（电机与电器专业论文）智能脱扣器及集散控制的研究.pdf

沈刚t 业人学硕十学位论文 r e s e a r c ho n i n t e l l i g e n t r e l e a s ea n d c e n t r a l i z e d i s p e r s e c o n t r o l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re n t e r p r i s e p r o t e c t o r sw i t hv a r i o u sf u n c t i o nu s e df o r m a i np o w e rs u p p l yc i r c u i ta r ea l s op r o d u c e da n dd e v e l o p e dr a p i d l y c i r c u i tb r e a k e ri s m a i n l yu s e df o rt h eo n o f fo f e l e c t r i c s y s t e ma n dp r o t e c t i o no f f a u l ti nt h ed i s t r i b u t i o n s y s t e m w h i l et h er e l e a s e i su s e df o rt h ed e t e c t i n go f e l e c t r i c i t yp a r a m e t e ro f t h ec i r c u i t u n d e rp r o t e c t i o n a n ds e n do u ta c t i o ns i g n a lt ob r e a k e rw h e nt h ep r e s e t t i n gc o n d i t i o ni s c o n t e n t e d b e c a u s eo ft h eu s a g eo f m i c r o p r o c e s s o ri nt h ed e s i g n p r o t e c t o r sa r ee v o l v i n g f r o me l e c t r o n i ca n de l e t r o m a g n e t i cm o d e lt o i n t e l l i g e n tm o d e l t h ea d v a n t a g e so f m o r e p r e c i s ea n db e t i m e sp r o t e c t i o nc h a r a c t e r sm a k et h ei n t e l l i g e n tr e l e a s em o r ep o p u l a ri n p o w e rs y s t e m c u r r e n t l y t h eb a s i cp r o t e c t i o np r i n c i p l eo f t h i sk i n do f p r o t e c t o rf o u n d so n t h ec u r r e n to fp o w e ro v e r r u n w h e nt h ec u r r e n to rp o w e re x c e e d st os o m ed e g r e e t h e p r o t e c t o ra u t o m a t i c a l l ys h u t sd o w n t h ep o w e rs o u r c et op r o t e e tt h es u b o r d i n a t el o a da n d p o w e rs u p p l y c i r c u i t t h i s p a p e rc o m p a r e s t h e d e v e l o p m e n t c o n d i t i o n sb e t w e e nn a t i v ea n d f o r e i g n i n t e l l i g e n tr e l e a s e p o i n t so u tt h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gi n t e l l i g e n tr e l e a s ew h i c h s u i t st o n a t i v es t t r r o u n d i n g s a n a l y z e ds o m ee x i s t i n gi n t e l l i g e n tr e l e a s ew h i c h d e s i g n e db yf o r m e r d e v i s e ra n df o u n do u ts e v e r a lw e a k n e s sa n dt h e np u tf o r w a r dr e s o l v e n tw i t l lp e r t i n e n c ei n o r d e rt op e r f e c ti n t e l l i g e n tr e l e a s e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p r o t e c t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e da n ds e l e c t e dp i c l 6 f 8 7 7 a st h em i c r o p r o c e s s o r m a t c h e si tw i mc o o r d i n a t es o f t w a r e w h i c hc a nr e a l i z ei n t e l l i g e n t c o n t r o lo nb r e a k e r w i t ht h eh e l po f k e y b o a r da n dd i s p l a y u s e rc a l ls e t u pp a r a m e t e r so f p r o t e c t i o no rc h e e kt h ei n f o r m a t i o no ff a u l t se a s i l y s i m u l a t e de x p e r i m e n t sh a v eb e e n e x e c u t e d a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s t h ep e r f o r m a n c eo fi n t e l l i g e n tr e l e a s e f u l f i l st h er e q u e s tb u ts o m er o o ms t i l lr e m a i nf o rp r e c i s i o n t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n ds u b o r d i n a t ei n t e l l i g e n tb r e a k e ri ss t u d i e d t h o u g h t h eo u t c o m ei s n ti d e a le n o u g h l o t so f e x p e f i e n c eo f c e n t r a l i z e d i s p e r s ec o n t r o lo n m u l t i b r e a k e rh a v eb e e na c c u m u l a t e d a n a l y s e dn o i s ew h i c hm a y b ea p p e a ri ns y s t e m 2 沈阳丁业大学硕十学位论文 c a r e f u l l y a n dt o o ks o m em e s s u r e st op r e v e n ti ti nh a r d w a r ea n ds o f t w a r es e p a r a t e l y s o t h e r e l i a b i l i t yo fi n t e l l i g e n tr e l e a s eu s i n gi ni n d u s t r i a ls u r r o u n d i n g sh a sb e e ne n h a n c e d 3 独创性说明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意 签名 莲鸯李嗍趔赴l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公 布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论 文 保密的论文在解密后应遵循此规定 签名 嚣 沈阳i 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 在当今以电能作为能量传输和使用的主要方式的时代 从电力的产生 传输到分 配使用的过程中 各个方面对电能质量都有较高的要求 出现故障的几率和范网越小越 好 故障持续时间越短越好 而且要有较高的自动化 智能化水平 断路器是能接通 承载以及分断正常电路条件下的电流 也能在规定的非正常电路 条件下接通承载一定时间和分断电流的一种开关电路 具有过载 短路 漏电和接地等 故障保护功能 而对线路进行各种参数的检测 在符合预定条件下发出信号使断路器动 作由脱扣器来完成 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 老式断路器为得到不同的保护特性 要配置不同的脱扣器 如电磁式器件 热脱 扣器和延时脱扣器等 其动作时间长 精度低 特别是整定比较困难 随着计算机技术 微电子技术和网络通信技术的发展 脱扣器由热式 电磁式 电子式脱扣器 发展到具有微控制芯片的智能化脱扣器 智能脱扣器除了要实现断路器 的分合控制和对线路过载 短路 接地故障进行保护的基本功能外 还可以测量和显示 电流 电压 功率等电参数 进行软硬件自检 并且通过键盘可以修改保护整定值 通 过通信接口实现遥测 遥控 遥调功能 这对于变电 配电和供电的自动化和无人值 守有很重要的意义 在当前断路器的机械结构 触头系统等技术同益成熟的情况下 大力发展智能 化脱扣器 使得断路器产品的性能有质的提高已经成了业内的共识 1 2 国内外发展状况及水平 早期的断路器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的 因 而体积较大 效果也不理想 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 在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠的和具有 更多保护功能的断路器 例如 具有短路保护 热保护 漏电保护 缺相保护等功能的 断路器 早期的脱扣器是电磁式过电流脱扣器 该脱扣器功能简单 只能完成瞬时保 沈阳i 业大学硕士学位论文 护 在此基础上又逐步出现了带有过载延时 短路延时功能的脱扣器 7 0 年代丌始 现了i i ar 脱扪器 随着微型计算机技术的发展 乜气j 1 关的智能化成为了i j 能 智能 化装霞应包括信号枪测的随机性 灵敏性和精确性 信号的处i e 逻辑思维及i r 确的判 断性 有效 灵敏的执行功能及信息的可通信性0 3 对于智能化的电气丌关 不仅能够 提供普通断路器的各种保护功能 还能实时显示电路中各种参数 各种保护功能的动作 参数也可以监视 设定和修改 保护电路动作时的故障值也可以存储在非易失存储器巾 以便查询 1 具有了这些优点 智能脱扣器的功能日益强人 现在已在 i j g 配电系统 中得n s 泛的应用 日前具有代表性的产品国外有梅兰日兰的m 系列 a b b 的f 2 系列 三菱的a e 系 列 西门子的3 w n 系列 该系列产品的脱扣器中还有一种1 j 选功能 就是脱十r l 目i s 导信 号 当3 w n 断路器过载时 过载脱 i i f i l s2 0 0 m s 时它会给 报警信吼存某些场合如品闸 管变流系统中这个功能是很有用的 3 幽内主要以d w l 5 等系列为主 电子化和智能化产品较少 脱扣器相应以电磁式和 热式为主 仅有少量的电子式和智能化的脱扣器 但其中的新产品d w 4 5 系列断路器的 脱扣器已具有与工控机 p l c 等通讯的功能 能提供开关状态 三相电流等数据 并能 提供电压 功率因数 有功功率等参数 在国内同类产品中处于领先水平 f l t s t 七可见 幽外的产品功能较为强大 有些甚至可以与中压微机保护产品媲美 但价格普遍偏离 国内的产品价格低廉 更贴近中国市场购买力 但功能稍弱 1 因此有必要加大研究的 投入力度 尽早的实现整个电力系统的智能化控制 1 3 开关智能化的关键技术 1 单片机及其应用技术 电子技术的飞速发展 在逐渐改变着人们的生活方式 随着大规模集成电路的发 展 单片机技术也越来越成熟 集成度越来越高 单片机是芯片级的计算机系统 它可 以嵌入到任何对象体系中去 实现智能化控制 自诞生以来 便以其紧凑的结构 丰富 的功能而受到广泛的应用 并成为智能化仪器仪表的核心部件 目前 在研制的高性 能 商精度 多功能的测量控制仪表时 几乎无一例外的都采用了微处理器和 丫1 月 机 在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪表后 能够解决许多传统仪表3 c f i 或 2 沈阳 c 业大学硕士学位论文 不易解决的难题 同时还能够简化控制仪表电路 提高系统的可靠性 降低整机的成本 以及加快新产品的开发速度 随着集成电路制造技术的不断提高 单片机的体积越来越 小 而功能越来越丰富 新一代的单片机产品 已经将程序r o m 定时 计数器 串行 通讯接口 a d 转换器 p w m 转换输出 波形发生器 w a t c h d o g 监视器 2 c 总 线接口 更多的i o 端口和内部r a m 寄存器集成在一起 从而能够适应更加广泛的用 途 另一方面 功能简单的单片机则向低功耗和小型化方向发展 2 专用集成电路 智能化电气开关经常设计到一些特殊和复杂的功能 这些功能如果完全山计算 机来完成 无疑会加重c p u 的负担 其效果也未必理想 事实上在智能化电气开关 出现以前 已经开发出了许多行之有效的专用集成电路 例如漏电保护专用电路 采用专用集成电路不仅能够减轻c p u 的工作负荷 还能够在万一c p u 发生故障时 保证可靠的动作 在一定程度上也能够提高系统的可靠性 专用集成电路分为两类 一类是实现某种专用功能的电路 例如f 赶源专用集成电 路 缺相保护集成电路等 另外一类是运算电路 主要是用于电流保护运算 功率因数 运算等 3 智能化传感器 随着用电保护技术的不断完善 各种保护装置的功能和技术要求也不断地提 高 一般情况下 低压断路器要求具有以下的保护功能 过电压和欠电压保护功能 三段电流保护功能 漏电保护功能 缺相保护功能 其他异常保护功能 瞬时尖峰脉冲 瞬时断电等 要完成这些保护功能就要有各种传感器 传感器性能的好坏 直接关系到智能化电 气丌关的性能 另一方面 传感器要有较高的精度 较短的反映时间 同时又要有较小的 体积 输出信号还要便于与智能控制电路接口 这在目前还是较难做到的 受微电子技 术的影响 传感器正朝着小型 固态 多功能和集成化的方向发展 如果能够利用最新 3 沈卧i 业大学硕士学位论文 的技术开发一种集成化的传感器 即将各种电量传感器集成在一起 将能够大大提高其使 川性能 更进r 步 还可以将微处理器与传感器集成于一体 这可以使智能化i u 气 1 笑 的整休性能提高一个档次 4 系统集成化技术 智能化电气开关是以微处理器为核心的机电一体化产品 它包括供电部分 传 感器 控制部分 调整部分 执行机构以及开关本体 各个组成部分之问相互关联 又相互影响 如何协调与处理好各个组成部分之间的关系 使其既能满足所有的功能 要求 又不超出现有技术条件所允许的范围 体积 功耗 可靠性 电磁兼容性等 就 是系统集成化技术的主要内容 智能化电气开关是一类具有较高技术含量的产品 实践表明 产品的技术含量越高 系统集成化技术对其影响和作用也越大 特别是在生 产实践中 由于牵涉面大 往往一个部件的问题而影响整机的性能与质量 在现代t j k 中 系统集成化技术集中体现了基础工业的整体水平 值褥一提的是 目前迅速发展的 cad ca m 技术对于系统集成化技术有着重要的影响 cad cam 技术已经在 机械 电子 电工 建筑 美工 服装等领域得到了广泛的应用 cad 技术已经 一i 仅仅是作为一种绘图工具发挥作用 而且能够进行计算 分析 校验汞i 摸拟 这些 功能不仅能够提高设计效率 减少设计失误 还能够使设计者在设计阶段看到产 锗的 逼真外观 模拟产品的实际运行 从而使参加设计者能够对产品各方面的情况有一个 总体的把握 1 4 本课题的主要研究方向和任务 智能脱扣器用于实现对断路器的智能控制 使断路器具有以下智能保护和控制功 能 1 过载长延时 对于过载故障 断路器按照1 2 t 等于常数关系呈反时限特性动作 过载倍数越大动 作延时越短 可以实现前后级断路器的选择性动作 并且具有热记忆特性 为防止反复 过负荷引起系统过热 脱扣器应具有模拟双金属片热特性的功能 2 短路延时 4 沈队i 业大学硕士学位论文 智能断路器的短路延时特性分为两段 前一段是斜坡特性 1 2 t 特性 后一段为 定时限特性 断路器先是反时限特性 电流到达某临界值值后变为定时限特性 这就满 足了 j i 后级断路器特性的匹配 实现选择性的保护要求 智能断路器的雅定电流及动作 时间都可方便的进行调节 1 2 t 特性可接入或关闭 这有利于达到i j i 后级保护特性匹配 的要求 3 短路瞬动 瞬动保护采用即采即比的工作方式 在电流信号的每个周期对电流进行判断 在线 路出现大短路电流几i l l s 时i i 内捕捉到故障信号 并且具有抗尖峰信号干扰功能 4 接地故障保护功能 供电线路与地发生短路 当接地电流超过整定值时要求断路器脱扣或报警 智能脱 扣器可实现这种功能 并且当被保护线路有前后级断路器时可实现选择性保护 故障电 流和动作时间整定值都可调节 5 负载监控 线路故障电流超过负载监控整定值 i o 而未达到过载电流整定值时 智能脱扣 l l f l l 发出报警和控制信号 利用控制信号可进行负载调度 防止过载脱扣引起重要支路 断电 利用负载监控信号分断支路断路器 卸掉一般负荷 以保证重要负荷不间断供 电 6 自诊断和监察 为了保证系统的可靠工作 智能脱扣器在工作过程中要不断检查系统的工作情况 当系统出现异常时发出信号报警或自动复位 7 与计算机的通讯功能 为实现对多条线路控制的集中控制 方便操作人员对一个较大区域进行检测 智能 断路器应当具备和计算机通讯的功能 能把当前的工作状态 工作参数等信息报告给计 算机 并接受计算机的远端控制 1 5 主要完成的工作 根据智能脱扣器要实现的功能 对各种保护功能建立相应的数学模型 作为以 后程序运行的依据 一5 沈阳一l 业大学硕士学位论文 设计硬件电路 绘制电路图 用空芯互感器采集母线中电流信号 作为脱扣器的信 吁输入 选择m i c f t w h i p 公司的i i c l 6 f 8 7 7i n 片机作为中央处理濉元 对输入的信号进 伯 a d 转换和计算 得到的结果与各种整定值比较并显示出来 根据比较结果判断当i 讨 有无故障发生并发出相应控制信号 如需要 还可与计算机进行数据传输 把各种数据 保存在计算机中 将硬件电路按功能划分为几个单元 对各个部分逐一进行检验 在各个部分均符合 要求后才 焊接在设计好的线路扳上进行测试 此时没有软件的介入 因此只能进行对各 模拟信号进行检测 看信号的高低电平变化是否正确 采集部分的线形度是否良好 硬件线路基本定型后 根据要求功能编制相应软件 并进行调试 此时要由软件来 配合硬件 因为硬件上的更改费时 费工 软件可灵活改变 在开发系统中调试通过的 程序固化到程序存储器中 对目标系统单独调试 采取必要的措施增加系统的稳定性和 抗干扰能力 使其能在各种条件下稳定的工作 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 脱扣器系统的保护原理 2 1 基本原理 供配电系统中的低压断路器的主要功能是通过采集单元得到系统母线中的电流 电 压信号 由脱扣器的逻辑控制单元进行分析判断 根据结果采取相应的动作 实现对线 路中的过载 短路等故障的保护 智能脱扣器也是基于这个原理 通过互感器将主线路中的电压 电流信号转换成模 拟电路可处理的电平信号 信号处理单元对这些信号进行滤波和整形 信号采样后经多 路开关送入c p u 在c p u 内部进行a d 转换后进行逻辑运算与处理 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 这些信号经放大盾可直接驱动断路器 的执行机构和其他辅助继电器 使断路器动作或输出声音 光信号 各种故障保护的动 作电流和时间整定值通过链盘设定并预先存储在e e p r o m 中 并可在运行期间随时进行 修改 此外 当产生特大短路电流时 独立于c p u 的模拟脱扣电路可立即产生动作信号控 制执行单元 使断路器动作 系统原理图如图2 1 所示 图2 1 脱扣器系统的硬件原理图 7 沈队i 业人学硕士学位论文 一台合格的智能脱扣器在完成各种保护任务时 必须遵循选择性 快速性 灵敏性 和可靠性的原则 这样爿 能在出现故障的第一时问里做出适当的反应 使损失降到最 低 不会出现因为动作的不合理性而造成的事故扩大化 要达到这些要求 不但要有合 理的设计 还要有优良的制造工艺 准确的设定和调试来配合 2 2 过载保护 在电力系统中 存在发生各种故障的可能 虽然危害最大的是发生系统的短 路 但是从发生的几率来看 出现最多的故障则是过载 线路中的电流长期高于 额定电流的一种非难常工作状态 因为发生过载故障时系统电流比额定电流略高 所以其程度不会立即对线路或电力 系统中的负载设备造成损害 但是如任由其发展下去 长时间的累计效应 同样会给线 路和用电设备带来很大的破坏 系统长时间工作在超过其额定电流的情况下 不论是绝 缘还是各部件的机械强度都将迅速降低 加速系统的老化 而且机械性能 电接触性能 的降低又会给其他类型的故障提供了可能性 所以更要认真对待 虽然有了故障一定要实行保护 但是在确定动作的时间上并不是越快越好 而是有 一些原则的 正是由予过载故障不是一下予给系统造成破坏性危害 考虑到系统拥有一 定的热容量 当故障电流在系统中的发热没有超过这个限度时 允许系统继续运行 运 行一段时间后 发热将要超过这个界限时 继续运行就会产生危险 所以此时要进行保 护动作 这样做的目的也是增加整个系统的运行可靠性 有时过载由临时故障产生 有 可能一段时间后会自动解除 在系统热容量允许的情况下继续运行 避免了因为一些不 必要的开断而给用户造成的不便 同样 基于热容量的限制 有时系统中发生的过载虽然在动作时间到来前就消失 了 但是次数频繁 这样却造成了热量的积累 累计散发热量超过了系统容限 一一样要 将线路丌断避免故障扩大 在传统的脱扣器中因为使用了双金属片 所以很容易对热积 累效应进行处理 但是在智能型脱扣器中就只有依靠程序来实现了 这就需要建立有关 发热的数学模型了 8 沈阳 l 一业大学硕士学位论文 2 2 1 有效值的处理方法 电网中连接着大量的功率补偿器 软启动器等装置 使得用电终端得到的是含有高 次谐波的电流 虽然还是接近正弦波的波形 但是这时已经不能简单的按照 2 倍的关 系由峰值求有效值了 那样的整定会出现 过保护 或 欠保护 现象 因为保护的根本是从系统的发热角度出发的 所以还是要由发热的源头一有效 值入手 能够准确的求出线路中电流的有效值 才能确定何时动作才是最合理的 即不会让系统出现问题 又能有效的利用它的过载能力 电流有效值 m2 亭f f 2 d t 当i 0 7 s i n c u t o 时 i 旷击 但由于高次谐 波的存在 二鲁已不能正确反映i 所以 必须采用积分的方法计算i 2 将积分区i 司 0 t j 纲分为着干个小区l 司 在每一个小区i 司上用捕僵多项式代替祓积 函数 并对插值多项式进行求积 其结果就是所求积分f f 2 f 斑的近似值 令厂 f f 2 r 在 o t 区间有插值点 t t t 由拉格朗日插值多项式 只o f t k l 2 0 有们m 篆鬻州n 口 所以t p 拈i c 协t 0 k 等 渺 所以 p 2 r 疵 p 瑚 n f 衍 片i 导 q 渺 o0ov 座f t i t d t r 厂 a f t i r 其中 r f 1 为求积公式余项 p f 击m n4 f t 为插值型积分公式 2 3 9 一 沈阳j 业大学硕士学位论文 当公式 2 1 对于f t 1 t t 2 t 都成立时 式 2 一1 具有n 次代数精确度 为 求解方便选求积节点为 生7 f 方程组 2 4 是关于凡的线性方程组 其系数行列 式是节点t 的范得蒙行列式 解此方程组 窆4 如 r l 0 静铲p 守1 2 砉彳 2 击 吾r 3 c 2 4 静仁卜 1 可得 a l a 2 专a k 鼍 1 三 m 玎 因此有 一2 一 2 西 z 2 露 寺 j 一 0 令 丁 三 得舻在喜口 t 一采样周期 a t 一采样间隔 n 一采样次数 2 5 即电流的有效值等于各节点处电流的平方和的均方根 在本次设计中 t i m s 采样周期t 为2 0 m s 则采样频率相当于1 0 0 0 h z 能够 达到不失真采样 1 0 沈阳 j 业大学硕士学位论文 2 2 2 采样通道 在i f 常状念和低倍数过载情况下由空心互感器输出的交流信号在进入脱扣器的采集 单元时表现为微小的电压信号 而且信号旱面杂有因干扰产生的谐波和直流成分 在进 入p i c 单片机的a d 变换模块前要将这些杂质滤除 因此在多路模拟开关前加有滤波 隔直和信号放大的电路 i 图2 2信号采样流程图 为了得到采样得到的电压信号与母线中电流的睢一对应关系 必须要保证采样通 道中的电子元件具有良好的线性度 而且要用多次测量取平均值的方法得到从互感器的 输出到多路开关输入的两个信号之间的比例 这是程序中把电压信号还原成母线电流的 重要依据 根据反复测量 得到本设计中实际的采样通道放大倍数为1 8 7 5 当互感器 的输出在分压模块的前端产生4 0 0 m v 电压时 信号放大环节出现饱和现象 i 因此大于 4 0 0 m y 时采样信号由另外一条不经过放大的通道得到 而对应与此时电压的线路电流早 已大大超过了额定电流 属于短路故障了 2 3 短路保护 系统中不同相的导线问或相对地发生金属性的连接或经较小阻抗的连接 就发生了 短路 其直接后果就是电力系统中各工作点的电压降低 电流增大 而由大电流作用产 生的热和力的作用又会造成绝缘破坏 设备变形等后果 由于短路电流很大 会在出现故障的瞬间释放巨大的能量 所以后果是非常严重 的 但只要正确的选择保护装置 合理整定保护动作值 就可消除或减轻短路的影响 为此有必要对短路电流进行分析和计算 再确定合理的保护措施 n 沈阳 业大学硕士学位论文 2 3 1 短路故障的特性分析 在各种形式的短路故障巾 以三栩对地短路危害最大 因此也以三栩短路为例来进 行短路电流的计算 zz 图2 3 所示为一个三相系统中的一相 由 理想电源供给正弦交流电 如果在运行中突然 在k 点发生对地短路 在接地点的左侧和右侧 会出现两种不同的情况 在原来的负载一端 因为没有了能量来源 正常情况下的负载电流 在线路中的电感的作用下逐渐衰减至小消失 而在电源的 端 因为没有了负载 使得环路中电流呈增加趋势 接地后电流随时问变 化的关系可出方程 2 7 表示 i 卫 s i n 纠 口一妒 1 s i n 耐 口一妒 2 7 三 z 而电源电压保持不变 与短路电流妇之间可用方程 2 8 表示 舻r i a l 鲁 2 8 由式 2 7 和 2 8 以及t o 时刻的积分常数 c i s i n a 一妒 一 s i n a 一妒d 可求出短路后的电流为 一r l l ms i n 耐 a 一口咯 乇s i n a p 一t s i n a 矽d e 2 9 由一卜式可知 当口 o i 0 时 短路电流有最大值 一土 i d 一 c o s c a t i q m e l 2 一l o 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 2 对短路故障的保护 时间整定 i t 2 i t 3 i 图2 4 短路憬护籽陛 对短路故障的保护将短路信号划分为一般短路和特大短路两种情况 属于一般短路 时 象过载故障一样允许有一定时 自j 的延时 但是这个延时也是非常短暂的 不超过 4 0 0 毫秒 时间按照1 2 t 常数来整定或固定在某个时间 后者不利于实现线路的选择性 丌断 因此在本设计中将定时限作为短路反时限和瞬动中间的一个过度环节 故障电流 大于短路电流一定界限以上 进入定时限动作区 如果属于特大短路电流 脱扣器应该 马上动作 越快越好 二者之间无明显界限 可在运行中随时设定 瞬动保护时将每次的采样值与熬定值比较 若大于整定值 则再采样一次 如果仍 然火j 二整定值 说明是故障出现 否则属于尖峰干扰 因此短路保护有两种情况 一般短路时取电流的有效值与设定值比较 而特大短路 则取电流的瞬时值与设定值比较 另外 还配有模拟脱扣作为另一种瞬动保护 不必经 由c p u 处理 在硬件中进行比较再输出信号 加快了反应速度 在后文中细述 2 4 接地保护 接地故障是指因绝缘损坏致使相线与p e 线及电气装置的外露导电部分或大地之间 的短路 单相接地故障与单相短路 相线与n 线之问 有着很大的区别 主要表现 在 1 单相接地故障回路复杂 其故障电流值比单相短路小 而且随接地方式不同 又有很大区别 1 3 沈队1 业大学硕士学位论文 2 单相接地故障除与单相短路一样会损坏导线甚至有可能引起火灾事故外 还 将使正常不带电的外露可导电部分带上危险电压 以至引起人身电击事故 特别是t n 系统配电干线发生相线对地短路故障时将会使变压器中性点对地电位提高 从而使所有 电气设备外壳均带上危险电压 由于配电线路干线较长 容量较大 所以出现的接地故障电流都比较小 特别是以 间歇性电弧造成的接地故障电流更小 一般的保护电器灵敏度不够 常常不能满足快 速 准确动作的要求脚1 而智能脱扣器能够方便的调节故障电流和动作时间 可以很好 的检测接地故障电流并做出动作脚1 在如图2 5 的系统中 检测接地故障有两种方式 其一是采用3 只电流互感器检 测三相线电流向量和 它等于单相接地故障电流和 e 常运行时的三相不平衡电流两者 p enc b a 之和 叉称零序电流保护 对1 n s 系统 可采用4 只电流互感器检测3 根相线和n 线电流的向量和 即接地 故障电流 称剩余电流保护 剩余电 流的保护的灵敏度要高于零序电流的 保护 以至于可以保护非金属性接地 故障 但仅限于n 卜 s 系统中采用 图2 5接地电流的检测 2 5 负载监控 负载监控是在发生过载故障前的一种补救手段 当线路中出现较大电流时通过舍弃 一些负载来使电流减小 若智能脱扣器为上一级开关 下级有多条支路分别供电给不同 性质的负载 当发生过载故障时 智能脱扣器将有选择的切掉线路中不重要的负载 以 保证重要负载的连续工作 因为与过载故障具有相同的性质 所以负载监控也采取延时 动作的方法 延时时间要小于过载延时时间 如图2 6 智能脱扣器控制的线路有三个下级负载 其中l l 和l 2 为重要负载 l 3 为次重要负载 当出现故障电流大于负载监控的整定值时 脱扣器发出报警信号 经过 1 4 沈闫j j 业大学硕士学位论文 一端延时后由辅助触点带动下级执行机构s 3 切断l 3 的供电 满足l l 和l 2 的电能 需要 图2 6负载监控原理图 始努 旱巍膏 2 6 自诊断和监察 智能脱扣器不但能够测量系统的电压和电流 同时也具有自我诊断和监察的能力 当脱扣器本身发生故障或环境温度超过允许范围时 可以发出信号报警 为了保证系统 工作可靠性 使用了硬件看门狗 在软件之中也对系统进行检测 随时监视系统的运行 情况 若发生因为干扰而导致的系统不正常运行时 就会使系统强行复位 从新 丌始运 行 避免了因系统自身故障而引起的不能开断或误动作 2 7 多台断路器的集中控制 将多台配以智能脱扣器的断路器以终端形式与计算机相连接 实现了数据传输与信 息交流 使配电和控制系统信息化 方面智能化断路器向计算机传送线路和保护对象 的运行参数 保护整定值和故障信息 另一方面控制计算机向智能化断路器发出操作指 令 改变和调节整定值 由计算机来对线路中的各级断路器统一管理 可以实现 电力系统的区域选择性保护 下级断路器能完成的分断不必上级断路器执行 而下级断 路器不能完成的分断 由脱扣器将故障情况报告给计算机 计算机再调动上级断路器来 执行分断 配电网络的联网保护如图2 7 所示 1 5 沈队j 业大学硕 学位论文 配电网络 图2 7 配电网联网的保护 2 8 小结 1 分析了线路中的各种故障的成因及其危害 根据故障时的电流具有的特点 建 立的对应的数学模型 并且采取了合理的保护方式 利用积分的方法求电流的有效值 可以准确的检测出线路中出现的故障 2 将短路故障分为短延时和瞬动故障 实行了分段保护 有利于各段保护特性间 的配合 3 对接地故障进行了保护 同时智能脱扣器还具有自我诊断的功能 4 能够对负载实施监控措施 保证重要负荷的连续供电 具有与计算机通信的功 能 多台智能化断路器能够在计算机的统一调度下为系统提供联网保护 1 6 一 沈阳 f 业大学硕士学位论文 3 硬件系统设计 硬件部分是整个控制系统的基础 其性能的好坏对于系统的功能是否可以实现至关 重要 除了工作性能以外 经济指标也是工业应用系统在设计过程中要考虑到的一个重 要因素 尤其是在我国当前经济不甚发达的情况下 能够长期占据市场的将是那些商性 价比的产品 本次设计是在前人已有的基础进行的 在原设计中采用8 0 c 5 5 2 为中央处理器 可 以满足大部分功能 但是仍然有一定的局限性 8 0 c 5 5 2 价格比较昂贵 是整个系统成本比较高 c p u 引脚多 连线复杂 致使线路板上空间拥挤 为达到速度要求 使用了1 2 姗z 振荡器 从系统的稳定性上来看 选用外时钟 频率低的控制器可以有效降低噪声和提高系统抗干扰能力 而且有更大的速度提升空 间 使用了外扩的r o m 和酽p r o m 使得结构复杂 而且程序的保密性低 极易被破 解复制 作为产品的智能脱扣器要有其知识产权归属性 因此需要一种保密性比较高的 c p u 没有进行与计算机通信的研究 停留在单机保护阶段 本设计中不但要满足功能上的要求 还要针对以往存在的不足之处加以改进 经过 比较 选择了p i c l 6 f 8 7 7 为c p u 它即可以满足功能上的要求 又能克服原有的缺点 价格比较低 同一系列中有多种型号可以选用 其中的1 6 f 8 7 7 是系列中内在模 块最完备的一种 引脚较多 使用灵活 在开发阶段选用1 6 f 8 7 7 开发 完成后可采用 系列中其他芯片 成本会进一步下降 大部分引脚具有复用功能 所以外部引脚数大为减少 硬件连接简化 具有与8 0 c 5 5 2 不同的总线结构和指令集 执行速度快 使用4 m h z 晶振即可达到 原设计时1 2 姗z 晶振的速度 内部有足够的r o m 和e 2 p r o m 供使用 专用的加密功能 有效的保护劳动成果 有多种通讯方式可选择 实现起来比较方便 t 1 7 一 沈阳工业火学硕士学位论文 按照实现不同功能可以将系统划分为几部分 中央处理单元 采集检测单元 键盘 显示单元 模拟脱扣单元 电源和通信单元 下面将对各部分进行详细的介绍 3 1 中央处理单元 p i c 是美国m i c r o c h i p 公司所生产的单片机系列产品型号的前缀 m i c r o c h i p 公司 是一家专门致力于单片机开发 研制和生产的制造商 其产品设计起点高 技术领先 性能优越 独树一帜 与当前的一些其他主流单片机类型相比 p i c 单片机具有很多优 势 1 哈佛总线结构 程序存储器和数据存储器独立编址 在芯片内部将数据总线和指令总线分离 并 且采用不同的宽度 便于实现指令的 流水作业 在执行一条指令时取下一条指令 便于指令的单字节化 单周期化 提高c p u 执行速度 2 精简指令集 r i s c 技术 p i c 单片机的指令系统只有3 5 条指令 易学好用 而m c s 一5 1 单片机的指令系统 有1 11 条指令 m c 6 8 h c 0 5 单片机的指令系统有8 9 条指令 而且p i c 系列单片机绝大多 数指令为单周期指令 有利于提高执行速度 图3 1 代码紧凑性比较 3 代码压缩率高 1 8 i 0 0 hii 皱瞄辩榭 图3 2 运行速度比较 l吼吼吼也玑仉仉仉仉 懈蹦犯嫂 沈阳工业大学硕士学位论文 1 k b 的存储器空间 对于象m c s 一5 1 这样的单片机 大约能存放6 0 0 条指令 而对 于p i c 系列单片机能存放1 0 2 4 条指令 图3 1 为几种单片机的指令代码紧凑性比较 4 运行速度高 由于采用了哈佛总线结构 指令的读取和执行采用了流水作业方式 使得运行速 度大大提高 从图3 2 可看出 p i c 系列单片机的运行都速度远高于其他同档次单片 机 在所有8 位机中 p i c l 7 c x x 是目前世界上速度最快的品种之一 5 功耗低 p i c 系列单片机的功率消耗极低 其中有些型号在4 肌z 时钟下工作时耗电不超过 2 m a 在睡眠模式下耗电可以降低到1 l l a 以下 6 驱动能力强 i o 端口驱动负载的能力较强 每个i o 引脚吸入和输出电流的最大值可分别达 到2 5 m a 和2 0 m a 能直接驱动发光二极管l e d 光电耦合器或微型继电器等 7 外接电路简沽 p i c 系列单片机片内集成了上电复位电路 i o 引脚上拉电路 看门狗定时器等 可以很大程度的减少或免用外接器件 以便实现 纯单片 应用 这样 不仅方便了丌 发 还可节省电路板空间和制造成本 8 开发方便 对于p i c 系列中任一款单片机的开发 都可以借助与一套免费的软件综合开发环 境 实现程序编写和模拟仿真 在用任何 种廉价的烧写器完成程序的固化 便形成一 套最经济实用的开发系统 9 品种丰富 p i c 系列单片机日前形成3 个层次 5 0 多个型号 低档1 2 c 5 x x 1 6 c 5 系列 中档 1 2 c 6 x x 1 6 c x x 系列 高 档1 7 c x x 1 8 c x x 系列 各个系列中均有不同的封装形式供用户灵活选择 1 0 程序保密性强 目前 尚无办法对其直接进行解密拷贝 可以最大限度的保护用户的程序版权 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 由于p i c 系列单片机具有上述许多独特的性能 所以在本系统中选择了中档系列 的p i c l 6 f 8 7 7 该单片机具有f l a s h 存储器 可实现在电路板上快速擦除和写入程序 同时还拥有r a m 和e 2 p r o m 存储器用于程序运行期间的数据传递和重要数据的保存 因 此不再需要在外部进行存储器扩展 节省了c p u 的引脚 简化了线路 提高系统的可靠 性 降低了系统的成本 此外 由m i c r o c h i p 公司还为p i c l 6 f 8 7 x 系列配备了专用的廉 价开发工具m p l a b i c d 更是极大的降低了系统的开发成本 也为系统的开发带来了极 大便利饰1 在p i c l 6 f 8 7 7 内部还集成了上电复位电路 上电延时电路 起震延时电路 看门 狗定时器 1 0 位a d 转换模块 串行输入输出端口 另有多达3 3 个可作数字和模拟通 道的i o 端口 所以完全可以满足系统的设计要求 并且为以后的外部功能扩展留有余 地 设计中c p u 的引脚资源分配如图3 3 图3 3c p u 引脚分配 除了必要的电源 地 晶振之外 其他引脚用来做输入输出或作为外围芯片的控 制端s e l e c t a s e l e c t c 是4 0 5 1 的选通端 r c 0 r c 3 是键盘译码的选择端 r d 2 r d 7 为开关量输出 i n t 为键盘输x r b i r b 5 是显示芯片的控制端 c i i r r d 盯为采样 端 r a 7 为脱扣信号输出端 2 0 沈i q l 业大学硕十学位论文 3 2 信号的采集检测 在单片机的内部以各种数字量来表示外部输入的模拟量 要想系统能够及时的发 现故障 必要的前提就是用来模拟外部输入的数字量必须能够真实的反映输入量的大 小 越精确越好 若超过了一定的误差范围 接下去的计算就毫无意义 3 2 1 信号的采集 脱扣器的信号取于套在母线上的空芯互感器的二次输出 空芯互感器由于无铁 心 在电流较大时也不会饱和 测量范围大 可以从几十安培到几十千安培的范围内保 持良好的线性度 这一点对于要检测出故障时刻的大电流来说很重要 但空芯互感器在 小电流时信号较小 造成采样和a d 转换的误差比较大 为了保证在正常电流情况下和 出现故障时的大电流情况下都能准确的采集信号 设置了双输入 通道 二次输出的信号 比较小时 c p u 采样小信号通道中的模拟量 并且小信号经过放大进入a i d 转换模块 有助于提高分辨率 一次出现故障 二次出现较大电流时 采样大信号通道中的模拟量 进行模数转换 大信号和小信号都经过滤波隔直后进入多路选择开关中 等待c p u 的选 择性采样 信号采集原理图见3 4 图3 4信号采集原理图 3 2 2 信号的变换 对于p i c 单片机的a d 模块来说 输入的模拟电压最高不能超过k o 3 v 最小不 能低于v 卜一0 3 v k 与v 的差值不能小于2 v 在本系统中k 由稳压模块 3 1 3 3 6 5 提供 v r 为零 所以a d 转换的