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1、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
2、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
3、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；Abstract The research of the intelligent controller of the low-voltage circuit breakers which are applied to distribution is recommended in this paperThe important purpose of the research is to achieve the intelligent protection,remot
4、e control and centralize manage of the low-voltage circuit breakersThe design of the hardware and the software of the intelligent controller and the research of the remote system is the primary content Firstly the frame of the equipment discussed is in the paperThrough the design of the hardware and
5、 the software of single-chip computer system，the intelligent control of the circuit breaker,the intelligent protection of the short circuit,the overload and the contact to earth are realizedThe real-time current and information of faults can be shownWe introduce the theory and the design of the modu
6、le concretelyThe arithmetic of the measure and the protection is represented in detail in this paperThe intelligent controller is based on the C8051 processor to sample and process the signal，and then to handle the faults of the circuit if there are any to achieve the circuit breakers self-controlTh
7、e design of the hardware and software are all modularized and openedThe ICs selected the standard and modularized component which is serial.Its the best if it can be expendedThe design of the software adopted the way of sequential and multi-task to improve the flexibility and transplant of the syste
8、m Secondly we implement the communication agreement between the intelligent controller and the PCThe remote system which is friendly to users and easy to supervise and manage is designed with the software of LabviewThe interface of the communication is RS485 standard which has high liability to impl
9、ement the communicationIt is particularly presented about the anti-jamming on the software and the hardware The experiments indicate that the intelligent controller we worked out had reached our expectationIt is a reference for further design of the intelligent controllerKeywords：circuit breaker；int
10、elligent controller；protection for overflow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
11、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，
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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。121 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
18、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，受电弧电流产生的磁场作用，被吸入灭弧罩中，分割成一段一段的短弧。由于短弧电压低、热量小，所以能很快散热灭弧，切断电路。断路器有一套较为复杂的自动脱扣装置和传动杠杆。所以能在发生短路等故障时自动跳闸，切断电源，起到保护作
19、用。脱扣装置有以下四种：过电流脱扣器、热过载脱扣器、欠电压脱扣器、分励脱扣器。另外，断路器必须具有自由脱扣机构。它的作用是在上述任一种脱扣器动作到脱扣状态后，均能使触头与操动机构失去联系，即使这时再推动操动机构，合闸力也不能传到触头，使得断路器无法合闸。这就可以避免电路故障状态时合闸引起的危害。1一主接点；2一弹簧：3一接点拉钩；4一动作拉钩；5一电磁脱扣器；6一失压脱扣器；7一双金属片；8一热元件：9一杠杆；l0一衔铁；11一弹簧图11断路器的基本结构122 断路器的主要技术参数1 分断能力分断能力是指在规定条件下能够可靠接通和分断的短路电流值。对配电用选择型断路器要求有尽量高的延时通断能力
20、，最好是与瞬时极限通断能力相等。选择断路器时必须考虑电路可能出现的最大短路电流，再根据断路器的技术数据进行选用。2 限流能力限流式断路器(分断时间短得足以使短路电流达到其预期峰值前分断的断路器)和快速断路器(直流断路器，含义同限流式)要求有较高的限流能力，一般要求限流系数(极限接通和分断能力时限流系数为 ，在0.3O.6之间。为了达到较高的限流能力，要求限流电器的固有动作时间小于3ms。3 动作时间从电路出现短路的瞬间至触头分离、电弧熄灭、电路完全分断所需的全部时间。限流式和快速断路器一般小于20ms。4 使用寿命在正常负载条件下，断路器应能保证在操作规定的次数(即使用寿命)内不需更换零部件。
21、一般断路器的寿命根据容量不同在200020000次之间。5 保护特性断路器的过电流保护特性，可用各种过电流情况与开关动作时间的关系曲线来描述。断路器的保护特性必须与被保护对象(如电动机、电缆等)的允许发热特性相匹配。第三节 智能断路器的功能特点及发展现状131 智能断路器的功能特点 智能断路器的主要特点是在传统的断路器基础上充分应用了微电子技术、计算机技术以及网络通讯等新技术，具有较高的性能和可靠性。其主要功能特点表现如下：(1) 保护功能多样化 传统断路器普遍采用双金属片热继电器作为过载保护，甩电磁快速脱扣器作为短路保护来构成长延时、瞬动两段保护，实现保护功能的一体化较难。智能型断路器除了可
22、同时具备长延时、短延时、瞬动的三段保护外，还具有断相、不平衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能，而且可做到一种保护功能多种保护。脱扣具有数字量脱扣和模拟量脱扣两种脱扣方式，提高了系统的可靠性。(2) 选择性强 智能型断路器由于采用微处理器，惯性小、速度快，其保护的选择性、灵活性及重复误差都很好，加之它的各种保护功能和特性可以宽范围调节，因此可任意选择动作特性和保护功能，实现级联保护协调，实施区域选择性联锁和良好的级间协调配合。(3) 人机界面和通讯功能 智能型断路器具有良好的人机界面，既能从操作者那里得到各种控制命令和控制参数(通过键盘、开关、按钮等实现)，又能通过连续
23、巡回检测对各种保护特性、运行参数、故障信息等进行直观显示(通过信号灯、数码管等实现)，还可与上位机联网实现双相通讯，实施遥测、遥信、遥控和遥调。人机对话功能强，操作人员易于掌握，有利于避免误动作的发生。(4) 显示和记忆功能 智能型断路器能显示三相电压、电流、功率因数、频率、有功功率、动作时间、分断次数以及预示寿命等，能将故障信息储存，如故障类型，故障电流值，动作时间，故障时间等，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、预警与试验功能 智能型断路器可对构成断路器的电子元器件的工作状态进行自诊断，如触头磨损率、CT断线等，当出现故障时可发出警报并使断路器分断。通
24、过预警功能，操作人员可以及时处理电网的异常情况。微处理器能进行“脱扣”与“非脱扣”两种方式试验，利用模拟信号进行长延时、短延时、瞬动整定值的试验，还可进行在线试验。智能型控制器还能够模拟热积累具有热记忆功能。l32 国内外的现状及发展趋势(1) 国内外的发展现状 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晌整个供电线路，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
25、扣器，该脱扣器功能简单，只能完成瞬时保护，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。70年代开始出现了电子式脱扣器，随着微型计算机技术的发展，电气开关的智能化成为了可能。智能化装置应包括信号检测的随机性、灵敏性和精确性；信号的处理、逻辑思维及正确的判断性；有效、灵敏的执行功能及信息的可通讯性。对于智能化的电气开关，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中以便查询。具有了这些优点，智能脱扣器的功能日益强大，现在已在低压配电系统中得到广泛的应用。 目前具有代表性的
26、国外产品有梅兰日兰的M系列，ABB的F2系列，三菱的AE系列，西门子的3WN系列，该系列产品的脱扣器中还有一种可选功能，就是脱扣前导信号，当3WN断路器过载时，过载脱扣前200ms时它会给出报警信号，在某些场合如晶闸管变流系统中这个功能是很有用的。 我国的低压断路器可分为三代。第一代以DWl0、DZl0等系列产品为代表，其性能水平相当于国外50年代水平，市场占有率为2030。第二代产品包括自行开发产品和技术引进产品，自行开发产品以DWl5、DZ20为代表，共56个系列，技术引进产品则以ME、T0、TG、3TB、B系列为代表，共34个系列，性能水平相当子国外70年代末至80年代初水平，市场占有率
27、为50一60。第三代产品以最近开发的DW45、S等系列产品为主，其性能水平相当于国外90年代初水平，市场占有率为5-10。目前国内低压断路器的额定工作电压为交流380V，交流额定电流为630A5000A，极限分断能力为50KA-120KA，一般都具有3极(可分断A、B、C相)和4极(可分断A、B、C、N相)两种类型。 因为智能型断路器具有许多传统断路器所无法比拟的优点，所以其研制受到国内外的普遍重视。自1985年出现第一台以微处理器为基础的智能型断路器以来，法国梅兰日兰(MG)公司、日本寺崎公司和美国西屋公司等相继开发了带微处理器的智能断路器。 微处理器引入到断路器，使中央计算机、前级和后级断
28、路器之间进行双向通信成为可能。九十年代，国外许多公司相继开发出智能断路器的集中控制和检测系统，包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统、智能化断路器的对话模块、低压配电装置的监控系统等。国内在微机保护和监控系统的研制方面起步较晚，主要从引进技术和自行开发两个方面进行，产品的主要性能跟国外相比还存在差距。而且研究主要集中在变电站综合自动化系统，而以断路器为控制对象的智能化产品则很少，直到l996年才有针对单个断路器的测控单元出现，且其功能与国外相比基本上处于配制开发阶段。因此，开发高性能的智能断路器是国内电器行业迫切实现的课题，它在国内具有广阔的发展前景和用户市场。工业的发展对配电系统的
29、要求越来越高。新型的低压断路器既要具有传统功能，又要满足配电系统(尤其对环网系统)级间精确的选择性要求有区域联锁、远方控制、能量监视和记录、事故记忆、在线调试等功能，集保护、测量、监控于一体。现今，我国电力工业的发展和用电量的猛增，发电容量和用户的日益扩大，低压电网对配电型断路器的要求也越来越高。不仅要求它具备很打的短路电流分断能力，实现选择性保护和供电安全，同时对电业管理提出能在断路器上显示对电流的监视、自行调节、测量、试验、自诊断甚至可通讯等智能化功能，智能型断路器应运而生。(2) 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
30、展趋势： 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筒单。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。 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
31、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。 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。模块化设计及尺寸、零件等具有应当具有通用性，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，其作用及重要性当前都已为多数人所认识。 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
32、面还有待进一步的提高。以上的这些特点，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讯，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。第三节 本文的主要工作本文研究工作的主要目的是通过研制低压断路器的智能控制器单元，为断路器的智能化的实现提供条件，研究的重点是智能控制器单元的硬件和软件设计。 智能型断路器的中枢部件是基于微处理器实现的智能控制器，该控制器的设计首先要满足较高的可靠性、实时性、电磁兼容性要求，同时也要从产品角度考虑其体积及成本。 智能控制器其功能是
33、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。 本论文的主要任务是在分析传统断路器的特点和不足的基础上，研制低压断路器的智能控制单元及其上位机管理系统。智能控制器单元要求具有实时检测、实时显示、故障值存储、故障报警、参数整定、试验脱扣以及与上位机通信的功能。上位机管理系统要求具有良好的用户界面，实现整定值与故障的存储、查询、修改等功能。 智能控制器整个系统采用上位机和下位机的主从式工作方式。下
34、位机即智能控制器是整个系统的基础，实现对低压断路器的测量和保护。上位机即PC通过串行通信接口与控制器进行数据交换，实现对多个控制器的集中控制、调度和管理。整个系统的设计任务包括控制器盼设计、通信接口和协议的设计、上位枧管理系统的设计。设计所主要实现的功能如下： 实现线路电流检测； 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；通过硬件实时监控(包括主电流监控、接地监控、负载监控等)，并经过软件数据处理后送显示模块； 可以方便地设定断路器的整定值； 线路故障参数的记录； 具备智能控制器本身的自诊断功能； 设置了通讯接口，实现了通讯。第二章 智能控制器的设计原理供配电系统中的低压断路器的主要
35、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CPU，在CPU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，这些信号经放大后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键盘设定并预先存储在EEPROM中，并可在运行期间随
36、时进行修改。此外，当产生特大短路电流时，独立于CPU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。在电力系统中，大都需要对电压电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数等进行测量和计算，作为上级电力部门进行监控的可靠数据，计算故障电流，以实现系统的保护功能。在系统中，为了减少各种干扰造成的影响，除了硬件的抗干扰、滤波措施外，软件也需要一定的数字滤波处理，以便达到更好的抗干扰效果。智能控制器单元是断路器的中枢部件，它承担着断路器的备种测量、保护、报带、显示与控制功能。早期的控制单元以过电流保护和脱扣功能为主，通过逐步改进和发展，现在其功能远不止此。除了过电流保护功能外，还具有报警、接
37、地保护、温度保护、电流显示、电压显示、故障记录以及与计算机通信等功能。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。第一节 电量参数的计量原理智能控制器使用采集转换而来的数字信号完成各种电量参数的计算，包括电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的计算。装置对监控对象的模拟信号量的采集，理论上采样频率越高则越能恢复原信号，但由于受CPU速度、A/D 转换时间等因素的影响，采样频率不可能太高。电力系统中的模拟信号其主要成分是l、3、5次谐波，对于六次以上的谐波和高频干扰经过模拟通道中RC低通滤波加以滤除；对予六次及以下各次谐波分量借用数字滤波算法加以提取。本智能控制器每周采
38、32个点，采样频率为l600Hz为信号基波频率(50Hz)的32倍，可实现非失真采样。2.1.1 电压、电流的计量 电流与电压检测方法是程序设计的关键部分，以电流为例，对正弦电流采样数据有如下几种可能选择的处理方法：(1) 由最大值计算 通常认为配电系统是按照正弦电流电路工作的，由有效值和最大值之间的关系式 式中I为有效值，为最大值。为了得到一个周期内采样数据的最大值(可以认为最大值为峰值)，我们设计硬件电路来判断信号最大值的到达时刻，在该时刻对信号采样。设计触发电路在信号从负到正变化时引发单片机中断，相移电路使信号产生90度的相移，中断时单片机读取A/D转换器的转换值即为正弦信号的最大值。
39、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，当然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(即真有效值)适用于任何周期交变电路的定义为： 离散化后，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： 式中：为第n-1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
40、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CPU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，但是软件计算量大。为了减小有效值的误差，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，获得信号离教的采样数据，经过离散傅立叶变换(DFT)，计算出基波有效值，计算公式如下： 其中N为每周波的采样点数，为第n个采样数值，为电流的实都
41、，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95以上，而且不包含各种谐波分量，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。2.1.2 电网频率、功率因数及功率的计量(1) 电网频率和功率因数的计量 利用LM393芯片将正弦交流电压信号和正弦交流电流信号转换为方波信号，产生单片机的两个外部中断信号，同时启动内部定时器进行定时，两个中断信号0(INT0)之间的定时即为电网的周期，通过相应的运算即可得到频率。中断0(INT0)和中断l(INT1)之间的计
42、时即为电压与电流之间的时间差，通过相应的运算即可得到功率因数。(2) 功率的计量功率的计量有两表法和三表法。两表法即两相对应线电压与线电流的乘积在时间段内的积分；三表法即三相对应相电压与相电流的乘积在时间内的积分。由于低压供电系统中绝大多数为三相四线制，所以智能控制器采用三表法测量功率: 第二节 保护的原理及实现方法 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
43、、性能指标（如精度、动作时间等）和保护装置硬件条件（如CPU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。 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
44、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被保护对象热积累的模拟。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“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积累总值应符合，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 电力系统发生故障时，往往是在基波上叠加有衰减的非周期分量和各种高频分量，因此要求控制器对输入
45、的电流、电压信号进行预处理，尽可能的滤除非周期分量积高频分量。傅氏算法带有很强的滤除高次谐波的功能，且收敛稳定，因而得到了广泛的应用。本智能控制器的保护算法采用傅氏算法，以电流为例，分解出n倍频率的电流的实部、虚部分别如下所示：实部：虚部：当N=32，n=1代入，得基波的实部、虚部,则电流基波幅值为： 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，即时，认为故障发生。222 三段电流保护的实现原理 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电
46、流线路中的电流长期高于额定电流的一种非正常工作状态。因为发生过电流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。过电流保护是智能型断路器最重要的保护功能。智能断路器具有过载长延时，短路短延时和短路瞬动三段电流保护特性。智能型断路器的过电流保护特性由时间电流曲线表示，曲线位于直角坐标系中。纵坐标为动作
47、时间，横坐标为电流倍数。信号检测部分采用罗可夫斯基线圈，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。智能型断路器己广泛应用到多种领域，有配电、有发电、有电动机保护、有普通上下级配合、有与高压侧熔丝配合等，因此采用了五种特性曲线，该五条特性曲线有516，共80级特性，完全包容了GBl4048.2的要求，且针对性更强，选用更方便。 典型的智能型断路器过电流保护特性曲线如图2.1所示，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21 断路器保护特性曲线图2.2 整定值覆盖范围图中短延时电流覆盖范围分别与长延时电流和瞬时电流覆盖范围相重叠。根据电流保护整定值的不同，断路器可以同时或分别具有三段保护特性，见表21。表2.1 电流整定与保护特性关系序号电流整定电流保护功能备注1三段保护2短延时、瞬动3长延时、瞬动4瞬动5长延时、短延时，瞬时功能被锁定6短延时：长延时电流整定值；：短延时电流整