装置还具有晶体管 保护装置抗干扰能力差的缺点，质量不稳定等。随着电力系统的规模，级别的 扩大，网络结构，运作模式是复杂的，传统的控制器已很难满足系统的可靠性, 准确性，实时。根据电子技术的发展，电子控制电器的出现，它是集成电路的 基础上。它与电磁控制装置相比，耗电量低，重量轻，体积小等特点，容易形成 复杂的保护装置，然而，抗干扰能力差，高品质的电子元件，焊接效果直接影响 器件的性能特性，可靠性。两种控制电器，如果元件损坏，不能自我诊断，可能 造成故障扩大，升级，造成停电，设备损坏，对系统造成损害，用户会伤害。至今，智能低压断路器是一个发展方向。

14、智能断路器的“大脑”是智能控制 器，微处理器是核心，它是测试、负载监控、故障诊断等功能。为满足市场请求, 提升产品销量，需研发一个实用、价钱公道、完善保护的控制器。它不仅提供传 统断路器保护、控制功能，还要具有选择性、多样性。例如，可以检测和显示电 路的参数（电压，电流，功率因数，功率，磨损，不平衡率，接触率），可进行 参数设置，修改各种保护。保存故障参数，方便查找相关参数。课题研究的目的钻研本课题的的意义是经过钻研低压控制器，使断路器智能化创造条件，设 计硬软件为要点。微处理器是智能断路器控制器设计的核心，可靠性高，实时 性的要求，电磁兼容，并考虑它的体积和成本。智能控制器的功能依据输入电

15、流值的大小，判断根据长时间延迟装置的过电流控制器执行一个动作的过电流 保护装置特性的长、短延时和瞬时的，和执行命令的输出信号。课题使命为：剖析并比较过去断路器特征以及不足上，设计断路器智能控 制单元。需要一个实时检测，实时显示，故障值存储，故障报警，参数设置， 测试发布功能。达到整定值和故障存储、查询、修改效果。智能控制器系统的工作方式为上位机、下位机。下位机（智能控制器）是系 统的基础，测量、低电压保护电路断路器。上位机主要对控制器控制、调度以 及管理。设计整个系统的任务分为控制器设计、通信接口和协议的设计、上位机 管理系统的设计。实现功能如下：线路电流实时检测；断路器各种反时限保护特性等；

16、实现硬件监控（监控主 电流、接地、负载等），通过软件数据处理后再到显示模块；能够设置断路器整 定值；可以查到线路故障参数的相关记录；要拥有自诊断功能。智能断路器在国外发展的现状起初断路器的保护利用某些物理效应，与机械系统的运动来实现的，所以体 积大，效果不理想。为了防止电气设备故障和电源线的影响，当电源网络异常会 损坏电气设备，然后逐渐形成了断路器保护功能多更可靠。20世纪末研发电子式 脱扣器，伴随微型计算机技术发展，电气开关智能化变为可能。智能化电气开关, 不仅提供普通断路器保护功能，而且实时显示电路相关参数，其参数能够监视、 设定以及修改，故障动作值能够保存在存储器用以查询。现在国外有代表

17、性的产品有M系列，ABB系列，MGEF2三菱AE系列，3wn 系列西门子，可选的功能也有释放这些产品。我国低压断路器分三代。第一代 是DWIO、DZI0等系列产品，当时水平与国外20世纪中期的水平差不多，上市率 是20%30%。第二代是包含自主研发的、引进技术的，自主研发的是DWI5、 DZ20等56个系列，弓|进技术的是ME、TO、TG、3TB、B等34个系列，其水平与 国外20世纪中下期水平相当，上市率是50%60%。第三代的DW45近年的发 展,其水平与国外20世纪末期水平相当，上市率是5%10%。现在低压断路器 在国的额定电压是交流380V,额定电流是630A5000A（交流），分断的

18、极限是 50KA-120KA,往往拥有3极（可分断A、B、C相）、4极（可分断A、B、C、N相） 这两种类型。智能断路器具有许多传统的断路器具有无可比拟的优点，所以得到发展的国 和国际的关注。当研发出第一台智能断路器后，法国梅兰日兰（MG）公司、日本 寺崎公司、美国西屋公司等陆续研发出有微处理器断路器。把微处理用进断路器, 以至中央处理器和前、后级断路器它们互相通信能够实现。上世纪末，国外的许 多人才，已经开发了一个集中控制的智能断路器，然而，检测系统，在国市场发 展较晚，通过引进技术，微机保护监控系统，开发了产品性能的发展，与国外相 比有差距。而且功能和国外相比属于配置研发阶段。因此，高性能

19、的智能断路器 的发展是国家电行业的一个迫切的课题，具有十分广阔的前景和国市场。2智能低压断路器的原理及理论分析低压智能断路器控制单元的算法分析电压、电流的计检测电流、电压的方法是程序设计的重要部分，目前把电流作为一个例子,正弦电流采样数据处理的几种办法: （1）计算最大值一般认为，分配系统是基于有效值，正弦电流电路的最大值之间的关系/ = 错误味找到引用源。（2.1）I是有效值，Imox是最大值。我们设计的触发电路在信号由负至正的变化会 引起单片机的中断，相位移动的电路使信号发生90度的偏移，中断的单片机将会 读取A/D转换器的正弦信号的最大值。此法在信号不发生畸变时求有效值可以，不仅如此软件

20、设计的计算比较简 单、实用，但是它需硬件电路支持，对于硬件电路各种参数的稳定性要求高。但 是在智能系统中，当电网中的谐波被干扰时，此法将发生偏差，尤其发生短路电 流时，偏差更大。（2）计算有效值依据热量相等原理，真有效值适合任意周期交变电路的定义是1 =在错误!未找到引用源。（2.2）离散过后，用有限的采样数字量取代电流函数值的连续变化（一个周期），子岁（2-3）错误I未找到引用源。瞬时n-1个间隔电流采样值，N为采样点（一个周期） 交流采样不是一个一步曲线的正弦曲线，有两个误差：一是替代离散数据连续数 据的原理误差，确定A/D转换率，CPU的处理速度；二是把持续电流量化会发 生误差，取决A/

21、D转换的位数。用这种方法求有效值。虽然硬件电路简单，但 是软件的计算量比较大。为减弱有效值误差，需适当增采样点（一个周期），点 数越多，计算量越大，然而此法求有效值对依赖信号波形非常小。(3)傅立叶变换依据傅立叶变换求有效值为：A/D用一定的采样频率发生模数转换，得到采 样数据(信号离教)，通过离散傅立叶变换，求取基波的有效值，公式如下： TOC o 1-5 h z /错误!未找到引用源。(2.4)1 TIR =飞N X” cgsQtt飞)(21 ”7/=犷*,9】(24万)(2.6)N采样点数，错误!未找到引用源。采样数值，错误!未找到引用源。电流实 部，错误I未找到引用源。电流虚部。此法求

22、有效值的条件与用公式计算有效值 的条件想似，然而此法的计算大多数用正弦和余弦函数。全面考虑，控制器一般 采用此法。基波信号比总信号为95%以上，并且不含谐波分量，一般作保护算 法的依据，其它谐波分量作故障分析参考。2.1.2电网频率、功率因数及功率的计(1)测量电源频率和功率因数LM393用方波信号替代正弦交流电压、电流信号，单片机含有两个外部中断 信号，并开启在部的定时器，两个信号中断(NTOO)是电力网络的周期之间的 时间，通过相关运算获得频率。中断O(INTO)、中断l(INTl)之间的时间是电压、电 流之间的时差，用相关运算得到功率因数。(2)功率测量功率计量分为两表法、三表法。两表法

23、：两线相电压和线电流之积在此时间 积分，三表法：三相相电压和相电流之积在此时间积分。因为低压配电大多是三相四线制，因此智控长用后种方法测量功率值:P=Mx，A +UbX1b +UcxIc)xCOSP2.OP2.7可编程时钟P- PP2 口*78-C8051 F图3.2 C8051的部结构数据采集模块主要功能扩展的CPU,它的模块接口的电流、电压由电流互感器和电压互 感器进入系统，并经信号调理、模拟数字转换为数字信号（计算机能识别）。空 芯互感器二次输出获得的信号，其感应电压的输出和一次母线电流的微分成正比 例关系。然后信号处理，首先需要积分处理，使得二次感应信号和一次母线电流 成正比例关系。空

24、芯互感器没有铁芯，具备很大的线性围，其感应的信号适合 CPU来处理。把电回路强电流、高电压改变成电流及电压信号（微处理器处理 的），使得系统拥有可靠信号。如果铁芯变压器，当有过电流时，铁心磁饱和会 出现，此时，输出感应电压和一次母线电流的微分不是成正比例关系，而k不是 恒定的，这是不可取的。提高小电流测量精度，但也考虑到电流的测量围，实现 电流的精确测量的围，采纳RoccojKI （Rogowski）检测供电线路中的电流线 圈，把它改变为电平信号（可处理的）。主线路的电流和电压的信号通过电源电流和电压互感器的电压信号改变成 一个。-5A的电流和。时，这两个时间的系统，考虑到输入信号的A / D

25、转换器 是小的，必须使用小功率的CT, PT信号调理，然后经过模数转换的信号处理。 同时，电流和电压互感器具有电隔离作用，使断路器和强弱电控制器的分离，提 高了控制器的抗干扰性能。考虑到电压，电流信号容易在传送时由外部的电磁干 扰，所以电压互感器和电流互感器的选择，一般使用的电压和电流信号转换成小 电流互感器。这种变压器的负载能力差，需要调理电路使用运算放大器构成的电 流信号。由于一个回路电流可以到50KA/75kA,达到大电流信号转换围，为提升测 量精确度及其分辨率，所以它被分成两个小信号、大信号组，小信号放大处理的 硬件电路，以及信号直接输入。然而，中性点一般电网波动的幅度不是很大，中 性

26、点接地信号与一个通道A/D采样，有两种抽样：一种用于测量电流的方法，直接的电流信号和矢量错误!未找 到引用源。在正常操作条件下，系统的平衡/,+ /，=。错误味找到引用源。； 系统中的不平衡或接地故障条件下，矢量和不等于零，为保护电流信号去除的电 流信号。这种方法不能区分系统的不平衡电流和故障电流。另一种方式为测量接地电流。接触地面信号从中线变压器信号和电流信号的 矢量和%+4+人-口 二八错误!未找到引用源。，只要没有接地故障时，系统的 平衡与否，都是0。只有当接地故障发生时，才有信号。唯一和接地电流和无关 的中性线电流，该电流可以用来作为保护信号接地电流。在我们的设计中，两种 模式可以由用

27、户选择。4智能低压断路器的软件设计软件设计概述一个完美的智能控制系统，软件和硬件是分不开的。一个好的软件不仅可以 弥补硬件的一些缺陷，使得系统更加灵活，但也可以充分利用现有的硬件功能， 大大提高了系统在不增加硬件成本。该智能控制单元直接到断路器控制器，实时性高，MCS-51汇编语言作为编 程工具，与其他高级语言相比，其效率高、实时控制功能强。同时，通过中断控 制在适当的软件，可以提高智能控制器的响应速度。软件和硬件的功能，以满足 实时性，尽量用软件来实现系统的功能，从而提高了系统的灵活性，而不是控制 单元可以在现场运行中遇到的干扰，在设计软件时采取一定抵制干扰源的措施以 提升可靠性。该智能控制

28、单元直接到断路器控制器，实时性高，MCS-5汇编语 言作为编程工具，与其他高级语言的比较，其效率高，实时控制功能强。同时， 通过中断控制在适当的软件，为了提高智能控制器的响应速度。软件和硬件的功 能，以满足实时性，尽量用软件来实现系统的功能，从而提高了系统的灵活性， 和干扰控制单元可以在现场操作时，软件设计时采取的一些抗干扰措施，提高了 系统的可靠性。该控制器的软件设计按照结构化和模块化的原则，将软件划分为若干个独立 的模块，每个模块都是通过软件接口连接，连接松动，寻求模块部的数据结构紧 凑的数据以及模块之间的关系，尽可能地减少各功能模块相互的影响。主要程序设计主程序的流程图如图4.1，对每个

29、特殊寄存器芯片重要实现每个模块化任务, 包括中断的向量集，中断部设定寄存器，设定软件定时，I/。扩展端口初始化， 初始化BC7281和任务分配。rn上电初始化，故障处理Iy图4.1主流程图图4.2定时采样流程定时采样为了计算50Hz正弦电流信号的有效值，对各路信号进行等间隔采样，采样 周期均为0.625ms,也就是一个周期(20ms)将被采样32次。由于周期，采样频率 占用定时器0 (timerO),我们使用的时钟3 (timer3)设定的时间间隔，0.625ms 中断发生，然后显示采样值。由于本系统有相当多的中断系统，为了防止各中断 系统的冲突，在中断中只处理参数的采样，相关的数据处理在主循

30、环里，当32 次采样到时，将相应的标志位置位，当它被循环检测到时，然后对样本数据计算。因为电压不需要故障处理，电压的采样要求就相对低些。所以对电压的采样 采用A、B、C、N轮流采样。对不同情况的故障电流，处理方法也不同。短路 电流保护(瞬时脱扣)要求灵敏度高，采样率的方法，即峰值采样和处理，以及 抗干扰峰处理，信号处理时间1.25ms。而一般的延时保护特性和单相接地故障 信号，高精度，需要尽量避免失真信号的影响，采样中断保存采样值，然后有效 值转换，这样可以减小因电网信号变化和谐波等的影响。采样的流程看上图4.20 4.4键盘程序设计本模块实现数据整定、数据处理并送显示、试验、选择显示、参数设

31、定、复 位、故障记忆及显示等功能。智能控制器的各项整定值是可以根据用户的要求设 定的，用户也可以根据要求选择输出显示的容。这些可以通过智能控制器面板键 盘操作来完成。(1) BC728I的键盘程序设计BC7281的键盘部具有消抖功能，外部不需要消抖电路或消抖程序，可直接 读取BC7281的键值锁存器。键盘扫描的关键是互锁，将扫描值保存到锁存器里 直到读出它，可以使用查询。（2）其它的键盘程序设计采纳简易电路完成按键，当输入端口按下按键或者瞬时释放都可能发生“回 跳”状态。看4.3图，由tl至t2和t4至t5,模拟信号按钮发生变换，数字信号具有 相应的干涉现象。然而，有时在稳定的关键时期，会产生

32、干涉现象，看4.4图中 灯时刻。常见的干扰源50hzi频率感应到系统电源频率的电磁波干扰的交变电磁 场，关闭电器开关在测量过程中，断开电弧是由各种频率成分的噪声信号所造成 的感应到系统产生的噪声等。可见，不仅在按键释放瞬时采样键盘将产生错误的 输入，并且即使在采样过程中关键的稳定性会产生错误的输入。所以，若采纳简 易电路完成按键，一定要用软件抵制干扰，使得输入错误不会发生。消除按键抖动的方法通常是：确定后10ms到20ms再次阅读关键判断的一个 关键的延迟，以实现每个按钮（包括抖动）操作产生一个微处理器的信号。在智能控制器设计过程中，采纳一个新方法用来消除按键抖动：用软件 方法完成硬件消除抖动

33、电路（单稳态脉冲）。它的原理为把读入的字节和软件 产生的字节进行逻辑和操作过，然后处理，但是控制的字节在按键的第一抖动 设为0FFH,然后持续0.3秒，在一些抖动由于逻辑或操作符和盾牌，当屏幕上 的时间，控制字节00H,可以接受下一个关键的反应，对操作者的响应速度,大多数屏蔽时间0.3秒，实际情况可以缩短，但不要太短，太短会增加操作员控制的难度。以PCA定时器作为按键定时采样。整个键盘的读键程序如下所示：R_KEY:JBKEY, R_KEY_ENDMOV DATA.OUT, #93HLCALLSENDLCALL RECEIVEMOV A, DATAJNCJNE A,#00H, KEY.NEXT

34、ILJMP KEY_FUNKEY.NEXTI:CJNE A,#01H, KEY.NEXT2LJMP KEY_SUREKEY_NEXT2:CJNE A, #03H, R_KEY_ENDLJMP KEY.RETURNR_KEY_END:JB OEH, R_KEY_ENDOLCALL KEY_DOWNSETB OEHRETR_KEY_ENDO:JBOFH, R_KEY_ENDILCALL KEY_UPSETB OFHR_KEY_ENDI:RET当检测到有按键时，判断执行相应的按键程序。故障处理按照智能控制器各项参数的整定值，当采样完成时判断控制器的执行机构要 完成的保护动作，如长延时脱扣、短延时脱扣

35、、瞬时脱扣等，并计算出各个动作 的执行时间。计算完成后通知动作执行任务执行相应的动作，根据故障处理计算 结果，精确定时，定时完成时向执行机构发指令动作。故障处理流程如图4.5。故障处理返回图4.5故障处理自检程序设计我们所称的自检就是对系统中出现的软硬件故障进行自动检测并给予校正。 通常有3种方式：开机自检、周期性自检、键控自检。RAM与ROM自检检查ROM采取校验和法。即在编写的程序在ROM中，保留一个单位检查字 不写入程序，使每列的ROM有奇数个“1”， “1”为检查。第一单元开始检查 程序ROM,一点一滴的添加，最后的检查，如果相等，所有的“1”表明，ROM 的容是否正确，否则，错误。检

36、查光盘方法。在ROM编写程序中，保留一个单 位检查字不写入程序，使每列的ROM有奇数个“1”，使整个“1”的ROM校验。检查程序从ROM第一单元，根据一个阶段，最后一次检查，如果相等，所有的 “1表明，ROM的容是否正确，否则错误。RAM的检测采用的两种方式。当存是空白的(即存信息写入之前)检查它 是否正常的写入或读出，方案是：每个存储单元分别读入相关数据OOH、OFFH、 55H、0AAH,再读出保存的容。若读入与读出的信息一样，则存储单元的读 写功能没有问题。当程序和数据被存放在RAM中，检查并不破坏存的原始容， 采纳异或方法来检验，就是从存单元中读取的数据，然后检查、求反，再与RAM 单元里的容异或运算，如果结果是“1。它表明正常工作，反之，故障。CT的自检当线路中能够检测到电流时，CT肯定是正常工作的。CT自检的主要任务是 在线路中电流为零时判别CT是否正常。根据硬件电路的设计原理，只有当电路 中电流为零且CT检测送到MCU的相应I/O口为低电平时，才能判断为CT断线。(3)触头维护自检根据脱扣次数与执行机构所能承受的总次数，计算得到出厂时主触头磨损率 是100,磨损率小于或等于60时，发送信息，然后必须把主触头更新。其他如 A/D转换以及拒动，自检很容易在硬件的基础上实