基于ARM的斷路器智能控制器的研究.doc

基于ARM 的斷路器智能控制器的研究摘 要智能控制器是智能斷路器的核心，不僅具有普通脫扣器的各種保護(hù)功能，而且還具有實(shí)時(shí)參數(shù)顯示、故障記憶和查詢(xún)、自診斷等多項(xiàng)功能。在回顧和總結(jié)了智能斷路器的發(fā)展歷程后，討論了當(dāng)前智能斷路器的發(fā)展趨勢(shì)，提出了基于ARM 的斷路器智能控制器的研究。本論文介紹了斷路器智能控制器的設(shè)計(jì)原理，同時(shí)重點(diǎn)闡述了斷路器智能控制器的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量及保護(hù)原理和算法，并進(jìn)行了具體的硬件和軟件模塊的設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)斷路器的智能保護(hù)。本文涉及的斷路器智能控制器，在硬件上以PHILIPS 公司的ARM 芯片LPC2294 為核心處理器，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集處理和斷路器的故障保護(hù)。硬件設(shè)計(jì)采用了標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)方法，硬件電路盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)的典型電路，以便擴(kuò)展。其中，液晶選用的是SMG240128A，鍵盤(pán)芯片選用的是ZLG7290。軟件的編制采用模塊化編程方法，每一個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，完成特定功能，便于維護(hù)添加新功能。編程工具為ARM 公司提供的ADS1.2。為了保證智能控制器各種保護(hù)功能的可靠實(shí)現(xiàn)，論文中對(duì)智能控制器的干擾源進(jìn)行了分析，從硬件和軟件兩個(gè)方面采取了多項(xiàng)設(shè)計(jì)措施，提高了智能控制器的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)踐證明，論文中構(gòu)建的斷路器智能控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以滿足系統(tǒng)需要，因此具有較高的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵字：ARM,斷路器，智能控制器第二章 智能控制器的設(shè)計(jì)原理供配電系統(tǒng)中的低壓斷路器的主要功能是通過(guò)采集單元得到系統(tǒng)母線中的電流、電壓信號(hào)，由脫扣器的邏輯控制單元進(jìn)行分析判斷，根據(jù)結(jié)果采取相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路中的過(guò)載、短路、失壓等故障的保護(hù)。智能控制器也是基于這個(gè)原理，通過(guò)互感器將主線路中的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電路可處理的信號(hào)，信號(hào)處理單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波和整形，信號(hào)采樣后經(jīng)多路開(kāi)關(guān)送入CPU，在CPU 內(nèi)部進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理，運(yùn)算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)定保護(hù)特性的邏輯電平信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)放大后可直接驅(qū)動(dòng)斷路器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和其他輔助繼電器，使斷路器動(dòng)作或輸出聲音、光信號(hào)。各種故障保護(hù)的動(dòng)作電流和時(shí)間整定值通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定并預(yù)先存儲(chǔ)在EPROM 中，并可在運(yùn)行期間隨時(shí)進(jìn)行修改。此外，當(dāng)產(chǎn)生特大短路電流時(shí)，獨(dú)立于CPU 的模擬脫扣電路可立即產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)控制執(zhí)行單元，使斷路器動(dòng)作。在電力系統(tǒng)中，大都需要對(duì)電壓電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，作為上級(jí)電力部門(mén)進(jìn)行監(jiān)控的可靠依據(jù)，計(jì)算故障電流，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)功能。在系統(tǒng)中，為了減少各種干擾造成的影響，除了硬件的抗干擾、濾波措施外，軟件也需要一定的數(shù)字濾波處理，以便達(dá)到更好的抗干擾效果。2.1 電網(wǎng)參數(shù)的計(jì)量原理智能控制器使用采集轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字信號(hào)完成各種電量參數(shù)的計(jì)算，包括電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)的計(jì)算。裝置對(duì)監(jiān)控對(duì)象的模擬信號(hào)量的采集，理論上采樣頻率越高則越能反映原信號(hào)，但由于受CPU 速度、A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間等因素的影響，采樣頻率不可能太高。電力系統(tǒng)中的模擬信號(hào)主要成分是1、3、5 次諧波，對(duì)于六次以上的諧波和高頻干擾經(jīng)過(guò)模擬通道中RC 低通濾波加以濾除;對(duì)于六次及以下各次諧波分量借用數(shù)字濾波算法加以提取。由香農(nóng)采樣定理21可知，采樣頻率應(yīng)不小于6 次諧波的兩倍，假定電網(wǎng)頻率為50Hz，則采樣頻率不小于600Hz，每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)不小于12 個(gè)，考慮到要對(duì)諧波進(jìn)行FFT 分析，采樣點(diǎn)N 應(yīng)該為2 的冪。本智能控制器每周期采樣32 個(gè)點(diǎn)，采樣頻率為1600Hz，為信號(hào)基波頻率(50Hz)的32 倍，這樣一方面滿足了保護(hù)所需的各參數(shù)能比較如實(shí)地送入系統(tǒng)，另一方面也使微處理器承擔(dān)的計(jì)算任務(wù)不致過(guò)重，保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性?；贏RM 的斷路器智能控制器的研究101.電壓、電流的計(jì)量根據(jù)IEC60947.2低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備、第二部分?jǐn)嗦菲鳎瑸榱耸箶嗦菲髟谛盘?hào)波形發(fā)生畸變時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，我們采用均方根法對(duì)電壓、電流進(jìn)行計(jì)算。電流和電壓采用均方根值顯示，均方根值檢測(cè)提供了可靠的系統(tǒng)保護(hù)，在波形中含有的高的諧波分量時(shí)均方根值檢測(cè)將減小保護(hù)裝置誤脫扣的可能性22。本裝置中三相電流、電壓均采用相應(yīng)的均方根值顯示。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義，電壓和電流的有效值表達(dá)式為：201 ( )TUT= u t dt（21）201 ( )TIT= i t dt（22）式中，T 為電壓、電流信號(hào)的周期。將這兩個(gè)函數(shù)離散化，可以得到電壓、電流有效值的離散表達(dá)式：1201 NkkUN u-= （23）1201 NkkIN i-= （24）式中，N =32 為每周波采樣點(diǎn)數(shù)， k u 、k i 為電壓、電流的離散采樣值。為了防止采樣信號(hào)由于微小波動(dòng)而影響計(jì)算精度，我們采用一次延遲數(shù)字濾波方法來(lái)計(jì)算k u 、k i ，進(jìn)一步消除波動(dòng)和擾動(dòng)的影響，公式如下25:1(1 )n n n y b x by-= - + （25）式中， n x 是第n 次的采樣值， n y 是第n 次采樣值的數(shù)字濾波輸出值，其中b 是濾波系數(shù)。2.功率因數(shù)和功率因數(shù)的計(jì)量（1）有功功率的計(jì)算對(duì)于周期信號(hào)，其有功功率為: 0 0 01( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )A B CT T Ta a b b c ct t dt t t dt t t dtTP P P Pu i u i u i= + += + + （26）將式(2-6)離散化后可以得到功率的有效值為:11 Nak ak bk bk ck ckk N P u i u i u i= + + （27）其中N =32。將采樣得到的數(shù)據(jù)代入式，即可得到有功功率的值。（2）無(wú)功功率的計(jì)算對(duì)于周期信號(hào)，無(wú)功功率的表達(dá)式為:河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文112 2 2 2 2 2( ) ( ) ( )A A A B B B C C C Q =U I -P +U I -P +U I -P （28）將前面各式計(jì)算得到的結(jié)果代入上式，即可得到無(wú)功功率的值。（3）視在功率的計(jì)算求得有功功率和無(wú)功功率后，視在功率S 為:2 2 S = UgI = P + Q （29）（4）功率因數(shù)的計(jì)算功率因數(shù)為有功功率和視在功率的比值，表達(dá)式為:COS PSj = （210）2.2 智能控制器的保護(hù)原理與實(shí)現(xiàn)方法大多數(shù)保護(hù)算法的計(jì)算可視為對(duì)交流信號(hào)中參數(shù)的估算過(guò)程，對(duì)算法性能的評(píng)價(jià)也取決于其是否能在較短數(shù)據(jù)窗內(nèi)，從信號(hào)的若干采樣值中獲得基波分量或某次諧波分量的精確估計(jì)值。衡量各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，重要指標(biāo)可以歸結(jié)為：計(jì)算精度、響應(yīng)時(shí)間和運(yùn)算量。這三者之間往往是相互矛盾的，因此應(yīng)根據(jù)保護(hù)的功能、性能指標(biāo)(如精度、動(dòng)作時(shí)間等)和保護(hù)裝置硬件條件(如CPU 的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)器的容量等)的不同，采用不同的算法。保護(hù)特別是快速動(dòng)作的保護(hù)對(duì)計(jì)算速度要求很高。由于反映工頻電氣量的通道設(shè)有濾波環(huán)節(jié)，各種保護(hù)算法都需要時(shí)間，因此，在其它條件相同的情況下，盡量提高算法的計(jì)算速度，縮短響應(yīng)時(shí)間，可以提高保護(hù)的動(dòng)作速度?？刹捎眉嬗卸喾N功能的算法以節(jié)省時(shí)間等措施來(lái)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高速度。配電系統(tǒng)和用電設(shè)備的過(guò)載運(yùn)行是經(jīng)常發(fā)生的，例如，照明線路的過(guò)負(fù)荷、大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、變負(fù)荷系統(tǒng)中負(fù)載的增減等等。低壓斷路器作為保護(hù)元件，智能控制器保護(hù)特性必須與被保護(hù)對(duì)象的熱特性配合，其中必須考慮的主要問(wèn)題之一是被保護(hù)對(duì)象熱積累的模擬。過(guò)載時(shí)，系統(tǒng)中負(fù)載電流成倍增加，在線路和設(shè)備上直接以I t 2 的形式表現(xiàn)出來(lái)。在反時(shí)限延時(shí)保護(hù)特性曲線范圍內(nèi)被保護(hù)電器的時(shí)間一電流特性呈現(xiàn)“ I t = 常數(shù)2 ”的反時(shí)限特性。不管電流如何變化，被保護(hù)對(duì)象最終的熱積累總值應(yīng)符合=nii i I t I t12 2 ，保護(hù)功能是智能控制器最重要的功能之一，保護(hù)功能的設(shè)計(jì)在整個(gè)控制器的設(shè)計(jì)中占有極其重要的地位。本節(jié)討論智能控制器的保護(hù)功能及其實(shí)現(xiàn)原理，重點(diǎn)介紹過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬動(dòng)三段電流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理?；贏RM 的斷路器智能控制器的研究122.2.1 保護(hù)的算法及分析電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，往往是在基波上疊加有非周期分量(衰減的直流分量)和高次諧波分量。根據(jù)IEC60947.2低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備、第二部分?jǐn)嗦菲饕?guī)定，為了使智能控制器能正確地發(fā)出脫扣信號(hào)，不致使脫扣器產(chǎn)生誤動(dòng)作，必須對(duì)輸入的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，盡可能的濾除那些非周期分量和高頻諧波。傅氏算法帶有很強(qiáng)的濾除高次諧波的功能，且收斂穩(wěn)定，因而得到了廣泛的應(yīng)用。本課題研究的智能控制器的保護(hù)算法采用傅氏算法，以電流為例，分解出n 倍頻率的電流的實(shí)部、虛部分別如以下公式所示：實(shí)部 ( ) 1Re2 2( ) cosNkk n kN NI ip= * * * （211）虛部 ( ) 1Im2 2( ) sinNkk n kN NI ip= _* * * （212）將N=32，n=1 代入上述兩式，則電流基波的實(shí)部R1 I 、虛部I1 I ，電流基波幅值為：12 2I IR1 II1 = +當(dāng)計(jì)算出來(lái)的電流基波幅值大于或等于電流整定值的時(shí)候，就判斷為故障。為了計(jì)算上的方便，同時(shí)為了減小誤差，編程時(shí)直接采用平方值來(lái)比較，即2 21 I I設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為故障發(fā)生。2.2.2 三段電流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理過(guò)電流保護(hù)是智能型斷路器最重要的保護(hù)功能。斷路器的智能控制器具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)，短路短延時(shí)和短路瞬動(dòng)三段電流保護(hù)特性20。(1)過(guò)載保護(hù)a.過(guò)載及其危害性在電力系統(tǒng)的運(yùn)行當(dāng)中，可能發(fā)生各種故障和一些非正常的運(yùn)行現(xiàn)象，其中最常見(jiàn)的非正常運(yùn)行狀態(tài)就是過(guò)載。過(guò)載是指供電線路中的電流高于額定電流的一種非正常的工作狀態(tài)。過(guò)載電流不會(huì)馬上危害到電網(wǎng)和電器設(shè)備，但是如任由其發(fā)展下去，長(zhǎng)時(shí)間的累計(jì)效應(yīng)，同樣會(huì)給線路和用電設(shè)備帶來(lái)很大的破壞。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作在超過(guò)其額定電流的情況下，不論是絕緣還是各部件的機(jī)械強(qiáng)度都將迅速降低，加速系統(tǒng)的老化，而且機(jī)械性能、電接觸性能的降低又會(huì)給其他類(lèi)型的故障提供了可能性，所以更要認(rèn)真對(duì)待。主要有以下幾個(gè)方面的影響:1) 絕緣材料在使用中如果超過(guò)了限定的溫度，將會(huì)加速老化，其電氣絕緣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度將不斷的降低，大大縮短使用的壽命。2) 導(dǎo)體發(fā)熱會(huì)引起接觸部分的接觸電阻增大，溫度升高，危及正常的工作。3) 長(zhǎng)期的發(fā)熱會(huì)使導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度顯著降低，可能在短路電動(dòng)力的作用下變形或者損壞。4) 可能引起火災(zāi)。河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文13b.過(guò)載及保護(hù)的基本原理及其實(shí)現(xiàn)過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)具有斜波特性，即I2t 特性，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：2 (1.5 )2 L L r L I T = I t （213）其中L I 為過(guò)電流值，L T 為動(dòng)作時(shí)間，r I 為電流整定值， L t 為長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值。由公式可見(jiàn)長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)具有反時(shí)限特性，其動(dòng)作時(shí)間與故障電流成反比。長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值決定了過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)的保護(hù)范圍。對(duì)于過(guò)載電流產(chǎn)生的故障，智能控制器按2 I t 等于常數(shù)關(guān)系呈反時(shí)限特性，可以實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的斷路器選擇功能。反時(shí)限保護(hù)的實(shí)質(zhì)是熱保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間和電流平方成反比，我們可以根據(jù)測(cè)得的過(guò)電流倍數(shù)，查表得到動(dòng)作時(shí)間，動(dòng)作時(shí)間一到，就發(fā)生保護(hù)動(dòng)作。具體的技術(shù)指標(biāo)為:Ir=(0.4-1)In；tL=15，30，60，120，240s，其中In 為額定電流值。圖2.1 是過(guò)載保護(hù)的原理框圖，其中采樣部分實(shí)時(shí)監(jiān)視被保護(hù)線路，不斷的采集電流信號(hào)并加以處理送入邏輯單元，邏輯單元將得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算后和整定值進(jìn)行比較，判斷是否要對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行動(dòng)作，如果是，那么它的輸出信號(hào)還應(yīng)該經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。圖2.1 過(guò)載保護(hù)原理框圖Fig. 2.1 Circuit diagram for over loading protect為了提高系統(tǒng)的可靠性，由互感器轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的電信號(hào)還必需進(jìn)行預(yù)處理，處理的過(guò)程包括濾波、隔離、放大、隔直。為適應(yīng)斷路器能工作在不同電流范圍的電網(wǎng)中，互感器選用線性范圍大的空心互感器；放大隔離環(huán)節(jié)的放大器采用5V 電源供電；在線路中并聯(lián)電容，濾去電網(wǎng)中的高次諧波；另外，為了保證A/D 采樣的精度，加入隔直電容去掉直流成分。具體電路圖如圖2.2 所示。6圖2.2 過(guò)載保護(hù)信號(hào)處理電路圖Fig.2.2 Circuit diagram for dealing with over loading protect signal整定值輸入信號(hào) 輸出信號(hào)采樣單 元邏輯單 元保護(hù)單 元基于ARM 的斷路器智能控制器的研究14(2)短路保護(hù)a.短路故障及其危害性短路是指在電力系統(tǒng)中不同相的兩個(gè)導(dǎo)線之間或者是導(dǎo)線和地線之間產(chǎn)生直接接觸的現(xiàn)象。短路故障的發(fā)生，使得電力系統(tǒng)中的電壓降低，電流增大，引起嚴(yán)重的不良后果:1)強(qiáng)大的短路電流將引起熱效應(yīng)，使得導(dǎo)體和電氣設(shè)備由于過(guò)熱而造成絕緣破壞，導(dǎo)體熔化。2)導(dǎo)致設(shè)備的變形或者損壞。3)破壞整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4）使觸點(diǎn)熔焊，引起火災(zāi)。b.短路短延時(shí)的特性及其保護(hù)實(shí)現(xiàn)短路短延時(shí)特性可以分為兩段，即反時(shí)限特性和定時(shí)限特性。當(dāng)短延時(shí)電流整定值小于8Ir 時(shí)，斷路器短延時(shí)特性同時(shí)具有反時(shí)限和定時(shí)限保護(hù)特性；當(dāng)短延時(shí)電流整定值大于8Ir 時(shí)，斷路器短延時(shí)特性只有定時(shí)限特性。短延時(shí)的反時(shí)限保護(hù)和過(guò)載的一樣，也是通過(guò)查表法判斷是否動(dòng)作。具體的技術(shù)指標(biāo)為:Ir=(0.4-15)In；tS0.1，0.2，0.3，0.4s，其中In 為額定電流值，tS 為延時(shí)時(shí)間。當(dāng)短延時(shí)動(dòng)作電流在(18)Ir 之間時(shí)，短路短延時(shí)呈反時(shí)限特性，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示:2 (8 )2 s S r S I T = I t （214）其中IS 為過(guò)電流值，TS 為動(dòng)作時(shí)間，Ir 為電流整定值，tS 為短延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值。當(dāng)短延時(shí)動(dòng)作電流大于8Ir 時(shí)，保護(hù)特性自動(dòng)轉(zhuǎn)換成定時(shí)限特性，這時(shí)候短延時(shí)的動(dòng)作時(shí)間和電流的整定值無(wú)關(guān)，一般有tS=0.1，0.2，0.3，0.4s 可供選擇。當(dāng)故障電流大于整定電流值時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器，只要定時(shí)時(shí)間一到，就產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作。在定時(shí)時(shí)間內(nèi)，如果故障電流值小于整定值，則保護(hù)退出。短路故障是電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行的最重要原因，有效切斷故障線路是斷路器的主要功能，同時(shí)又要保證沒(méi)有出現(xiàn)故障的線路正常運(yùn)行。這就是所謂的選擇性短路保護(hù)。對(duì)于具有選擇性保護(hù)功能的系統(tǒng)，動(dòng)作時(shí)間的整定應(yīng)該分級(jí)進(jìn)行:主干線上的斷路器短延時(shí)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)該大于支路上的全分?jǐn)鄷r(shí)間。在短路短延時(shí)保護(hù)中，對(duì)采集到的電流信號(hào)利用積分法進(jìn)行有效值處理，CPU 將結(jié)果和整定值進(jìn)行比較，判斷是否動(dòng)作。由于經(jīng)過(guò)互感器轉(zhuǎn)化來(lái)的電流信號(hào)屬于大信號(hào)，所以不需要進(jìn)行放大就可以送入CPU 進(jìn)行處理，在設(shè)計(jì)短路延時(shí)保護(hù)時(shí)，只要加濾波和隔離電路即可。其中一路短路保護(hù)信號(hào)處理電路原理圖如圖2.3 所示。河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文15R1 R2C1 C2IA A/D圖2.3 短路保護(hù)信號(hào)處理電路圖Fig.2.3 Circuit diagram for dealing with short circuit protect signalc.短路瞬動(dòng)短路瞬時(shí)保護(hù)功能是為了在較大短路電流時(shí)能及時(shí)分?jǐn)嗑€路而設(shè)置的，它的動(dòng)作特性為定時(shí)限，動(dòng)作時(shí)間一般在10-20ms。采用即采即比的方法，CPU 將采集來(lái)的電流信號(hào)的峰值和整定值進(jìn)行比較，如果某次的電流信號(hào)峰值大于整定電流值，則再采樣一次，兩次的結(jié)果相近的話，說(shuō)明發(fā)生短路故障。如果兩次結(jié)果相差很大，那么就不是短路故障。2.2.3 其他保護(hù)功能除上述的三段保護(hù)功能外，智能脫扣器還可以實(shí)現(xiàn)斷路器的接地保護(hù)，欠電壓和失壓保護(hù)，不平衡和斷相保護(hù)功能：（1）接地保護(hù)接地故障是指電網(wǎng)的線和地發(fā)生短接而產(chǎn)生的故障，嚴(yán)重危及電氣設(shè)備和人的安全。智能控制器必須在接地電流超過(guò)整定值時(shí)實(shí)現(xiàn)斷路器的脫扣或者發(fā)出報(bào)警信號(hào)。具體的技術(shù)指標(biāo)為:Ir=(0.2-0.8)In；ti=0.1，0.2，0.3，0.4s 其中In 為額定電流值7。接地電流取中線電流IN 與三相電流的矢量和，即G A B C N I& = I& + I& + I& + I& ，具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖2.4 所示。三相電流和中線電流在A 點(diǎn)進(jìn)行矢量和，然后經(jīng)過(guò)放大和隔離處理后，進(jìn)入CPU 進(jìn)行處理。由于接地故障電流可能出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，在超過(guò)電流整定值后不能持續(xù)到故障的整定時(shí)間，造成主控制器不能正確的發(fā)出脫扣信號(hào)，這就要求在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，讓斷路器智能控制器附帶記憶功能，把幾次超過(guò)故障整定電流值的時(shí)間記錄下來(lái)，一旦累計(jì)的時(shí)間超過(guò)了故障整定時(shí)間，智能控制器就進(jìn)行正確的脫扣?；贏RM 的斷路器智能控制器的研究16圖2.4 接地保護(hù)信號(hào)處理電路圖Fig.2.4 Circuit diagram for dealing with grounding protect signal(2)欠壓/失壓保護(hù)、不平衡和斷相保護(hù)這兩種保護(hù)功能主要是針對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能。失壓/欠壓保護(hù)是當(dāng)電源電壓短時(shí)降低或中斷時(shí)，對(duì)不需要自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，或?yàn)楸ＷC重要電動(dòng)機(jī)的自起動(dòng)而需要斷開(kāi)的次要電動(dòng)機(jī)，需裝設(shè)的帶延時(shí)動(dòng)作的保護(hù)，其電壓整定值為:異步電動(dòng)機(jī)60-70的額定電壓，同步電動(dòng)機(jī)50-70的額定電壓，保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限為0.5-1s。當(dāng)三相電流不平衡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正序和負(fù)序電流，進(jìn)而產(chǎn)生正序和負(fù)序力矩使電動(dòng)機(jī)的綜合力矩減少，增加電動(dòng)機(jī)的電流，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱增加，嚴(yán)重則會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。因此不平衡和斷相保護(hù)是以三相電流的差值來(lái)判斷是否動(dòng)作的，當(dāng)三相電流的差值大于整定電流時(shí)，一旦到達(dá)整定時(shí)間，就發(fā)出脫扣信號(hào)8。2.3 負(fù)載監(jiān)控河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文17在供電電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)智能斷路器(控制器)作為上一級(jí)的保護(hù)開(kāi)關(guān)，下一級(jí)有多條負(fù)載支路給不同的負(fù)荷供電時(shí)，如果下一級(jí)某條支路存在故障使上一級(jí)的保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，這將使接在保護(hù)開(kāi)關(guān)下的所有支路斷電。因此，在實(shí)際使用過(guò)程中，要求控制器(斷路器)具有負(fù)載監(jiān)控功能，能保障供電主回路和下級(jí)重要負(fù)荷支路的繼續(xù)供電。負(fù)載監(jiān)控保護(hù)的主要思想是負(fù)載調(diào)度，保護(hù)分為兩種方式。方式一可控制兩路負(fù)載，當(dāng)運(yùn)行電流超過(guò)相應(yīng)的電流整定值LC1 I ， LC2 I 時(shí)，延時(shí)發(fā)出指令信號(hào)分?jǐn)嘞鄳?yīng)的下級(jí)不重要負(fù)載。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：延時(shí)12 2 ( )12 1.5 r LI T = I t （215）延時(shí)22 2 ( )14 1.5 r LI T = I t （216）在式（215）和（216）中， r I 為過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)的電流整定值，設(shè)定范圍（041） n I ； L t 為長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值，設(shè)定范圍15s、30s、60s、120s、240s、480s。方式二控制一路負(fù)載，當(dāng)運(yùn)行電流超過(guò)電流整定值LC1 I 時(shí)，延時(shí)分?jǐn)嘞录?jí)不重要負(fù)載，其延時(shí)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為2 2 ( )12 1.5 r LI T = I t ，如分?jǐn)嗪笾麟娏飨陆抵罫C2 I 整定值并持續(xù)60s 后，控制器可再發(fā)出指令信號(hào)再次接通已分?jǐn)嗟呢?fù)載，恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的供電。2.4 智能控制器的自診斷智能控制器的自診斷功能主要對(duì)控制器自身的工作狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)。通過(guò)自診斷，智能控制器(低壓斷路器)能確知當(dāng)前系統(tǒng)是否工作正常。如果診斷出系統(tǒng)錯(cuò)誤，控制器能發(fā)出報(bào)警信息，進(jìn)入保護(hù)處理;進(jìn)而能啟動(dòng)自我修復(fù)程序。通過(guò)自診斷功能，智能控制器將提高自身的智能化水平和可靠性程度。智能控制器主要對(duì)以下四個(gè)方面進(jìn)行診斷:（1）環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)80+5時(shí)，發(fā)出故障信號(hào)；（2）MCU 或E2PROM 的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警；（3）拒動(dòng)報(bào)警，當(dāng)控制器發(fā)出脫扣指令后，若斷路器拒動(dòng)，則再次發(fā)出脫扣指令，如斷路器仍然拒動(dòng)，則輸出報(bào)警信號(hào)；（4）電源監(jiān)視，當(dāng)斷路器閉合運(yùn)行時(shí)，一旦MUC 的工作電壓出故障，則報(bào)警。_第三章 智能控制器的硬件設(shè)計(jì)硬件電路是智能控制器工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的好壞，將直接影響到智能控制單元功能的實(shí)現(xiàn)。除了工作性能之外，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也是工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到的一個(gè)重要因素，尤其是在我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)不甚發(fā)達(dá)的情況下，能夠長(zhǎng)期占據(jù)市場(chǎng)的將是那些高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品。硬件電路的設(shè)計(jì)要圍繞智能控制器單元功能的要求進(jìn)行，本控制器集測(cè)量、保護(hù)、控制、通訊等功能于一體，為此控制器必須對(duì)電壓、電流等模擬量進(jìn)行采樣，采集開(kāi)關(guān)量，并輸出各種控制和報(bào)警信號(hào)。同時(shí)可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，具有良好的人機(jī)交互功能。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮增強(qiáng)其自身的抗干擾性能，本章主要介紹低壓斷路器智能控制器單元硬件電路的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是綜合考慮系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的各種功能和各部分硬件之間的關(guān)系，來(lái)選擇所需芯片，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電路原理圖以及印刷電路板。3.1 硬件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則智能控制器的硬件設(shè)計(jì)圍繞其功能進(jìn)行，同時(shí)要求遵循以下準(zhǔn)則：軟硬件合理劃分：系統(tǒng)中軟件和硬件在邏輯功能上等效的。具有相同功能的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，其軟硬件功能分配可以在很寬的范圍內(nèi)變化。系統(tǒng)的軟硬件功能分配要根據(jù)系統(tǒng)的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、減少所需的存儲(chǔ)量，有利于檢測(cè)和控制的實(shí)時(shí)性。相反，提高軟件功能的比例可以降低硬件的造價(jià)，提高靈活性和適應(yīng)性，但相應(yīng)速度要下降，軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用和所需的存儲(chǔ)器容量要增加。劃分的原則是在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及可靠性的前提下，系統(tǒng)功能盡可能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1）簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選用集成電路，少用分立元件，這樣有利于提高系統(tǒng)的集成度，減少元器件相互之間的連線、接點(diǎn)和封裝數(shù)目，從而大大提高系統(tǒng)工作的可靠性。（2）模塊化設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)根據(jù)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能劃分為若干功能模塊，盡可能選用模塊化結(jié)構(gòu)的