低压断路器智能化控制技术研究

摘要本文介绍低压断路器智能化控制技术研究，开发了面向配电系统断路器的智能控制单元。主要目的是实现低压断路器的智能保护、远程控制和集中管理，其内容为低压断路器智能控制单元的软硬件设计及其上位机系统的开发。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，实现了对断路器的智能控制，对于电力系统中短路、过载、接地等故障实现智能控制，实时显示线路运行时电流或故障信息。详细论述了其中主要功能模块的工作原理和设计方案，对装置的各种测量、保护算法以及实现方法进行详细的论述。该控制器单元以C8051单片机为核心处理器，主要进行数据实时采集处理和断路器的故障保护，以实现断路器的自动控制。其软硬设计均采用模块化和开放性的设计方法。硬件电路尽量选择标准化、模块化的串行芯片，而且留有余地，以备扩展；软件采用层次化和多任务的设计思想，有效地提高了软件系统的灵活性和可移植性。其次，本文设计并实现了一种适合于上位机和单片机之间串行通信协议，利用Labview开发的上位机管理系统界匦友好、易于使用和管理，实现上位机对智能控制单元的集中控制、调度和管理。接口采用RS一485总线标准，硬件接口简单，通信可靠，解决了上位机和智能控制器单元之间的通信问题。并就研制的装置在硬件上和软件上所采取的各种抗干扰措施进行了具体说明。实验结果表明，本文研究的低压断路器智能化控制系统基本上达到了预期的设计效果，对以后开发低压断路器智能化控制系统具有一定的参考价值。关键词：断路器；智能控制器：过电流保护；AbstractTheresearchoftheintelligentcontrollerofthelow-voltagecircuitbreakerswhichareappliedtodistributionisrecommendedinthispaper．Theimportantpurposeoftheresearchistoachievetheintelligentprotection,remotecontrolandcentralizemanageofthelow-voltagecircuitbreakers．Thedesignofthehardwareandthesoftwareoftheintelligentcontrollerandtheresearchoftheremotesystemistheprimarycontent．Firstlytheframeoftheequipmentdiscussedisinthepaper．Throughthedesignofthehardwareandthesoftwareofsingle-chipcomputersystem，theintelligentcontrolofthecircuitbreaker,theintelligentprotectionoftheshortcircuit,theoverloadandthecontacttoeartharerealized．Thereal-timecurrentandinformationoffaultscanbeshown．Weintroducethetheoryandthedesignofthemoduleconcretely．Thearithmeticofthemeasureandtheprotectionisrepresentedindetailinthispaper．TheintelligentcontrollerisbasedontheC8051processortosampleandprocessthesignal，andthentohandlethefaultsofthecircuitifthereareanytoachievethecircuitbreaker’sself-control．Thedesignofthehardwareandsoftwareareallmodularizedandopened．TheICsselectedthestandardandmodularizedcomponentwhichisserial.It’sthebestifitcanbeexpended．Thedesignofthesoftwareadoptedthewayofsequentialandmulti-tasktoimprovetheflexibilityandtransplantofthesystem．SecondlyweimplementthecommunicationagreementbetweentheintelligentcontrollerandthePC．TheremotesystemwhichisfriendlytousersandeasytosuperviseandmanageisdesignedwiththesoftwareofLabview．TheinterfaceofthecommunicationisRS485standardwhichhashighliabilitytoimplementthecommunication．Itisparticularlypresentedabouttheanti-jammingonthesoftwareandthehardware．Theexperimentsindicatethattheintelligentcontrollerweworkedouthadreachedourexpectation．Itisareferenceforfurtherdesignoftheintelligentcontroller．Keywords：circuitbreaker；intelligentcontroller；protectionforoverflow第一章绪论第一节课题背景随着电力事业鹃发展，供电线路上各种功能的保护器也应运而生，而且发展迅速。这类保护器其保护原理一般来说主要基于电路上的电流或功率超过一定的限度时，自动切断电源来达到保护下级负载及供电线路的目的。断路器是电力系统中最重要的开关电器设备之一，主要用于线路的接通、分断和对系统中各种故障进行保护，在供电和配电系统中起着开断和闭合正常线路或故障线路的作用。而脱扣器就是对被保护线路进行各种电参数的检测，在符合预定条件时发出信号使断路器动作的器件，因此断路器的性能很大程度上取决于脱扣器的性能，脱扣器是断路器里最重要的核心部件，其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。由于单片微机在保护器设计上的应用，保护器由以前的电子式、电磁式向智能式发展。智能式脱扣器即智能控制器更为精确、及时，故在电力系统上得到了广泛的应用。低压断路器在配电和保护线路中起着日益重要的作用，要求它具备很大的短路电流分断能力，实现选择性保护和供电安全，同时具有一定的智能化功能。它不仅能在正常工作情况下接通或断开负载电流，而且允许在不正常情况下(过电流、短路、欠电压等)自动切断电路，从而保护用电设备和电缆等；故障排除后，还可迅速恢复供电。断路器可以就地操作，还可以远距离操作，且安全、方便。近年来推出的智能型断路器，具有智能化保护功能，选择性保护精确，能提高供电可靠性，避免不必要的停电，可实现配电自动化。智能控制器作为智能型断路器的中枢部件，它承担断路器的各种保护、报警、显示、试验与故障诊断功能，当前己成为断路器是否先进的主要标志之一。其作用是分配电能和保护电气配电网络和工业设备免受短路、过载、欠电压和接地故障电流的破坏。断路器和各种控制电器配合对电力系统进行控制、保护和监测。当系统中出现故障时，控制电器控制断路器动作，快速切除系统中的故障部分，防止故障扩大，保证设备与人身的安全，使系统正常运行。随着电力系统和配电自动化的不断发展，电力系统保护装置经历了电磁式保护、晶体管保护和微机保护。电磁式保护装置是基于电磁和电磁感应原理的有接点继电器组成，具有原理简单、价格便宜等优点，但能耗高、动作速度慢、抗震性差，可靠性和灵敏度难以得到保障。而晶体管保护装置虽然具有体积小、重量轻、消耗功率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是晶体管保护装置也有抗干扰能力差、装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点。随着用电系统的规模和等级不断扩大，系统的网络结构和运行方式目趋复杂，传统的控制器已越来越难满足系统的可靠性、准确性和实时性的要求。随着微电子技术的发展，出现了以专用集成电路为基础的电子式控制电器。这种控制电器较电磁式控制电器具有功耗低、重量轻、体积小等优点，易于构成较复杂的保护装置，但抗干扰能力差，电子元件的质量，焊接的效果将直接影响到装置的动作特性和可靠性。这两种控制电器，如果元件发生损坏，则无法进行自诊断，可能引起误动作，造成故障扩大和升级，致使供电中断和设备损坏，给系统和用户造成极大的危害。当前，智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。智能型断路器的“大脑”，即断路器内的智能控制器，采用微处理器为核心，具有显示、三段保护、试验、负载监控、故障诊断等功能。为了满足市场需求及提高产品竞争力，要求我们设计出性能优良、价格合理、保护功能完善的智能化控制器。为了提高断路器工作的可靠性，完善保护功能，降低功耗，节约能源，断路器的保护由电子式向数字智能化的方向发展。随着计算机、微处理器、光纤传导技术、传感器技术和数字处理技术的迅速发展和应用，出现了带微处理器的智能控制电器，使得断路器的智能化得以实现。智能型断路器不仅能够提供传统断路器的各种保护和控制功能，还具有保护的多样性和可选择性：能够实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数、触头磨损率、不平衡率等)，也可以设定和修改各种保护功能的动作参数。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非易失性存储器中以便查询。若干个智能断路器通过互动网络可组成智能配电系统，实现遥测、遥信和遥调等功能。第二节智能控制器简介传统的断路器，其检测和保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现，多由电磁元件完成。因而其体积较大，动作时间长，保护精度低，整定困难，效果也不够理想。传统的电磁式控制、保护技术，由于特性不一致体积大及成本高，已经无法适应现代配电自动化发展需要，必须将计算机技术引入，监测、保护功能一体化：将计量、保护、控制、通讯、故障记忆等功能集成一体，比以往机电式和模拟集成电路式二次电路所具备的功能更全；控制、保护智能化：可以根据电网和被控对象的运行状态进行智能控制、网络化。比如将每一智能控制器单元通讯接口与上位机相连，就可构成综合自动化系统。采用新的工作原理及具有良好特性的新型电流和电压互感器，对保护、控制单元来讲，电流互感器、电压互感器是提供电流与电压信息的，传统的电磁式电流、电压互感器由于体积大及铁芯的饱和特性已经不能满足智能化高压电器要求，因此使用罗柯夫斯基(Rogowski)线圈测量电流，电阻电压分压器测量电压。智能控制器具有两个显著的特点：一是可靠性高。控制器在正常运行时，不断进行自检，一旦保护装置本身出现故障，可以立即检出。而一般传统继电保护是没有这种功能的。二是灵活及性能优良。微机保护技术的原理是测量、计算和逻辑判断，即将检测出的电气量与动作量整定值比较，超过整定值发出动作信号。所以只要研究出适当的算法，CPU就能迅速计算出相应的电气量，完成功能不同的保护，如馈线保护、变压器保护或电容器保护。1．2．1基本结构及保护功能断路器的结构比较复杂，一般由触头系统、灭弧装置、脱扣装置和操动机构等四部分组成。智能断路器中的智能控制器，是断路器中技术含量最高的部分，对断路器性能的影响也最大。断路器的结构原理如图l.l所示。断路器的触头系统包括主触头和辅助触头。主触头接在主电路中，辅助触头接在控制电路中。主触头中通过的电流很大，它应能通断负载电流和分断短路电流。电路发生短路时，短路电流比额定电流大得多，此时断路器要能分断电路，必须有很强的灭弧能力。触头断开时产生的电弧，受电弧电流