斷路器智能控制研究

1、低壓斷路器智能化控制技術(shù)研究1斷路器智能控制器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)29新一代智能斷路器控制器30 低壓斷路器智能化控制技術(shù)研究 目 錄摘 要錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。Abstract錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。第1章 緒論1. 背景和意義11.2 智能型低壓斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 本文研究?jī)?nèi)容及主要研究工作2第2章 智能控制器的簡(jiǎn)介32.1 引言32.2 智能控制器的工作原理32.3 智能控制器的主要特點(diǎn)32.4 智能控制器的主要關(guān)鍵技術(shù)42.4.1 微處理器技術(shù)42.4.2 技術(shù)信號(hào)檢測(cè)42.4.3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)42.4.4 液晶顯示技術(shù)52.4.5 電磁兼容技術(shù)52.4.6 基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的智能控制器系統(tǒng)軟

2、件設(shè)計(jì)5第3章 理論分析和數(shù)學(xué)模型63. 參數(shù)測(cè)量理論63.1.1 電壓、電流的測(cè)量63.1.2 功率、功率因數(shù)和波形畸變率的測(cè)量63.2 保護(hù)方式的數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)方法93.2.1 三段電流保護(hù)特性分析93.2.2 其它保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理10第4章 智能監(jiān)控單元的硬件設(shè)計(jì)114.1 監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)114.2 中央處理模塊的設(shè)計(jì)124.2.1 CPU（中央處理器）的結(jié)構(gòu)124.2.2 MCS_51系列單片機(jī)的引腳功能描述134.2.3 時(shí)序電路的設(shè)計(jì)144.3 硬件抗干擾設(shè)計(jì)144.3.1 干擾的產(chǎn)生與分類144.3.2 本裝置的硬件抗干擾設(shè)計(jì)15第5章 智能監(jiān)控單元的軟件設(shè)計(jì)165.1 主函

3、數(shù)設(shè)計(jì)165.2 子函數(shù)設(shè)計(jì)185.2.1 三段電流保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)185.2.2 過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)215.2.3 定時(shí)中斷子函數(shù)設(shè)計(jì)215.2.4 程序清單（附錄）225.2.5 軟件抗干擾225.3 本章小節(jié)23第6章 實(shí)驗(yàn)分析24第7章 結(jié)論25參考文獻(xiàn)26致 謝27附錄 智能監(jiān)控部分軟件程序：28低壓斷路器智能化控制技術(shù)研究摘要：低壓斷路器作為發(fā)供電企業(yè)和用戶電氣設(shè)備的主要保護(hù)裝置之一，隨著計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化已運(yùn)用于斷路器的控制和管理中。智能控制器作為智能型斷路器的中樞部件，當(dāng)前己成為斷路器是否先進(jìn)的主要標(biāo)志之一。智能控制器是低壓斷路器的核心控制單元。本文首先

4、簡(jiǎn)介了智能控制器，及其理論分析和數(shù)學(xué)模型，然后重點(diǎn)研究了智能控制器的軟硬件部分，并針對(duì)抗干擾措施做了簡(jiǎn)單的分析。軟件設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)很好的完成了任務(wù)的實(shí)時(shí)處理，其中多任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)、程序設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性要求是這部分的重點(diǎn)。本文在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，斷路器測(cè)控單元樣機(jī)的測(cè)量和保護(hù)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，制定了減小誤差的具體措施，得出了相關(guān)的結(jié)論。關(guān)鍵詞：智能化、低壓斷路器、智能控制器、保護(hù)功能、抗干擾 Intelligent low-voltage circuit breaker control technology researchAbstract: low voltage ci

5、rcuit breaker is one of the main protection power supply enterprises and users of electrical equipment, along with the rapid development of computer measurement and control technology, control and intelligent management has been used in the circuit breaker. The intelligent controller as the core of

6、the intelligent circuit breaker, the current has become one of the main signs of advanced circuit breaker.Intelligent controller is the core of low-voltage circuit breaker control unit. This paper first introduces the intelligent controller, and its theoretical analysis and mathematical model, and t

7、hen focus on the software and hardware of intelligent controller, and the needle against interference measures to do a simple analysis. The software design is used for real-time multi task operating system is good to complete the real-time processing tasks, including real-time implementation, multi

8、task program design is the focus of this part.In this paper, under certain experimental conditions, the results of measurement and protection breaker control unit of the prototype, and the experimental results of error analysis, to develop specific measures to reduce the error, to draw the relevant

9、conclusions.Keywords:intelligent, low-voltage circuit breakers, intelligent controller, protection, anti interferenceI低壓斷路器智能化控制技術(shù)研究第1章 緒論1.1 背景和意義 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力在工業(yè)生產(chǎn)和人們的生活中發(fā)揮著及其重要的作用。如何有效地保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電質(zhì)量，保護(hù)用電設(shè)備及人身安全已經(jīng)成為人們普遍關(guān)心的話題。工業(yè)的發(fā)展對(duì)配電系統(tǒng)的要求不斷提高。低壓斷路器作為一種量大面廣的配電電器，是低壓配電系統(tǒng)中的重要電器元件之一，在配電和保護(hù)線路中起著

10、十分重要的作用。其作用是分配電能和保護(hù)電氣配電網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備免受短路、過(guò)載、欠電壓和接地故障電流的破壞。正因?yàn)槿绱?，斷路器廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)、電力輸送系統(tǒng)及用電設(shè)備等，如各類電站、變電站、車(chē)載系統(tǒng)(包括空調(diào)機(jī)車(chē)、電力搶修車(chē))、船用系統(tǒng)等等。斷路器的生產(chǎn)已成為電器行業(yè)的一大支柱。低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)的及其重要組成部分，1923年問(wèn)世以來(lái)，不論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，還是性能上都在不斷的改進(jìn)。在現(xiàn)有多種類型的低壓斷路器中，絕大多數(shù)仍采用電磁感應(yīng)原理的繼電保護(hù)方式，這類斷路器能耗大、溫升高、準(zhǔn)確率低，最突出的缺點(diǎn)是其保護(hù)的針對(duì)性強(qiáng)，不易隨被監(jiān)控設(shè)備性能的改變而改變，給具體應(yīng)用帶來(lái)不便，可控性低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)

11、保護(hù)的一體化比較困難。隨著微電子技術(shù)的大力發(fā)展,出現(xiàn)了由晶體管電路控制的斷路器，這種斷路器的控制方式和傳統(tǒng)電磁式控制比較雖然具有功耗低、重量輕、體積小、易于構(gòu)成較復(fù)雜保護(hù)裝置等優(yōu)點(diǎn)，但晶體管電路抗干擾能力差，有關(guān)參數(shù)的修改也是比較困難。從70后代后期起，隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能型斷路器問(wèn)世，世界各國(guó)都在進(jìn)行將微處理器用于低壓斷路器的智能化研究工作，并推出了許多微機(jī)控制型斷路器，進(jìn)一步改進(jìn)了保護(hù)性能，實(shí)現(xiàn)保護(hù)智能化。如美國(guó)西屋公司的SPB系列、日本寺崎公司的AT系列、法國(guó)MG公司的M系列斷路器等。此后，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了類似的產(chǎn)品。這些斷路器的出現(xiàn)加速了低壓供、配電系統(tǒng)的智能化

12、、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程。微處理器引入斷路器，和微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、控制通訊技術(shù)、電力電子技術(shù)等結(jié)合，一方面可以在同一臺(tái)斷路器上實(shí)現(xiàn)多種功能，使單一的動(dòng)作特性有可能發(fā)展成為一種保護(hù)功能多種動(dòng)作特性，另一方面可使斷路器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通信，構(gòu)成智能化的監(jiān)控、保護(hù)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使斷路器從基本保護(hù)功能發(fā)展到智能化的保護(hù)功能。近年來(lái)推出的智能型斷路器，具有智能化保護(hù)功能，選擇性保護(hù)精確，能提高供電可靠性，避免不必要的停電，可實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化。由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在低壓電器裝置中獲得了廣泛應(yīng)用。智能控制器是供電主線路智能斷路器的中樞控制部件。它承擔(dān)斷路器的各種保護(hù)、報(bào)警、顯示、試驗(yàn)與故障診斷功能，當(dāng)前己

13、成為斷路器是否先進(jìn)的主要標(biāo)志之一。早期的產(chǎn)品稱智能脫扣器，以過(guò)電流保護(hù)和脫扣功能為主，但通過(guò)逐步改進(jìn)和發(fā)展至今，其功能遠(yuǎn)不止此.除過(guò)電流保護(hù)外還有顯示、報(bào)警、接地保護(hù)、溫度保護(hù)、電流顯示、電壓顯示、故障記錄和計(jì)算機(jī)接口等功能。當(dāng)前，智能化已是低壓斷路器的一個(gè)重要發(fā)展方向。因此，開(kāi)發(fā)功能齊全、性能更可靠完善的智能型低壓斷路器是工業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化行業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題，它具有良好的發(fā)展前景和廣大的用戶市場(chǎng)。1.2 智能型低壓斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的斷路器，其檢測(cè)和保護(hù)功能是利用了某些物理效應(yīng)，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，多由電磁元件完成。因而其體積較大，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，保護(hù)精度低，整定困難，效果也不

14、夠理想。隨著社會(huì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步人們對(duì)供電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)斷路器的功能已不能滿足供電系統(tǒng)自動(dòng)化的需要。為了防止用電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)供電線路，以及在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)損壞用電設(shè)備，因此，在傳統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上就要求其自動(dòng)化、智能化、模塊化，更可靠和具有更多保護(hù)功能。微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為斷路器的智能化提供了條件。近年來(lái)不斷推出的智能型斷路器，性能更好，可實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化。它不僅能提供普通斷路器的各種保護(hù)功能，還有傳統(tǒng)斷路器無(wú)法比擬的特點(diǎn)控制信號(hào)準(zhǔn)確可靠、實(shí)時(shí)顯示電路中的各種參數(shù)(電流、電壓、功率、功率因數(shù)等)、隨時(shí)設(shè)定動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間、存儲(chǔ)故障信息、預(yù)報(bào)警、聯(lián)網(wǎng)通信等。由

15、于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在低壓電器裝置中獲得了廣泛應(yīng)用。在過(guò)去的十年中，我國(guó)基于微處理器的數(shù)字式繼電保護(hù)裝置發(fā)展迅速，己成功研制了三代數(shù)字式繼電保護(hù)產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)廠家研制和生產(chǎn)的低壓智能型斷路器大多屬第三代產(chǎn)品，該類型的繼電保護(hù)裝置 是在高性能單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部集成的程序存儲(chǔ)器(EPROM)、隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM)、可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)單元、串行通信接口(SCI)和模數(shù)轉(zhuǎn)換等硬件資源，運(yùn)用先進(jìn)的保護(hù)方案和保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)了性能可靠的斷路器監(jiān)控部分。90年代中期，許多專業(yè)的智能斷路器制造廠家采用16位的單片機(jī)(80C196)設(shè)計(jì)新型的監(jiān)控和保護(hù)產(chǎn)品，以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)。上海電器科學(xué)

16、研究所，遵義長(zhǎng)征電器九廠和上海上民電器廠聯(lián)合研制的DW45-2000，3200，4000智能型萬(wàn)能式斷路器，江蘇黃海電器控制設(shè)備廠研制的ST系列智能控制器，均屬于第三代產(chǎn)品。同以前的相比，該類型產(chǎn)品除保持了顯示、控制和在線實(shí)驗(yàn)調(diào)整等功能外，還在提高了模數(shù)轉(zhuǎn)化的精度的同時(shí)，還增加了網(wǎng)絡(luò)通信功能，使用戶可以通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的遙測(cè)、遙信、遙控和遙調(diào)等 “四謠”功能?，F(xiàn)階段段該類型的產(chǎn)品在保護(hù)電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。目前，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各系列化智能斷路器。這些智能化斷路器的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的斷路器產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)在這方面的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)還才剛剛起步。從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，我國(guó)研

17、制、開(kāi)發(fā)的新一代力能式斷路器DW45系列智能型萬(wàn)能式低壓斷路器，采用智能控制器(國(guó)內(nèi)行業(yè)稱之為“智能控制器”，以示與原半導(dǎo)體式脫扣器的區(qū)別)作為核心保護(hù)部件，短路分?jǐn)嗄芰τ辛舜蠓奶岣撸^(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)、單相接地等均可由用戶自行設(shè)定。我國(guó)現(xiàn)己涌現(xiàn)出多種型號(hào)的智能型斷路器，如M系列、AH系列、HA系列、DW48等。90年代，又推出了新的IEC標(biāo)準(zhǔn):IEC947-2“低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備低壓斷路器”標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)標(biāo)GB14048.2“低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備斷路器”標(biāo)準(zhǔn)。本世紀(jì)初，國(guó)標(biāo)GB14048.2“低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備斷路器”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善?，F(xiàn)在有的單位專門(mén)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)智能型控制器，

18、如江蘇黃海電器控制設(shè)備廠產(chǎn)的別竹能型控制器，其特點(diǎn)是具有高短路分?jǐn)嗄芰椭悄苄员Ｗo(hù)性能，電流表、電壓表功能、報(bào)警功能、自診斷功能、試驗(yàn)功能、負(fù)載監(jiān)控功能、MCR脫扣和模擬脫扣功能一應(yīng)俱全。1.3 本文研究?jī)?nèi)容及主要研究工作本論文的主要任務(wù)是研究萬(wàn)能式智能型低壓斷路器中的智能型低壓斷路器測(cè)控單元智能控制器的軟件部分，其功能是根據(jù)輸入電流大小，判斷過(guò)流保護(hù)裝置是否按長(zhǎng)延時(shí)部件過(guò)電流控制器去執(zhí)行長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)中的一種特性動(dòng)作，并輸出信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。它作為萬(wàn)能式斷路器的核心保護(hù)部件，有較高的短路分?jǐn)嗄芰?，過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)、單相接地等參數(shù)均可由用戶自行設(shè)定。按照以上要求，本論文

19、完成了如下工作：(1)實(shí)現(xiàn)斷路器的三段電流保護(hù)特性和各種反時(shí)限保護(hù)特性等;(2)通過(guò)硬件實(shí)時(shí)監(jiān)控(包括接地監(jiān)控、主電流監(jiān)控、負(fù)載監(jiān)控等)，并經(jīng)軟件數(shù)據(jù)處理后送顯示;(3)實(shí)現(xiàn)線路電流檢測(cè);(4)可以方便地設(shè)定斷路器的整定值;(5)線路故障的記錄;(6)具備智能控制器本身的自診斷功能; (7)提出了將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于智能控制器的開(kāi)發(fā);(8)設(shè)置了通訊接口。本論文將對(duì)智能控制器的原理、設(shè)計(jì)(包括硬件、軟件)、試驗(yàn)等方面作專題論述。2低壓斷路器智能化控制技術(shù)研究智能控制器的簡(jiǎn)介2.1 引言低壓斷路器作為配電系統(tǒng)中的重要電器元件之一，其作用是保護(hù)電氣配電網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備免受短路、過(guò)載和接地等故障的損壞

20、。傳統(tǒng)斷路器的檢測(cè)和保護(hù)功能多由電磁元件完成，其動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，保護(hù)精度低，整定困難。隨著社會(huì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)供配電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)斷路器的功能已不能滿足供配電系統(tǒng)自動(dòng)化的需要。因此，對(duì)于單臺(tái)斷路器就要求其模塊化、智能化和自動(dòng)化，對(duì)于供電系統(tǒng)中的多臺(tái)斷路器要求能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、集中監(jiān)控等，即所謂的智能斷路器。智能斷路器是一種重要的智能化電器，智能化電器是在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備中引人計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新一代開(kāi)關(guān)電器。低壓斷路器的保護(hù)功能是通過(guò)其控制單元控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若干個(gè)智能斷路器通過(guò)互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可組成智能供配電系統(tǒng)，具有遙測(cè)、遙控、遙訊和遙調(diào)“四遙”

21、功能。近年來(lái)推出的智能型斷路器，具有智能化保護(hù)功能，選擇性保護(hù)精確，能提高供電可靠性，避免不必要的停電，可實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化。由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在低壓電器裝置中獲得了廣泛應(yīng)用。智能控制器是供電主線路智能斷路器的中樞控制部件。它承擔(dān)斷路器的各種保護(hù)、報(bào)警、顯示、試驗(yàn)與故障診斷功能，當(dāng)前己成為斷路器是否先進(jìn)的主要標(biāo)志之一。早期的產(chǎn)品稱智能脫扣器，以過(guò)電流保護(hù)和脫扣功能為主，但通過(guò)逐步改進(jìn)和發(fā)展至今，其功能遠(yuǎn)不止此.除過(guò)電流保護(hù)外還有顯示、報(bào)警、接地保護(hù)、溫度保護(hù)、電流顯示、電壓顯示、故障記錄和計(jì)算機(jī)接口等功能。當(dāng)前，智能化已是低壓斷路器的一個(gè)重要發(fā)展方向。因此，開(kāi)發(fā)功能更齊全、性能更可靠的智能型低

22、壓斷路器是工業(yè)電氣自動(dòng)化行業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題，它具有良好的發(fā)展前景和廣大的用戶市場(chǎng)。2.2 智能控制器的工作原理空芯互感器和電壓互感器分別檢測(cè)供電線路中的電流和電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和單片機(jī)可處理的電平信號(hào)，信號(hào)經(jīng)模擬調(diào)理電路(隔離、濾波、放大等)送人微處理器(MCU)，微處理器內(nèi)帶的A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供MCU進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理。各種故障保護(hù)的動(dòng)作電流和時(shí)間的整定值通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定并存于EPROM中(掉電不丟失)，MCU將檢測(cè)到的電流信號(hào)與整定值比較，判斷是否脫扣。通信接口是為實(shí)現(xiàn)同上位機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)“四遙”和聯(lián)網(wǎng)功能。模擬脫扣是一種后備脫扣方式，即當(dāng)故障信號(hào)超

23、過(guò)規(guī)定值時(shí)，模擬量信號(hào)不經(jīng)過(guò)MCU直接使斷路器脫扣，保證斷路器可靠動(dòng)作。 此外，控制器采用雙路電源異或的方式供電，只要有一路電源正常就可以使控制器可靠工作。其中一路電源由速飽和互感器從三相供電線路上感應(yīng)能量提供，稱為自生電源電路。當(dāng)主電路電流達(dá)到0.4In(In為額定電流)時(shí)套在母線上的速飽和互感器可感應(yīng)出足夠的電壓供控制器正常工作;當(dāng)斷路器在非運(yùn)行狀態(tài)或母線電流較小時(shí)，由另一路輔助電源供電，輔助電源可通過(guò)電壓互感器由母線上的電壓取得。若考慮在其運(yùn)行前進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、檢查試驗(yàn)等，則在輔助電源部分還需要外接直流電源。其原理框圖如圖4.1所示。2.3 智能控制器的主要特點(diǎn)(1)多種測(cè)試、計(jì)量和顯示功

24、能 能測(cè)量和計(jì)算多種模擬量和數(shù)字量，包括電壓、電流、功率、電度、頻率等電力參數(shù)以及斷路器的分合狀態(tài)，并且能夠顯示。 (2)保護(hù)功能多樣化 不僅具有長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)的3段保護(hù)動(dòng)作，還具有斷相、反相、欠壓、過(guò)壓、不平衡保護(hù)、逆功率保護(hù)、接地保護(hù)(第四段保護(hù))、溫度檢測(cè)、預(yù)報(bào)警等功能，而且可做到一種保護(hù)功能多種動(dòng)作特性。 (3)動(dòng)作準(zhǔn)確 由于采用了微處理器技術(shù)，慣性小、速度快，采用數(shù)值積分的方法計(jì)算電流有效值，根據(jù)此值發(fā)出動(dòng)作指令，提高了動(dòng)作的準(zhǔn)確性，把動(dòng)作范圍縮小到了1.051.15倍的整定電流。 (4)故障信息存儲(chǔ)功能 智能控制器能將故障信息儲(chǔ)存，如故障類型、故障電流值、動(dòng)作時(shí)間等，有助于工

25、作人員做出正確的分析和判斷，減少線路維修時(shí)間。 (5)故障自診斷與試驗(yàn)功能 對(duì)構(gòu)成智能控制器的電子元件的工作狀態(tài)進(jìn)行自診斷，當(dāng)出現(xiàn)故障發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并使斷路器分?jǐn)唷?此外，微處理器能進(jìn)行脫扣與非脫扣兩種方式的試驗(yàn)，以及模擬信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)和瞬時(shí)整定值的試驗(yàn)，還能進(jìn)行在線試驗(yàn) (6)熱記憶功能 如果供電線路中的故障是間歇性的，則故障電流會(huì)反復(fù)斷續(xù)出現(xiàn)，若故障電流持續(xù)時(shí)間在達(dá)到整定的動(dòng)作時(shí)間之前，則其值又恢復(fù)到電流整定值以下。在這種情況下，一般傳統(tǒng)脫扣器不能正確動(dòng)作，而智能控制器具有記憶功能，可把故障電流超過(guò)整定值的時(shí)間迭加起來(lái)，一旦累計(jì)時(shí)間達(dá)到整定時(shí)間時(shí)，控制器就能動(dòng)作而切斷故障電流。 (

26、7)負(fù)載監(jiān)控功能 在線路故障電流超過(guò)負(fù)載監(jiān)控整定值，而未達(dá)到過(guò)載電流整定值時(shí)，智能控制器能發(fā)出報(bào)警和控制信號(hào)，利用控制信號(hào)進(jìn)行負(fù)載調(diào)度。 (8)通信功能主控計(jì)算機(jī)每隔幾秒輪詢各測(cè)控單元即控制器，下發(fā)操作命令，指揮控制器完成某個(gè)任務(wù)，包括:上送計(jì)量信息或錄波數(shù)據(jù);校時(shí)和定值整定;上報(bào)系統(tǒng)的工作狀況;控制斷路器分合閘。2.4 智能控制器的主要關(guān)鍵技術(shù)2.4.1 微處理器技術(shù)智能控制器采用的高性能單片機(jī)，目前用得比較多的是以MCS_51系列的8位單片機(jī)和Intel公司的96系列單片機(jī)。8位單片機(jī)以其使用成熟、16位單片機(jī)以其更快的運(yùn)算速度和豐富的內(nèi)部資源都在廣泛使用。另外，DSP芯片作為一種新型的微

27、處理器，具有更強(qiáng)大的運(yùn)算功能和高速的數(shù)據(jù)傳輸能力。在控制器中采用高性能的單片機(jī)技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)還簡(jiǎn)化了斷路器控制器的電路結(jié)構(gòu)，降低了成本并加快了新產(chǎn)品的更新?lián)Q代。隨著MCS_51芯片生產(chǎn)的規(guī)?；蛢r(jià)格的降低，有趨勢(shì)將MCS_51集成到單片機(jī)中，MCS_51完成高速運(yùn)算功能，單片機(jī)負(fù)責(zé)管理外圍設(shè)備，共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電器設(shè)備的操作。2.4.2 技術(shù)信號(hào)檢測(cè)為了確保測(cè)量的精度，考慮到用于檢測(cè)單元中常用的電流互感器有實(shí)芯和空芯兩種類型，由于實(shí)芯電流互感器在處理小電流時(shí)線性度好，但是當(dāng)電流過(guò)大時(shí)易飽和，從而使測(cè)量失真，而空芯電流互感器在處理大電流時(shí)線性度好，但是在小電流時(shí)易受到干擾，同樣

28、也會(huì)產(chǎn)生失真。因此為了兼顧測(cè)量精度和測(cè)量范圍，充分實(shí)現(xiàn)全范圍電流的精確測(cè)量，可以采用兩種互感器并用，再配合自動(dòng)量程切換電路;或者采用高性能的空芯互感器外加補(bǔ)償校正等方法。所以提高測(cè)量精度和電流測(cè)量范圍是實(shí)現(xiàn)斷路器智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。2.4.3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字化通信系統(tǒng)，用一根總線以串行方式把開(kāi)關(guān)設(shè)備與主控制器連接起來(lái)，能進(jìn)行雙向通信。可通信開(kāi)關(guān)設(shè)備一般安裝在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙調(diào)。 現(xiàn)場(chǎng)總線主要應(yīng)用于過(guò)程控制、生產(chǎn)自動(dòng)化、配電系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合，因此對(duì)系統(tǒng)中的低壓開(kāi)關(guān)電器提出了可通信并能與現(xiàn)場(chǎng)總線相連接的要求。近幾年，可通信開(kāi)關(guān)電器(如智能化萬(wàn)能式斷路

29、器、智能化交流接觸器、智能化重合控制器、智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)器和起動(dòng)器等)發(fā)展很快，這類電器都要求和一定的現(xiàn)場(chǎng)總線相連，尤其是智能控制器，它是把微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)與現(xiàn)代機(jī)電一體化集成在一起的高新技術(shù)產(chǎn)品。此外，由智能斷路器構(gòu)成的智能型開(kāi)關(guān)柜與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及上位機(jī)構(gòu)成的自動(dòng)化配電系統(tǒng)，具有功能強(qiáng)、系統(tǒng)完善、可靠性高、編程簡(jiǎn)易、控制簡(jiǎn)便、通信協(xié)議開(kāi)放等特點(diǎn)，研制應(yīng)用和推廣智能斷路器及其適合的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是我國(guó)配電自動(dòng)化發(fā)展的基礎(chǔ)。2.4.4 液晶顯示技術(shù)基于智能控制器實(shí)現(xiàn)功能的多樣化，單一的數(shù)碼管顯示已不能滿足控制器對(duì)顯示功能提出的要求，采用液晶顯示有突出的優(yōu)點(diǎn):顯示信息量大，不但能顯示

30、相和線的電流、電壓、功率因素、功率等各種參數(shù)，也能顯示被保護(hù)對(duì)象和線路過(guò)去的運(yùn)行參數(shù)和故障情況，還能以圖形的方式顯示被整定的斷路器保護(hù)特性。同時(shí)，低功耗功能還能緩解智能控制器供電緊張的局面。但是，在惡劣電磁環(huán)境下會(huì)使液晶失效，所以開(kāi)發(fā)出具有高可靠性的液晶顯示模塊也是非常重要的。2.4.5 電磁兼容技術(shù)在低壓電器領(lǐng)域中，斷路器用來(lái)對(duì)供配電線路和用電設(shè)備的過(guò)載、短路、單相接地及欠電壓等實(shí)現(xiàn)保護(hù)，以此避免或減少故障給電力系統(tǒng)及用電設(shè)備所造成的破壞，確保供電系統(tǒng)的可靠性。低壓斷路器的各種保護(hù)功能以及監(jiān)測(cè)和通信功能等都是由智能控制裝置完成的。因此，低壓斷路器的智能控制器必須具有很高的可靠性和抗干擾能力，

31、特別是抗電磁干擾。由于智能控制器工作環(huán)境非常惡劣，常常工作在大電流(幾千安培，短路時(shí)有時(shí)可達(dá)到幾十千安以上)狀態(tài)，電磁干擾非常大，因此，智能控制器電磁兼容性(EMC)變成了越來(lái)越重要的問(wèn)題。2.4.6 基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的智能控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)智能控制器是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)，它在運(yùn)行中要保證采樣、計(jì)算、保護(hù)、控制、通信、鍵盤(pán)、顯示等諸多任務(wù)按時(shí)、有序、高效的完成。實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是指能滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，有效管理系統(tǒng)任務(wù)及資源的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)性是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)區(qū)別于其它操作系統(tǒng)的一個(gè)重要特性，它不但管理著系統(tǒng)中的MCU、I/O和存儲(chǔ)器等硬件資源，而且也為軟件系統(tǒng)提供

32、了一個(gè)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)。基于采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能控制器的軟件系統(tǒng)，能很好協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有任務(wù)的運(yùn)行和資源分配，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，而且通過(guò)應(yīng)用程序提供的接口，可以方便地進(jìn)行代碼維護(hù)和功能的擴(kuò)充。要實(shí)現(xiàn)智能控制器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，需要對(duì)系統(tǒng)完成的功能進(jìn)行全面分析，根據(jù)各個(gè)功能的運(yùn)行特點(diǎn)按實(shí)時(shí)性要求和執(zhí)行頻率的不同進(jìn)行合理分類。目前，在認(rèn)真研究智能控制器的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，研制出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能控制器樣機(jī)。硬件系統(tǒng)主要包括五部分:輸人通路的信號(hào)調(diào)理電路;單片機(jī)及可編程邏輯器件的應(yīng)用;溫度和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì);液晶顯示和按鍵電路的設(shè)計(jì)以及狀態(tài)檢測(cè)和輸出電路的設(shè)計(jì)(硬

33、件電路如圖2.1所示)。圖2.1 系統(tǒng)硬件框圖軟件設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，主要包括各種中斷和任務(wù)調(diào)度。其中中斷包括采樣中斷、定時(shí)中斷、通信中斷、測(cè)頻中斷。任務(wù)的調(diào)度根據(jù)每個(gè)任務(wù)執(zhí)行頻率和優(yōu)先級(jí)的不同，分時(shí)執(zhí)行任務(wù)，避免了多個(gè)任務(wù)同時(shí)觸發(fā)造成任務(wù)的堆積，使優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)得不到執(zhí)行。同時(shí)采用測(cè)量算法和保護(hù)算法來(lái)分別計(jì)算電流的有效值和基波的有效值，提高了斷路器動(dòng)作的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)在控制器樣機(jī)已通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，取得了較好的結(jié)果，即將進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作。第3章 理論分析和數(shù)學(xué)模型為了保證繼電保護(hù)設(shè)備準(zhǔn)確顯示各電參量，同時(shí)防止電網(wǎng)中諧波成分對(duì)保護(hù)裝置工作性能的影響，在IEC60947.2低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控

34、制設(shè)備有關(guān)斷路器參數(shù)測(cè)量的規(guī)范中，對(duì)斷路器的顯示值和保護(hù)動(dòng)作值的獲取作了嚴(yán)格的規(guī)定。隨著電網(wǎng)和用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，檢測(cè)儀器就需要顯示有關(guān)電網(wǎng)電能質(zhì)量的有關(guān)參數(shù)，包括有功功率、功率因數(shù)和諧波畸變率等。因?yàn)橹C波有十分嚴(yán)重的危害，經(jīng)常會(huì)引起繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)控制 裝置誤動(dòng)作，造成電能計(jì)量出現(xiàn)混亂等后果，所以如何精確計(jì)算并顯示諧波參數(shù)就顯得十分重要了。本章將詳細(xì)介紹電流、電壓和各諧波參數(shù)的測(cè)量方法以及各種保護(hù)工作方式的數(shù)學(xué)模型。3. 參數(shù)測(cè)量理論 3.1.1 電壓、電流的測(cè)量在IEC60947.2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，電流和電壓應(yīng)采用均方根值(RMS)顯示，電子過(guò)電流整定裝置應(yīng)有“均方根值”顯示標(biāo)志。均方

35、根值檢測(cè)提供了可靠的系統(tǒng)保護(hù)，在波形中含有高的諧波分量時(shí)RMS檢測(cè)將減小保護(hù)裝置誤脫扣的可能性11。本裝置中四相電流和三相電壓均采用相應(yīng)的均方根值顯示。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)均方根值（以下簡(jiǎn)稱均值）的定義，電壓和電流均值的表達(dá)式為 (3.1) (3.2)式中T為信號(hào)的周期，U為電壓均值，I為電流均值。式(3.1)，(3.2)電壓和電流均值的數(shù)學(xué)表達(dá)式，適用于任何周期性交變電量參數(shù)信號(hào)。利用軟件編程實(shí)現(xiàn)上述算法時(shí)，可按如下方法將其離散化。用一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣值代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值式(3.1)變?yōu)?(3.3)其中為采樣時(shí)間間隔，N為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。本設(shè)計(jì)中采用定時(shí)采樣(TIN)，

36、用第時(shí)刻電壓的采樣值代替第k個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)電壓的瞬時(shí)值，式(3.3)可轉(zhuǎn)化為 (3.4)同理電流均值的離散化計(jì)算公式可表示為 (3.5)式中為第時(shí)刻電壓的采樣值。利用式(3.4)，(3.5)進(jìn)行編程，便可由軟件實(shí)現(xiàn)電壓和電流均值的計(jì)算。為了提高測(cè)量的精度，一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N選32，采樣周期為。 3.1.2 功率、功率因數(shù)和波形畸變率的測(cè)量傅立葉級(jí)數(shù)的分析方法是諧波分析的主要方法之一。本論文利用快速 傅立葉變換(FFT)算法進(jìn)行有關(guān)電壓電流的諧波分析，實(shí)現(xiàn)電壓和電流基 波分量各參數(shù)的測(cè)量。(1)有功功率的計(jì)量16三相電路的有功功率就是其平均功率，可表示為： (3.6)將上式離散化后可得到有

37、功功率的數(shù)字化表達(dá)式： (3.7)式中 分別為同一采樣周期內(nèi)第時(shí)刻A，B, C相電壓和電流的采樣值。(2)功率因數(shù)的計(jì)量16在三相對(duì)稱電路中，各相電壓、電流均對(duì)稱，功率因數(shù)也相同。三相電路總的功率因數(shù)就等于各相的功率因數(shù)。而三相不對(duì)稱電路的功率因數(shù)至今沒(méi)有同一的定義。這里定義功率因數(shù)為有功功率和視在功率的比值， 表達(dá)式為： (3.8)式中S為視在功率，其值等于電壓和電流有效值的乘積，即 (3.9)無(wú)功功率Q的計(jì)算可由下式求得： (3.10)由式(3.8，9)可以看出，有功功率的最大值為視在功率值S，若P值越接近S值，那么電氣設(shè)備的容量就越能得到充分利用。引入功率因數(shù)就是為了反映有功功率P接近視

38、在功率S的程度。(3)電流諧波總畸變率的計(jì)量16在公共電網(wǎng)中，一般情況下電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變則可能很大，此處只考慮電流的波形畸變率。次諧波電流含有率()表達(dá)式為： (3.11)式中為第次諧波電流的有效值( 大于2而小于16)，為基波電流有效值。諧波電流含量定義為： (3.12)電流諧波總畸變率THD；（Total Harmonic Distortion）定義為： (3.13)通過(guò)對(duì)電流和電壓采樣信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換分析，便可得到相應(yīng)電量的諧波參數(shù)。本設(shè)計(jì)利用式(3.12),(3 .13)計(jì)算得到電流波形總畸變率。以上各公式對(duì)周期性的正弦信號(hào)和含有諧波的非正弦信號(hào)均適用。）快速

39、傅立葉變換(FFT)分析法16隨著電力電子設(shè)備和各種非線性特性設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中往往含有非周期分量和各種頻率的諧波分量，此種成分的存在不僅會(huì)降低設(shè)備的工作效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)作，因此保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作應(yīng)盡量避免這種分量的干擾。對(duì)電流和電壓的均方根值檢測(cè)雖然可減小諧波的干擾，但不是最理想的處理方法。對(duì)采樣的信號(hào)序列進(jìn)行傅氏分析，以基波的參數(shù)作為保護(hù)的依據(jù)就可消除諧波對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響，使保護(hù)有較高的可靠性。FFT分析法是傅氏分析的一種快速高效算法，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。斷路器的智能化使 FFT的實(shí)現(xiàn)變得更為方便。下面簡(jiǎn)要介紹時(shí)間抽取FFT算法的基本原理。時(shí)間抽取FFT是將N點(diǎn)

40、的輸入序列x(n)按照偶數(shù)和奇數(shù)分解為兩個(gè)序列：偶序列：x(0),x(2),x(4),x(N-2)奇序列：x(1),x(3),x(5),.x(N-1)因此，x(n)的N點(diǎn)FFT可表示為： (3.14)因?yàn)?所以式3.14可變?yōu)?(3.15)令Y(k)和Z(k)分別表示式(3.15)中右邊兩項(xiàng)和式，則有 (3.16)由于Y(k)和Z(k)的周期為N/2因此計(jì)算上式的k的范圍為0N/2-1計(jì) 算k=N/2N-1的X(k)可以利用的特性，可得 (3.17)式(3.16)和(3.17)兩式分別用來(lái)計(jì)算和的X(k) 。以同樣的方式進(jìn)一步抽取，就可得到N14點(diǎn)的離散傅氏變換(DEF)， 重復(fù)這個(gè)抽取過(guò)程，

41、就可以使N點(diǎn)的DEF用一組2點(diǎn)的DEF來(lái)計(jì)算。 在基數(shù)為 2的FFT中，設(shè)則總共由M級(jí)運(yùn)算，每級(jí)中有N/2個(gè)2點(diǎn)FFT蝶形運(yùn)算，因此，N點(diǎn)FFT總共有個(gè)蝶形運(yùn)算。這種蝶形運(yùn)算的流圖如圖3.1所示。圖3.1 基2FFT蝶型運(yùn)算流圖圖3-1基2FFT蝶型運(yùn)算流圖設(shè)蝶形的輸入分別為P和Q，輸出分別為和，則有 (3.18) (3.19)對(duì)于32點(diǎn)的FFT算法，共有5級(jí)80個(gè)蝶形運(yùn)算，由于多數(shù)MCS_51都能在 一個(gè)指令周期完成一次乘法和一次加法，而且提供專門(mén)的 FFT指令（實(shí)FFT 所必須的比特反轉(zhuǎn)等），使得FFT算法在芯片上實(shí)現(xiàn)的速度更快，為實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)的傅立葉分析提供了可能。3.2 保護(hù)方式的數(shù)學(xué)

42、模型及實(shí)現(xiàn)方法智能型低壓斷路器監(jiān)控單元的主要功能是對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，針對(duì)異常情況向斷路器發(fā)出脫扣信號(hào)，保護(hù)用戶設(shè)備和電網(wǎng)的正常運(yùn)行，因此保護(hù)功能是監(jiān)控單元的主要功能。本小節(jié)在介紹常用三段電流保護(hù)特性的基礎(chǔ)上，給出過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限保護(hù)的數(shù)學(xué)模型，至于定時(shí)限保護(hù)功能，通過(guò)合理設(shè)置定時(shí)器就可方便實(shí)現(xiàn)。3.2.1 三段電流保護(hù)特性分析對(duì)于配電柜、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等設(shè)備而言，常規(guī)保護(hù)方式是分段式電流保護(hù)，包括過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬動(dòng)等三段電流保護(hù)方式。過(guò)電流保護(hù)特性由時(shí)間-流曲線表示，曲線位于直角坐標(biāo)系中，縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)均對(duì)數(shù)化，縱坐標(biāo)為動(dòng)作時(shí)間，橫坐標(biāo)為過(guò)電流倍數(shù)。圖3.2為典

43、型的三段過(guò)電流保護(hù)特性曲線。它包含了長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬動(dòng)三段電流保護(hù)。三個(gè)電流保護(hù)段的電流整定值可以用數(shù)軸表示，如圖3.3所示。In為額定電流, 為長(zhǎng)延時(shí)整定電流, 為短延時(shí)整定電流, 為瞬動(dòng)整定電流。設(shè)定不同的電流整定值，測(cè)控單元可同時(shí)或分別具有三段保護(hù)特性。短延時(shí)長(zhǎng)延時(shí)瞬時(shí)關(guān)閉瞬動(dòng)特性0i圖3.2 過(guò)電流三段保護(hù)特性圖3.3 電流整定值覆蓋范圍(1)保護(hù)特性 長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)特性為反時(shí)限，數(shù)學(xué)表達(dá)式為19 (3.20)式中為電流整定值，可選為中間繼電器的額定電流的倍數(shù)(0.4-1)，I為過(guò)電流值;T為動(dòng)作時(shí)間; 為長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值。 短延時(shí)保護(hù)特性由兩部分組成：反時(shí)限和定時(shí)限。8為分界點(diǎn)定時(shí)

44、限的動(dòng)作時(shí)間有多個(gè)規(guī)定值可供選擇;反時(shí)限特性數(shù)學(xué)表達(dá)式為19 (3.21)式中為短路整定電流，可選為額定電流的倍數(shù)(0.415)，為短延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值其余同式(1) 。 短路瞬動(dòng)動(dòng)作特性為定時(shí)限，動(dòng)作時(shí)間為一規(guī)定值，瞬動(dòng)保護(hù)功能可關(guān)閉。(2)保護(hù)原理 定時(shí)限保護(hù)的保護(hù)原理比較簡(jiǎn)單。當(dāng)故障電流值大于電流整定值時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間到，保護(hù)動(dòng)作;在計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)，如故障電流值小于整定值，則保護(hù)退出。反時(shí)限保護(hù)實(shí)質(zhì)為熱保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間與電流平方成反比。為提高反時(shí)限電流保護(hù)的實(shí)時(shí)性，本測(cè)控單元采用查表法確定保護(hù)動(dòng)作特性根據(jù)測(cè)得的過(guò)電流倍數(shù)，通過(guò)查表求得動(dòng)作時(shí)間，定時(shí)時(shí)間到，則保護(hù)動(dòng)作。3.2.2 其它保

45、護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理為了使智能型斷路器具有更加完備的功能，除了具備上述電流保護(hù)功能外還設(shè)計(jì)了其它的保護(hù)功能，如接地，斷相，過(guò)壓、欠壓和失壓保護(hù)等。(1)接地保護(hù)在中性點(diǎn)非直接接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地時(shí)，由于故障點(diǎn)的電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對(duì)稱，對(duì)負(fù)荷的供電沒(méi)有影響，因此，在一般情況下都允許再運(yùn)行12小時(shí)，而不必立即跳閘。但是在單相接地后，其它兩相對(duì)地電壓要升高倍，為了防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地短路，應(yīng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便運(yùn)行人員采取措施予以消除。當(dāng)中性點(diǎn)非接地系統(tǒng)發(fā)生一相接地時(shí)，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓，在故障線路上，零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對(duì)地容電流之和，數(shù)值一般較大。因此可

46、檢測(cè)系統(tǒng)的零序電流作為保護(hù)的依據(jù)。具體設(shè)計(jì)中，其整定電流可選為的0.20.8倍。其保護(hù)的動(dòng)作通常由定時(shí)限實(shí)現(xiàn)，時(shí)間可選3060分鐘。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中單相接地故障的分析方法與此類似。(2)斷相保護(hù)在設(shè)備(尤其是電機(jī))運(yùn)行中如果發(fā)生斷相，造成三相電流不平衡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正序和負(fù)序電流，使電機(jī)的綜合力矩減少，同時(shí)會(huì)使電機(jī)發(fā)熱增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)。當(dāng)發(fā)生此類故障時(shí)可利用故障相相電流為零，其它兩相電流增大的特點(diǎn)作為判定斷相故障的依據(jù)。(3)過(guò)壓、欠壓和失壓保護(hù)根據(jù)用電設(shè)備對(duì)工作電壓波動(dòng)范圍的要求，當(dāng)電壓高于上限或低于下限時(shí)，監(jiān)控裝置應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行過(guò)壓或欠壓的保護(hù)，當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，應(yīng)進(jìn)行失壓保護(hù)。具體

47、在保護(hù)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中，異步電動(dòng)機(jī)的欠壓整定值可選為額定電壓的60-70%，同步電動(dòng)機(jī)為50-70%的額定電壓，過(guò)壓保護(hù)可選設(shè)備耐高壓上限的85%作為過(guò)壓保護(hù)的整定值，保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限為0.51s。 智能監(jiān)控單元的硬件設(shè)計(jì)4.1 監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)智能控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用以單片機(jī)為中心，以與單片機(jī)接口的外圍芯片為擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思想。外圍芯片按功能模塊擴(kuò)展，由信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)采集、輸入與顯示部分、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信接口、執(zhí)行輸出元件等模塊組成。該控制器充分考慮了兩極組合成一相的特點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)回路作了精心設(shè)計(jì)，使其可靠性得到有效提高。智能型控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖4.1所示。圖4.1 智能控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

48、框圖信號(hào)檢測(cè)模塊指空芯互感器;信號(hào)采集單元包括信號(hào)處理電路及A/D轉(zhuǎn)換部分，這兩部分為微處理器系統(tǒng)提供正確可靠的信號(hào)。執(zhí)行輸出有兩部分:一般脫扣和模擬脫扣。鍵盤(pán)輸入使用點(diǎn)陣按鍵式鍵盤(pán)，顯示采用數(shù)碼管(LED)。并通過(guò)單片機(jī)通用異步串行口(UART)建立同上位機(jī)之間的通信。上電后，主線路的電流信號(hào)通過(guò)互感器采集，經(jīng)大小信號(hào)分路處理后轉(zhuǎn)換成模擬電路可處理的電平信號(hào)，采樣并濾波后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A/D)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);CPU根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理，將運(yùn)算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護(hù)特性的邏輯電平信號(hào);這些信號(hào)經(jīng)放大后可以直接驅(qū)動(dòng)斷路器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得斷路器動(dòng)作。各種故障保護(hù)的動(dòng)作電流和

49、時(shí)間整定值己通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定，預(yù)先存儲(chǔ)于EPROM中，并且在使用中隨時(shí)可以更改。對(duì)于特大短路故障，其故障電流達(dá)到一定值時(shí)，不經(jīng)CPU處理，直接比較輸出脫扣信號(hào)，由特別設(shè)計(jì)的模擬脫扣電路使執(zhí)行元件動(dòng)作。(1)輸入模塊a、電源的設(shè)計(jì)：智能型脫扣器采用雙路電源以或的方式供電，任何一路電源正常，即可供控制器可靠工作。一路電源為自生電源，通過(guò)快速飽和鐵芯互感器從三相供電線路感應(yīng)能量供控制器工作。另一路輔助電源電路，由變壓器或直流外接逆變電源提供工作電源。 b、信號(hào)采集的設(shè)計(jì)：該模塊的主要功能就是將測(cè)控單元所需要的電流、電壓經(jīng)電流互感器CT和電壓互感器PT引入系統(tǒng)，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的

50、數(shù)字信號(hào)。c、A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)：本部分單元A/D采樣器采用MAX197.MAX197集多路開(kāi)關(guān)、采樣保持、12位A/D轉(zhuǎn)換、基準(zhǔn)電源、內(nèi)部時(shí)鐘與一體,12位并行接口A/D轉(zhuǎn)換器。(2)輸出模塊的設(shè)計(jì)為了把中央控制模塊輸出的這些指令信息可靠地發(fā)送到一次設(shè)備，輸出模塊應(yīng)保證可靠的隔離和足夠的驅(qū)動(dòng)能力。單片機(jī)為弱電器件，電器開(kāi)關(guān)為強(qiáng)電器件，兩者在電平范圍和驅(qū)動(dòng)能力的要求上存在很大的差異。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用光電耦合器作為兩者的接口，以減少?gòu)?qiáng)電對(duì)弱電的干擾。(3)鍵盤(pán)輸入設(shè)計(jì)：為了方便保護(hù)定值修改和運(yùn)行方式的即時(shí)調(diào)整，裝置設(shè)置了參數(shù)修改和功能試驗(yàn)按鈕。試驗(yàn)按鍵可在線或離線檢驗(yàn)裝置的各項(xiàng)保護(hù)功能是否可正常

51、工作，其中包括長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)和瞬動(dòng)保護(hù)等功能，相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果可由指示燈結(jié)合液晶屏進(jìn)行顯示。(4)輸出顯示設(shè)計(jì)：本測(cè)控單元的輸出包括指示燈顯示和液晶顯示兩大部分。為了給用戶提供友好的人機(jī)界面，本單元利用液晶(CD)行測(cè)量參數(shù)、保護(hù)整定值、故障類型和操作指導(dǎo)信息的顯示。液晶采用信利(RULY)公司的圖形點(diǎn)陣式模塊MGLS-12864。(5)通信原理的設(shè)計(jì)通信模塊是智能電器能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的關(guān)鍵，用來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)智能電器與管理中心上位計(jì)算機(jī)之間各類信息交換。本系統(tǒng)的通信是基于RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。4.2 中央處理模塊的設(shè)計(jì)4.2.1 CPU（中央處理器）的結(jié)構(gòu)CPU 是單片機(jī)的核心部分，它讀取用戶程序

52、并執(zhí)行，在MCS_51系列單片機(jī)的內(nèi)部有1 個(gè)12位的CPU，由運(yùn)算器、各種專用寄存器及定時(shí)邏輯控制部件（控制器）等組成。(1)運(yùn)算器 運(yùn)算器是在控制器的控制下，對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算及信息傳送的部件。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器A、通用寄存器組、暫存寄存器TMP、標(biāo)志寄存器 F和其他的輔助邏輯電路組成。(2)累加器A或AC(Accmulator)累加器是運(yùn)算器的關(guān)鍵部件之一。它有兩種功能：一是作為參加運(yùn)算的一個(gè)操作數(shù)的輸入端（一般用來(lái)存放被加數(shù)）；二是用來(lái)存放運(yùn)算的結(jié)果。在MCS_51 系列單片機(jī)中有1個(gè)長(zhǎng)度為8位的累加器。假設(shè)A中的初始內(nèi)容為01H，寄存器 B中的內(nèi)容為05

53、H，在B和A中的內(nèi)容相加后，所得結(jié)果為06H，仍存入A中。這時(shí),A中的數(shù)由原來(lái)的01H變?yōu)?6H。假如把數(shù)03H送入B，再執(zhí)行一次加法，則累加器中的內(nèi)容變?yōu)?06H+03H)=09H。由此可見(jiàn)，累加器中所存放的數(shù)是各次累加的總和。除了算術(shù)運(yùn)算外，在進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)也常用到累加器。(3)通用寄存器(General-Purpose Register)組通用寄存器用來(lái)暫時(shí)存放參加運(yùn)算的操作數(shù)、中間結(jié)果或地址。它是為高速處理數(shù)據(jù)而設(shè)置的，MCS_51系列單片機(jī)中有4組每組8個(gè)的通用寄存器組。(4)暫存寄存器TMP(Temporary Register)暫存寄存器用來(lái)存放從數(shù)據(jù)總線或通用寄存器組送來(lái)的操作

54、數(shù)，并將該操作數(shù)送入 ALU 進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)，也能將數(shù)據(jù)送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。(5)標(biāo)志寄存器F(Flag Register 或 Status Register)標(biāo)志寄存器用來(lái)保存由于ALU操作產(chǎn)生的特殊狀態(tài)，F(xiàn) 中的每一位都可以表示一種狀態(tài)，如進(jìn)位、溢出、結(jié)果為零、結(jié)果為奇數(shù)等。有的計(jì)算機(jī)也將其稱為程序狀態(tài)字 PSW。(6)算術(shù)邏輯單元ALU4.2.2 MCS_51系列單片機(jī)的引腳功能描述MCS_51系列單片機(jī)是一片具有40根引腳的雙列直插式元件，4個(gè)并口共有32 根引腳，可分別作為地址線、數(shù)據(jù)線和I/O線，其中 P3 口還具有第二功能（主要用于中斷和定時(shí)）。另外還有6根控制引腳、2根電源引腳。圖為引腳排列圖，為邏輯結(jié)構(gòu)圖。圖4.2 MCS_51系列單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)對(duì)每一引腳的功能分類描述如下：(1)端