可通信智能型双电源转换开关的研究

河北工业大学硕士学位论文可通信智能型双电源转换开关的研究姓名：李松泽申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：魏占永20071101河北工业大学硕士学位论文i可通信智能型双电源转换开关的研究摘要随着我国电力工业的发展，自动转换开关（ATSE）作为一类重要的低压电器产品，在配电和保护线路中起着日益重要的作用。随着市场需求不断提高，要求自动转换开关（ATSE）不仅具备智能化功能，还要求具备可通信功能便于实现网络化。本文首先论述了装置的硬件框架结构，确定单片机及其外围功能单元的设计原理，通过系统的硬件和软件综合设计，实现了对自动转换开关的智能控制。其中详细论述了主要功能模块的工作原理和设计方案，对装置的实现方法进行详细的论述。本设计控制器单元以PIC单片机为核心处理器，主要进行数据实时采集处理和自动转换开关的故障保护，以实现自动转换开关的自动控制。软件程序部分采用模块化的设计方法，采用C语言编程，大大提高了编程效率又能很好的兼顾程序的执行效率。其次，本文对自动转换开关的可通信技术进行了研究，并以ModbusRTU通信协议为基础，设计并实现了上位机和自动转换开关之间的通信。昀后对自动转换开关系统的抗干扰性进行了研究，详细介绍了自动转换开关的电磁兼容（EMC）试验，给出了一些可行的软硬件抗干扰措施。在数据处理时采用两次判断确定故障电压的方法，很好的滤除了干扰，使得设计成功通过EMC试验，并超过了国家标准的要求。实验结果表明，本文研制的智能型自动转换开关基本上达到了预期的设计效果，对以后开发自动转换开关具有一定的参考价值。关键字：自动转化开关，智能化，Modbus协议，抗干扰，电磁兼容试验可通信智能型双电源转换开关的研究iiSTUDYONTHEINTELLIGENTAUTOTRANSFERSWITCHEQUIPMENTWITHCOMMUNICATIANABILITYABSTRACTWiththedevelopmentoftheelectricindustry,low-voltageapparatusonthepowersupplyandthecircuitprotectionismoreandmoreimportant.Itisrequiredthatthelow-voltageapparatushassomeintelligentfunctions.Thelow-voltageapparatuscanachieveselectiveprotectionandthepowersupplysafety.AutoTransferSwitchEquipment(ATSE)isatypeofimportantlow-voltageapparatusproduct.Thestudyofitsintelligentandnetwork-basedtechnologywillbeaimportantdevelopmentdirection.Firstlytheframeoftheequipmentdiscussedisinthepaper.Throughthedesignofthehardwareandthesoftwareofsingle-chipcomputersystem,theintelligentcontroloftheATSEisrealized.Weintroducethetheoryandthedesignofthemoduleconcretely.Thearithmeticofthemeasureandtheprotectionisrepresentedindetailinthispaper.TheintelligentcontrollerisbasedonthePICprocessortosampleandprocessthesignal,andthentohandlethefaultsofthevoltageifthereareanytoachievetheATSE’sself-control.Thesoftwareadoptsthemoduledesignmethod,usesCprogramminglanguage,haveimprovedtheexecutionefficiencyofgivingconsiderationtotheprocedurethatprogrammingefficiencycanbeverygoodgreatly.SecondlywestudytherealizationofserialcommunicationofATSE.BaseontheModbusRTUprotocol,wedesignandrealizethecommunicationbetweentheATSEandthePC.Finally,theanti-interferencetechnologyofATSEsystemisstudied.TheEMCexperimentationofATSEisintroducedindetail.Andsomefeasiblemethodbothinhardwareandsoftwareisstudied.Inthedataprocessingprogram,wedeterminethevoltageisfaultifthefaultvoltageappearedtwice.UsethismethodwefilteredtheinterferencesuccessfullyandpassedtheEMCexperimentationsuccessfully.Especiallythetestconditionsarebeyondthedemandofnationalstandards.TheexperimentsindicatethattheintelligentATSEweworkedouthadreachedourexpectation.ItisareferenceoffurtherdesignoftheATSE.KEYWORDS:autotransferswitchequipment,intelligent,Modbusprotocol,anti-interference,electromagneticcompatibilityexperimentation河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论低压电器是现代工业过程自动化的重要基础部件，是组成电气成套设备的基础配套元件，包括配电电器和控制电器，它是低压用电系统可靠运行、安全用电的基础和重要保证，在国民经济中有着不可替代的重要地位和作用[1]。21世纪是一个集计算机技术、通信技术、网络技术为一体的信息化时代，也是逐渐实现人们生产和生活数字化的时代。新一代低压电器技术创新带有鲜明的时代特征，电器产品正朝着智能化、网络化、功能多样化、模块组合化和高性能、小型化等方向发展。随着我国加入WTO，我国低压电器行业面临着巨大的挑战。在现有基础上如何适应新的形势，跟上发达国家低压电器先进水平，如何更好满足我国现代化发展的需要，是低压电器工作者面临的一个重大课题[2]。§1-1可通信智能低压电器概况智能化电器是以微处理器为核心技术的电器[3,4]。它使电器具有智能化功能，即能够根据运行状态，通过感知、推理、学习、决策手段自动地选择昀佳模式进行控制与保护，智能化电器进一步信息化，就能与中央控制计算机实现双向通信，通常也称为可通信开关电器，可通信开关电器的应用，提高了配电控制系统的信息化、自动化程度。近年来，现场总线的出现给工业自动化带来了划时代的变革[5-11]。现场总线是一种造价低、可靠性强，并适合工业环境使用的通信系统，和传统的通信系统相比较，传统方法要用多芯电缆让数据并行传送，而现场总线仅需要一个双芯电缆，使布线非常简单，减少了安装维护费用。现场总线按国际标准采用统一的通信规范，因而它具有很好的互换性和互操作性，它是与生产商无关的系统，各种现场设备只要按这种规范和协议生产都可在网络上使用。现场总线生产工厂能提供现场总线各种标准部件，包括接口、各种中继器、电缆、模块化I/O站等，因而大大方便了安装和维护，做到了即插即用，也适合于现场设备分散布置的特点。综合上述特点，奠定了可通信开关电器的发展，也就是说可通信开关电器是和一定的现场总线、通信规约、通信协议相联系的。统一的低压电器数据通信规约可使得控制系统可以容纳各种各样的智能电器，只要他们具有使用统一“规约”的数据通信接口就可以星湖通信，从而使控制系统的设计和应用具有普遍性，便于推广和普及。但目前数据通信规约尚未完全统一，因此在一个控制系统中往往只能使用同一型号的智能电器，这样控制系统的设计和应用就有了很大的限制。如德国西门子公司的PROFIBUS现场总线，AB公司的DeviceNet，MODICON公司的Modbus等现场总线分别应用于不同地区和场合，我国也编制了低压电器数据通信规约，并在城市电网关键技术项目《智能型低压配电和控制装置》中应用，以推动我国电力技术的发展。目前国内可用的智能低压电器产品虽说还不多，但某些关键的智能电器产品已经研制成功并已经形成了生产规模。如智能型框架断路器DW45、智能型塑料外壳式断路器DZ40都具有带通信接口的智能化脱扣器，它们与控制网络的“连接”是通过计算机通信接口来实现的。在电力系统中作为配电与保护电器的智能型断路器，它可以在安装时提供许多三段式保护曲线供用户设定，并且在电网运行可通信智能型双电源转换开关的研究2时由上级计算机根据配电自动化的要求来及时地改变这些曲线，这样智能型断路器就从原来的“静态”的保护变成了“动态”保护，保护水平有了很大提高。总的来说，智能电器具有了数据通信接口，就能进入控制网络，网络控制使得智能电器的控制与保护性能有了“质”的变化。§1-2自动转化开关简介自动转换开关电器简称为ATSE，是Automatic-transferswitchingequipment的缩写[12]。它由一个（几个）转换开关电器和其它必需的电器（转换控制器）组成，用于监测电源电路、并能将一个或几个负载电从一个电源转换至另一个电源。作为消防负荷和其它要负荷的末端互投装置，ATSE在工程中得到了广泛应用，正确合理的选择ATSE可确保重要负荷的可靠性，ATSE在重要负荷的供电系统中是不可缺少的。双电源转换开关的技术水平、先进性和可靠性，直接影响诸如：医院、发电厂、银行、化工、冶金、宾馆、高层建筑、军事设施等重要场所的用电设备的水平和可靠性，关系到用电人员的安全和生命。随着我国工业的发展、自动化程度的普及、人类生活质量的不断改善，人们对电源可靠性的要求越来越迫切，由此双电源转换开关的重要性日益提高。1-2-1自动转换开关的发展过程自动转换开关的历史悠久，在将电能作为主要能源后，由于对重要负载的供电存在不同电源间的转换问题，自动转换开关必然会得到应用。但由于自动转换开关的需求量有限，以往并未把自动转换开关作为一种独立的或者说是某一种特定的大类产品来看待。以往的自动转换开关一般都是由设计院设计、电气成套企业或者用户直接用接触器、继电器、刀开关或由断路器、机械联锁、控制器构成自动转换转换系统。伴随各种用户或用电系统对提高自动化程度的需求和新技术的应用，自动转换开关逐渐得到发展和应用[13]。特别是20世纪80年代以后，国外公司推出的不同形式的自动转换开关纷纷进入市场。我国在20世纪90年代中期，针对国内市场需求，众多研究开发单位和生产制造企业开始专门研究开发和生产营销自动转换开关，使自动转换开关得到快速发展，经历了以低压电器分立元件构成自动转换开关，以模拟电路应用为主的机电一体化产品，以高性能的新型电器元件为基础并采用以CPU为核心的智能型专用控制器的发展过程。1-2-2国内外自动转换开关的现状我国双电源转换开关的研制和生产在八十年代初还是空白，国内许多需双电源切换场所不得不采用普通接触器作为投切电器或采用手动双投开关，两只塑壳开关及断路器联合使用达到双电源转换这一