（电子科学与技术专业论文）基于can总线的智能断路器控制系统设计与开发.pdf

硕上学位论文 ii a b s t r a c t l o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r si sa ni m p o r t a n te l e c t r i c a la p p a r a t u sd e v i c eu s e df o r p r o v i d i n gp r o t e c t i o nf o rp o w e rn e t w o r ka n di n d u s t r i a le q u i p m e n t sa g a i n s ta l lt y p e so f b r e a k d o w ns u c ha so v e r l o a d 、s h o r tc i r c u i ta n dc r e e p a g e ，a n dc o n t r o l l e ri st h ec e n t r a l c o n t r o lu n i tf o rm e a s u r i n ga n dp r o t e c t i n gf u n t i o n t h ep a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho f i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e ru s e df o r l o w v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r a f t e r a n a l y z e d t h e i n s u f f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a lc i r c u i tb r e a k e r ，t h ep a p e rd e v e l o p san e wt y p eo f i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do nc a n f i e l d b u s f i r s t l y ，a f t e rr e s e a r c h i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e c i r c u i tb r e a k e r s ，t h i sp a p e ra n a l y z e da n dp o i n t e do u tt h ef u n c t i o nl i m i t a t i o no f t r a d i t i o n a lc i r c u i tb r e a k e r s ，a n de x p a t i a t e dt h ee x c e l l e n c eo fi n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r b a s e do nf i e l d b u si nt h ea p p l i c a t i o no fp r o t e c t i o nf o rp o w e rn e t w o r k ，t h e nt h e t e c h n o l o g i c a lb a s eo ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rs u c ha st h ec a l c u l a t i o np r i n c i p l eo ft h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e es e c t i o np r o t e c t i o nf o rt h ec u r r e n t ， a n dt h ec a nf i e l d b u st e c h n o l o g ya n ds oo na r er e s e a r c h e d t h i r d l y , c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r dg b 14 0 4 8 1 2 ，t h ee n t e r p r i s e s t a n d a r da n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h eo v e r a l lp l a no ft h ei n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r c o n t r o l l e rb a s e do nc a nf i e l db u si sp r o p o s e d a n dt h eh a r d w a r ec i r c i u ts u c ha st h e m a i nc o n t r o lm o d u l e ，p o w e rc o n t r o lm o d u l e ，d i a ls w i t c hp a r a m e t e re n a c t m e n tm o d u l e ， c a nf e i l d b u sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds oo na r ed e s i g n e da n dr e l i z e d m o r e o v e r , a f t e ra n a l y z e dt h es h o r t a g eo ft h ec r e e p a g ew a yi ne x i s t e n c e ，an e w r e s e a r c h i n gw a yo f c r e e p a g ep r o t e c t i o nb a s e do ns a m p l i n go fm c ua n dc o n t r o l l i n go fa n a l o gs w i t c hi s p r o p o s e d t h ec o n s t i t u t ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fe v e r ym o d u l ec i r c u i ta r e d i s c o u r s e di nd e t a i l t h ew h o l es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec i r c u i ts y s t e mi sg i v e n ，a n d t h ec i r c u i tw a f e ri sm a d e f o u r t h l y ，t h eo v e r a l ls o f t w a r ed e s i g ni d e ai sd e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r e p r i n c i p l e ，t h eb o t t o mp r o c e d u r eo ft h es y s t e mi sd e s i g n e d t h er e a l i z a t i o nm e t h o d sf o r t h r e es e c t i o np r o t e c t i o n ，p w ms i g n a lr e g u l a t i o no ft h es e l f - g e n e r a t e dp o w e rs u p p l y a n dc a nc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r ea r ed i s c o u r s e di nd e t a i l ，t h ef l o wc h a r ta n dc o d e r e a l i z a t i o na r eg i v e n f i f t h l y , w i t ht h ei c s 一0 8e m l u a t o ra n dt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t c o d e w a r r i o rw h i c ha r em a d eb yf r e e s c a l ec o r p o r a t i o n ，t h es y s t e mp r o t o t y p ei s d e b u g g e dr e p e a t e d l y , a n dt h et e s tr e s u l ti sg i v e n ，t h es y s t e mf u n c t i o ni sv e r i f i e d t h ef i n a lt e s tr e s u l ti n d i c a t e st h ed e s i g n e di n t e l l i g e n tc i r c i u tb r e a k e ra c h i e v e st h e i i i 基于c a n 总线的智能断路器控制系统设计与开发 f u n c t i o n ss u c ha st h et h r e es e c t i o np r o t e c t i o nf o rt h ec u r r e n t ，c r e e p a g es t e a d y t h e t e c h n i c a lt a r g e to ft h es h a r p n e s sr e g u l a t i o nf o rt h ec u r r e n ta n dt i m er e a c h e st h e e x p e c t e dd e s i g n e dr e q u i r e k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r ；c a nf i e l d b u s ；s e l f - g e n e r a t e d p o w e rs u p p l y ；t h r e es e c t i o np r o t e c t i o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 乏多传日期：加8 年加月猡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤o ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：删年i o 7 日 日期：p 占年，月夕日 硕+ 学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 低压断路器是电力系统中应用最广泛且是最重要的开关电器设备之一，它在供电和 配电系统中主要担负输配电控制、切断故障电流、保护电网和用电设备的安全运行的责 任。断路器的保护和控制等功能是通过其核心单元一控制器对断路器进行合、分闸操作 来实现的。传统的低压断路器采用的是电磁式或电子式的控制器，功能十分单一，只能 控制断路器跳闸，时限曲线非常简单。由于它们耗能高，动作速度慢，其可靠性、灵敏 性均难以得到保障。电子式装置当前还在大量使用分立电子元件，以致电路复杂，抗干 扰能力差，故障率较高，因此在维修、现场调试和保护特性等方面存在许多问题。 随着电力系统的飞速发展，供用电系统的规模和等级在不断发展扩大，电网的结构、 运行方式和管理调度模式都发生了巨大的变化，因此对电网的自动化管理程度与保护和 控制的要求越来越高，这就要求断路器不仅要完成常规的保护与控制功能，还要具有保 护的多样性和自适应性。此外，当今的电力系统正在逐渐演变成一个具备现代化管理手 段和开放性的信息系统，随时随地交换信息的能力也是衡量电力系统先进性的一项重要 指标。无论是电磁式还是电子式的控制器都越来越难以满足系统的可靠性、经济性、实 时性、多样性和开放性的要求。近年来随着计算机技术、微电子技术、传感器技术和通 信技术的快速发展和广泛应用，出现了带微处理器的新型机电一体化的控制电器，如智 能化万能式和塑壳式低压断路器，它们的脱扣器均实现了数字化、有选择性的脱扣保护 来满足不同用户及复杂供配电系统的要求，具有计量和故障诊断功能，完全替代了开关 柜中的二次设备，使继电保护实现了一个质的飞跃【1 3 】。 新型的智能断路器可采用区域选择性联锁功能，便于实现级联保护协调，较好地解 决电网级间选择性的配合问题，能够在最小的范围内将故障部分从系统中切除，从而最 大限度地保证非故障部分的继续供电。为此，引入现场总线技术，将若干个智能型断路 器通过网络构成智能化的监控、保护、信息网络系统，使智能断路器实现与中央控制计 算机的双向通讯，具有遥测、遥控、遥讯和遥调功能。 本课题来源于浙江省重大科研项目“基于现场总线的智能断路器技术研究与应用 ( 【2 0 0 7 c 1 1 0 7 2 】) 及湖南大学与浙江天正电气股份有限公司合作开发项目。本文研究的 研究对象是低压塑壳式断路器的核心控制单元一智能控制器，它是一种以微处理器作为 检测、计量、保护核心的智能化数字式控制器。本课题主要致力于基于c a n 总线的低压 智能断路器( t g m l l z 3 1 0 0 ) 的控制器软件和硬件研究与开发，使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，既能够准确的实现 三段保护，漏电保护功能，还能够设定和修改各种保护功能的动作参数，并且能够通过 摹于c a n 总线的智能断路器控制系统设计与开发 c a n 总线网络组成智能配电系统，实现遥测、遥信、和遥调等功能。 1 2 低压智能断路器国内外研究现状及发展趋势 1 国内外断路器的发展现状 一些国际著名的电气公司从2 0 世纪9 0 年代中后期开始发展新一代可通信塑壳断路 器，至今新一代塑壳断路器已基本完成了对老产品的更新换代工作。新一代塑壳断路器 的综合技术经济指标较老产品有了较大的提高。总体的开发思路是：最大限度地满足整 个配电系统的需要，不盲目追求高指标，在提高技术指标的同时考虑系统的适用性、安 全性、可靠性和经济性。新一代塑壳断路器具有完善的额定电流系列，额定电流可调， 与框架断路器一起能提供几十安培至几千安培的配电系统解决方案，此外还增加了现场 总线通信功能，实现发、配电系统的计算机网络化，以满足企业的要求，促进电力工业 自动化的发展【4 j 。同时，国内厂家也推出以智能化、可通信为主要特征的新一代低压电 器与之抗衡，市场占有率逐年提高，在竞争中使得我国低压电器的整体水平得到了提高。 2 智能控制器的研究现状 智能型断路器的中枢部件是智能控制器，它承担断路器的各种保护与控制等功能。 断路器中智能控制器的发展大致可分为三代： 第一代为2 0 世纪6 0 年代初至7 0 年代d w l 0 系列断路器中的过电流脱扣器。其结 构为拍合式电磁铁，特点是结构简单、便于制造、价格便宜；但精度差、误差大，只能 实现短路瞬时保护，不能达到小倍数整定，动作时间长、整定范围小。其性能指标低、 体积大、耗材、耗能、保护特性单一、规格及品种少。 第二代为2 0 世纪7 0 年代后期到8 0 年代完成的更新换代产品d w l 5 系列、d w x l 5 系列和m e 系列断路器中的过电流脱扣器，其结构为热电磁式和半导体式。其中，热 电磁式由热继电器、速饱和互感器、过载电磁铁组成，实现了过载长延时和短路瞬时两 段保护，能对配电网络及电源设备和电动机等用电设备的过载和短路进行良好的保护； 半导体式脱扣器是利用电子电路在检测、变换处理、信号传输等方面的优越性能，代替 机械式脱扣器，实现了机电一体化。 第三代为2 0 世纪9 0 年代m a 4 0 ( d w 4 0 ) ，m a 4 0 b ( d w 4 5 ) 系列断路器中的智能 控制器，采用了计算机、数字处理、自动控制、传感器和通信等技术。其特点是保护功 能完善，具有长延时、短延时、瞬时、接地四段保护，响应时间短、精确度高、保护特 性调整范围大、可实现现场整定，调整方便；具有通信接口，可实现远距离遥控、遥测、 遥调和遥信，便于实现中央集中控制和计算机控制等，其技术特征为高性能、小型化、 电子化、智能化、组合化、模块化和多功能化1 5 j 。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着信息技术、通信技术和计算机网络技术的进步和应用领 域的不断扩大，配电自动化系统得到迅速发展，对电气产品提出了可通信要求，以实现 智能化电器与中央控制设备之间的双向数据通信。这种能实现通信的智能化电器称之为 2 坝t 学位论文 可通信电器，它将成为我国第四代低压电器。 目前，在我国低压断路器市场上是三代产品同时存在的局面，以满足不同层次的需 要。从技术发展的角度看，我国低压电器的发展将为加速第三代高性能产品开发和完善 工作，并努力探索第四代产品智能化可通信电器产品开发，其重点是带现场总线的 智能化、可通信化电器。 3 智能控制器的发展趋势 根据国内外各断路器及监控装置生产厂家的新产品和研究动态来看，低压断路器监 控单元具有以下发展趋势： ( 1 ) 产品化 将智能监控单元做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不限于某种断 路器，而且检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路器整个设备装 配完成后才能进行，而智能监控单元产品化以后，其测试可以独立于断路器进行，这使 得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少。 ( 2 ) 智能化和可通信化 智能化就是采用了微处理器技术，从而具有应用软件，这样在硬件不变的情况下具 备较大的适用性和升级能力。可通信化是在产品中加入相关的检测、判断和通信等芯片 或电路，使监控单元的各种状态和工作参数能较好地通过传输媒质( 如：现场总线、串 口线等) 与线路上的其它电气设备交流，适应当前电气设备智能化及网络化的趋势。就 我国的实际情况而言，可通信化的具体要求可体现为“四遥遥测、遥信、遥控和 遥调，这距离网络化能力还有很大的差距，但比较符合我国科研水平和经济水平。 ( 3 ) 模块化和通用性 模块结构给产品设计、制造及市场适应能力带来了许多好处，诸如降低产品设计、 制造和新产品开发的复杂性，功能扩展与维护方便，产品的市场应变能力强等。模块化 设计的尺寸、零件等应当具有通用性，这一点无论在生产者的设计、制造和技术继承等 方面，还是在用户使用、维修方面，其作用和重要性当前都已为多数人所认识【6 一。 另外，产品高可靠性、高稳定性、操作方便与安全等方面也应当是不断追求的目标。 对我国的产品，在材料和加工工艺、产品的外观和整体布局方面还有待进一步的提高。 以上这些特点，一方面可以使一台断路器实现多种功能，使单一的动作特性有可能 做到一种保护功能多种动作特性，另一方面可以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、信息网络系统，使断路器从基本保护功能发展到智能化、 网络化的保护功能。 1 3 选题研究的目的与意义 目前，将信息技术应用到电器行业产品中已成为世界趋势，国外和国内对智能化、 可通信的断路器的市场需求越来越大。据预测，“十五”期间，我国对低压断路器的年 基于c a n 总线的智能断路器控制系统设计与开发 需求量将达到3 9 0 万台以上，产值近2 0 0 亿元。其中，这种智能化、可通信的、高档次 断路器产品市场占有率将达到3 0 以上，市场前景非常广阔。国外大公司，如施耐德、 西门子、a b b 等都投入巨资进入该领域，如施耐德等，已经可以提供外置式现场总线 的智能断路器产品，目前正着手研究开发内嵌式现场总线的智能断路器、外置式w e b 服务器的智能断路器、内嵌式w e b 服务器的智能断路器等。而国内的产品就其品种、 规格、性能、质量、技术水平来看，和国外产品有很大的差距。基于以上形势，我们必 须抢占先机，研制具有高性能的网络化断路器产品，以提高我国在国际电力电器领域内 技术与产品的竞争力【8 j 。 本文主要工作是在对智能断路器实现的基础上，内嵌现场总线的功能，使之具有高 性能、高可靠性、小型化、智能化、可通信的特点。而智能控制器是新一代低压断路器 智能断路器的核心控制单元，其特征是采用了微处理器技术，用数字化测控保护方 式取代过去的电磁式和半导体式保护装置，不但使原有保护功能的精确度和稳定性大大 提高，而且使其功能呈现多样化【9 l o 】。目前国内正致力于开发国产第四代断路器智 能化、可通信断路器，其主要特征是在智能化的基础上具备基于现场总线的可通讯特点， 它也是国内第一个立项开发的现场总线型装置。因此，研制和开发基于现场总线可通信 的智能断路器意义重大。 1 4 本文主要研究内容 第l 章绪论。通过分析断路器的研究现状和发展趋势，分析指出传统断路器功能的 局限性，阐述了基于现场总线智能断路器在配电保护中应用的优势。 第2 章智能控制器技术基础。主要分析了电量参数的计量原理、电流的三段保护特 性和c a n 总线技术等。并着重介绍了s j a l 0 0 0 独立c a n 控制器。 第3 章系统的硬件设计与实现。结合国家标准o b l 4 0 4 8 1 2 和浙江天正电气股份 有限公司企业标准，给出了系统的主要功能、设计要求以及技术指标。根据硬件方案， 设计了系统m c u 主控模块、漏电保护模块、电源控制模块、拨码开关参数设定模块、 c a n 总线通信模块等硬件电路，并针对现有漏电方案的不足，设计实现了一种基于单 片机采样的漏电方法。详细论述了系统各模块电路的组成原理和实现方法，给出了整个 电路系统的原理图，并制作了印刷电路板。 第4 章系统的软件设计及实现。根据软件方案，结合硬件电路，设计实现系统的底 层程序，详细论述了电源模块p w m 调节、系统三段保护以及c a n 通信等程序的实现 方法，并给出了系统的软件设计流程及代码实现。 第5 章系统调试与测试。采用f r e e s c a l e 公司的i c s 一0 8 系列仿真器结合f r e e s c a l e 的开发软件c o d e w a r r i o r ，对系统样机进行反复调试，给出了试验结果，验证了系统功 能。 最后，对本文研究工作进行总结与展望。 4 硕十学位论文 第2 章智能控制器设计的技术基础 智能控制器通过电流互感器将主线路中的电流信号转换成电子电路可处理的电流 电压信号，信号处理单元对这些信号进行滤波和整形，然后送入单片机，在单片机内部 进行a d 转换后进行运算与处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设定保护特性的 逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动断路器的执行机构，使断路器动作。智能 控制器单元是断路器的中枢部件，它承担着断路器的各种测量、保护、控制功能。本章 从计量、保护等方面讨论断路器智能控制单元的设计原理与其实现方法。 2 1 电量参数的计量原理 电流检测方法是程序设计的关键部分，对正弦电流采样数据有如下几种可能选择的 处理方法【1 1 】： 1 由最大值计算 配电系统是通常按照正弦电流电路工作的，有效值和最大值之间的关系式： 6 ，= 等乙 ( 2 1 ) i m 式中，为有效值，k 为最大值。为了得到一个周期内电流信号的峰值，通过采样比较， 取一个周期采样值的最大值，即可认为是峰值( 采样点不能取的太少，不然误差会很大) 。 这种方法求取有效值在信号不出现畸变时可行，而且软件设计简单方便、计算量小， 但需要硬件电路的支持，并且对硬件电路参数稳定性要求高。但这样只适用于正弦波无 畸变的情况，在智能控制器系统中，当电网出现谐波干扰时，该方法将出现相当的偏差， 特别是在出现短路电流时，偏差更大。 2 。按有效值计算 根据热量相等原则，均方根值( 即有效值) 适用于任何周期交变电路，定义为： r 一 卜拧r i 2 d t( 2 2 ) 离散化以后，以一个周期内有限个采样数字量来代替一个周期内的连续变化的电流 函数值，则有： i = 隔 ( 2 3 ) 式中l 为第n 个时间间隔的电流采样瞬时值，n 为一个周期内的采样点数。交流采样相 当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线，其原理性误差主要有两项：一项是用时 间上的离散数据近似代替时间上的连续数据所产生的误差，这主要取决于a d 的转换速 度和c p u 的处理速度；另一项是将连续的电流进行量化而产生的量化误差，这主要取决 于a d 转换器的位数。采用这种方法求取有效值，硬件电路简单，但是软件计算量 摹于c a n 总线的智能断路器控制系统设计与开发 大，为了减小有效的误差，应适当增加一个周期内的采样点数n ，点数增加，计算量增 大，但是采用这种方法求取有效值对信号波形的依赖性很小。 3 由傅立叶变换得 由傅立叶变换求取有效值的原理是，a d 以一定的采样频率进行模数转换，获得信 号离散的采样数据，经过离散傅立叶变换( d f t ) ，计算出基波有效值，计算公式如下： ，= 露+ ( 2 4 ) 厶= 专篓s ( 2 a 旦) 泣5 ， l = 专篓x 。s i n ( 2 石旁 汜6 ) 其中n 为每周波的采样点数，毛为第n 个采样数值，厶为电流的实部，l 为电流的虚部。 应用该方法计算有效值的条件和按有效值公式计算的条件差不多，但是该方法计算中大 量引用了正弦、余弦函数。根据综合考虑，本控制器采用本方式。基波信号占到总信号 的9 5 以上，各种谐波分量不到5 ，因此常常用作各种保护算法的依据，其余谐波分 量可以作为故障分析等的参考【1 2 1 4 1 。 2 2 保护的原理及实现方法 配电系统和用电设备的过载运行是经常发生的，例如，照明线路的过负荷、大容量 电动机的起动、变负荷系统中负载的增减等等。低压断路器作为保护元件，智能控制器 保护特性必须与被保护对象的热特性配合，其中必须考虑的主要问题之一是被保护对象 热累积的模拟。过载时，系统中负载电流成倍增加，在线路和设备上直接以，2 ，的形式 表现出来。在反时限延时保护特性曲线范围内被保护电器的时间电流特性呈现“，2 ，= 常 数”的反时限特性【”】。不管电流如何变化，被保护对象最终的热累积总值应符合式( 2 7 ) ： 1 2 t = 魄 ( 2 7 ) 保护功能是智能控制器最重要的功能之一，保护功能的设计在整个控制器的设计中 占有极其重要的地位。本节主要对过载、短路故障发生时采取的相应保护措施，讨论智 能控制器的保护功能及其实现原理，重点介绍过载延时、短路短延时和短路瞬动三段电 流保护的实现原理。 2 2 1 保护的算法及分析 大多数保护算法的计算可视为对交流信号中参数的估算过程，对算法性能的评价也 取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若干采样值中获得基波分量或某次谐波分量 的精确估计值。衡量各种算法的优缺点，重要指标可以归结为：计算精度、响应时间和 运算量。这三者之间往往是相互矛盾的，因此应根据保护的功能、性能指标( 如精度、 6 硕十学位论文 动作时间等) 和保护装置硬件条件( 如c p u 的运算速度、存储器的容量等) 的不同， 采用不同的算法。 保护特别是快速动作的保护对计算速度要求很高。由于反映工频电气量的通道设有 滤波环节，各种保护算法都需要时间，因此在其他条件相同的情况下，尽量提高算法的 计算速度，缩短响应时间，可以提高保护的动作速度。在满足精度的条件下，在算法中 经常采用缩短数据窗、简化算法以减小计算工作量，或采用兼有多种功能的算法以节省 时间等措施来缩短响应时间，提高速度。 电力系统发生故障时，往往是在基波的基础上叠加有衰减的非周期分量和各种高频 分量，因此要求脱扣器对输入的电流信号进行预处理，尽可能的滤除非周期分量和高频 分量。傅氏算法本身带有很强的滤除高次谐波的功能，且收敛稳定，因而得到了广泛的 麻用【1 6 ，l 刀。 当计算出来的电流基波幅值大于或等于电流整定值的时候，就判断为故障。为了计 算上的方便，同时为了减小误差，编程时直接采用平方值来比较，即p ( ，设定值) 2 时， 认为故障发生。 2 2 2 三段电流保护的实现原理 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三段电流保护方式。 智能脱扣器的过电流保护特性由时间一电流曲线表示，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。信号检测部分采用 的是罗可夫斯基线图，不仅具有良好的线性度和不饱和性，并且能真实地反映回路中故 障电流的变化和大小，使特性曲线在对数直角坐标系中是一些平行的直线段【1 8 9 1 。图2 1 为典型的智能断路器过电流保护特性曲线，图中包含了过载长延时，短路短延时和短路 瞬动三段电流保护特性。三个电流保护段的电流整定值覆盖范围可以用数轴表示，见图 2 2 。 图中短延时电流覆盖范围分别与长延时电流和瞬动电流范围相重叠。根据电流保护 整定值的不同，脱扣器可以同时分别具有三段保护特性，见表2 1 。 表2 。l 电流整定值与保护特性关系 序号电流整定电流保护功能备注 1ir i l n i n 三段保护 2 l n l 吃，lr 2 l n 短延时、瞬动 3 i n i 吧。ir l i 3 长延时、瞬动 4lr l = l n = i n瞬动 7 基于c a n 总线的智能断路器摔制系统设计与开发 5 i n i 哇- i n = o f f 长延时、短延时 l 略= o f f 6 l 2 ，3 = o f f 短延时 瞬动功能被锁定 4 h 2 h ，h 3 0 0 , 1 1 2 0 m in 14 m i n 】0 m i n 6 m i n 4 m i n ， 、。 心氏 瓷 蕊 长延时动作电流2m r 时 o l 。 10 0 s动作时间【r 2 0 l l 。- o ，0 、 8) s ( j 0 - 5o ) s 、蕊心 口vz 、 心s s心 飞 心史冬、l1 j 、 零 1 念。飞l 姜 r n 蓬 短删动作电流i r 2 l 喁 ( 2 - 】2 ) ir l 、 、 、 ik 、 短延时动作时间瞳 ks 、 、l 0 4 0 0 8 s 、cc 乓心圣 1弋，k 、 、 0 4 0 0 8 s l、1 。、 0 4 0 0 8 s 、 、 0 4 0 0 8 s l、。 毒 j ，一广 最大瞬时动作时l 目 ， 0 ，60 711 ，323斗56 7 1 0121 52 03 04 0 电流( i r l ) 五2 6 0 k a 图2 2 电流整定值的覆盖范围 厶：额定电流l ：长延时整定电流2 ：短延时整定电流3 ：瞬动整定电流 下面根据特性曲线图依次分析智能脱扣器三段保护特性。 8 n n ， s ， 如 幻 b j 刚 抛 ， ， ， j j 巾 2 ，2 】 5 2 ， o o o o o o 厘蓝世臀q量卜誓毛 硕士学位论文 1 过载长延时特性 在电力系统的运行当中，可能发生各种的故障和一些不正常的运行现象，其中最常 见的不正常运行状态就是过载。过载是指供电线路中的电流高于额定电流的一种不正常 的工作状态。过载电流不会马上危害到电网和电器设备，但是如果长期存在的话，会使 导体发热，影响其的使用寿命。主要有以下几个方面的影响：绝缘材料在使用中如果超 过了限定的温度，将会加速老化，其电气强度和机械强度将不断的降低，大大缩短使用 的寿命；导体发热会引起接触部分的接触电阻增大，温度升高，危及正常的工作；长期 的发热使金属性导体的抗拉强度显著降低，可能在短路电动力作用下变形或者损坏【2 0 】。 因此，针对电机和用电设备在过载状态，采用过载反时限特性进行保护。过载长延 时具有斜波特性，即j 2 ，特性，数学表达式为： 乃= 竿乞 晓8 ， 式中为过载整定电流值，t d 为额定允许通过能量的时间设定值，五为t 时刻电流的均 值，瓦为动作时间。由公式可见长延时保护具有反时限特性，其动作时间与故障电流平 方成反比。长延时动作时间整定值瓦决定了过载长延时的保护范围。反时限保护的实质 是热保护，动作时间和电流平方成反比，根据测得的电流值，及设定的额定值，利用公 式( 2 8 ) 计算得到延时时间，时间- n ，就发生保护动作。 2 短路短延时特性 短延时功能包括( 反+ 定) 时限和定时限特性，( 反+ 定) 时限就是以8 l 为分界点， 当短延时电流整定值小于8 l 时，脱扣器短延时特性按照反时限来执行，反时限特性就 是当电流增大时时间迅速减小，它们的关系满足式： 互= 警 眨9 ， 其中l 为电流整定值，。为过电流值，瓦为动作时间，r 。为短延时动作时间整定值。当 短延时动作电流大于8 ，时，保护特性自动转换为定时限，动作时间按照设定的动作时 间来动作，不再受电流的影响。短路短延时的动作的时间的设定一般有o 0 3 s 、0 1 s 、o 2 s 、 o 3 s 可供选择。短路短延时动作特性的选择与过载长延时特性的选择相似。 3 短路瞬动特性 瞬动保护时采取即采即比的方案，即将每次的采样值与设定值比较，若连续四次采 样值均大于设定值，则判断为故障出现，给出脱扣信号，执行机构执行脱扣动作起到保 护作用，否则判断为尖峰干扰，继续采样监控。短路瞬动保护主要是在短路情况下能对 突增的大电流起到及时反应，从而对设备以及线路起到保护的作用，所以它要求快速分 断，但由于执行机构和其他因素的影响，国家标准上要求分断时间小于0 2 s 。由于在某 些场合不需要短路瞬时保护功能，在此增加了一个o f f 档位，关闭短路瞬动功能，使 其使用更加方便灵活。 9 基于c a n 总线的智能断路器控制系统设计与开发 2 3c a n 总线技术 对于现场总线控制系统的开发，为了保证系统安全可靠的运行，必须选择合适的总 线应用标准。在本课题所开发的智能脱扣器网络系统中，电力线上的电流可能会很高， 在这样强电磁干扰下，就要求系统具有很高的抗干扰性和纠错能力。系统还要求产生的 大量电力数据要及时采集和及时处理，并要对相关电力设备进行快速精确的控制。因此 就本网络系统而言，选择精确可靠、抗干扰性强和实时性高的现场总线标准成了首选的 方案。 c a n 总线技术是为分布系统在强电磁干扰等环境下能够可靠工作而研制开发的，因 其较低的成本和较高的实时处理能力等优点被越来越多的用户采用。将c a n 用于本系 统，有着其它几种现场总线技术无法比拟的特性：c a n 采用短帧结构，传输时间短，受 干扰少；采用c r c 校验及其他校验措施，纠错能力强，可靠性高；采用非破坏性仲裁技 术，当两个节点同时向总线发送报文时，优先级低的报文主动停止发送，而不影响优先 级高的报文的发送，因此当网络负载很重时，也不会导致网络瘫痪；c a n 只需通过报文 滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调 度 ；c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操 作不受影响，此外，c a n 总线开发成本低、硬件结构简单- 2 3 。综上所述，使用c a n 现场总线能够很好地保证智能脱扣器网络系统的可靠性和实时性，在电力系统中使用推 广c a n 技术己成为一大趋势，为此，本课题选用c a n 现场总线技术作为智能断路器网络 系统的总线应用标准。 2 3 1c a n 的分层结构 ： c a n 总线是根据开放系统互联模型( o s i ) 匍j 定的，它采用了七层模型的物理层和数据 链路层，图2 3 为其分层结构。 ( 1 ) 物理层 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。它定义信 号怎样进行发送，涉及位定时、位编码及同步的描述。物理层划分为： 物理信令( p l s p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 实现与位表示、定时和同步相关的功能； 物理媒体附件( p r a p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) ：用于实现总线发送接收功能的 电路，并可提供总线故障监测方法； 媒体相关接1 3 ( m d i m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ：实现媒体和m c u 之间机械和电 气的接口。 ( 2 ) 数据链路层 数据链路层分为逻辑链路控制( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 与媒体访问控制 ( m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 两部分。 1 0 硕士学位论文 图2 3c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 l l c 子层 l l c 子层主要负责报文滤波、过载通知以及恢复管理。 报文过滤：确定接收哪一个报文，每个接收器通过帧接收过滤确定此帧是否要接收。 过载通知：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或远程帧，则通过l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或错误干扰的帧，l l c 子层具有自动重发功能， 在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 m a c 子层 m a c 子层是c a n 协议的核心，它把接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层也受 一个名为“故障界定 的管理实体监管。此故障界定定为自检机制，以便把永久故障和 短时扰动区别开来。 2 3 2 报文传送及其帧结构 报文传送由四种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器到接收器；远 程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线错 误的任何单元发送；超载帧用于提供当前和后续的数据帧的附加延迟f 2 5 1 。数据帧和远程 帧借助帧空间与当前帧分开。 1 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答 场和帧结束。数据场的长度可为0 。在c a n 2 0 b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别 基于c a n 总线的智能断路器控制系统设计与开发 在于标识符的长度，具有l1 a t 立_ 标识符的帧称为标准帧，而包含2 9 位标识符的帧称为扩展 帧，其数据帧格式见图2 4 。 s o f r t r i d er 0 控制场卜数据场一 li 位标识符l if 1 8 位标识符iffi d l c 千十十十十十 s o f s r ri d e r t rr lr 0 图2 4 标准格式和扩展格式数据帧 2 远程帧 作为数据接收器的站可以通过发送一个远程帧初始化各自的源节点数据的发送。远 程帧的远程发送请求( r t r ) 位是隐位，且不存在数据场。数据长度代码d l c 的数据是独 立的，它可以是0 8 中的任何数值，这一数值为对应的数据帧的d l c 。 3 出错帧 出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后随的第二 个场是出错界定符。 错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志，一种是认可错误标志。活动错误标 志由6 个连续的显位组成，而认可错误标志由6 个连续的隐位组成，除非被来自其他节点 的显位冲掉重写。 出错界定符包括8 个隐位，出错标志发送后，每个站都发送一个隐位，并监视总线， 直到检测到隐位，此后开始发送剩余的7 个隐位。 4 超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。 5 帧问空间 数据帧和远程帧同前述的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 以称之为帧 间空间的位场隔开。与此相反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，且多个超载帧也 不用帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空闲场，对于前面已发送报文的“错误 认可 站还有暂停发送场。 2 3 3c a n 控制器s j a l o o o c a n 是总线型结构的一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络。在网络的层次 结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可缺少的部分，也是网络协 议中最复杂的部分。c a n 控制器就是扮演这个角色。它是以一块可编程芯片上的逻辑 1 2 硕士学位论文 电路的组合来实现这些功能，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口。通过对它编 程，c p u 可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用 层建立在它的基础之上。 目前广泛流行的c a n 总线器件有两大类：一类是独立的c a n 控制器，如8 2 c 2 0 0 ， s j a l 0 0 0 及i n t e l 2 6 2 6 8 2 5 2 7 等，这些控制器使用上比较灵活，它可以与多种类型的单片 机、微型计算机的各类标准总线进行接口组合；另一类是内嵌c a n 控制器的微控制器， 如p 8 x c 5 9 2 及1 6 位控制器8 7 c 1 9 6 c a c b 等，这些控制器在许多特定情况下，使电路 设计简化和紧凑，效率提高。然而，不管是哪家