低压智能断路器的研究与设计样本.docx
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低压智能断路器的研究与设计样本
本科毕业论文(设计、创作)
题目:
低压智能断路器研究与设计
学生姓名:
学号:
所在系院:
专业:
入学时间:
年9月
导师姓名:
职称/学位:
副专家/博士
导师所在单位:
完毕时间:
年6月
安徽三联学院教务处制
低压智能断路器研究与设计
摘要:
论文阐述使断路器智能控制技术,设计控制单元使之达到智能化。
其意义使之达到智能保护效果,重要是设计控制单元硬软件。
在本文中,分析断路器原理和有关算法,拟定单片机及其功能单元周边原则,全面硬件设计后,对系统软件设计,实现断路器智能。
对短路、过载和接地等故障有关参数进行实时检测。
论述它紧要功能模块有关原则、设计方案,智能控制重点是C8051单片机,由于它是核心解决器,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效果。
软硬件设计是以模块化和开放性为原则。
硬件串行芯片采用原则化和模块化,还留下空间,为此后扩大提供条件;而软件选用层次化、多任务原则,提高软件系统灵活性、可移植性。
核心词:
断路器;智能控制器;过流保护;
Researchanddesignoflow-voltagecircuitbreakerintelligent
Abstract:
Paperdescribesthetechnologyofcircuitbreakerintelligentcontrol,intelligentcontrolunittodesign.Theeffectofitssignificancetointelligentprotection,mainishardforthedesignofthecontrolunitsoftware.
Inthisarticle,analyzedtheprincipleofcircuitbreakerandrelevantalgorithm,determinethesinglechipmicrocomputeranditsfunctionalunitsaroundtheprinciple,thehardwaredesignofacomprehensive,thesoftwareofthesystemdesignandrealizationofintelligentcircuitbreaker.Forshortcircuit,overload,andearthingfaultoperationrelatedparameters,suchasthereal-timedetection.DescribeitsimportantfunctionmodulesrelatedprincipleanddesignschemeofintelligentcontrolwithafocusontheC8051singlechip,becauseitisthecoreprocessor,itstaskistocollectdata,thefaultlineprotection,soastoachievetheresultofautomaticcontrolcircuitbreaker.Thehardwareandsoftwaredesignbasedonmodularandopenprinciples.Usingstandardizedandmodularhardwareserialchip,butalsoleaveaspace,providetheconditionsforfutureexpansion.Andhierarchical,multitaskingsoftwarechoosesprinciple,improvesoftwaresystemflexibilityandportability.
Keywords:
circuitbreaker;intelligentcontroller;overcurrentprotection;
1绪论
1.1课题研究意义与目
1.1.1课题研究意义
随着电力工业发展,各种功能电力线保护装置也应运而生,并得到迅速发展。
这种保护电路原理是电流或功率超过一定基于时间限制,自动切断电源线实现保护负载。
电路断路器是电力系统中最重要设备之一,重要是用于电路互换各种继电保护系统,判断线路与否正常运营,若浮现故障,则供配电系统关闭。
低压断路器重要某些是脱扣器,智能脱扣器智能控制器是更精确更及时,因而它被广泛地应用于电力系统。
在供电系统中低压断路器中分布更为重要是,不但需要保护电路,中断容量和短路电流,但也具备一定智能化功能实现,保障供应选取性保护。
这不但可以连接或断开连接在正常工作状态下负载电流,但在正常状况下,过流,短路,电压等现象状况下,自动切断电路断路器,从而保护电气设备和电缆;故障排除后,迅速恢复供电。
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,它当前已成一种先进断路器重要标志;它功能是电能分派、电路保护(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,及时断开电路,避免事故扩大,从而保证设备和人身安全和设备正常运营。
依照电力系统发展,配电自动化提高,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,它是由一种继电器,一种比较简朴原则,成本低,但其能耗高,动作很慢,抗冲击能力差,可靠性,敏捷度很难得到保障。
然而,晶体管保护装置,体积小,重量轻,功耗低,敏捷度高,动作迅速,无振动,无磨损等,该装置还具备晶体管保护装置抗干扰能力差缺陷,质量不稳定等。
随着电力系统规模,级别扩大,网络构造,运作模式是复杂,老式控制器已很难满足系统可靠性,精确性,实时。
依照电子技术发展,电子控制电器浮现,它是集成电路基本上。
它与电磁控制装置相比,耗电量低,重量轻,体积小等特点,容易形成复杂保护装置,然而,抗干扰能力差,高品质电子元件,焊接效果直接影响器件性能特性,可靠性。
两种控制电器,如果元件损坏,不能自我诊断,也许导致故障扩大,升级,导致停电,设备损坏,对系统导致损害,顾客会伤害。
至今,智能低压断路器是一种发展方向。
智能断路器“大脑”是智能控制器,微解决器是核心,它是测试、负载监控、故障诊断等功能。
为满足市场祈求,提高产品销量,需研发一种实用、价钱公道、完善保护控制器。
它不但提供老式断路器保护、控制功能,还要具备选取性、多样性。
例如,可以检测和显示电路参数(电压,电流,功率因数,功率,磨损,不平衡率,接触率),可进行参数设立,修改各种保护。
保存故障参数,以便查找有关参数。
1.1.2课题研究目
钻研本课题意义是通过钻研低压控制器,使断路器智能化创造条件,设计硬软件为要点。
微解决器是智能断路器控制器设计核心,可靠性高,实时性规定,电磁兼容,并考虑它体积和成本。
智能控制器功能根据输入电流值大小,判断依照长时间延迟装置过电流控制器执行一种动作过电流保护装置特性长、短延时和瞬时,和执行命令输出信号。
课题使命为:
剖析并比较过去断路器特性以及局限性上,设计断路器智能控制单元。
需要一种实时检测,实时显示,故障值存储,故障报警,参数设立,测试发布功能。
达到整定值和故障存储、查询、修改效果。
智能控制器系统工作方式为上位机、下位机。
下位机(智能控制器)是系统基本,测量、低电压保护电路断路器。
上位机重要对控制器控制、调度以及管理。
设计整个系统任务分为控制器设计、通信接口和合同设计、上位机管理系统设计。
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;实现硬件监控(监控主电流、接地、负载等),通过软件数据解决后再到显示模块;可以设立断路器整定值;可以查到线路故障参数有关记录;要拥有自诊断功能。
1.2智能断路器在国内外发呈现状
起初断路器保护运用某些物理效应,与机械系统运动来实现,因此体积大,效果不抱负。
为了防止电气设备故障和电源线影响,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,随着微型计算机技术发展,电气开关智能化变为也许。
智能化电气开关,不但提供普通断路器保护功能,并且实时显示电路有关参数,其参数可以监视、设定以及修改,故障动作值可以保存在存储器用以查询。
当前国外有代表性产品有M系列,ABB系列,MGEF2三菱AE系列,3wn系列西门子,可选功能也有释放这些产品。
国内低压断路器分三代。
第一代是DWl0、DZl0等系列产品,当时水平与国外20世纪中期水平差不多,上市率是20%—30%。
第二代是包括自主研发、引进技术,自主研发是DWl5、DZ20等56个系列,引进技术是ME、T0、TG、3TB、B等34个系列,其水平与国外20世纪中下期水平相称,上市率是50%一60%。
第三代DW45近年发展,其水平与国外20世纪末期水平相称,上市率是5%--10%。
当前低压断路器在国内额定电压是交流380V,额定电流是630A—5000A(交流),分断极限是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。
智能断路器具备许多老式断路器具备无可比拟长处,因此得到发展国内和国际关注。
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解决器断路器。
把微解决用进断路器,以至中央解决器和前、后级断路器它们互相通信可以实现。
上世纪末,国外许多人才,已经开发了一种集中控制智能断路器,然而,检测系统,在国内市场发展较晚,通过引进技术,微机保护监控系统,开发了产品性能发展,与国外相比有差距。
并且功能和国外相比属于配备研发阶段。
因而,高性能智能断路器发展是国内家电行业一种迫切课题,具备十分辽阔前景和国内市场。
2智能低压断路器原理及理论分析
2.1低压智能断路器控制单元算法分析
2.1.1电压、电流计量
检测电流、电压办法是程序设计重要某些,当前把电流作为一种例子,正弦电流采样数据解决几种办法:
(1)计算最大值
普通以为,分派系统是基于有效值,正弦电流电路最大值之间关系
(2.1)
I是有效值,Imax是最大值。
咱们设计触发电路在信号由负至正变化会引起单片机中断,相位移动电路使信号发生90度偏移,中断单片机将会读取A/D转换器正弦信号最大值。
此法在信号不发生畸变时求有效值可以,不但如此软件设计计算比较简朴、实用,但是它需硬件电路支持,对于硬件电路各种参数稳定性规定高。
但是在智能系统中,当电网中谐波被干扰时,此法将发生偏差,特别发生短路电流时,偏差更大。
(2)计算有效值
根据热量相等原理,真有效值适合任意周期交变电路定义是
(2.2)
离散过后,用有限采样数字量取代电流函数值持续变化(一种周期)
(2.3)
瞬时n-1个间隔电流采样值,N为采样点(一种周期)交流采样不是一种一步曲线正弦曲线,有两个误差:
一是代替离散数据持续数据原理误差,拟定A/D转换率,CPU解决速度;二是把持续电流量化会发生误差,,取决A/D转换位数。
用这种办法求有效值。
虽然硬件电路简朴,但是软件计算量比较大。
为削弱有效值误差,需恰当增采样点(一种周期),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
根据傅立叶变换求有效值为:
A/D用一定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,求取基波有效值,公式如下:
(2.4)
(2.5)
(2.6)
N采样点数,
采样数值,
电流实部,
电流虚部。
此法求有效值条件与用公式计算有效值条件想似,然而此法计算大多数用正弦和余弦函数。
全面考虑,控制器普通采用此法。
基波信号比总信号为95%以上,并且不含谐波分量,普通作保护算法根据,其他谐波分量作故障分析参照。
2.1.2电网频率、功率因数及功率计量
(1)测量电源频率和功率因数
LM393用方波信号代替正弦交流电压、电流信号,单片机具有两个外部中断信号,并启动在内部定期器,两个信号中断(INT00)是电力网络周期之间时间,通过有关运算获得频率。
中断0(INT0)、中断l(INT1)之间时间是电压、电流之间时差,用有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:
两线相电压和线电流之积在此时间内积分,三表法:
三相相电压和相电流之积在此时间内积分。
由于低压配电大多是三相四线制,因而智控长用后种办法测量功率值:
(2.7)
2.2保护原理及实现
当配电浮现事故,普通基波叠加衰弱、非周期分量以及各种高频分量,因此需要控制器把输入电流信号及电压信号预解决,竭力滤除非周期分量、高频分量。
傅立叶算法具备很强滤波函数,以及收敛性是稳定,因此它被广泛使用。
智能保护算法控制器是傅立叶算法,当前例子中,电流频率实部和虚部N次分解如下:
实部:
(2.8)
虚部:
(2.9)
当n=32,N=1时代转化公式,计算基本实部和虚部,因而电流基波幅值
(2.10)
基波电流幅值不不大于或等于电流整定值,则故障。
为计算以便和减少错误,程序可直接用平方值比较,即当
时,则故障。
2.2.1过电流保护特性曲线运用
在配电系统中,过载时常发生。
当发生过载时,其电流成倍增长,危害设备及线路。
为安全可靠电力供应,断路器必要规定在正常负荷范畴。
可先批示灯报警,提供延时,争取足够时间切断过载设备,为了保证重要负荷运转去断开次要负荷,从而减少经济上损失。
智能断路器过载电流整定重要考虑系统经济性、保护可靠性。
短路故障时,短路时电流普通是正常运营电流几十倍乃至上百倍。
断路器重要功能有效断开有故障电路,并保证没有事故电路或设备正常运营,即选取性短路保护。
对选取保护规定系统,它动作时间整定一定要分级进行。
主线短延时时间必要比支路全分断时间长。
只有在主电路支路断路器,在选取合理电流整定值,动作时间,可使上下短路短延时保护更可靠。
但是线路发生特大短路电流,那一定瞬间使断路器断开。
2.2.2保护实现
设定期间维护线路安全原理就是:
线路电流值(故障线路)比设定电流值大时,打开可以定期仪器,当达到规定期间时,则断路器动作。
反之,保护退出。
热保护就是反时限本质,其保护动作时间与线路电流平方之间关系为反比。
由测得过电流倍数,算出动作时间,达到定期时间时,则保护动作。
在一种时间段,如果故障电流值不大于设定值,然后退出保护。
线路多次超负荷将会使线路产生热量从而损坏线路概率大,控制器也会超负荷和短延时事故缓冲后发生保护动作,将会产生一定热量,那么超负荷热效应将会停止释放(解决事故30min后),然而,短时间内排除故障l5min释放延迟结束热能,这一次如果再闭合断路器过载和短延迟故障,延迟时间越短,使得线路、设备获得适当保护。
3智能低压断路器硬件设计
3.1硬件设计准则
根据规定功能对智能控制器硬件进行设计,并且按照下列原则:
(1)简化原则:
简化原则:
尽量用集成电路硬件设计,尽量避免分立元件,由于它可以提高集成度,接触数量和包装组件之间连接数也会随之减少,因而使系统可靠性提高了。
(2)模块化原则:
依照功能划分各种功能模块规定,典型电路模块化,每个模块之间接触力松散,节约维修时间(硬件故障时)。
(3)抗干扰原则:
由于智能控制器工作环境恶劣,因此硬件设计必要干扰源干扰分析,通过硬件抗干扰,从而提高其稳定性。
3.2智能控制器硬件电路设计
智能控制器单元拥有测量、控制、保护等功能,按照这些功能设计硬件。
控制单元重要:
CPU系统、收集有关数据、输入输出(开关量)回路、监控电路等。
中枢为CPU系统,标志完毕断路器智能。
控制器单元硬件构造图如图3.1所示。
然后分析有关硬件模块工作原理、硬件电路。
图3.1控制器构造框图
解决器任务是实时信号采集和解决,测量,保护和辅助功能,并通过通信接口与上位机通信。
数据也可以有效值解决,应当有一种复杂实时操作功能,使保护器保护延迟,延迟特点,该芯片具备更高速度,和ROM,RAM也应当有很大能力。
因此采用C8051系列。
控制器应当故障记忆功能,数据记录故障历史事件及其有关,时间应保存半小时,那么需要外部扩展像EEPROM保存智能控制器参数整定,以便查询故障有关信息。
此筹划要外围元件减少数量,才干使设计容易,使布线容易,从而提高它可靠性、稳定性和抗干扰能力。
从而使配电系统给可靠性提高。
3.3嵌入式片上系统
3.3.1C8051系统单片机
嵌入式系统单片机C8051F独立和完整混合信号芯片系统(SOC),有一种12位或10位多通道ADC,用于解决多通道信号智能控制器是一种优势,由于省略了A/D转换器件,并且通过软件编程采用采样通道,可省略多路元器件。
因此简化简化了外围电路,使得电路板面积减小。
它还拥有解决高速指令能力,普通805l一种机器周期要使用12个系统时钟周期,执行一条指令至少需要一种机器周期。
CygnalC8051F系统单片机选用流水线方式来解决指令,它峰值性能可以达到25MIPS,机器周期减少为原则1个系统时钟周期,用MCS-51指令解决能力相比有了很大提高。
CygnalC8051F系列采用内核是CIP-51,和MCS-51指令体系正好相容,能采用ASM-51、KeilC语言为C8051F编程。
普通8051仅含7个中断源,它开拓了中断解决,可以实时多任务同步进行解决。
扩大中断体系为嵌入式体系准备中断源(22个),允许大批模仿及数字设立中断控制器,中断驱动系统应当很少有系统干预,但是执行指令效率要快。
原则8051比C8051F系统单片机仅仅在外部引脚减少了7种复位源,导致系统可靠性提高,顾客软件可制止任何复位源。
除了外围组件有8051个数字,集成在芯片中数据,模仿元件(控制系统)和其他数字设备和部件。
每个系统都能有效地管理模仿和数字外设,可以关闭单个或所有外设以节约功耗。
FLASH存储器拥有从新编译程序本领,能用保存有关数据,并且允许固件更新,此功能容许程序存储器非易失数据存储和更新代码(在软件控制下)。
芯片内部JTAG调试支持功能允许安装在MCU进行不能占芯片内不空间非侵入式、全速和调试。
该调试系统支持观测和修改存储器和寄存器,支持断点、单步、运营和停机命令。
当调试(用JTAG)时,任何模仿以及数字外设全都能运营。
C8051内部构造如图3.2所示
C8051F片内有一种时钟发生器可以单独工作(误差容许2%)。
如果你需要连接到一种外部时钟,在内部,切换外部时钟和操作程序,外部时钟可以结晶,RC,C或外部时钟。
上述功能低功率应用中是非常有用。
图3.2C8051内部构造
3.3.2数据采集模块
重要功能扩展CPU,它模块接口电流、电压由电流互感器和电压互感器进入系统,并经信号调理、模仿数字转换为数字信号(计算机能辨认)。
空芯互感器二次输出获得信号,其感应电压输出和一次母线电流微提成正比例关系。
然后信号解决,一方面需要积分解决,使得二次感应信号和一次母线电流成正比例关系。
空芯互感器没有铁芯,具备很大线性范畴,其感应信号适合CPU来解决。
把电回路强电流、高电压变化成电流及电压信号(微解决器解决),使得系统拥有可靠信号。
如果铁芯变压器,当有过电流时,铁心磁饱和会浮现,此时,输出感应电压和一次母线电流微分不是成正比例关系,而k不是恒定,这是不可取。
提高小电流测量精度,但也考虑到电流测量范畴,实现电流精准测量范畴,采纳RoccojKI(Rogowski)检测供电线路中电流线圈,把它变化为电平信号(可解决)。
主线路电流和电压信号通过电源电流和电压互感器电压信号变化成一种O-5A电流和O时,这两个时间系统,考虑到输入信号A/D转换器是小,必要使用小功率CT,PT信号调理,然后通过模数转换信号解决。
同步,电流和电压互感器具备电隔离作用,使断路器和强弱电控制器分离,提高了控制器抗干扰性能。
考虑到电压,电流信号容易在传送时由外部电磁干扰,因此电压互感器和电流互感器选取,普通使用电压和电流信号转换成小电流互感器。
这种变压器负载能力差,需要调理电路使用运算放大器构成电流信号。
由于一种回路电流可以到50KA/75kA,达到大电流信号转换范畴内,为提高测量精准度及其辨别率,因此它被提成两个小信号、大信号组,小信号放大解决硬件电路,以及信号直接输入。
然而,中性点普通电网波动幅度不是很大,中性点接地信号与一种通道A/D采样,有两种抽样:
一种用于测量电流办法,直接电流信号和矢量
。
在正常操作条件下,系统平衡
;系统中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电流信号。
这种办法不能区别系统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矢量和
,只要没有接地故障时,系统平衡与否,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中性线电流,该电流可以用来作为保护信号接地电流。
在咱们设计中,两种模式可以由顾客选取。
4智能低压断路器软件设计
4.1软件设计概述
一种完美智能控制系统,软件和硬件是分不开。
一种好软件不但可以弥补硬件某些缺陷,使得系统更加灵活,但也可以充分运用既有硬件功能,大大提高了系统在不增长硬件成本。
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,与其她高档语言相比,其效率高、实时控制功能强。
同步,通过中断控制在恰当软件,可以提高智能控制器响应速度。
软件和硬件功能,以满足实时性,尽量用软件来实现系统功能,从而提高了系统灵活性,而不是控制单元可以在现场运营中遇到干扰,在设计软件时采用一定抵制干扰源办法以提高可靠性。
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,与其她高档语言比较,其效率高,实时控制功能强。
同步,通过中断控制在恰当软件,为了提高智能控制器响应速度。
软件和硬件功能,以满足实时性,尽量用软件来实现系统功能,从而提高了系统灵活性,和干扰控制单元可以在现场操作时,软件设计时采用某些抗干扰办法,提高了系统可靠性。
该控制器软件设计按照构造化和模块化原则,将软件划分为若干个独立模块,每个模块都是通过软件接口连接,连接松动,谋求模块内部数据构造紧凑数据以及模块之间关系,尽量地减少各功能模块互相影响。
4.2重要程序设计
主程序流程图如图4.1,对每个特殊寄存器芯片重要实现每个模块化任务,涉及中断向量集,中断内部设定寄存器,设定软件定期,I/O扩展端口初始化,初始化BC7281和任务分派。
图4.1主流程图
Y
Y
图4.2定期采样流程
4.3定期采样
为了计算50Hz正弦电流信号有效值,对各路信号进行等间隔采样,采样周期均为0.625ms,也就是一种周期内(20ms)将被采样32次。
由于周期,采样频率占用定期器0(timer0),咱们使用时钟3(timer3)设定期间间隔,0.625ms中断发生,然后显示采样值。
由于本系统有相称多中断系统,为了防止各中断系统冲突,在中断中只解决参数采样,有关
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