断路器智能控制研究

低压断路器智能化控制技术研究1断路器智能控制器设计及实现29新一代智能断路器控制器30 低压断路器智能化控制技术研究 目 录摘 要错误！未定义书签。Abstract错误！未定义书签。第1章 绪论1. 背景和意义11.2 智能型低压断路器的发展现状11.3 本文研究内容及主要研究工作2第2章 智能控制器的简介32.1 引言32.2 智能控制器的工作原理32.3 智能控制器的主要特点32.4 智能控制器的主要关键技术42.4.1 微处理器技术42.4.2 技术信号检测42.4.3 现场总线技术42.4.4 液晶显示技术52.4.5 电磁兼容技术52.4.6 基于实时多任务操作系统的智能控制器系统软件设计5第3章 理论分析和数学模型63. 参数测量理论63.1.1 电压、电流的测量63.1.2 功率、功率因数和波形畸变率的测量63.2 保护方式的数学模型及实现方法93.2.1 三段电流保护特性分析93.2.2 其它保护的实现原理10第4章 智能监控单元的硬件设计114.1 监控单元结构原理设计114.2 中央处理模块的设计124.2.1 CPU（中央处理器）的结构124.2.2 MCS_51系列单片机的引脚功能描述134.2.3 时序电路的设计144.3 硬件抗干扰设计144.3.1 干扰的产生与分类144.3.2 本装置的硬件抗干扰设计15第5章 智能监控单元的软件设计165.1 主函数设计165.2 子函数设计185.2.1 三段电流保护算法的实现185.2.2 过载长延时反时限保护算法的实现215.2.3 定时中断子函数设计215.2.4 程序清单（附录）225.2.5 软件抗干扰225.3 本章小节23第6章 实验分析24第7章 结论25参考文献26致 谢27附录 智能监控部分软件程序：28低压断路器智能化控制技术研究摘要：低压断路器作为发供电企业和用户电气设备的主要保护装置之一，随着计算机测控技术的飞速发展，智能化已运用于断路器的控制和管理中。智能控制器作为智能型断路器的中枢部件，当前己成为断路器是否先进的主要标志之一。智能控制器是低压断路器的核心控制单元。本文首先简介了智能控制器，及其理论分析和数学模型，然后重点研究了智能控制器的软硬件部分，并针对抗干扰措施做了简单的分析。软件设计采用实时多任务操作系统很好的完成了任务的实时处理，其中多任务的具体实现、程序设计的实时性要求是这部分的重点。本文在一定的实验条件下，断路器测控单元样机的测量和保护结果，并对实验结果进行了误差分析，制定了减小误差的具体措施，得出了相关的结论。关键词：智能化、低压断路器、智能控制器、保护功能、抗干扰 Intelligent low-voltage circuit breaker control technology researchAbstract: low voltage circuit breaker is one of the main protection power supply enterprises and users of electrical equipment, along with the rapid development of computer measurement and control technology, control and intelligent management has been used in the circuit breaker. The intelligent controller as the core of the intelligent circuit breaker, the current has become one of the main signs of advanced circuit breaker.Intelligent controller is the core of low-voltage circuit breaker control unit. This paper first introduces the intelligent controller, and its theoretical analysis and mathematical model, and then focus on the software and hardware of intelligent controller, and the needle against interference measures to do a simple analysis. The software design is used for real-time multi task operating system is good to complete the real-time processing tasks, including real-time implementation, multi task program design is the focus of this part.In this paper, under certain experimental conditions, the results of measurement and protection breaker control unit of the prototype, and the experimental results of error analysis, to develop specific measures to reduce the error, to draw the relevant conclusions.Keywords:intelligent, low-voltage circuit breakers, intelligent controller, protection, anti interferenceI低压断路器智能化控制技术研究第1章 绪论1.1 背景和意义 随着国民经济的高速发展，电力在工业生产和人们的生活中发挥着及其重要的作用。如何有效地保证电力系统的稳定运行，提高供电质量，保护用电设备及人身安全已经成为人们普遍关心的话题。工业的发展对配电系统的要求不断提高。低压断路器作为一种量大面广的配电电器，是低压配电系统中的重要电器元件之一，在配电和保护线路中起着十分重要的作用。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。正因为如此，断路器广泛应用于配电系统、电力输送系统及用电设备等，如各类电站、变电站、车载系统(包括空调机车、电力抢修车)、船用系统等等。断路器的生产已成为电器行业的一大支柱。低压断路器是低压配电系统的及其重要组成部分，1923年问世以来，不论在产品结构方面，还是性能上都在不断的改进。在现有多种类型的低压断路器中，绝大多数仍采用电磁感应原理的继电保护方式，这类断路器能耗大、温升高、准确率低，最突出的缺点是其保护的针对性强，不易随被监控设备性能的改变而改变，给具体应用带来不便，可控性低，同时实现保护的一体化比较困难。随着微电子技术的大力发展,出现了由晶体管电路控制的断路器，这种断路器的控制方式和传统电磁式控制比较虽然具有功耗低、重量轻、体积小、易于构成较复杂保护装置等优点，但晶体管电路抗干扰能力差，有关参数的修改也是比较困难。从70后代后期起，随着微处理器技术的飞速发展，以单片机为基础的智能型断路器问世，世界各国都在进行将微处理器用于低压断路器的智能化研究工作，并推出了许多微机控制型断路器，进一步改进了保护性能，实现保护智能化。如美国西屋公司的SPB系列、日本寺崎公司的AT系列、法国MG公司的M系列断路器等。此后，国内也出现了类似的产品。这些断路器的出现加速了低压供、配电系统的智能化、网络化进程。微处理器引入断路器，和微电子技术、传感技术、控制通讯技术、电力电子技术等结合，一方面可以在同一台断路器上实现多种功能，使单一的动作特性有可能发展成为一种保护功能多种动作特性，另一方面可使断路器实现与中央控制计算机双向通信，构成智能化的监控、保护和信息网络系统，使断路器从基本保护功能发展到智能化的保护功能。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。由于以上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛应用。智能控制器是供电主线路智能断路器的中枢控制部件。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。早期的产品称智能脱扣器，以过电流保护和脱扣功能为主，但通过逐步改进和发展至今，其功能远不止此.除过电流保护外还有显示、报警、接地保护、温度保护、电流显示、电压显示、故障记录和计算机接口等功能。当前，智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。因此，开发功能齐全、性能更可靠完善的智能型低压断路器是工业电气工程及其自动化行业迫切需要解决的问题，它具有良好的发展前景和广大的用户市场。1.2 智能型低压断路器的发展现状 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。随着社会的发展，技术的进步人们对供电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供电系统自动化的需要。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，因此，在传统断路器的基础上就要求其自动化、智能化、模块化，更可靠和具有更多保护功能。微型计算机技术的发展为断路器的智能化提供了条件。近年来不断推出的智能型断路器，性能更好，可实现配电自动化。它不仅能提供普通断路器的各种保护功能，还有传统断路器无法比拟的特点控制信号准确可靠、实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)、随时设定动作电流和动作时间、存储故障信息、预报警、联网通信等。由于以上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛应用。在过去的十年中，我国基于微处理器的数字式继电保护装置发展迅速，己成功研制了三代数字式继电保护产品。目前，国内厂家研制和生产的低压智能型断路器大多属第三代产品，该类型的继电保护装置 是在高性能单片机的基础上实现的。结合单片机内部集成的程序存储器(EPROM)、随机读写存储器(RAM)、可编程的定时计数单元、串行通信接口(SCI)和模数转换等硬件资源，运用先进的保护方案和保护算法，实现了性能可靠的断路器监控部分。90年代中期，许多专业的智能断路器制造厂家采用16位的单片机(80C196)设计新型的监控和保护产品，以简化硬件电路的设计。上海电器科学研究所，遵义长征电器九厂和上海上民电器厂联合研制的DW45-2000，3200，4000智能型万能式断路器，江苏黄海电器控制设备厂研制的ST系列智能控制器，均属于第三代产品。同以前的相比，该类型产品除保持了显示、控制和在线实验调整等功能外，还在提高了模数转化的精度的同时，还增加了网络通信功能，使用户可以通过通信接口实现对断路器的遥测、遥信、遥控和遥调等 “四谣”功能。现阶段段该类型的产品在保护电网和用电设备的安全可靠运行中发挥着主导作用。目前，国外已经开发出了各系列化智能断路器。这些智能化断路器的性能大大优于传统的断路器产品。国内在这方面的产品开发还才刚刚起步。从20世纪90年代初开始，我国研制、开发的新一代力能式断路器DW45系列智能型万能式低压断路器，采用智能控制器(国内行业称之为“智能控制器”，以示与原半导体式脱扣器的区别)作为核心保护部件，短路分断能力有了大幅的提高，过载长延时、短路短延时、短路瞬时、单相接地等均可由用户自行设定。我国现己涌现出多种型号的智能型断路器，如M系列、AH系列、HA系列、DW48等。90年代，又推出了新的IEC标准:IEC947-2“低压开关设备和控制设备低压断路器”标准，国标GB14048.2“低压开关设备和控制设备断路器”标准。本世纪初，国标GB14048.2“低压开关设备和控制设备断路器”标准进一步完善。现在有的单位专门开发生产智能型控制器，如江苏黄海电器控制设备厂产的别竹能型控制器，其特点是具有高短路分断能力和智能性保护性能，电流表、电压表功能、报警功能、自诊断功能、试验功能、负载监控功能、MCR脱扣和模拟脱扣功能一应俱全。1.3 本文研究内容及主要研究工作本论文的主要任务是研究万能式智能型低压断路器中的智能型低压断路器测控单元智能控制器的软件部分，其功能是根据输入电流大小，判断过流保护装置是否按长延时部件过电流控制器去执行长延时、短延时、瞬时中的一种特性动作，并输出信号给执行机构动作。它作为万能式断路器的核心保护部件，有较高的短路分断能力，过载长延时、短路短延时、短路瞬时、单相接地等参数均可由用户自行设定。按照以上要求，本论文完成了如下工作：(1)实现断路器的三段电流保护特性和各种反时限保护特性等;(2)通过硬件实时监控(包括接地监控、主电流监控、负载监控等)，并经软件数据处理后送显示;(3)实现线路电流检测;(4)可以方便地设定断路器的整定值;(5)线路故障的记录;(6)具备智能控制器本身的自诊断功能; (7)提出了将实时操作系统应用于智能控制器的开发;(8)设置了通讯接口。本论文将对智能控制器的原理、设计(包括硬件、软件)、试验等方面作专题论述。1低压断路器智能化控制技术研究智能控制器的简介2.1 引言低压断路器作为配电系统中的重要电器元件之一，其作用是保护电气配电网络和工业设备免受短路、过载和接地等故障的损坏。传统断路器的检测和保护功能多由电磁元件完成，其动作时间长，保护精度低，整定困难。随着社会的发展，技术的进步，人们对供配电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供配电系统自动化的需要。因此，对于单台断路器就要求其模块化、智能化和自动化，对于供电系统中的多台断路器要求能实现联网通信、集中监控等，即所谓的智能断路器。智能断路器是一种重要的智能化电器，智能化电器是在传统开关设备中引人计算机技术、数字处理技术和网络通信技术而发展起来的新一代开关电器。低压断路器的保护功能是通过其控制单元控制器来实现的。若干个智能断路器通过互动网络可组成智能供配电系统，具有遥测、遥控、遥讯和遥调“四遥”功能。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。由于以上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛应用。智能控制器是供电主线路智能断路器的中枢控制部件。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。早期的产品称智能脱扣器，以过电流保护和脱扣功能为主，但通过逐步改进和发展至今，其功能远不止此.除过电流保护外还有显示、报警、接地保护、温度保护、电流显示、电压显示、故障记录和计算机接口等功能。当前，智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。因此，开发功能更齐全、性能更可靠的智能型低压断路器是工业电气自动化行业迫切需要解决的问题，它具有良好的发展前景和广大的用户市场。2.2 智能控制器的工作原理空芯互感器和电压互感器分别检测供电线路中的电流和电压信号，并将其转换为数字电路和单片机可处理的电平信号，信号经模拟调理电路(隔离、滤波、放大等)送人微处理器(MCU)，微处理器内带的A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，供MCU进行逻辑运算与处理。各种故障保护的动作电流和时间的整定值通过键盘设定并存于EPROM中(掉电不丢失)，MCU将检测到的电流信号与整定值比较，判断是否脱扣。通信接口是为实现同上位机进行通信，以实现“四遥”和联网功能。模拟脱扣是一种后备脱扣方式，即当故障信号超过规定值时，模拟量信号不经过MCU直接使断路器脱扣，保证断路器可靠动作。 此外，控制器采用双路电源异或的方式供电，只要有一路电源正常就可以使控制器可靠工作。其中一路电源由速饱和互感器从三相供电线路上感应能量提供，称为自生电源电路。当主电路电流达到0.4In(In为额定电流)时套在母线上的速饱和互感器可感应出足够的电压供控制器正常工作;当断路器在非运行状态或母线电流较小时，由另一路辅助电源供电，辅助电源可通过电压互感器由母线上的电压取得。若考虑在其运行前进行参数设定、检查试验等，则在辅助电源部分还需要外接直流电源。其原理框图如图4.1所示。2.3 智能控制器的主要特点(1)多种测试、计量和显示功能 能测量和计算多种模拟量和数字量，包括电压、电流、功率、电度、频率等电力参数以及断路器的分合状态，并且能够显示。 (2)保护功能多样化 不仅具有长延时、短延时、瞬时的3段保护动作，还具有断相、反相、欠压、过压、不平衡保护、逆功率保护、接地保护(第四段保护)、温度检测、预报警等功能，而且可做到一种保护功能多种动作特性。 (3)动作准确 由于采用了微处理器技术，惯性小、速度快，采用数值积分的方法计算电流有效值，根据此值发出动作指令，提高了动作的准确性，把动作范围缩小到了1.051.15倍的整定电流。 (4)故障信息存储功能 智能控制器能将故障信息储存，如故障类型、故障电流值、动作时间等，有助于工作人员做出正确的分析和判断，减少线路维修时间。 (5)故障自诊断与试验功能 对构成智能控制器的电子元件的工作状态进行自诊断，当出现故障发出报警信号，并使断路器分断。 此外，微处理器能进行脱扣与非脱扣两种方式的试验，以及模拟信号进行长延时、短延时和瞬时整定值的试验，还能进行在线试验 (6)热记忆功能 如果供电线路中的故障是间歇性的，则故障电流会反复断续出现，若故障电流持续时间在达到整定的动作时间之前，则其值又恢复到电流整定值以下。在这种情况下，一般传统脱扣器不能正确动作，而智能控制器具有记忆功能，可把故障电流超过整定值的时间迭加起来，一旦累计时间达到整定时间时，控制器就能动作而切断故障电流。 (7)负载监控功能 在线路故障电流超过负载监控整定值，而未达到过载电流整定值时，智能控制器能发出报警和控制信号，利用控制信号进行负载调度。 (8)通信功能主控计算机每隔几秒轮询各测控单元即控制器，下发操作命令，指挥控制器完成某个任务，包括:上送计量信息或录波数据;校时和定值整定;上报系统的工作状况;控制断路器分合闸。2.4 智能控制器的主要关键技术2.4.1 微处理器技术智能控制器采用的高性能单片机，目前用得比较多的是以MCS_51系列的8位单片机和Intel公司的96系列单片机。8位单片机以其使用成熟、16位单片机以其更快的运算速度和丰富的内部资源都在广泛使用。另外，DSP芯片作为一种新型的微处理器，具有更强大的运算功能和高速的数据传输能力。在控制器中采用高性能的单片机技术，可以提高系统的可靠性，同时还简化了断路器控制器的电路结构，降低了成本并加快了新产品的更新换代。随着MCS_51芯片生产的规模化和价格的降低，有趋势将MCS_51集成到单片机中，MCS_51完成高速运算功能，单片机负责管理外围设备，共同作用来实现对电器设备的操作。2.4.2 技术信号检测为了确保测量的精度，考虑到用于检测单元中常用的电流互感器有实芯和空芯两种类型，由于实芯电流互感器在处理小电流时线性度好，但是当电流过大时易饱和，从而使测量失真，而空芯电流互感器在处理大电流时线性度好，但是在小电流时易受到干扰，同样也会产生失真。因此为了兼顾测量精度和测量范围，充分实现全范围电流的精确测量，可以采用两种互感器并用，再配合自动量程切换电路;或者采用高性能的空芯互感器外加补偿校正等方法。所以提高测量精度和电流测量范围是实现断路器智能化的关键技术之一。2.4.3 现场总线技术现场总线系统是一个数字化通信系统，用一根总线以串行方式把开关设备与主控制器连接起来，能进行双向通信。可通信开关设备一般安装在现场，通过总线系统实现遥控、遥测、遥调。 现场总线主要应用于过程控制、生产自动化、配电系统和楼宇自动化等场合，因此对系统中的低压开关电器提出了可通信并能与现场总线相连接的要求。近几年，可通信开关电器(如智能化万能式断路器、智能化交流接触器、智能化重合控制器、智能化电动机保护器和起动器等)发展很快，这类电器都要求和一定的现场总线相连，尤其是智能控制器，它是把微处理器技术、网络技术和信息技术与现代机电一体化集成在一起的高新技术产品。此外，由智能断路器构成的智能型开关柜与现场总线技术及上位机构成的自动化配电系统，具有功能强、系统完善、可靠性高、编程简易、控制简便、通信协议开放等特点，研制应用和推广智能断路器及其适合的现场总线技术是我国配电自动化发展的基础。2.4.4 液晶显示技术基于智能控制器实现功能的多样化，单一的数码管显示已不能满足控制器对显示功能提出的要求，采用液晶显示有突出的优点:显示信息量大，不但能显示相和线的电流、电压、功率因素、功率等各种参数，也能显示被保护对象和线路过去的运行参数和故障情况，还能以图形的方式显示被整定的断路器保护特性。同时，低功耗功能还能缓解智能控制器供电紧张的局面。但是，在恶劣电磁环境下会使液晶失效，所以开发出具有高可靠性的液晶显示模块也是非常重要的。2.4.5 电磁兼容技术在低压电器领域中，断路器用来对供配电线路和用电设备的过载、短路、单相接地及欠电压等实现保护，以此避免或减少故障给电力系统及用电设备所造成的破坏，确保供电系统的可靠性。低压断路器的各种保护功能以及监测和通信功能等都是由智能控制装置完成的。因此，低压断路器的智能控制器必须具有很高的可靠性和抗干扰能力，特别是抗电磁干扰。由于智能控制器工作环境非常恶劣，常常工作在大电流(几千安培，短路时有时可达到几十千安以上)状态，电磁干扰非常大，因此，智能控制器电磁兼容性(EMC)变成了越来越重要的问题。2.4.6 基于实时多任务操作系统的智能控制器系统软件设计智能控制器是一个典型的实时工业控制系统，它在运行中要保证采样、计算、保护、控制、通信、键盘、显示等诸多任务按时、有序、高效的完成。实时多任务操作系统是指能满足实时控制系统的实时性要求，有效管理系统任务及资源的操作系统。实时性是实时多任务操作系统区别于其它操作系统的一个重要特性，它不但管理着系统中的MCU、I/O和存储器等硬件资源，而且也为软件系统提供了一个开发和运行平台。基于采用实时多任务操作系统设计智能控制器的软件系统，能很好协调系统中所有任务的运行和资源分配，保证了系统的实时性，增强了系统运行的稳定性和可靠性，而且通过应用程序提供的接口，可以方便地进行代码维护和功能的扩充。要实现智能控制器系统的软件设计，需要对系统完成的功能进行全面分析，根据各个功能的运行特点按实时性要求和执行频率的不同进行合理分类。目前，在认真研究智能控制器的关键技术基础上，研制出了基于现场总线的智能控制器样机。硬件系统主要包括五部分:输人通路的信号调理电路;单片机及可编程逻辑器件的应用;温度和时钟电路的设计;液晶显示和按键电路的设计以及状态检测和输出电路的设计(硬件电路如图2.1所示)。图2.1 系统硬件框图软件设计中采用实时多任务操作系统，主要包括各种中断和任务调度。其中中断包括采样中断、定时中断、通信中断、测频中断。任务的调度根据每个任务执行频率和优先级的不同，分时执行任务，避免了多个任务同时触发造成任务的堆积，使优先级低的任务得不到执行。同时采用测量算法和保护算法来分别计算电流的有效值和基波的有效值，提高了断路器动作的准确性。现在控制器样机已通过了实验室调试，取得了较好的结果，即将进行现场调试工作。第3章 理论分析和数学模型为了保证继电保护设备准确显示各电参量，同时防止电网中谐波成分对保护装置工作性能的影响，在IEC60947.2低压开关设备和控制设备有关断路器参数测量的规范中，对断路器的显示值和保护动作值的获取作了严格的规定。随着电网和用户对电能质量要求的提高，检测仪器就需要显示有关电网电能质量的有关参数，包括有功功率、功率因数和谐波畸变率等。因为谐波有十分严重的危害，经常会引起继电保护装置、自动控制 装置误动作，造成电能计量出现混乱等后果，所以如何精确计算并显示谐波参数就显得十分重要了。本章将详细介绍电流、电压和各谐波参数的测量方法以及各种保护工作方式的数学模型。3. 参数测量理论 3.1.1 电压、电流的测量在IEC60947.2标准中规定，电流和电压应采用均方根值(RMS)显示，电子过电流整定装置应有“均方根值”显示标志。均方根值检测提供了可靠的系统保护，在波形中含有高的谐波分量时RMS检测将减小保护装置误脱扣的可能性11。本装置中四相电流和三相电压均采用相应的均方根值显示。根据周期性连续函数均方根值（以下简称均值）的定义，电压和电流均值的表达式为 (3.1) (3.2)式中T为信号的周期，U为电压均值，I为电流均值。式(3.1)，(3.2)电压和电流均值的数学表达式，适用于任何周期性交变电量参数信号。利用软件编程实现上述算法时，可按如下方法将其离散化。用一个周期内有限个采样值代替一个周期内连续变化的电压函数值式(3.1)变为 (3.3)其中为采样时间间隔，N为一个周期内的采样点数。本设计中采用定时采样(TIN)，用第时刻电压的采样值代替第k个时间间隔内电压的瞬时值，式(3.3)可转化为 (3.4)同理电流均值的离散化计算公式可表示为 (3.5)式中为第时刻电压的采样值。利用式(3.4)，(3.5)进行编程，便可由软件实现电压和电流均值的计算。为了提高测量的精度，一个工频周期内的采样点数N选32，采样周期为。 3.1.2 功率、功率因数和波形畸变率的测量傅立叶级数的分析方法是谐波分析的主要方法之一。本论文利用快速 傅立叶变换(FFT)算法进行有关电压电流的谐波分析，实现电压和电流基 波分量各参数的测量。(1)有功功率的计量16三相电路的有功功率就是其平均功率，可表示为： (3.6)将上式离散化后可得到有功功率的数字化表达式： (3.7)式中 分别为同一采样周期内第时刻A，B, C相电压和电流的采样值。(2)功率因数的计量16在三相对称电路中，各相电压、电流均对称，功率因数也相同。三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。而三相不对称电路的功率因数至今没有同一的定义。这里定义功率因数为有功功率和视在功率的比值， 表达式为： (3.8)式中S为视在功率，其值等于电压和电流有效值的乘积，即 (3.9)无功功率Q的计算可由下式求得： (3.10)由式(3.8，9)可以看出，有功功率的最大值为视在功率值S，若P值越接近S值，那么电气设备的容量就越能得到充分利用。引入功率因数就是为了反映有功功率P接近视在功率S的程度。(3)电流谐波总畸变率的计量16在公共电网中，一般情况下电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变则可能很大，此处只考虑电流的波形畸变率。次谐波电流含有率()表达式为： (3.11)式中为第次谐波电流的有效值( 大于2而小于16)，为基波电流有效值。谐波电流含量定义为： (3.12)电流谐波总畸变率THD；（Total Harmonic Distortion）定义为： (3.13)通过对电流和电压采样信号进行快速傅立叶变换分析，便可得到相应电量的谐波参数。本设计利用式(3.12),(3 .13)计算得到电流波形总畸变率。以上各公式对周期性的正弦信号和含有谐波的非正弦信号均适用。）快速傅立叶变换(FFT)分析法16随着电力电子设备和各种非线性特性设备的广泛应用，电网中往往含有非周期分量和各种频率的谐波分量，此种成分的存在不仅会降低设备的工作效率，严重时还会导致继电保护设备的误动作，因此保护设备的动作应尽量避免这种分量的干扰。对电流和电压的均方根值检测虽然可减小谐波的干扰，但不是最理想的处理方法。对采样的信号序列进行傅氏分析，以基波的参数作为保护的依据就可消除谐波对保护系统的影响，使保护有较高的可靠性。FFT分析法是傅氏分析的一种快速高效算法，在实际中得到了广泛的应用。断路器的智能化使 FFT的实现变得更为方便。下面简要介绍时间抽取FFT算法的基本原理。时间抽取FFT是将N点的输入序列x(n)按照偶数和奇数分解为两个序列：偶序列：x(0),x(2),x(4),x(N-2)奇序列：x(1),x(3),x(5),.x(N-1)因此，x(n)的N点FFT可表示为： (3.14)因为 所以式3.14可变为 (3.15)令Y(k)和Z(k)分别表示式(3.15)中右边两项和式，则有 (3.16)由于Y(k)和Z(k)的周期为N/2因此计算上式的k的范围为0N/2-1计 算k=N/2N-1的X(k)可以利用的特性，可得 (3.17)式(3.16)和(3.17)两式分别用来计算和的X(k) 。以同样的方式进一步抽取，就可得到N14点的离散傅氏变换(DEF)， 重复这个抽取过程，就可以使N点的DEF用一组2点的DEF来计算。 在基数为 2的FFT中，设则总共由M级运算，每级中有N/2个2点FFT蝶形运算，因此，N点FFT总共有个蝶形运算。这种蝶形运算的流图如图3.1所示。图3.1 基2FFT蝶型运算流图图3-1基2FFT蝶型运算流图设蝶形的输入分别为P和Q，输出分别为和，则有 (3.18) (3.19)对于32点的FFT算法，共有5级80个蝶形运算，由于多数MCS_51都能在 一个指令周期完成一次乘法和一次加法，而且提供专门的 FFT指令（实FFT 所必须的比特反转等），使得FFT算法在芯片上实现的速度更快，为实时进行参数的傅立叶分析提供了可能。3.2 保护方式的数学模型及实现方法智能型低压断路器监控单元的主要功能是对设备和电网的运行状态进行实时检测，针对异常情况向断路器发出脱扣信号，保护用户设备和电网的正常运行，因此保护功能是监控单元的主要功能。本小节在介绍常用三段电流保护特性的基础上，给出过载长延时反时限保护的数学模型，至于定时限保护功能，通过合理设置定时器就可方便实现。3.2.1 三段电流保护特性分析对于配电柜、电动机和发电机等设备而言，常规保护方式是分段式电流保护，包括过载长延时、短路短延时和短路瞬动等三段电流保护方式。过电流保护特性由时间-流曲线表示，曲线位于直角坐标系中，纵坐标与横坐标均对数化，纵坐标为动作时间，横坐标为过电流倍数。图3.2为典型的三段过电流保护特性曲线。它包含了长延时、短延时、瞬动三段电流保护。三个电流保护段的电流整定值可以用数轴表示，如图3.3所示。In为额定电流, 为长延时整定电流, 为短延时整定电流, 为瞬动整定电流。设定不同的电流整定值，测控单元可同时或分别具有三段保护特性。短延时长延时瞬时关闭瞬动特性0i图3.2 过电流三段保护特性图3.3 电流整定值覆盖范围(1)保护特性 长延时保护特性为反时限，数学表达式为19 (3.20)式中为电流整定值，可选为中间继电器的额定电流的倍数(0.4-1)，I为过电流值;T为动作时间; 为长延时动作时间整定值。 短延时保护特性由两部分组成：反时限和定时限。8为分界点定时限的动作时间有多个规定值可供选择;反时限特性数学表达式为19 (3.21)式中为短路整定电流，可选为额定电流的倍数(0.415)，为短延时动作时间整定值其余同式(1) 。 短路瞬动动作特性为定时限，动作时间为一规定值，瞬动保护功能可关闭。(2)保护原理 定时限保护的保护原理比较简单。当故障电流值大于电流整定值时，启动定时器，定时时间到，保护动作;在计时时间内，如故障电流值小于整定值，则保护退出。反时限保护实质为热保护，动作时间与电流平方成反比。为提高反时限电流保护的实时性，本测控单元采用查表法确定保护动作特性根据测得的过电流倍数，通过查表求得动作时间，定时时间到，则保护动作。3.2.2 其它保护的实现原理为了使智能型断路器具有更加完备的功能，除了具备上述电流保护功能外还设计了其它的保护功能，如接地，断相，过压、欠压和失压保护等。(1)接地保护在中性点非直接接地的电网中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许再运行12小时，而不必立即跳闸。但是在单相接地后，其它两相对地电压要升高倍，为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，应及时发出报警信号，以便运行人员采取措施予以消除。当中性点非接地系统发生一相接地时，全系统都将出现零序电压，在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地容电流之和，数值一般较大。因此可检测系统的零序电流作为保护的依据。具体设计中，其整定电流可选为的0.20.8倍。其保护的动作通常由定时限实现，时间可选3060分钟。中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障的分析方法与此类似。(2)断相保护在设备(尤其是电机)运行中如果发生断相，造成三相电流不平衡时，会产生正序和负序电流，使电机的综合力矩减少，同时会使电机发热增加，严重时会烧毁电机。当发生此类故障时可利用故障相相电流为零，其它两相电流增大的特点作为判定断相故障的依据。(3)过压、欠压和失压保护根据用电设备对工作电压波动范围的要求，当电压高于上限或低于下限时，监控装置应对设备进行过压或欠压的保护，当电压过低时，应进行失压保护。具体在保护电动机的应用中，异步电动机的欠压整定值可选为额定电压的60-70%，同步电动机为50-70%的额定电压，过压保护可选设备耐高压上限的85%作为过压保护的整定值，保护装置的动作时限为0.51s。 智能监控单元的硬件设计4.1 监控单元结构原理设计智能控制器系统硬件设计采用以单片机为中心，以与单片机接口的外围芯片为扩展的设计思想。外围芯片按功能模块扩展，由信号检测、信号采集、输入与显示部分、存储、数据通信接口、执行输出元件等模块组成。该控制器充分考虑了两极组合成一相的特点，对检测回路作了精心设计，使其可靠性得到有效提高。智能型控制器的结构设计框图如图4.1所示。图4.1 智能控制器的结构设计框图信号检测模块指空芯互感器;信号采集单元包括信号处理电路及A/D转换部分，这两部分为微处理器系统提供正确可靠的信号。执行输出有两部分:一般脱扣和模拟脱扣。键盘输入使用点阵按键式键盘，显示采用数码管(LED)。并通过单片机通用异步串行口(UART)建立同上位机之间的通信。上电后，主线路的电流信号通过互感器采集，经大小信号分路处理后转换成模拟电路可处理的电平信号，采样并滤波后送入模数转换模块(A/D)转换为数字信号;CPU根据这些信号进行逻辑运算和处理，将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号;这些信号经放大后可以直接驱动断路器的执行机构使得断路器动作。各种故障保护的动作电流和时间整定值己通过键盘设定，预先存储于EPROM中，并且在使用中随时可以更改。对于特大短路故障，其故障电流达到一定值时，不经CPU处理，直接比较输出脱扣信号，由特别设计的模拟脱扣电路使执行元件动作。(1)输入模块a、电源的设计：智能型脱扣器采用双路电源以或的方式供电，任何一路电源正常，即可供控制器可靠工作。一路电源为自生电源，通过快速饱和铁芯互感器从三相供电线路感应能量供控制器工作。另一路辅助电源电路，由变压器或直流外接逆变电源提供工作电源。 b、信号采集的设计：该模块的主要功能就是将测控单元所需要的电流、电压经电流互感器CT和电压互感器PT引入系统，并经信号调理、模数转换后变成计算机可以识别的数字信号。c、A/D转换的设计：本部分单元A/D采样器采用MAX197.MAX197集多路开关、采样保持、12位A/D转换、基准电源、内部时钟与一体,12位并行接口A/D转换器。(2)输出模块的设计为了把中央控制模块输出的这些指令信息可靠地发送到一次设备，输出模块应保证可靠的隔离和足够的驱动能力。单片机为弱电器件，电器开关为强电器件，两者在电平范围和驱动能力的要求上存在很大的差异。在硬件设计时，采用光电耦合器作为两者的接口，以减少强电对弱电的干扰。(3)键盘输入设计：为了方便保护定值修改和运行方式的即时调整，装置设置了参数修改和功能试验按钮。试验按键可在线或离线检验装置的各项保护功能是否可正常工作，其中包括长延时保护和瞬动保护等功能，相应的试验结果可由指示灯结合液晶屏进行显示。(4)输出显示设计：本测控单元的输出包括指示灯显示和液晶显示两大部分。为了给用户提供友好的人机界面，本单元利用液晶(CD)行测量参数、保护整定值、故障类型和操作指导信息的显示。液晶采用信利(RULY)公司的图形点阵式模块MGLS-12864。(5)通信原理的设计通信模块是智能电器能够实现网络功能的关键，用来完成现场智能电器与管理中心上位计算机之间各类信息交换。本系统的通信是基于RS-485总线标准设计的。4.2 中央处理模块的设计4.2.1 CPU（中央处理器）的结构CPU 是单片机的核心部分，它读取用户程序并执行，在MCS_51系列单片机的内部有1 个12位的CPU，由运算器、各种专用寄存器及定时逻辑控制部件（控制器）等组成。(1)运算器 运算器是在控制器的控制下，对二进制数进行算术运算或逻辑运算及信息传送的部件。运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器组、暂存寄存器TMP、标志寄存器 F和其他的辅助逻辑电路组成。(2)累加器A或AC(Accmulator)累加器是运算器的关键部件之一。它有两种功能：一是作为参加运算的一个操作数的输入端（一般用来存放被加数）；二是用来存放运算的结果。在MCS_51 系列单片机中有1个长度为8位的累加器。假设A中的初始内容为01H，寄存器 B中的内容为05H，在B和A中的内容相加后，所得结果为06H，仍存入A中。这时,A中的数由原来的01H变为06H。假如把数03H送入B，再执行一次加法，则累加器中的内容变为(06H+03H)=09H。由此可见，累加器中所存放的数是各次累加的总和。除了算术运算外，在进行逻辑运算时也常用到累加器。(3)通用寄存器(General-Purpose Register)组通用寄存器用来暂时存放参加运算的操作数、中间结果或地址。它是为高速处理数据而设置的，MCS_51系列单片机中有4组每组8个的通用寄存器组。(4)暂存寄存器TMP(Temporary Register)暂存寄存器用来存放从数据总线或通用寄存器组送来的操作数，并将该操作数送入 ALU 进行运算，同时，也能将数据送到内部数据总线。(5)标志寄存器F(Flag Register 或 Status Register)标志寄存器用来保存由于ALU操作产生的特殊状态，F 中的每一位都可以表示一种状态，如进位、溢出、结果为零、结果为奇数等。有的计算机也将其称为程序状态字 PSW。(6)算术逻辑单元ALU4.2.2 MCS_51系列单片机的引脚功能描述MCS_51系列单片机是一片具有40根引脚的双列直插式元件，4个并口共有32 根引脚，可分别作为地址线、数据线和I/O线，其中 P3 口还具有第二功能（主要用于中断和定时）。另外还有6根控制引脚、2根电源引脚。图为引脚排列图，为逻辑结构图。图4.2 MCS_51系列单片机的逻辑结构图现对每一引脚的功能分类描述如下：(1)端口引脚 P0.0-P0.7、P1.0-P1.7、P2.0-P2.7、P3.0-P3.7P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向端口。在对外部存储器进行存取操作的时候作为低 8位地址及数据总线（此时内部上拉电阻有效），在程序检验时也作为输出指令字节（需外接上拉电阻），P0口能驱动8个LSTTL负载。P1口：P1口是一个带上拉电阻的8位准双向端口。可以驱动4个LSTTL负载，不用外接上拉电阻即可驱动MOS输入。P2口：P2口是一个带上拉电阻的8位准双向端口。在访问外部存储器时，作为高8位地址的输出端口.可以驱动4个LSTTL 负载，不用外接上拉电阻即可驱动MOS输入。P3口：P3 口是一个带上拉电阻的 8 位准双向端口。可以驱动 4个LSTTL负载不用外接上拉电阻即可驱动MOS输入。同时P3口还负责MCS-51的各种特殊功能。(2)控制引脚和电源引脚 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN 和EA /VPPRST/VPD：当振荡器工作时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），使单片机复位。在 VCC掉电期间，该引脚可接上备用电源，由 VPD向内部 RAM 提供备用电源，以保持内部 RAM 中的数据。ALE/PROG：地址锁存允许输出。在片外数据存储器工作时，ALE 为低 8 位地址锁存允许输出信号在片外数据存储器没有工作的时候，ALE 输出频率为振荡频率 1/6 的固定频率，可以用于外部时钟或外接定时器。但当执行片外数据存取指令的时候，将少一个 ALE 脉冲。对于内置了 EPROM的单片机，在写 EPROM 的时候，通过 ALE 接收编程脉冲（PROG功能）。PSEN ：片外程序存储器读选通信号输出端。在读取片外数据存储器中的指令时， PSEN 在每个机器周期内 2 次有效，但每次访问片外数据存储器时，要少 2 个PSEN 脉冲；在执行片内程序存储器的指令的时候，PSEN 无效。EA /VPP：当EA 为高电平且 PC 值小于 0FFFH(4K)时，CPU 执行片内程序存储器中的程序；当EA 为低电平时，CPU 执行片外程序存储器中的程序。因为 8031 没有片内数据存储器，所以对于8031 来说，EA 必须接低电平。对于内置了 EPROM 的单片机，在对 EPROM 进行编程时，本引脚为12V 电源(VPP)的输入端。(3)外接振荡器引脚 XTAL1和 XTAL2。XTAL1：内部振荡器反向放大器的输入端，当采用外接振荡源时，此引脚接地。XTAL2：内部振荡器反向放大器的输入端和内部时钟发生器的输入。当采用外接振荡源时，此引脚接外部振荡信号。(4)主电源引脚 VSS和 VCC。VSS：接地端。VCC：正常使用时接+5V 电源。4.2.3 时序电路的设计MCS-51 内部有一个由反向放大器构成的振荡电路，XTAL1 为振荡电路的输入端，XTAL2 为振荡电路的输出端。MCS_51 的时钟可由内部电路产生，也可由外部电路产生。内部方式的时钟电路如图4.3(a)所示，在 XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件，利用内部振荡器产生自激振荡。定时电路一般可用石英晶体和电容组成的并联谐振回路，晶振频率可在1.212MHz 间选择，电容可以在 530pF 间选择，电容，的大小对振荡频率有微小的影响，可对频率起到微调的作用。图4.3 时钟电路图外部方式的时钟电路如图4.3(b)所示，XTAL1接地、XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，但需要保证最小高低电平的脉宽，通常使用频率低于12MHz 的方波信号。4.3 硬件抗干扰设计4.3.1 干扰的产生与分类 干扰可能来自检测系统的外部，也可能来自检测系统的内部。外部干扰有电磁干扰、机械干扰、热干扰、光干扰和化学干扰等。内部干扰有测量电路中寄生电容、寄生电感导致的交叉干扰、测量电路元器件本身所产生的随机噪声及各部分电路之间的耦合、漏电均有可能成为干扰源。在信号的传输过程中，特别是被测信通过传输线送到测量电路的过程中，测量信号易受干扰的影响，这时干扰信号就叠加在有用的信号上，其叠加方式有共模和差模之分。共模干扰是相对于公共的电位基准点（参考接地点），在接收电路的两个输入端上同时出现的干扰。差模干扰又称为串模干扰，串联干扰等，干扰信号与发送电路的信号以差模形式叠加在一起作用于接收电路，造成了