低壓智能斷路器的研究與設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、創(chuàng)作）題目： 低壓智能斷路器的研究與設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：0801002115 所在系院： 專(zhuān)業(yè)： 入學(xué)時(shí)間： 2010年 9 月導(dǎo)師姓名： 職稱(chēng)/學(xué)位：副教授/博士 導(dǎo)師所在單位： 完成時(shí)間：2014年 6 月安徽三聯(lián)學(xué)院教務(wù)處 制低壓智能斷路器的研究與設(shè)計(jì)摘要：論文闡述使斷路器智能控制的技術(shù)，設(shè)計(jì)控制單元使之達(dá)到智能化。其意義使之達(dá)到智能保護(hù)的效果，主要是設(shè)計(jì)控制單元的硬軟件。 在本文中，分析斷路器的原理和相關(guān)算法，確定單片機(jī)及其功能單元周?chē)脑瓌t，全面的硬件設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)斷路器智能。對(duì)短路、過(guò)載和接地等故障的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。敘述它緊要功能模塊

2、相關(guān)原則、設(shè)計(jì)方案，智能控制重點(diǎn)是C8051單片機(jī)，因?yàn)樗呛诵奶幚砥?，其任?wù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、對(duì)故障線路進(jìn)行保護(hù)，從而達(dá)到斷路器自動(dòng)控制的效果。軟硬件設(shè)計(jì)是以模塊化和開(kāi)放性為原則的。硬件的串行芯片采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，還留下空間，為今后的擴(kuò)大提供條件；而軟件選用層次化、多任務(wù)原則，提升軟件系統(tǒng)靈活性、可移植性。關(guān)鍵詞：斷路器； 智能控制器； 過(guò)流保護(hù)；Research and design of low-voltage circuit breaker intelligentAbstract:Paper describes the technology of circuit breaker in

3、telligent 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 it

4、s functional 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 fun

5、ction modules 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

6、based on modular 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;

7、intelligent controller; overcurrent protection；目錄1 緒論11.1課題研究的意義與目的11.1.1課題研究的意義11.1.2課題研究的目的21.2智能斷路器在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀22 智能低壓斷路器的原理及理論分析42.1低壓智能斷路器控制單元的算法分析42.1.1電壓、電流的計(jì)量42.1.2電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)及功率的計(jì)量52.2保護(hù)的原理及實(shí)現(xiàn)52.2.1過(guò)電流保護(hù)特性曲線的運(yùn)用62.2.2保護(hù)的實(shí)現(xiàn)63 智能低壓斷路器的硬件設(shè)計(jì)83.1硬件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則83.2智能控制器的硬件電路設(shè)計(jì)83.3嵌入式片上系統(tǒng)93.3.1 C8051系統(tǒng)單片機(jī)93.3.2

8、數(shù)據(jù)采集模塊104 智能低壓斷路器的軟件設(shè)計(jì)124.1軟件設(shè)計(jì)概述124.2主要程序設(shè)計(jì)124.3定時(shí)采樣154.4鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)154.5故障處理174.6自檢程序設(shè)計(jì)18結(jié)論20致謝21參考文獻(xiàn)221 緒論1.1 課題研究的意義與目的1.1.1 課題研究的意義隨著電力工業(yè)的發(fā)展，各種功能的電力線保護(hù)裝置也應(yīng)運(yùn)而生，并得到迅速發(fā)展。這種保護(hù)電路的原理是電流或功率超過(guò)一定的基于時(shí)間限制，自動(dòng)切斷電源線實(shí)現(xiàn)保護(hù)負(fù)載。電路斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，主要是用于電路交換的各種繼電保護(hù)系統(tǒng)，判斷線路是否正常運(yùn)行，若出現(xiàn)故障，則供配電系統(tǒng)關(guān)閉。低壓斷路器的重要部分是脫扣器，智能脫扣器的智能控制器是

9、更準(zhǔn)確的更及時(shí)的，因此它被廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)。在供電系統(tǒng)中的低壓斷路器中的分布更為重要的是，不僅需要保護(hù)電路，中斷容量和短路電流，但也具有一定的智能化功能的實(shí)現(xiàn)，保障供給的選擇性保護(hù)。這不僅可以連接或斷開(kāi)連接在正常工作狀態(tài)下的負(fù)載電流，但在正常情況下，過(guò)流，短路，電壓等現(xiàn)象的情況下，自動(dòng)切斷電路的斷路器，從而保護(hù)電氣設(shè)備和電纜；故障排除后，快速恢復(fù)供電。斷路器既可工作在本地，也可遠(yuǎn)程操作。智能控制器是核心，各種斷開(kāi)電路保護(hù)、報(bào)警、顯示、測(cè)試和事故診斷功能，它目前已成一個(gè)先進(jìn)斷路器主要標(biāo)志；它的功能是電能的分配、電路的保護(hù)（線路及設(shè)備超負(fù)荷、短路、欠壓、接地故障等），從而控制斷路器、維護(hù)電源監(jiān)

10、控系統(tǒng)。在發(fā)生事故時(shí)，智能斷路器是非常重要的，立即斷開(kāi)電路，避免事故擴(kuò)大，從而保證設(shè)備和人身的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。根據(jù)電力系統(tǒng)的發(fā)展，配電自動(dòng)化提升，電力系統(tǒng)保護(hù)裝置通過(guò)電磁防護(hù)，晶體管保護(hù)，微機(jī)保護(hù)。電磁防護(hù)裝置是基于電磁和電磁感應(yīng)原理，它是由一個(gè)繼電器，一個(gè)比較簡(jiǎn)單的原則，成本低，但其能耗高，動(dòng)作很慢，抗沖擊能力差，可靠性，靈敏度很難得到保障。然而，晶體管保護(hù)裝置，體積小，重量輕，功耗低，靈敏度高，動(dòng)作迅速，無(wú)振動(dòng)，無(wú)磨損等，該裝置還具有晶體管保護(hù)裝置抗干擾能力差的缺點(diǎn)，質(zhì)量不穩(wěn)定等。隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模，級(jí)別的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，運(yùn)作模式是復(fù)雜的，傳統(tǒng)的控制器已很難滿足系統(tǒng)的可靠性，準(zhǔn)確性，

11、實(shí)時(shí)。根據(jù)電子技術(shù)的發(fā)展，電子控制電器的出現(xiàn)，它是集成電路的基礎(chǔ)上。它與電磁控制裝置相比，耗電量低，重量輕，體積小等特點(diǎn)，容易形成復(fù)雜的保護(hù)裝置，然而，抗干擾能力差，高品質(zhì)的電子元件，焊接效果直接影響器件的性能特性，可靠性。兩種控制電器，如果元件損壞，不能自我診斷，可能造成故障擴(kuò)大，升級(jí)，造成停電，設(shè)備損壞，對(duì)系統(tǒng)造成損害，用戶(hù)會(huì)傷害。至今，智能低壓斷路器是一個(gè)發(fā)展方向。智能斷路器的“大腦”是智能控制器，微處理器是核心，它是測(cè)試、負(fù)載監(jiān)控、故障診斷等功能。為滿足市場(chǎng)請(qǐng)求，提升產(chǎn)品銷(xiāo)量，需研發(fā)一個(gè)實(shí)用、價(jià)錢(qián)公道、完善保護(hù)的控制器。它不僅提供傳統(tǒng)斷路器保護(hù)、控制功能，還要具有選擇性、多樣性。例如，

12、可以檢測(cè)和顯示電路的參數(shù)（電壓，電流，功率因數(shù)，功率，磨損，不平衡率，接觸率），可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，修改各種保護(hù)。保存故障參數(shù)，方便查找相關(guān)參數(shù)。1.1.2 課題研究的目的鉆研本課題的的意義是經(jīng)過(guò)鉆研低壓控制器，使斷路器智能化創(chuàng)造條件，設(shè)計(jì)硬軟件為要點(diǎn)。微處理器是智能斷路器控制器設(shè)計(jì)的核心，可靠性高，實(shí)時(shí)性的要求，電磁兼容，并考慮它的體積和成本。智能控制器的功能依據(jù)輸入電流值的大小，判斷根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間延遲裝置的過(guò)電流控制器執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作的過(guò)電流保護(hù)裝置特性的長(zhǎng)、短延時(shí)和瞬時(shí)的，和執(zhí)行命令的輸出信號(hào)。 課題使命為：剖析并比較過(guò)去斷路器特征以及不足上，設(shè)計(jì)斷路器智能控制單元。需要一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)時(shí)顯示，故障

13、值存儲(chǔ)，故障報(bào)警，參數(shù)設(shè)置，測(cè)試發(fā)布功能。達(dá)到整定值和故障存儲(chǔ)、查詢(xún)、修改效果。 智能控制器系統(tǒng)的工作方式為上位機(jī)、下位機(jī)。下位機(jī)（智能控制器）是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，測(cè)量、低電壓保護(hù)電路斷路器。上位機(jī)主要對(duì)控制器控制、調(diào)度以及管理。設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)分為控制器設(shè)計(jì)、通信接口和協(xié)議的設(shè)計(jì)、上位機(jī)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)功能如下： 線路電流實(shí)時(shí)檢測(cè)；斷路器各種反時(shí)限保護(hù)特性等；實(shí)現(xiàn)硬件監(jiān)控(監(jiān)控主電流、接地、負(fù)載等)，通過(guò)軟件數(shù)據(jù)處理后再到顯示模塊；能夠設(shè)置斷路器整定值；可以查到線路故障參數(shù)的相關(guān)記錄；要擁有自診斷功能。1.2 智能斷路器在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 起初斷路器的保護(hù)利用某些物理效應(yīng)，與機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來(lái)

14、實(shí)現(xiàn)的，所以體積大，效果不理想。為了防止電氣設(shè)備故障和電源線的影響，當(dāng)電源網(wǎng)絡(luò)異常會(huì)損壞電氣設(shè)備，然后逐漸形成了斷路器保護(hù)功能多更可靠。20世紀(jì)末研發(fā)電子式脫扣器，伴隨微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，電氣開(kāi)關(guān)智能化變?yōu)榭赡?。智能化電氣開(kāi)關(guān)，不僅提供普通斷路器保護(hù)功能，而且實(shí)時(shí)顯示電路相關(guān)參數(shù)，其參數(shù)能夠監(jiān)視、設(shè)定以及修改，故障動(dòng)作值能夠保存在存儲(chǔ)器用以查詢(xún)。 現(xiàn)在國(guó)外有代表性的產(chǎn)品有M系列，ABB系列，MGE F2三菱AE系列，3wn系列西門(mén)子，可選的功能也有釋放這些產(chǎn)品。 我國(guó)低壓斷路器分三代。第一代是DWl0、DZl0等系列產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)水平與國(guó)外20世紀(jì)中期的水平差不多，上市率是2030。第二代是包含自

15、主研發(fā)的、引進(jìn)技術(shù)的，自主研發(fā)的是DWl5、DZ20等56個(gè)系列，引進(jìn)技術(shù)的是ME、T0、TG、3TB、B等34個(gè)系列，其水平與國(guó)外20世紀(jì)中下期水平相當(dāng)，上市率是50一60。第三代的DW45近年的發(fā)展，其水平與國(guó)外20世紀(jì)末期水平相當(dāng)，上市率是5-10?，F(xiàn)在低壓斷路器在國(guó)內(nèi)的額定電壓是交流380V，額定電流是630A5000A(交流)，分?jǐn)嗟臉O限是50KA-120KA，往往擁有3極(可分?jǐn)郃、B、C相)、4極(可分?jǐn)郃、B、C、N相)這兩種類(lèi)型。智能斷路器具有許多傳統(tǒng)的斷路器具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以得到發(fā)展的國(guó)內(nèi)和國(guó)際的關(guān)注。當(dāng)研發(fā)出第一臺(tái)智能斷路器后，法國(guó)梅蘭日蘭(MG)公司、日本寺崎公司

16、、美國(guó)西屋公司等陸續(xù)研發(fā)出有微處理器斷路器。把微處理用進(jìn)斷路器，以至中央處理器和前、后級(jí)斷路器它們互相通信能夠?qū)崿F(xiàn)。上世紀(jì)末，國(guó)外的許多人才，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)集中控制的智能斷路器，然而，檢測(cè)系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展較晚，通過(guò)引進(jìn)技術(shù)，微機(jī)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了產(chǎn)品性能的發(fā)展，與國(guó)外相比有差距。而且功能和國(guó)外相比屬于配置研發(fā)階段。因此，高性能的智能斷路器的發(fā)展是國(guó)內(nèi)家電行業(yè)的一個(gè)迫切的課題，具有十分廣闊的前景和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。 2 智能低壓斷路器的原理及理論分析2.1 低壓智能斷路器控制單元的算法分析2.1.1 電壓、電流的計(jì)量檢測(cè)電流、電壓的方法是程序設(shè)計(jì)的重要部分，目前把電流作為一個(gè)例子，正弦電流采樣數(shù)據(jù)

17、處理的幾種辦法：(1) 計(jì)算最大值 一般認(rèn)為，分配系統(tǒng)是基于有效值，正弦電流電路的最大值之間的關(guān)系 （2.1） I是有效值，Imax是最大值。我們?cè)O(shè)計(jì)的觸發(fā)電路在信號(hào)由負(fù)至正的變化會(huì)引起單片機(jī)的中斷，相位移動(dòng)的電路使信號(hào)發(fā)生90度的偏移，中斷的單片機(jī)將會(huì)讀取A/D轉(zhuǎn)換器的正弦信號(hào)的最大值。 此法在信號(hào)不發(fā)生畸變時(shí)求有效值可以，不僅如此軟件設(shè)計(jì)的計(jì)算比較簡(jiǎn)單、實(shí)用，但是它需硬件電路支持，對(duì)于硬件電路各種參數(shù)的穩(wěn)定性要求高。但是在智能系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)中的諧波被干擾時(shí)，此法將發(fā)生偏差，尤其發(fā)生短路電流時(shí)，偏差更大。(2) 計(jì)算有效值 依據(jù)熱量相等原理，真有效值適合任意周期交變電路的定義是 （2.2）

18、離散過(guò)后，用有限的采樣數(shù)字量取代電流函數(shù)值的連續(xù)變化（一個(gè)周期） （2.3） 瞬時(shí)n-1個(gè)間隔電流采樣值，N為采樣點(diǎn)（一個(gè)周期）交流采樣不是一個(gè)一步曲線的正弦曲線，有兩個(gè)誤差：一是替代離散數(shù)據(jù)連續(xù)數(shù)據(jù)的原理誤差，確定A / D轉(zhuǎn)換率，CPU的處理速度；二是把持續(xù)電流量化會(huì)發(fā)生誤差，取決A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)。用這種方法求有效值。雖然硬件電路簡(jiǎn)單，但是軟件的計(jì)算量比較大。為減弱有效值誤差，需適當(dāng)增采樣點(diǎn)（一個(gè)周期），點(diǎn)數(shù)越多，計(jì)算量越大，然而此法求有效值對(duì)依賴(lài)信號(hào)波形非常小。(3) 傅立葉變換 依據(jù)傅立葉變換求有效值為：A/D用一定的采樣頻率發(fā)生模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到采樣數(shù)據(jù)（信號(hào)離教），通過(guò)離散傅立葉變換，

19、求取基波的有效值，公式如下： （2.4) (2.5) (2.6) N采樣點(diǎn)數(shù)，采樣數(shù)值，電流實(shí)部，電流虛部。此法求有效值的條件與用公式計(jì)算有效值的條件想似，然而此法的計(jì)算大多數(shù)用正弦和余弦函數(shù)。全面考慮，控制器一般采用此法?；ㄐ盘?hào)比總信號(hào)為95以上，并且不含諧波分量，一般作保護(hù)算法的依據(jù)，其它諧波分量作故障分析參考。2.1.2電網(wǎng)頻率、功率因數(shù)及功率的計(jì)量(1) 測(cè)量電源頻率和功率因數(shù) LM393用方波信號(hào)替代正弦交流電壓、電流信號(hào)，單片機(jī)含有兩個(gè)外部中斷信號(hào)，并開(kāi)啟在內(nèi)部的定時(shí)器，兩個(gè)信號(hào)中斷（INT0 0）是電力網(wǎng)絡(luò)的周期之間的時(shí)間，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算獲得頻率。中斷0(INT0)、中斷l(xiāng)(IN

20、T1)之間的時(shí)間是電壓、電流之間的時(shí)差，用相關(guān)運(yùn)算得到功率因數(shù)。(2) 功率測(cè)量功率計(jì)量分為兩表法、三表法。兩表法：兩線相電壓和線電流之積在此時(shí)間內(nèi)積分，三表法：三相相電壓和相電流之積在此時(shí)間內(nèi)積分。因?yàn)榈蛪号潆姶蠖嗍侨嗨木€制，因此智控長(zhǎng)用后種方法測(cè)量功率值: (2.7）2.2保護(hù)的原理及實(shí)現(xiàn) 當(dāng)配電出現(xiàn)事故，一般基波疊加衰弱、非周期分量以及多種高頻分量，所以需要控制器把輸入電流信號(hào)及電壓信號(hào)預(yù)處理，盡力濾除非周期分量、高頻分量。傅立葉算法具有很強(qiáng)的濾波函數(shù)，以及收斂性是穩(wěn)定的，所以它被廣泛使用。 智能保護(hù)算法的控制器是傅立葉算法，當(dāng)前的例子中，電流的頻率的實(shí)部和虛部的N次分解如下：實(shí)部：

21、（2.8)虛部： (2.9)當(dāng)n = 32，N = 1時(shí)代的轉(zhuǎn)化公式，計(jì)算基本的實(shí)部和虛部，因此電流基波幅值 (2.10)基波電流幅值大于或等于電流整定值，則故障。為計(jì)算方便和減少錯(cuò)誤，程序可直接用平方值比較，即當(dāng)時(shí)，則故障。2.2.1 過(guò)電流保護(hù)特性曲線的運(yùn)用 在配電系統(tǒng)中，過(guò)載時(shí)常發(fā)生。當(dāng)發(fā)生過(guò)載時(shí)，其電流成倍增加，危害設(shè)備及線路。為安全可靠的電力供應(yīng)，斷路器必須要求在正常負(fù)荷范圍?？上戎甘緹魣?bào)警，提供延時(shí)，爭(zhēng)取足夠時(shí)間切斷過(guò)載設(shè)備，為了確保重要負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)去斷開(kāi)次要負(fù)荷，從而減少經(jīng)濟(jì)上的損失。智能斷路器過(guò)載電流整定主要考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、保護(hù)可靠性。短路故障時(shí)，短路時(shí)的電流一般是正常運(yùn)行電流的幾

22、十倍乃至上百倍。斷路器重要功能有效斷開(kāi)有故障的電路，并確保沒(méi)有事故的電路或設(shè)備正常運(yùn)行，即選擇性短路保護(hù)。對(duì)選擇保護(hù)要求的系統(tǒng)，它的動(dòng)作時(shí)間的整定一定要分級(jí)進(jìn)行。主線短延時(shí)時(shí)間必須比支路全分?jǐn)鄷r(shí)間長(zhǎng)。只有在主電路支路斷路器，在選擇合理的電流整定值，動(dòng)作時(shí)間，可使上下的短路短延時(shí)保護(hù)更可靠。但是線路發(fā)生特大短路電流，那一定瞬間使斷路器斷開(kāi)。2.2.2 保護(hù)的實(shí)現(xiàn)設(shè)定時(shí)間維護(hù)線路安全的原理就是：線路的電流值(故障線路)比設(shè)定的電流值大時(shí)，打開(kāi)可以定時(shí)的儀器，當(dāng)達(dá)到規(guī)定時(shí)間時(shí)，則斷路器動(dòng)作。反之，保護(hù)退出。熱保護(hù)就是反時(shí)限的本質(zhì)，其保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間與線路電流的平方之間的關(guān)系為反比。由測(cè)得的過(guò)電流倍數(shù)，

23、算出動(dòng)作時(shí)間，達(dá)到定時(shí)的時(shí)間時(shí)，則保護(hù)動(dòng)作。在一個(gè)時(shí)間段，如果故障電流值小于設(shè)定值，然后退出保護(hù)。線路多次超負(fù)荷將會(huì)使線路產(chǎn)生熱量從而損壞線路的概率大，控制器也會(huì)超負(fù)荷和短延時(shí)事故緩沖后發(fā)生的保護(hù)動(dòng)作，將會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，那么超負(fù)荷的熱效應(yīng)將會(huì)停止釋放（解決事故30min后），然而，短時(shí)間內(nèi)排除故障的l5min釋放延遲結(jié)束的熱能，這一次如果再閉合斷路器過(guò)載和短延遲故障，延遲時(shí)間越短，使得線路、設(shè)備獲得合適保護(hù)。 3 智能低壓斷路器的硬件設(shè)計(jì)3.1硬件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 依據(jù)要求的功能對(duì)智能控制器的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且按照下列原則： （1）簡(jiǎn)化原則：簡(jiǎn)化原則：盡可能用集成電路的硬件設(shè)計(jì)，盡可能避免分立元件，

24、因?yàn)樗梢蕴岣呒啥?，接觸的數(shù)量和包裝組件之間的連接數(shù)也會(huì)隨之減少，因而使系統(tǒng)的可靠性提升了。 （2）模塊化原則：根據(jù)功能劃分多個(gè)功能模塊的要求，典型的電路模塊化，每個(gè)模塊之間的接觸力松散，節(jié)省維修時(shí)間（硬件故障時(shí)）。 （3）抗干擾原則：由于智能控制器的工作環(huán)境惡劣，所以硬件設(shè)計(jì)必須干擾源的干擾分析，通過(guò)硬件抗干擾，從而提高其穩(wěn)定性。3.2 智能控制器的硬件電路設(shè)計(jì)智能控制器單元擁有測(cè)量、控制、保護(hù)等功能，按照這些功能設(shè)計(jì)硬件。控制單元主要：CPU系統(tǒng)、收集相關(guān)數(shù)據(jù)、輸入輸出（開(kāi)關(guān)量）回路、監(jiān)控電路等。中樞為CPU系統(tǒng)，標(biāo)志完成斷路器智能。 控制器單元的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。然后分析相關(guān)硬件

25、模塊的工作原理、硬件電路。系統(tǒng)時(shí)間脫扣機(jī)構(gòu)速飽和互感器傳感器數(shù)據(jù)顯示和操作面板數(shù)據(jù)斷電保護(hù)MCR 電路中央微處理機(jī)器脫扣輸出信號(hào)多電子開(kāi)關(guān)放大器故障信號(hào)輸出溫度檢測(cè)電壓變化器通訊輔助電源圖31控制器結(jié)構(gòu)框圖 處理器的任務(wù)是實(shí)時(shí)信號(hào)采集和處理，測(cè)量，保護(hù)和輔助功能，并通過(guò)通信接口與上位機(jī)通信。數(shù)據(jù)也可以有效值處理，應(yīng)該有一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)操作功能，使保護(hù)器保護(hù)的延遲，延遲的特點(diǎn)，該芯片具有更高的速度，和ROM，RAM也應(yīng)該有很大的能力。所以采用C8051系列?？刂破鲬?yīng)該故障記憶功能，數(shù)據(jù)記錄故障的歷史事件及其相關(guān)，時(shí)間應(yīng)保留半小時(shí)，那么需要外部擴(kuò)展像EEPROM保存智能控制器的參數(shù)整定，方便查詢(xún)故障

26、的相關(guān)信息。此計(jì)劃要外圍的元件減少數(shù)量，才能使設(shè)計(jì)容易，使布線容易，從而提升它的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。從而使配電系統(tǒng)給的可靠性提高。3.3 嵌入式片上系統(tǒng)3.3.1 C8051系統(tǒng)單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)單片機(jī)C8051F的獨(dú)立和完整的混合信號(hào)芯片系統(tǒng)（SOC），有一個(gè)12位或10位多通道ADC，用于處理多通道信號(hào)智能控制器是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槭÷粤薃/D轉(zhuǎn)換器件，并且經(jīng)過(guò)軟件編程采取采樣通道，可省略多路元器件。所以簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化了外圍電路，使得電路板的面積減小。它還擁有處理高速指令能力，一般的805l一個(gè)機(jī)器周期要使用12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，執(zhí)行一條指令最少需要一個(gè)機(jī)器周期。Cygnal C8051F系統(tǒng)單

27、片機(jī)選用流水線的方式來(lái)處理指令的，它的峰值性能能夠達(dá)到25MIPS，機(jī)器周期降低為標(biāo)準(zhǔn)的1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，用MCS-51指令處理能力相比有了很大的提高。Cygnal C8051F系列采用內(nèi)核是CIP-51，和MCS-51指令的體系恰好相容，能采用ASM-51、Keil C語(yǔ)言為C8051F編程。一般的8051僅含7個(gè)中斷源，它開(kāi)拓了中斷處理，能夠?qū)崟r(shí)多任務(wù)同時(shí)進(jìn)行處理。擴(kuò)大中斷體系為嵌入式體系準(zhǔn)備中斷源（22個(gè)），許可大批模擬及數(shù)字設(shè)置中斷控制器，中斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該很少有系統(tǒng)的干預(yù)，但是執(zhí)行指令效率要快。 標(biāo)準(zhǔn)的8051比C8051F系統(tǒng)單片機(jī)僅僅在外部的引腳減少了7種復(fù)位源，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性提升

28、，用戶(hù)軟件可制止任何復(fù)位源。除了外圍組件有8051個(gè)數(shù)字，集成在芯片中的數(shù)據(jù)，模擬元件（控制系統(tǒng)）和其它數(shù)字設(shè)備和部件。每個(gè)系統(tǒng)都能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。FLASH存儲(chǔ)器擁有從新編譯程序的本領(lǐng)，能用保存相關(guān)數(shù)據(jù)，而且許可固件更新，此功能允許程序存儲(chǔ)器的非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和更新代碼（在軟件的控制下）。芯片內(nèi)部JTAG調(diào)試支持的功能許可安裝在MCU進(jìn)行不能占芯片內(nèi)不空間的非侵入式、全速和調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。當(dāng)調(diào)試（用JTAG）時(shí)，任何模擬以及數(shù)字外設(shè)全都能運(yùn)行。C8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示 C8051

29、F片內(nèi)有一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器能夠單獨(dú)工作（誤差允許2%）。如果你需要連接到一個(gè)外部時(shí)鐘，在內(nèi)部，切換外部時(shí)鐘和操作程序，外部時(shí)鐘能夠結(jié)晶，RC，C或外部時(shí)鐘。上述功能的低功率應(yīng)用中是非常有用的。控制寄存器P0.0p0.78P0口SPII2C BUSUART交叉開(kāi)關(guān)PCAP1.0p1.78P1口T0，T1，T2比較器輸出可編程時(shí)鐘外部復(fù)位P0P1P2.0p2.78P2口P2C8051 F圖3.2 C8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊主要功能擴(kuò)展的CPU，它的模塊接口的電流、電壓由電流互感器和電壓互感器進(jìn)入系統(tǒng)，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（計(jì)算機(jī)能識(shí)別）?？招净ジ衅鞫屋敵霁@得的信號(hào)，

30、其感應(yīng)電壓的輸出和一次母線電流的微分成正比例關(guān)系。然后信號(hào)處理，首先需要積分處理，使得二次感應(yīng)信號(hào)和一次母線電流成正比例關(guān)系。空芯互感器沒(méi)有鐵芯，具備很大的線性范圍，其感應(yīng)的信號(hào)適合CPU來(lái)處理。把電回路強(qiáng)電流、高電壓改變成電流及電壓信號(hào)（微處理器處理的），使得系統(tǒng)擁有可靠信號(hào)。如果鐵芯變壓器，當(dāng)有過(guò)電流時(shí)，鐵心磁飽和會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)，輸出感應(yīng)電壓和一次母線電流的微分不是成正比例關(guān)系，而k不是恒定的，這是不可取的。提高小電流測(cè)量精度，但也考慮到電流的測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)電流的精確測(cè)量的范圍，采納Rocco j KI（Rogowski）檢測(cè)供電線路中的電流線圈，把它改變?yōu)殡娖叫盘?hào)（可處理的）。主線路的電流

31、和電壓的信號(hào)通過(guò)電源電流和電壓互感器的電壓信號(hào)改變成一個(gè)O - 5A的電流和O時(shí)，這兩個(gè)時(shí)間的系統(tǒng)，考慮到輸入信號(hào)的A / D轉(zhuǎn)換器是小的，必須使用小功率的CT，PT信號(hào)調(diào)理，然后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)處理。同時(shí)，電流和電壓互感器具有電隔離作用，使斷路器和強(qiáng)弱電控制器的分離，提高了控制器的抗干擾性能?？紤]到電壓，電流信號(hào)容易在傳送時(shí)由外部的電磁干擾，所以電壓互感器和電流互感器的選擇，一般使用的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電流互感器。這種變壓器的負(fù)載能力差，需要調(diào)理電路使用運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流信號(hào)。由于一個(gè)回路電流可以到50KA / 75kA，達(dá)到大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，為提升測(cè)量精確度及其分辨率，所以它被

32、分成兩個(gè)小信號(hào)、大信號(hào)組，小信號(hào)放大處理的硬件電路，以及信號(hào)直接輸入。然而，中性點(diǎn)一般電網(wǎng)波動(dòng)的幅度不是很大，中性點(diǎn)接地信號(hào)與一個(gè)通道A/D采樣，有兩種抽樣：一種用于測(cè)量電流的方法，直接的電流信號(hào)和矢量。在正常操作條件下，系統(tǒng)的平衡；系統(tǒng)中的不平衡或接地故障條件下，矢量和不等于零，為保護(hù)電流信號(hào)去除的電流信號(hào)。這種方法不能區(qū)分系統(tǒng)的不平衡電流和故障電流。另一種方式為測(cè)量接地電流。接觸地面信號(hào)從中線變壓器信號(hào)和電流信號(hào)的矢量和，只要沒(méi)有接地故障時(shí)，系統(tǒng)的平衡與否，都是0。只有當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，才有信號(hào)。唯一和接地電流和無(wú)關(guān)的中性線電流，該電流可以用來(lái)作為保護(hù)信號(hào)接地電流。在我們的設(shè)計(jì)中，兩種模式

33、可以由用戶(hù)選擇。4 智能低壓斷路器的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)概述一個(gè)完美的智能控制系統(tǒng)，軟件和硬件是分不開(kāi)的。一個(gè)好的軟件不僅可以彌補(bǔ)硬件的一些缺陷，使得系統(tǒng)更加靈活，但也可以充分利用現(xiàn)有的硬件功能，大大提高了系統(tǒng)在不增加硬件成本。該智能控制單元直接到斷路器控制器，實(shí)時(shí)性高，MCS-51匯編語(yǔ)言作為編程工具，與其他高級(jí)語(yǔ)言相比，其效率高、實(shí)時(shí)控制功能強(qiáng)。同時(shí)，通過(guò)中斷控制在適當(dāng)?shù)能浖梢蕴岣咧悄芸刂破鞯捻憫?yīng)速度。軟件和硬件的功能，以滿足實(shí)時(shí)性，盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，從而提高了系統(tǒng)的靈活性，而不是控制單元可以在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中遇到的干擾，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)采取一定抵制干擾源的措施以提升可靠性。該智能控

34、制單元直接到斷路器控制器，實(shí)時(shí)性高，MCS-51匯編語(yǔ)言作為編程工具，與其他高級(jí)語(yǔ)言的比較，其效率高，實(shí)時(shí)控制功能強(qiáng)。同時(shí)，通過(guò)中斷控制在適當(dāng)?shù)能浖?，為了提高智能控制器的響?yīng)速度。軟件和硬件的功能，以滿足實(shí)時(shí)性，盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，從而提高了系統(tǒng)的靈活性，和干擾控制單元可以在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)采取的一些抗干擾措施，提高了系統(tǒng)的可靠性。該控制器的軟件設(shè)計(jì)按照結(jié)構(gòu)化和模塊化的原則，將軟件劃分為若干個(gè)獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊都是通過(guò)軟件接口連接，連接松動(dòng)，尋求模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)據(jù)以及模塊之間的關(guān)系，盡可能地減少各功能模塊相互的影響。4.2主要程序設(shè)計(jì) 主程序的流程圖如圖4.1，對(duì)每個(gè)

35、特殊寄存器芯片重要實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊化任務(wù)，包括中斷的向量集，中斷內(nèi)部設(shè)定寄存器，設(shè)定軟件定時(shí)，I/O擴(kuò)展端口初始化，初始化BC7281和任務(wù)分配。開(kāi)始上電初始化YN有故障N電流處理NYA、B、C、N電流處理電壓處理Y負(fù)載監(jiān)控A、B、C、N電壓處理短延時(shí)處理頻率處理N無(wú)短延時(shí)故障Y功率因數(shù)N無(wú)短延時(shí)報(bào)警功率處理Y不平衡處理實(shí)驗(yàn)N無(wú)不平衡故障系統(tǒng)自檢NY無(wú)不平衡報(bào)警Y接地處理N無(wú)接地故障YN無(wú)接地報(bào)警Y長(zhǎng)延時(shí)處理N無(wú)長(zhǎng)延時(shí)故障Y故障處理圖4.1主流程圖開(kāi)始NN選擇UC通道UB通道UA通道YYA/D允許啟動(dòng)A/D選擇UB通道選擇UA通道保存UC采樣值A(chǔ)/D允許啟動(dòng)A/D選擇接地通道A/D允許啟動(dòng)A/D保

36、存UB采樣值保存UA采樣值A(chǔ)/D允許啟動(dòng)A/D保存接地采樣值A(chǔ)相電流指向高檔YN選高檔通道選低檔通道A/D允許啟動(dòng)A/DA/D允許啟動(dòng)A/D存高檔采樣電流轉(zhuǎn)換后存采樣電流N瞬時(shí)保護(hù)YC相電流處理NB相電流處理連續(xù)2次電流超能Y故障處理關(guān)T3采樣次數(shù)加2返回圖4.2定時(shí)采樣流程4.3定時(shí)采樣為了計(jì)算50Hz正弦電流信號(hào)的有效值，對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，采樣周期均為0.625ms，也就是一個(gè)周期內(nèi)(20ms)將被采樣32次。由于周期，采樣頻率占用定時(shí)器0（timer0），我們使用的時(shí)鐘3（timer3）設(shè)定的時(shí)間間隔，0.625ms中斷發(fā)生，然后顯示采樣值。由于本系統(tǒng)有相當(dāng)多的中斷系統(tǒng)，為了防止

37、各中斷系統(tǒng)的沖突，在中斷中只處理參數(shù)的采樣，相關(guān)的數(shù)據(jù)處理在主循環(huán)里，當(dāng)32次采樣到時(shí)，將相應(yīng)的標(biāo)志位置位，當(dāng)它被循環(huán)檢測(cè)到時(shí)，然后對(duì)樣本數(shù)據(jù)計(jì)算。 因?yàn)殡妷翰恍枰收咸幚?，電壓的采樣要求就相?duì)低些。所以對(duì)電壓的采樣采用A、B、C、N輪流采樣。對(duì)不同情況的故障電流，處理方法也不同。短路電流保護(hù)（瞬時(shí)脫扣）要求靈敏度高，采樣率的方法，即峰值采樣和處理，以及抗干擾峰處理，信號(hào)處理時(shí)間1.25ms。而一般的延時(shí)保護(hù)特性和單相接地故障信號(hào)，高精度，需要盡量避免失真信號(hào)的影響，采樣中斷保存采樣值，然后有效值轉(zhuǎn)換，這樣可以減小因電網(wǎng)信號(hào)變化和諧波等的影響。采樣的流程看上圖4.2。4.4鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 本模塊

38、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整定、數(shù)據(jù)處理并送顯示、試驗(yàn)、選擇顯示、參數(shù)設(shè)定、復(fù)位、故障記憶及顯示等功能。智能控制器的各項(xiàng)整定值是可以根據(jù)用戶(hù)的要求設(shè)定的，用戶(hù)也可以根據(jù)要求選擇輸出顯示的內(nèi)容。這些可以通過(guò)智能控制器面板鍵盤(pán)操作來(lái)完成。(1) BC728l的鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) BC7281的鍵盤(pán)內(nèi)部具有消抖功能，外部不需要消抖電路或消抖程序，可直接讀取BC7281的鍵值鎖存器。鍵盤(pán)掃描的關(guān)鍵是互鎖，將掃描值保存到鎖存器里直到讀出它，可以使用查詢(xún)。(2) 其它的鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)采納簡(jiǎn)易電路完成按鍵，當(dāng)輸入端口按下按鍵或者瞬時(shí)釋放都可能發(fā)生“回跳”狀態(tài)。看4.3圖，由t1至t2和t4至t5，模擬信號(hào)按鈕發(fā)生變換，數(shù)字信號(hào)具有相

39、應(yīng)的干涉現(xiàn)象。然而，有時(shí)在穩(wěn)定的關(guān)鍵時(shí)期，會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，看4.4圖中t3時(shí)刻。常見(jiàn)的干擾源50hzi頻率感應(yīng)到系統(tǒng)電源頻率的電磁波干擾的交變電磁場(chǎng)，關(guān)閉電器開(kāi)關(guān)在測(cè)量過(guò)程中，斷開(kāi)電弧是由各種頻率成分的噪聲信號(hào)所造成的感應(yīng)到系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲等?？梢?jiàn)，不僅在按鍵釋放瞬時(shí)采樣鍵盤(pán)將產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸入，并且即使在采樣過(guò)程中關(guān)鍵的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸入。所以，若采納簡(jiǎn)易電路完成按鍵，一定要用軟件抵制干擾，使得輸入錯(cuò)誤不會(huì)發(fā)生。 消除按鍵抖動(dòng)的方法通常是：確定后10ms到20ms再次閱讀關(guān)鍵判斷的一個(gè)關(guān)鍵的延遲，以實(shí)現(xiàn)每個(gè)按鈕（包括抖動(dòng)）操作產(chǎn)生一個(gè)微處理器的信號(hào)。 圖4.3 按鍵模擬信號(hào) 圖4.4 按鍵數(shù)字

40、信號(hào) 在智能控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，采納一個(gè)新方法用來(lái)消除按鍵抖動(dòng)：用軟件方法完成硬件消除抖動(dòng)電路（單穩(wěn)態(tài)脈沖）。它的原理為把讀入的字節(jié)和軟件產(chǎn)生的字節(jié)進(jìn)行邏輯和操作過(guò)，然后處理，但是控制的字節(jié)在按鍵的第一抖動(dòng)設(shè)為0FFH，然后持續(xù)0.3秒，在一些抖動(dòng)由于邏輯或操作符和盾牌，當(dāng)屏幕上的時(shí)間，控制字節(jié)00H，可以接受下一個(gè)關(guān)鍵的反應(yīng)，對(duì)操作者的響應(yīng)速度，大多數(shù)屏蔽時(shí)間0.3秒，實(shí)際情況可以縮短，但不要太短，太短會(huì)增加操作員控制的難度。以PCA定時(shí)器作為按鍵定時(shí)采樣。整個(gè)鍵盤(pán)的讀鍵程序如下所示：R_KEY：JB KEY， R_KEY_END MOV DATA_OUT, #93H LCALL SEND L

41、CALL RECEIVE MOV A，DATA_INCJNE A,#00H，KEY_NEXTl LJMP KEY_FUNKEY_NEXTl： CJNE A,#01H, KEY_NEXT2 LJMP KEY_SUREKEY_NEXT2：CJNE A，#03H，R_KEY_END LJMP KEY_RETURNR_KEY_END： JB 0EH, R_KEY_END0 LCALL KEY_DOWN SETB 0EH RETR_KEY_END0： JB 0FH, R_KEY_ENDl LCALL KEY_UP SETB 0FHR_KEY_ENDl： RET當(dāng)檢測(cè)到有按鍵時(shí)，判斷執(zhí)行相應(yīng)的按鍵程序。4

42、.5故障處理按照智能控制器各項(xiàng)參數(shù)的整定值，當(dāng)采樣完成時(shí)判斷控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要完成的保護(hù)動(dòng)作，如長(zhǎng)延時(shí)脫扣、短延時(shí)脫扣、瞬時(shí)脫扣等，并計(jì)算出各個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行時(shí)間。計(jì)算完成后通知?jiǎng)幼鲌?zhí)行任務(wù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，根據(jù)故障處理計(jì)算結(jié)果，精確定時(shí)，定時(shí)完成時(shí)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)指令動(dòng)作。故障處理流程如圖4.5。Y延時(shí)計(jì)算延時(shí)保護(hù)NN延時(shí)報(bào)警Y返回延時(shí)計(jì)時(shí)NY需熱記憶超過(guò)熱記憶N熱記憶處理YN延時(shí)=理論TY故障處理返回圖4.5 故障處理4.6自檢程序設(shè)計(jì)我們所稱(chēng)的自檢就是對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的軟硬件故障進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并給予校正。通常有3種方式：開(kāi)機(jī)自檢、周期性自檢、鍵控自檢。（1）RAM與ROM自檢檢查ROM采取校驗(yàn)和法。即在

43、編寫(xiě)的程序在ROM中，保留一個(gè)單位檢查字不寫(xiě)入程序，使每列的ROM有奇數(shù)個(gè)“1”，“1”為檢查。第一單元開(kāi)始檢查程序ROM，一點(diǎn)一滴的添加，最后的檢查，如果相等，所有的“1”表明，ROM的內(nèi)容是否正確，否則，錯(cuò)誤。檢查光盤(pán)方法。 在ROM編寫(xiě)程序中，保留一個(gè)單位檢查字不寫(xiě)入程序，使每列的ROM有奇數(shù)個(gè)“1”，使整個(gè)1”的ROM校驗(yàn)。 檢查程序從ROM第一單元，根據(jù)一個(gè)階段，最后一次檢查，如果相等，所有的1”表明，ROM的內(nèi)容是否正確，否則錯(cuò)誤。RAM的檢測(cè)采用的兩種方式。 當(dāng)內(nèi)存是空白的（即內(nèi)存信息寫(xiě)入之前）檢查它是否正常的寫(xiě)入或讀出，方案是：每個(gè)存儲(chǔ)單元分別讀入相關(guān)數(shù)據(jù)00H、0FFH、55H、0AAH， 再讀出保存的內(nèi)容。 若讀入與讀出的信息一樣，則存儲(chǔ)單元的讀寫(xiě)功能沒(méi)有問(wèn)題。 當(dāng)程序和數(shù)據(jù)被存放在RAM中，檢查并不破壞內(nèi)存的原始內(nèi)容，采納異或方法來(lái)檢驗(yàn)，就是從內(nèi)存單元中讀取的數(shù)據(jù)，然后檢查、求反，再與RAM單元里的內(nèi)容異或運(yùn)算，如果結(jié)果是1”。 它表明正