低压智能断路器的研究与设计.docx
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低压智能断路器的研究与设计
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
学生姓名:
学号:
0801002115
所在系院:
专业:
入学时间:
2010年9月
导师姓名:
职称/学位:
副教授/博士
导师所在单位:
完成时间:
2014年6月
安徽三联学院教务处制
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,确定单片机与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;
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课题研究的意义与目的
1.1.1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与时的,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(线路与设备超负荷、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,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。
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。
1.1.2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与不足上,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、调度以与管理。
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;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。
1.2智能断路器在国内外发展的现状
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、设定以与修改,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DWl0、DZl0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DWl5、DZ20等56个系列,引进技术的是ME、T0、TG、3TB、B等34个系列,其水平与国外20世纪中下期水平相当,上市率是50%一60%。
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内的额定电压是交流380V,额定电流是630A—5000A(交流),分断的极限是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,所以得到发展的国内和国际的关注。
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,高性能的智能断路器的发展是国内家电行业的一个迫切的课题,具有十分广阔的前景和国内市场。
2智能低压断路器的原理与理论分析
2.1低压智能断路器控制单元的算法分析
2.1.1电压、电流的计量
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
(2.1)
I是有效值,Imax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
(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)
(2.3)
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/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:
(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、功率因数与功率的计量
(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,并开启在内部的定时器,两个信号中断(INT00)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0(INT0)、中断l(INT1)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:
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。
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:
(2.7)
2.2保护的原理与实现
当配电出现事故,一般基波叠加衰弱、非周期分量以与多种高频分量,所以需要控制器把输入电流信号与电压信号预处理,尽力滤除非周期分量、高频分量。
傅立叶算法具有很强的滤波函数,以与收敛性是稳定的,所以它被广泛使用。
智能保护算法的控制器是傅立叶算法,当前的例子中,电流的频率的实部和虚部的N次分解如下:
实部:
(2.8)
虚部:
(2.9)
当n=32,N=1时代的转化公式,计算基本的实部和虚部,因此电流基波幅值
(2.10)
基波电流幅值大于或等于电流整定值,则故障。
为计算方便和减少错误,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的运用
在配电系统中,过载时常发生。
当发生过载时,其电流成倍增加,危害设备与线路。
为安全可靠的电力供应,断路器必须要求在正常负荷范围。
可先指示灯报警,提供延时,争取足够时间切断过载设备,为了确保重要负荷运转去断开次要负荷,从而减少经济上的损失。
智能断路器过载电流整定主要考虑系统经济性、保护可靠性。
短路故障时,短路时的电流一般是正常运行电流的几十倍乃至上百倍。
断路器重要功能有效断开有故障的电路,并确保没有事故的电路或设备正常运行,即选择性短路保护。
对选择保护要求的系统,它的动作时间的整定一定要分级进行。
主线短延时时间必须比支路全分断时间长。
只有在主电路支路断路器,在选择合理的电流整定值,动作时间,可使上下的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保护的实现
设定时间维护线路安全的原理就是:
线路的电流值(故障线路)比设定的电流值大时,打开可以定时的仪器,当达到规定时间时,则断路器动作。
反之,保护退出。
热保护就是反时限的本质,其保护动作的时间与线路电流的平方之间的关系为反比。
由测得的过电流倍数,算出动作时间,达到定时的时间时,则保护动作。
在一个时间段,如果故障电流值小于设定值,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的概率大,控制器也会超负荷和短延时事故缓冲后发生的保护动作,将会产生一定的热量,那么超负荷的热效应将会停止释放(解决事故30min后),然而,短时间内排除故障的l5min释放延迟结束的热能,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、设备获得合适保护。
3智能低压断路器的硬件设计
3.1硬件设计准则
依据要求的功能对智能控制器的硬件进行设计,并且按照下列原则:
(1)简化原则:
简化原则:
尽可能用集成电路的硬件设计,尽可能避免分立元件,因为它可以提高集成度,接触的数量和包装组件之间的连接数也会随之减少,因而使系统的可靠性提升了。
(2)模块化原则:
根据功能划分多个功能模块的要求,典型的电路模块化,每个模块之间的接触力松散,节省维修时间(硬件故障时)。
(3)抗干扰原则:
由于智能控制器的工作环境恶劣,所以硬件设计必须干扰源的干扰分析,通过硬件抗干扰,从而提高其稳定性。
3.2智能控制器的硬件电路设计
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。
控制单元主要:
CPU系统、收集相关数据、输入输出(开关量)回路、监控电路等。
中枢为CPU系统,标志完成断路器智能。
控制器单元的硬件结构图如图3.1所示。
然后分析相关硬件模块的工作原理、硬件电路。
图3.1控制器结构框图
处理器的任务是实时信号采集和处理,测量,保护和辅助功能,并通过通信接口与上位机通信。
数据也可以有效值处理,应该有一个复杂的实时操作功能,使保护器保护的延迟,延迟的特点,该芯片具有更高的速度,和ROM,RAM也应该有很大的能力。
所以采用C8051系列。
控制器应该故障记忆功能,数据记录故障的历史事件与其相关,时间应保留半小时,那么需要外部扩展像EEPROM保存智能控制器的参数整定,方便查询故障的相关信息。
此计划要外围的元件减少数量,才能使设计容易,使布线容易,从而提升它的可靠性、稳定性和抗干扰能力。
从而使配电系统给的可靠性提高。
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的独立和完整的混合信号芯片系统(SOC),有一个12位或10位多通道ADC,用于处理多通道信号智能控制器是一个优势,因为省略了A/D转换器件,并且经过软件编程采取采样通道,可省略多路元器件。
所以简化简化了外围电路,使得电路板的面积减小。
它还拥有处理高速指令能力,一般的805l一个机器周期要使用12个系统时钟周期,执行一条指令最少需要一个机器周期。
CygnalC8051F系统单片机选用流水线的方式来处理指令的,它的峰值性能能够达到25MIPS,机器周期降低为标准的1个系统时钟周期,用MCS-51指令处理能力相比有了很大的提高。
CygnalC8051F系列采用内核是CIP-51,和MCS-51指令的体系恰好相容,能采用ASM-51、KeilC语言为C8051F编程。
一般的8051仅含7个中断源,它开拓了中断处理,能够实时多任务同时进行处理。
扩大中断体系为嵌入式体系准备中断源(22个),许可大批模拟与数字设置中断控制器,中断驱动系统应该很少有系统的干预,但是执行指令效率要快。
标准的8051比C8051F系统单片机仅仅在外部的引脚减少了7种复位源,导致系统可靠性提升,用户软件可制止任何复位源。
除了外围组件有8051个数字,集成在芯片中的数据,模拟元件(控制系统)和其它数字设备和部件。
每个系统都能有效地管理模拟和数字外设,可以关闭单个或全部外设以节省功耗。
FLASH存储器拥有从新编译程序的本领,能用保存相关数据,而且许可固件更新,此功能允许程序存储器的非易失数据存储和更新代码(在软件的控制下)。
芯片内部JTAG调试支持的功能许可安装在MCU进行不能占芯片内不空间的非侵入式、全速和调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、单步、运行和停机命令。
当调试(用JTAG)时,任何模拟以与数字外设全都能运行。
C8051的内部结构如图3.2所示
C8051F片内有一个时钟发生器能够单独工作(误差允许2%)。
如果你需要连接到一个外部时钟,在内部,切换外部时钟和操作程序,外部时钟能够结晶,RC,C或外部时钟。
上述功能的低功率应用中是非常有用的。
图3.2C8051的内部结构
3.3.2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。
空芯互感器没有铁芯,具备很大的线性范围,其感应的信号适合CPU来处理。
把电回路强电流、高电压改变成电流与电压信号(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范围,实现电流的精确测量的范围,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O-5A的电流和O时,这两个时间的系统,考虑到输入信号的A/D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范围内,为提升测量精确度与其分辨率,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,以与信号直接输入。
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
。
在正常操作条件下,系统的平衡
;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
,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,两种模式可以由用户选择。
4智能低压断路器的软件设计
4.1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,寻求模块内部的数据结构紧凑的数据以与模块之间的关系,尽可能地减少各功能模块相互的影响。
4.2主要程序设
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