智能断路器论文（通用7篇）
智能断路器论文 篇1
随着我国经济快速的发展, 智能化配电系统由开关配以具有通信功能的智能化原件, 经数字通信与计算机系统网络连接, 实现变电站开关设备运行管理的自动化、智能化。就相应的设计人员来说, 需在充分系统功能的前提下设计经济、合理的配电方案, 这就面临着多样的电器元件的选型与配合问题。
1 简要分析智能化配电系统
智能化配电系统是将行业技术、现代信息技术、现代通信技术、智能控制技术、计算机网络技术等等汇集在一起的智能应用集合。近年来, 伴随着信息技术的深化发展, 其复杂度以及技术水平愈发增强, 在工业领域, 智能化配电的先进概念得到合理渗透, 逐步构成具体的网络集成式全分布控制系统, 可实现对整个系统运行的可靠性以及实时、快速需求的充分满足。比如, 对于一个10KV的配电系统来说, 就要以ZN63A-12型高压真空断路器, 此断路器是我国独立自主研发, 并且功能已经与ABB公司生产的VD4-12型高压断路器相媲美。而且在市场上的性价比也具有明显的优势, 它已经成为了我国高压断路器中主流产品之一。可是, 因为高压真空断路器自身也有着缺点就是不具备通信功能, 如果想要在智能化的供电和配电系统中实现遥信与遥控, 就一定要配置网络电力监控装置。比如集“三遥”功能于一身的智能电力仪表就可以实现下面的功能:
1.1 关于断路器开关的合闸状况、分闸状况、储备状况、以及工作位置的只是、试验位置指示等的“遥信”
1.2 关于断路器开关的合闸、分闸。储能等进行遥控。
1.3 关于断路器回路的电流、电压、频率、功率因数、有功电度、无功电度等进行电力参数的遥测。
在新建工程的高压配电系统中, 可以使用传统的继电器保护, 然后选择相应系列的智能电力仪表和对应的智能配电监控软件组成的自动化系统, 既能节约大量的工程项目投资, 也可以满足供配电系统对高压保护的要求。
2 AEC公司智能配电系统中的电气解决方案
在美国能源控制公司AEC研制的自动化产品中, 智能配电系统原本是其的关键构成部分。根据电气成套开关设备的相关要求特点, 该公司继而实现AECONTROL变电站监控系统的推出。一般来说, AE-CONTROL可谓是将变压器、中压开关设备以及变电站开关设备集于一身的智能配电管理系统, 该系统隶属于一体化分布形式。在充分结合断路器遥信、遥控以及遥测等等相关技术要求与功能需求的基础上, 应该为每台断路器设备进行通讯模块地合理配置, 再采用总线形式加之配电站的监控集成柜通过RS485串行口接口形式来实施通信行为, 在此需要注意的是看, 监控集成柜跟380V开关柜模块相互间通信所需规约应充分相应的MODBUS KTU规约要求。对于变电站来说, AECONTROL系统主机作为其的一体化监控平台, 能够很好为系统实现相应的集中监控功能, 将前端机设备配置于系统现场层面位置, 采用内部的以太网将其跟监控主机连接在一起;位于前端机下方, 且处于开放的设备层的现场总线网络, 可谓是将变电站各个设备进行合理连接的智能化装置。工业PC机是前端机主要的组成部分, 其具备有较强的抗干扰与通信处理等等功能, 实现了对网关与路由器设备的合理取消, 将相应的网络结构进行了有效简化, 促进底层变电站所有设备可完成无缝连接。就目前的情况而言, 很多现场智能化装置虽然有着一定的数字通信功能, 却是没有通过较为严谨的一致性以及互操作性检测的现场总线设备, 其通信所具备的兼容性相对较差, 所持有的协议欠缺统一性。然而, AECONTROL前端机所具备的较为灵活的通信处理功能, 可充分符合相应的系统开放需求, 具体来说, 则为现场总线产品既能满足可连接标准, 又可以跟其他智能化装置进行兼容, 将其所具备的灵活性充分扩展, 满足用户变电站各个设备的系统集成需求。该公司可在国内实现对6到110千伏整个系统的所有微机综合保护单元的有效提供, 同时, 还可实现对400伏低压电动机保护控制器与智能配电仪、自动化后台监控设备的有效提供。在进行AECONTROL连接的时候, 能够充分实现上述功能的代表性智能化装置包括AEC2000系列微机综合保护测控单元、AEC6800/AEC46系列智能配电仪表和AEC4900电动机保护控制器等。
通过计算机系统以及现场总线可将AEC2000系列的微机综合保护测控单元合理的连接起来, 使得故障信息以及围护信息管理、开关保护设置、开关保护定值设置、显示和测量相应的电参量等等功能得以实现;远程控制和针对电能质量展开的综合监控与测量等三遥功能可通应用C6800/AEC46系列智能配电仪表设备得以实现;在运用现场总线技术的基础上, AEC4900智能电动机保护装置拥有了甚是强大的测量和现实具体参数功能以及控制和保护电动机的相关功能, 具体来说, 星三角、正反转以及直接起动、双速等等为主要的控制功能, 其保护功能涉及有针对过载、漏电以及断相、欠压、三相失衡、堵转、电动机发热等等情况实施的保护, 同时, 可针对功率、三相电压与电流、故障类型报告、功率因数、电动机运行维护的相关信息等等进行合理测量与有效显示。与此同时, AEC4900电动机保护控制装置能够为电动机装置提供必要的故障预测和自动重起的相关功能, 持有相应的双冗余通信接口。在这里需要特别进行推荐的是, AEC6800系列智能配电仪表, 其不仅可以遥测三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电度、无功电度, 还可以遥信开关的合分闸状态及遥控开关的合分闸操作。除此之外, 其拥有者十多种扩展模块, 可将选择各类通讯协议以及测量谐波等等相关功能得以实现, 该设备开启了在智能配电产品上运用VFD真空荧光显示技术的先河, 使得其在同类产品中脱颖而出, 具备有较高的对比度特性以及亮度, 使其能够在温差变化大、震动剧烈以及高压等等多种较为恶劣的环境中获得广泛应用。
3 结束语
由上面案例我们可以看出, 进行智能化设计时, 一定要尽可能的满足供配电设计规范及系统智能化设计的要求为前提。只有选择智能断路器配合智能电力仪表, 才能达到断路器本身自带的功能发挥出作用, 这样也会相对应的减少工程造价的成本。
参考文献
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低压断路器智能测控系统设计 篇2
关键词：断路器,测控系统,MSP430单片机,复杂可编程逻辑器件
0 引言
低压断路器是电力系统中低压配电网中的主要低压电器之一,主要在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用,实现对配电系统、输电系统和用电设备的过载、短路、接地故障以及欠压等的智能保护,确保供电系统的可靠性和安全性,应用十分广泛。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,断路器的保护装置己经由传统的电磁式过流脱扣器发展成采用集成电路的电子式脱扣器,直至目前出现了带高性能微处理器的智能控制器,提高了断路器的智能化程度,其保护功能也从原有的过电流保护扩展至过载、接地保护等功能;另外,还可以实时显示电网的有关参数,允许用户根据具体的情况来整定各种保护参数,具有自检测功能和预报警功能,同时提供网络通信接口,方便和计算机进行通信。本文以先进的MSP430单片机和复杂可编程逻辑器件CPLD为核心设计了一套用于智能化低压断路器的测控系统,该测控系统具有实时测量各项电网参数、过载报警与自动卸载、三段电流保护及欠压保护、通信组网、方便的保护参数整定和历史动作信息查询等功能。
1 智能测控系统总体设计
低压断路器工作在较为恶劣的电磁环境中,测控系统作为断路器内的核心控制装置,其可靠性和稳定性对保证断路器的正常工作起着至关重要的作用。由于断路器检测的交流电流的范围非常大(从几安培到几千安培不等),电流传感器出来的电压信号通常也比较高,而测控系统易受到此强电压的电磁干扰。因此,为了保证测控系统具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性,在硬件设计上,将测控系统的强电部分和弱电部分分开,即测控系统分为主机板(弱电板)和接口板(强电板),在接口板上完成信号的预处理,把强电压信号变为小电压信号,同时测控系统的驱动部分也放在接口板上,保证主机板上只有弱电信号。
2 智能测控系统硬件设计
测控系统硬件设计包括主机板设计和接口板设计。主机板需完成的功能主要有:线路电压、电流、频率等的检测与显示;根据检测结果和保护整定值进行智能判断,作出长延时、短延时、瞬时及欠电压的保护决策,并发出卸载和脱扣等控制信号;保护参数整定及历史动作信息查询;与上位监控计算机进行通信。接口板需完成的功能主要有:为接口板及主机板提供电源,信号的预处理,接收来自主机板的卸载、脱扣、合闸和分闸的控制信号,完成控制信号的驱动以便执行机构完成卸载、脱扣、合闸和分闸动作。
2.1 主机板设计
主机板硬件结构如图1所示。
本测控系统选用的微处理器是TI公司生产的具有超低功耗的MSP430系列单片机中的MSP430F149一款[1,2],该系列单片机在电力系统微机测量和保护方面得到了广泛应用,该芯片具有:2 KB RAM数据存储器,故易于实现高速存取;60 KB闪存Flash ROM程序存储器;Pl～P6共6个8位双向多功能口,引脚复用,其中,P1、P2的全部引脚具有外中断功能,可响应16个中断源;两个具有捕获功能的16位定时器Timer_A、Timer_B和一个看门狗定时器;一个具有8个外部通道的12位高性能模数转换器ADC12(ADC12的速度可高达200 k Hz),其精度、速度都已够用,不需外部扩展;两个USART接口,不需要扩展便可和上位监控计算机进行通信。
考虑到断路器在合闸、分闸时,会产生强的电磁效应,如果直接由单片机的I/O口去驱动,外部的电磁干扰可能会使单片机的程序跑飞或复位,严重影响执行效果,考虑到CPLD内部硬件结构的可靠性及快速反应性,由CPLD完成合闸、分闸和脱扣等执行信号的输出,不会存在单片机因外部干扰而使程序跑飞的问题,因此可以在很大程度上提高智能测控系统的抗干扰能力[3]。因此,测控系统中开关量的输入和输出都由CPLD完成[4]。本次设计CPLD选用的是Xilinx公司的XC9536XL,该芯片具体资料可参考其用户手册。
主机板电源电路主要将来自接口板的+5 V电源转换为主机板所需的多种电源。+3.3 V作为主机板的数字电源,为CPLD和单片机及外围电路供电,±12 V和+2.5 V作为主机板的模拟电源,其中±12 V用于为信号处理电路中运放供电,+2.5 V用于产生1.25 V基准电压。
信号处理电路包括信号调理电路和频率检测电路两部分,信号调理电路实际上是完成信号的变换。由于单片机MSP430F149片内模数转换器ADC12为单极性且参考电压为2.5 V,因此输入ADC12的信号电平应为0～2.5 V。本测控系统先采用精密的2.5 V并联稳压器LM236产生2.5 V电压,再取1.25 V作为基准,将交流信号的零点提高到基准电压,然后使用运放作电平变换,即可将信号电平变为0～2.5 V。
对电网频率的检测由频率检测电路完成的,如图2所示,原理是把来自电压互感器的正弦波电压信号经滞回比较器整形为方波,间接计算方波的频率进而得到电网的频率。
键盘和液晶显示电路构成测控系统的人机接口,用于整定保护参数和查询历史动作信息等,键盘电路采用行列扫描式键盘,液晶显示电路选用一块128×64点阵型的液晶显示模块OCM12864;实时时钟电路用于为测控系统提供时间,以记录断路器动作发生的时刻;E2PROM存储电路用于存储断路器的历史动作信息。
测控系统的通信是用单片机MSP430F149内集成的通用串行同步或异步模块USART0完成的。通信接口电路主要用于将MSP430F149的TTL信号转换为RS485信号,以方便与上位监控计算机相连,RS485收发器设计采用的是具有瞬变高压抑制功能的SN65LBC184,通信接口电路如图3所示。
2.2 接口板设计
接口板属于智能测控系统的强电板,硬件电路框图如图4所示,主要由信号预处理电路、开关量输入输出电路、电源电路、输入输出接口等构成。下面对信号预处理电路、开关量输入输出电路和电源电路进行介绍。
信号预处理电路主要用于实现两大功能:一是进行低通滤波,由于电力系统中的模拟信号其主要成分是1、3、5次谐波,本次设计采用RC低通滤波电路对6次以上的谐波和高频干扰加以滤除,低通滤波器的R取1 kΩ,C取0.47μF,则截止频率约为339 Hz,可以保证滤除掉6次以上的谐波和高频干扰;二是把电流传感器输出的强电压信号变换为主机板处理的小电压信号。
开关量输入输出电路包括脱扣电路、合分闸电路和2路卸载电路。如图4所示,本文中开关量输入信号是指手动合闸信号、手动分闸信号和来自分闸继电器的反馈信号;开关量输出信号包括脱扣信号、合分闸信号和卸载信号,图5为脱扣电路原理图。
电源电路负责给接口板上所有电路供电,并给主机板提供+5 V电源。测控系统采用外接工作电源(主电源)和辅助直流电源供电,一般情况下以外接工作电源为主。外接电源为+24 V,由变压器副边电压经整流及滤波后产生,+5 V电源由+24 V经开关稳压器LM2576-5降压产生。考虑到主电源在被保护线路的上级断路器分闸后将消失,如果要求智能测控系统仍然能够完成通信、查询历史动作信息等功能时,则需外接一个直流+24 V电源。
3 智能测控系统软件设计
测控系统需要完成的任务较多,主要有:电流、电压的采样及有效值的计算;频率的检测和计算;各种保护的判断和处理;键盘的处理;液晶的显示;通信数据的接收、处理和发送等。软件设计工作的工作量比较大,所以测控系统的软件设计采用模块化的程序设计方法。主程序的流程图如图6所示。
在主程序中,主要完成初始化、通信数据帧处理、电流与电压有效值的计算、电网频率的计算、故障保护处理和LCD刷新显示,其中初始化包括系统时钟初始化、ADC12模块初始化、Timer_A和Timer_B初始化、单片机I/O口的初始化和液晶显示模块LCD的初始化等。中断程序包括:定时器中断、键盘中断。
3.1 数据采集子程序设计
数据采集子程序包含两个中断服务子程序,一个采用MSP430F149的定时器Timer_B实现电压、电流的定时采样,另一个采用MSP430F149的定时器Timer_A的捕获中断功能实现电网频率的测量,Timer_B的定时采样子程序流程图和Timer_A的频率检测子程序流程图如图7所示。
在定时采样数据处理子程序中,采用交流采样算法,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或电压函数值,再进行均方根值的计算[5]。测控系统对电流信号的采集,理论上采样点数越多则越能恢复原始信号,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。
如本文2.2小节所述,电力系统中模拟信号的主要成分是1、3、5次谐波,对于6次以上谐波和其他高频干扰通过信号预处理电路的低通滤波器滤除,对于6次及以下各次谐波分量用数字滤波算法加以提取。假定电网频率为50 Hz,则由香农采样定理可知,采样频率应不小于600 Hz,即每个周期的采样点数应不小于12个[6]。本测控系统对每周波采样16点,即1.25 ms采一次,设计中选用Timer_B,时钟源为8 MHz的晶振,分频因子为8,所以定时周期为1.25 ms时,比较寄存器TBCCR0的值设为4E2 H。设定Timer_B为连续增计数模式,当计数器增计数到TBCCR0的值时,Timer_B就会发生中断,这时启动A/D转换,依次对各通道电流信号和电压信号进行采样。在Timer_B的定时中断中,通过查询ADC12IFG0寄存器的状态来判断A/D转换是否完成,如果已完成就将转换数据读出,放到片内2 KB的寻址RAM里,并将事先设置的采样次数变量COUNT增1,当采样次数超过16时,将周期采样标志flag置为1,表示每周波16点的采样已经完成,可以进行有效值的计算。
定时器Timer_A工作于捕获模式,脉冲触发沿选定为上升沿。在捕获中断中读取最近两次的捕获上升沿的计数值,两次计数值的差值即为方波信号的周期,此周期值与电网周期值相等,其倒数即为电网频率值。
3.2 键盘中断子程序设计
图8给出了键盘处理子程序的流程图。
当有按键按下时,将触发键盘电路中单片机P1口的中断,进入键盘处理子程序,通过操作键盘上的菜单、上、下、左、右、确认和返回7个按键,就可根据用户的要求灵活地进行保护参数的整定及查询、历史故障记录的查询和完成一些其他设置。
4 结语
低压断路器对低压配电系统供电的安全性和可靠性至关重要,本文重点研究了断路器核心控制装置——智能测控系统的设计,该测控系统以MSP430单片机和CPLD为核心,采用“主机板+接口板”结构,有效地提高了测控系统的抗电磁干扰能力,且保护功能完善、整定方便且可方便地通过RS485总线进行通信组网,具有低成本、低功耗、功能完善和抗干扰能力强等特点,对设计和开发新一代智能型低压断路器有一定参考价值。
参考文献
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智能断路器模拟器的设计 篇3
关键词：断路器模拟器,STM32f100,Modbus通讯协议
0 引言
电力系统中,配电是一个极其重要的环节。配电系统包括变压器和各种高低压电器设备,低压断路器是电力系统中应用最广泛且是最重要的电器设备之一,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等工作[1,2]。
继电保护工作中,为方便调试,模拟断路器的出现就显得很有必要。模拟断路器不仅可以完全实现普通断路器对继电保护系统发出的通断信号做出反馈,对普通断路器进行通断控制和测试,对保护装置进行检测,确保保护装置的无误稳定的工作,在提高继电保护工作效率的同时,延长了模拟断路器的使用寿命。
传统的模拟断路器,主要表现在位置一旦确定就不能再改变,而且性能也不是特别符合生产和工作中的需求[3]。基于8bit的单片机的断路器,很难满足目前的要求。DSP逐渐运用到智能模拟断路器中,可是,性价比不高。自从ARM公司推出Cortex-M3后,其价格优势就比较明显了,M3主要是面向低成本和高性能的MCU应用领域,其可选的产品型号也较多,价格也较便宜。本设计便是在STM32f100微处理器的平台上,设计一种新型的智能模拟断路器[4]。
1 系统总体方案设计
本设计主要用来解决备用电源自投设备的调试和继保调试等实际工作中经常遇到的各种实际问题。在现有的断路器的基础上,以STM32f100为控制中心,设计出一种智能型的模拟断路器,实现了按键、无源开入量和485通讯协议三种方法控制主回路的通断,能够实时显示电路的通断状态,同时可以实现开关量的输出。工作过程中,模拟断路器以其完善的功能和特点,不仅可以实现断路器的功能,而且可靠性更高,操作更加简单,性能更加优良。
系统功能分析的基础上,结合实际的需要,将整个系统分为以下9个模块:STM32f100控制模块、AC220V电压输入模块、按键模块、无源开入量模块、通信模块、AC220V电压输出模块、开关量输出模块、LED显示模块、电源模块,系统总体结构功能框图如图1所示:
2 系统的硬件电路设计
2.1 电源模块
在3.3V电源转换中,输入电源DC24V,经过DC-DC转换芯片WRB2405降到5V电压,再通过电容滤波得到较稳定的5V电压[5]。然后,经过低压差线性稳压器AMS1117-3.3转换成标准的3.3V,通过电容滤波得到稳定的3.3V电源[6]。
在C+5V电源转换中,在DC-DC转换芯片WRB2405将DC24V降到5V电压的基础上,再经过DC-DC电源隔离模块B0505LS-1WR2输出稳定的5V电源。
2.2 通讯模块
RS485通信模块中,通过芯片SN65LBC184的两个引脚DE和RE实际接收的高低电平判断单片机是接收信号还是发送信号,如果是低电平,则单片机接收信号,反之,单片机发送信号。同时,为减少外界对系统的干扰,SN65LBC184芯片接收和发射端的信号通过高速光耦HCPL0600有效隔离,控制端通过PC817进行隔离。
2.3 主回路分合闸控制模块
主回路分合闸控制模块中,通过来自微处理器的信号控制光耦的通断,从而控制单相主线路的导通与关断。同时采用承受电压高达350V的光耦隔离器件KAQY210,将微处理器和高压电路隔离,减小电路干扰,增强稳定性。
2.4 主回路分合闸状态显示模块
模拟断路器分合闸状态显示模块中,输入端为低电平时,光耦导通红灯亮,绿灯灭;反之输入为高电平时,光耦不导通,红灯灭,绿灯亮。
在两个LED灯的一端,同时加上24V电压,其中绿灯和二极管1N4148串联接入支路中。由于红色发光二极管的压降为2.0~2.2V,绿色发光二极管的压降为3.0~3.2V,二极管1N4148抬高绿灯的导通电压,使得两个LED灯不能同时点亮。同时在主回路中加上2K的电阻进行限流保护。
在输入控制部分,采用线性光电耦合器PC817作为隔离元件,使电路中的之前端与负载完全隔离,以增强安全性,减小电路干扰。主回路分合闸状态显示模块电路如图2所示:
2.5 主回路得失电LED显示模块
模拟断路器的主回路得失电显示电路中,在单相与零线之间接入一个发光二极管,串入一个限流电阻,同时,在发光二极管的两端反并联一个保护二极管,防止回流烧毁发光二极管。
单相电压在220V左右,串入一个大小100K功率为2W的电阻进行保护,为防止反向击穿,用最大输入反向峰值电压为1000V的二极管IN4007进行保护。流过发光二极管的电流大约为3~5m A,保证发光二极管的正常工作。
2.6 开入量模块
无源开入量模块中,通过DSPin1或DSPin2与公共端的连接控制光耦PC817的通断,从而把无源开入量的分闸/合闸信号送给处理器进行逻辑控制主回路的断开/闭合。
2.7 开关量输出控制模块
两路继电器状态输出控制模块中,通过单片机发出的控制信号控制光耦TLP127的通断,从而控制继电器两路常开信号的分合状态。同时,光耦TLP127对24V继电器和单片机进行隔离,减少电路干扰。
3 系统软件设计
软件设计中主要用到的处理器的资源有I/O口的输入输出、定时器2中断、定时器3中断和串口3中断等。软件代码的编写在很多的地方都调用STM32F20x_Std Periph_Lib_V3.5.0编程固件库,在程序代码的编写中通过适时的调用固件库的封装函数,可以避免了直接去操作底层的寄存器,这样大大缩短了设计周期,对编程人员来说省时又方便。
软件设计分为四个部分,即主程序模块、信息采集模块、通讯模块、逻辑信息处理模块。
通讯模块采用Modbus RTU通讯协议,采用RS485总线通讯,通过处理通讯信息得到模拟器的分合闸控制信息,本部分主要利用两个中断完成,一个是定时器2的中断,另一个就是串口3的接收中断。在信息采集模块,通过定时器3设定一个时间片来定时外部调用通讯控制信息、同时采集无源开入量控制信息和按键控制信息,并将三种不同控制方式的分闸信号进行或运算,再将三种控制方式的合闸信息进行或运算,分别把两个或运算的结果分别赋值给两个分合闸的变量,用于逻辑信息模块的调用;逻辑信息处理模块通过外部调用信息采集模块的分合闸的控制变量,进行逻辑控制,主要是实现模拟断路器的逻辑自保护的功能。
主程序的流程图如图3所示。
4 结束语
本文介绍了基于STM32f100断路器模拟器的设计,实现了预期的功能,使得智能断路器在功能的多样性、判断准确性、实时性、人机交互及二次开发的便利性等方面都会有极大的改进。本设计仍还有一些部分内容可以再细化和优化,如考虑过压保护器件TVS管的漏电流情况以及监控主回路电压得失信息的检测电路等内容,就要再完善电路的设计,从而完成更多的功能。
参考文献
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新型智能型大电流断路器 篇4
关键词：断路器,智能,大电流,无线通信
0 引 言
断路器[1]是供电系统中的重要设备,其主要功能是当电路中出现不正常情况时,例如过载、短路、过压和欠压、漏电等,能自动地把负载从电网上断开。目前,住宅使用的断路器主要包括断路器电路单元和脱扣器两部分,属于机械化的断路器。由于机械化部件零散,内部结构复杂,使得现有的断路器外部线路过于复杂,容易出现故障,可靠性较低,并且断路器控制电路供电的电源装置是通过变压器获得,导致断路器体积过大,随着当前智能电网的高速发展,传统的机械型断路器已达不到现有电网的要求。对于当前的一些智能型断路器,虽然能控制线路的通断,但是普遍存在以下几个问题:①断路器能承受的瞬间电流的冲击偏低,基本在100 A。②断路器的脱口器部分还是采用传统的机械脱扣,当断路器通断时,会产生瞬间高压电弧,高压电弧会损坏器件的触头,需要在断路器内部安装灭弧装置。③短路器的人机界面只有简单的电流显示,不方便用户的操作。④断路器的操作需要人近距离的操作,具有一定的危险性。
本研究针对当前断路器所存在的缺点,结合当前电网的发展要求,对智能型大电流断路器设计所涉及到的相关问题进行分析和讨论,在电路单元和脱扣器部分进行创新改进,电路上笔者采用更加智能的单片机来驱动电路,更人性化地实行远程遥控和界面显示,在脱扣器部分,笔者摆脱传统的大型机械脱扣器,直接用电子元器件来替换,以避免高压电弧的产生,对电路的反应也更加灵敏。
1 总体方案及工作原理
断路器由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器和外壳组成。根据这个系统结构,笔者对其各个子系统进行改进和创新,设计了一款智能型大电流断路器[2],它的总体结构如图1所示。该断路器由6部分组成:电源、大电流[3]的信号采样、微处理系统、线路的通断控制、无线通信、界面显示。电源部分直接将220 V交流电转换为可供控制模块和微处理系统使用的工作电源;大电流的信号采样通过零序电流互感器,并结合模拟电子技术中的信号放大和调整,为微处理器系统提供正确可靠的信号;微处理系统由Atmega16单片机和外部接口电路组成,对电流信号进行实时采集、处理、储存,实现各种保护和辅助功能;线路的通断控制通过光耦和晶闸管[4]的组合,用小电流来实现大电流的通断[5];无线通信模块的设立可以通过一个终端设备控制来控制多个断路器的工作,可以进行大规模地统一管理,在断路器上安装一个无线通信模块,当终端发出指令时,它可以接受指令,并执行指令相应的动作;界面显示模块笔者用液晶显示加9个数字键来做,可以实现人机互动,便于用户自己设置合适的值以及相应的操作;同时在界面显示旁边会有一个开关,可以用来手动复位。
2 硬件功能模块的设计
2.1电源模块设计
本研究的电源采用直接接入零火线,通过lnk306芯片进行转化,通过调整电阻值来获得控制模块所需要的13 V电压,实现了220 V到13 V的直接转换[6],从而无需另外给予断路器单独供电,由于微处理系统需要5 V的电压供电,通过78M05芯片来转化。
2.2信号采样模块的设计
本研究通过在零火线上各用一个零序电流互感器,采集零火线上的实时电流,将其转换为可控单片机识别的电压信号,通过LM358的放大倍数调整采样的精度。
2.3微处理系统模块的设计
微处理系统模块主要包括Atmega16单片机[7],JTAG口,3盏显示不同情况的灯,通过JTAG口可以进行程序的烧入和修改,3盏灯的变化可以显示此时线路的状况。
2.4控制模块的设计
因为是大电流的控制,传统意义上的继电器就不能用了,这里用双向晶闸管来实现,它能通过大电流,而且双向晶闸管可以很方便地闭合和断开,由于大电流的操作危险性高,笔者用了光耦来进行隔离,笔者通过一个三极管作为开关,通过单片机控制三极管的导通和断开,而实现光耦的导通与断开,从而实现了用小电流控制大电流的目的。本研究通过双向晶闸管来代替传统断路器的脱扣器还可以避免产生由于线路通断产生的高压电弧。电弧的产生是由于断路器切断通有电流的回路时,只要电源电压大于10 V～20 V,电流大于80 mA～100 mA,在动、静触头分开瞬间,触头间隙就会出现电弧。此时,触头虽然已经分开,但是电路中的电流还在继续流通,只有熄灭电弧,电路才真正断开。如果用双向晶闸管代替传统的脱扣器,就能避免电弧的产生。首先,晶闸管是一个无触点的开关,不存在触头;其次,双向晶闸管的断开需要在线路中的电压过零点时才能断开,也就是说晶闸管的断开瞬间,线路中是没有电流的,这样就能避免电弧的产生。最后,双向晶闸管的介质是半导体,对于电弧的产生也有一定的抑制作用。所以,本研究通过采用双向晶闸管,线路中可以成功避免电弧的产生。在一系列的测验中,晶闸管承受了20 A～3 000 A电流的冲击,都没有电弧的产生,同时晶闸管本身没有出现损坏,安全性非常高。
2.5无线通信模块的设计
最后笔者要将产品应用于家用电器中,并将和电表绑定,这样不但可以保护家用电器,而且还可以便于供电局对电表的管理,无线覆盖范围是200 m,可以在每个小区设置一个终端,通过这个终端来控制这个小区的所有断路器的控制,通过终端发出命令,无线模块接受命令,并把命令传递给微处理系统,微处理系统接受命令,并执行相应的操作。
2.6界面显示模块的设计
为方便用户的操作,笔者将设计人性化的界面显示,笔者用液晶1602来作为显示屏,配以9个数字键来执行相应的操作,在显示屏中,笔者将有以下功能:平时,界面将显示当前线路中的漏电流值和过载值,如果笔者需要对其操作,开始时,笔者将进行设备连接状况的自我检测,如果连接正常,界面上将显示其正常,然后进入主页面,主页面中有以下几项:①漏电流值设置;②过载电流值设置;③密码设置;④删除记录;⑤联网设置;⑥自检。
3 软件功能模块的设计
该系统的输入量有以下几个部分:通过采样模块采集过来的信号,3盏灯的信号输出,光耦的控制信号,无线通信模块的命令信号,外界按键的信号。采样部分,笔者先进行5次预采样,然后采样167次,通过求平均值来获得采样值,从而可以避免有些没用的采样,使采样精度更加准确[8];界面显示部分,由于液晶1602智能显示两行,笔者将采用翻页的形式进行菜单的显示。
该系统的整个程序流程就是程序初始化后进入到主循环,通过读取采样程序部分的数值,与预定数值进行比较,并显示到其界面上,通过终端控制或者自动执行或手动控制来进行故障处理。
程序结构具有模块化和子程序化的特点,同时在程序中加入了抗干扰处理。软件程序分为如下部分。
3.1主程序
主程序主要包括系统的整个工作原理,包括开始阶段的对线路电流进行采样[9],终端的控制,报警,自动保护家用电器,界面的显示及应答相应的操作。
3.2采样程序
采样程序主要包括采样通道的选择以及对此通道数据的采集和存储,在这里,笔者将对线路进行不间断的采样,由于一些不稳定因素的干扰,在刚开始采样时,采集到的数据可能会不准确,笔者对线路先进行5次的预采样[10],在舍弃5次预采样后,笔者通过获得167个采样值,然后取其平均值的方法来确定其为输入给微处理系统的采样值[11],这样可以使数据更加精确,可以排除一些干扰。
3.3无线通信程序
该程序是为了实现终端对断路器的远程遥控,它分为两个子程序:发送程序和接收程序,当微处理系统接受到无线通信模块发出的信号时[12],微处理系统将执行信号所对应的指令,如此,笔者只用一个终端设备即可集成管理多个断路器的工作。
3.4界面显示程序
为了更加方便广大用户的使用,笔者在这款产品中增加了界面显示的功能,通过9个按键控制液晶显示屏的显示来提供各种选择,该程序把界面和整个产品的功能链接成一个整体,通过读取键盘键入值来执行相应的程序响应并显示在液晶显示屏上[13]。
3.5定时程序
在断路器的国标中有时间-电流动作特性要求,而且定时功能的增加也可以防止偶尔的突发失误造成的断路器微处理系统的误判,笔者设置为“当断路器的采样值在警告值范围内持续一定时间后就要断开线路”,否则不断开,当在危险值时,必须在0.1 s内断开线路,当正常时保持工作。
4 测试结果
根据以上原理,笔者设计了一款智能型大电流断路器,它将要在电路中电流在64 A以下能持续正常工作,超过100 A时断开断路器断开线路。同时,笔者要求它能承受3 000 A电流的短暂冲击而不损坏器件,笔者对其进行了一系列电流测试,测试结果如表1所示。
5 结束语
智能型大电流断路器性能远远优于传统的断路器产品,所设计的智能测控单元以Atmega16单片机为核心构成一个实时数据采集系统,可将采集的数据进行实时分析、运算和处理,可获得各种不同的保护特性,易于修改,无线通信模块的设计使得断路器使用的控制更加规范化,界面模块的设计使得它的操作性更具有人性化和方便化,它的大电流特性和电源模块部分使它能更广泛地应用于工业领域和家庭用电。
当然,这款断路器还有许多需要笔者继续改进的地方,如对于采样的精度控制,温度的变化导致器件的一定程度的损害,从而使部分功能无法正常工作,如何在无线通信中尽可能地实现抗干扰等等,这些问题都可以在以后的研究中得到解决。
基于STM32智能断路器的设计 篇5
智能化断路器综合了电子技术、电气自动化、通信及软件等先进技术, 采用模块化结构, 集保护、测量与监控于一体。除了具备基本的三段保护、接地故障保护功能, 还可提供电压、功率、频率等故障保护、报警功能。同时还具备人机交互、参数存储、区域联锁、自诊断及网络通信等功能。能够通过网络远程监控现场, 便于其在网络自动化控制中的应用。断路器的智能控制技术在不断更新、进步, 本文简单介绍了以单片机为控制核心的智能断路器设计。
1智能断路器主要功能
Adapt Can系列塑壳智能断路器的主要功能:
1) 保护功能
过载长延时保护、短路短延时保护、瞬时动作保护这三段保护是最基本的保护, 一般机型都具备, 高端机型还有接地故障保护、电流不平衡保护、中性线保护、过压保护及欠压保护等保护功能, 电动机型还具有堵转保护、低载保护、长启动保护及相序保护等保护功能。
2) 测量功能
电流测量:各相电流、接地故障电流、电流不平衡率等电流参数;
电压测量:各相电压、线电压、电压不平衡率等电压参数;
功率测量:有功功率、无功功率、视在功能、功率因数;
频率测量:电网频率。
3) 人机交互功能
按键、旋钮调节、设置功能, LED指示、LCD汉字显示操作界面。
4) 其他功能
区域联锁、通信功能、故障信息、断路器状态监控、自诊断功能等。
2需求分析
针对断路器功能要求首先需确定设计将会用到哪些资源:
1) 实时性需求
(1) 断路器要求能迅速地切断故障电流, 对瞬动保护要求在20ms内切断电流, 这就要求控制单元能快速判断出故障电流, 并发出脱扣指令。
这项需求既可通过硬件电路实现, 也可用软件的方式来实现。由硬件方式实现速度快, 但是会增加成本、功耗, 灵活性也差, 而且会占用PCB空间, 这对于由互感器速饱和绕组供电且空间有限的塑壳断路器而言并不是最好的选择。
而用软件方式处理灵活, 成本低, 但是相对硬件方式速度稍慢。要提高响应速度对MCU的性能要求较高, 它要求MCU要能快速地对各通道的电流信号进行采样, 并完成计算、判断, 以最快的方式发出断路器动作指令, 当然前提得保证不能误判。
(2) 智能型断路器的功能较多, 而且需求也在不断地增加, 对于MCU的处理能力也有较高的要求。系统设计中接地故障电流采用各相电流的矢量和方式计算得到, 需要用到电流间的相位差;线电压是由相电压的矢量和计算得到, 需要用到电压间的相位差;功率计算中的有功功率、无功功率等的计算需要得到电流、电压的相位差。这些都需要用到浮点运算、FFT运算, 需要占用大量的MCU指令处理周期, 这些都需要MCU来进行快速的运算, 如果MCU运算速度太慢, 势必会影响断路器的响应速度。
当然, 可以采用DSP器件来提升运算处理能力, 但成本也会相应的增加, 需要平衡选择。
(3) 在软件架构设计上, 一般分前后台系统和带实时操作系统 (RTOS) 的架构设计。
前后台系统就是顺序执行的系统, 其程序进程中只有一个main线程, 程序功能的实现是依靠死循环实现, 实时性主要靠硬件中断来实现, 这对于一般的应用是可以满足要求的。但对于存在需要大量运算, 运算时间较长, 且对实时性要求较高的场合就不适用了。如果系统功能较多, 则前后台系统的可维护性会比RTOS差。
RTOS是指当外界事件或数据产生时, 能够接受并以足够快的速度予以处理, 其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应, 并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。
2) ADC通道需求
根据断路器的功能参数可知, 需要ADC采样转换的交流信号有三相电流I1、I2、I3, 中性线电流IN、三相电压U1、U2、U3, 这需要占用7个ADC通道;考虑到电流测量的范围从0.2Ir~20Ir都有精度要求, 用一个通道无法满足整个电流跨度范围的精度要求, 设计采用两个运放电路对同一路的电流信号进行不同倍率的放大处理, 再送给两路ADC通道进行采样处理, 以满足小电流与大电流的测量精度要求 (电流采样回路如图1所示) 。
设计中还会对其他的模拟信号进行模数转换, 如温度、参考电压等, 因此整个系统的ADC通道需要多达十几路。当然可以采用一个ADC通道结合模拟转换开关的方式进行处理, 但这样会降低采样的速率, 同时也会增加硬件的复杂度, 增加故障出现的几率。
3) ROM、RAM需求
设计中为了使用户能操作更快捷方便, 提供以旋钮方式或按键方式来查询、设置系统各参数;以LED指示灯直观的指示断路器运行状态;以点阵LCD显示各种测量、设置、故障信息。
由于系统提供的显示信息较多, 不带字库的LCD屏, 随着显示字符的增加其所占用MCU的ROM空间也会跟着增加。以显示300个汉字的16×16点阵计算, 基本的字模数据会占用约10K的ROM空间。可以采用带字库的LCD屏来设计, 但这样会增加产品的成本, 同时更换字体也不方便, 在灵活性上不如前者。
LCD显示界面编程所需的ROM空间也较大, 根据显示界面的复杂度, 从几KB~几十KB不等。
若采用RTOS进行系统软件设计, 对MCU的ROM、RAM开销也大, 如:基于STM32芯片的实时操作系统UCOS, 最小系统占用约10K的ROM, RAM的占用空间与任务数和任务堆栈大小有关, 任务数越多, 堆栈越大, 占用的RAM空间也就越多。
4) 其他资源
系统需要检测电源的频率、对各种保护进行延时计算、对各输入输出口线进行检测控制, 因此MCU基本的定时器、中断等资源需满足设计需求。
由于系统需要对多路ADC通道 (假设为12路) 进行连续的快速采样处理, 以一个周期 (50Hz) 64点采样为例, 每个点的采样间隔时间为312.5μs。如果MCU只有一路ADC, 那么每312.5μs需要进入ADC中断12次, 每次进入中断后需将转换完成的数据保存起来, 以便周期采样结束后处理。这样频繁的进入中断, 大大降低了中央处理器 (CPU) 的效率, 不利于系统性能的提升。
如果这些事情能够交给硬件自动去实现, 那将会大大的提升CPU的效率, 现在很多高效能的MCU都提供DMA控制器, 可以方便的实现需求。
同样, 其他功能需求, 比如通讯功能需要用到的串行接口模块、存储需要用的IIC模块、LCD显示需要用到的SPI模块等, MCU带有这些外围模块将会大大的提升其性能, 当然成本也是要考虑的。
3控制芯片简介
20世纪末, 电子技术获得了飞速的发展, 单片机从8bit到16bit, 再到32bit, 处理速度一直在提升, 外围模块也是越来越丰富, 性价比也在不断地提升。
基于前面的需求分析, 再结合目前的市场资源来看, 一般的8bit的单片机是很难满足要求的, 16bit单片机若能达到要求, 则失去了价格优势, DSP也能实现需求, 但同样的性价比不高。虽然32bit单片机的价格一直比较高, 但自从ARM公司推出Cortex-M3后, 其价格优势就比较明显了, M3主要是面向低成本和高性能的MCU应用领域, 其可选的型号也很丰富, 价格从几元至几十元都有。
Adapt Can系列智能断路器采用的是TI公司的STM32F10x系列MCU, 下面对其中部分对设计比较重要的资源进行说明。
1) 内核
最高72MHz工作频率, 单周期乘法和硬件除法, 保证了基本指令执行、运算的速度。
2) 存储器
从32KB~512KB的闪存程序存储器, 可选择的型号很多, 可兼顾产品的成本控制和后期扩展。
3) 模数转换器
(1) 1~3个12bit模数转换器 (多达16个输入通道) , 满足多路通道采样的需求。
(2) 12位分辨率, 保证了产品测量的精度。
(3) 规则通道转换期间有DMA请求产生, 可设置为在规则组所有通道都采样转换完成后产生DMA中断, 以便集中对所有通道的数据进行处理, 避免了每个通道转换完成后都需要进入中断处理数据。
(4) 从通道0~n的自动扫描模式, 可结合模数转换器的规则组转换与DMA功能一起实现转换数据的自动存储, 无需浪费CPU的时间。
(5) 双采样和保持功能:2路通道同时采样转换, 可提高多路通道采样转换效率。
(6) ADC转换时间, 最快达到1μs。
4) DMA控制器
7通道DMA控制器, 可将ADC转换, 串口通信、SPI数据传输等配置为DMA操作, 节约CPU资源, 提示CPU的处理能力。DMA框图如图2所示。
5) 外部中断
16个外部中断, PA口~PE口均能映像到外部中断, 几乎所有的端口均可接受5V信号。
6) 调试口
串行单线调试 (SWD) 和JTAG接口, 方便软件开发、调试。
7) 定时器
多达7个定时器:3个16位定时器, 每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入;2个看门狗定时器 (独立型和窗口型) ;系统时间定时器:24位自减型计数器。
8) I2C接口
多达2个I2C接口 (支持SMBus/PMBus) 。
9) USART接口
多达3个USART接口 (支持ISO7816接口, LIN, Ir DA接口和调制解调控制) 。
10) SPI接口
多达2个SPI接口 (18Mb/s) 。
4软件设计
智能控制器的主要控制功能都是通过软件控制实现的, 基于MCU的软件设计需要针对其资源和系统需求进行合理的设计, 充分发挥MCU的性能, 保证整个产品的可靠、稳定。
为保证产品的实时性及方便后期的维护, Adapt Can系列智能断路器软件设计是基于RTOS设计的。
软件架构主要由TASK_Control PRO任务、TASK_FFTPRO任务、TASK_UARTPRO任务、TASK_Display PRO任务、TASK_Key PRO任务及各中断服务程序组成。
软件主要流程框图见图3。
1) TASK_Control PRO任务
对周期采样信号进行计算, 采用均方根方式计算出信号对应的ADC均方根值, 结合校准参数可计算得到输入的各相电流、电压信号、不平衡率等参数;再根据TASK_FFTPRO任务得到的相位参数, 计算得出接地故障电流、线电压等参数。接地故障电流计算公式如式 (1) 所示, 相电压与线电压转换图由图4所示, 计算公式如式 (2) ~ (4) 所示。
图4中线电压为UAB、UBC、UCA, 相电压为UA、
在TASK_Control PRO任务中还将通过软件方式模拟故障电流的热效应, 当故障电流产生的能量达到设定限值后, 发送跳闸或报警信号触发断路器跳闸或报警输出。
由于该任务的优先级最高, 其响应时间为一个信号周期, 其保护延时精度可控制在1~2个信号周期内, 加入特殊的补偿处理后, 在各延时设定条件均可确保10%的延时误差精度要求。
2) TASK_FFTPRO任务
对周期采样信号通过快速傅立叶变换 (FFT) 算法计算得到各电流、电压信号间的相位差, 判断电源相序。
由于电源相位的变化比较慢, 对响应时间的要求相对偏低, 因此将其独立出来作为一个任务, 这样可以避免因其长时间的运算, 影响TASK_Control PRO任务中其他需要快速响应的功能的实时性。
3) TASK_UARTPRO任务
串口通信任务, 收到串口通信消息后对通讯指令进行分析、解码, 并根据指令内容执行相应的操作, 需要上传数据时, 启动DMA发送数据。实现断路器的‘四遥’功能:遥信、遥测、遥控和遥调。
4) TASK_Display PRO任务
显示任务, 主要负责LED指示灯、LCD显示屏的显示。根据断路器状态控制各LED指示灯的亮灭;根据断路器的状态和按键操作控制LCD显示屏显示的内容, 提供友好的人机交互界面。
由于LCD接口采用的是SPI接口, 当传输数据量大时可启动SPI的DMA功能, 由DMA自动发送显示数据。
5) TASK_Key PRO任务
按键扫描任务, 主要负责按键状态检测, 其他开关状态输入信号的检测。根据按键输入的内容控制LCD屏显示的界面, 查询断路器测量信息、状态信息、设置信息及故障信息等内容, 设置各项保护参数。
6) 中断服务程序
(1) DMA1_Channel1_IRQHandler中断服务程序
系统要求能对多达12路的模拟信号进行采样处理, 并需保证采样的同步性和实时性, 可利用STM32芯片提供的多路ADC通道, 将其配置成ADC转换的规则组, 采用单次转换模式, 并使用双ADC转换功能, 提升多路通道的采样速率。
用一定时器定时触发规则组转换, 定时时间由信号周期和每周期采样数决定, 以50Hz信号64个采样点为例, 定时时间为20 000μs/64=312.5μs。
使用能够进行ADC转换的DMA功能, 使每次转换完成后数据由硬件自动保存到指定的存储单元, 无需CPU介入。当整个规则组通道数据都转换完成后产生DMA中断, 在中断里面可将得到的12组数据进行处理, 当周期采样完成后发送消息通知相关任务处理数据。
该DMA中断还需要执行一个重要的功能, 就是瞬时电流的判定, 由于瞬动保护对实时性要求非常高, 一般要求要在20ms左右断开断路器。如果等周期采样完成后再进行判定则无法保证其速度, 因此将瞬动保护功能放置在中断里面, 将每个电流采样点数据与瞬动保护限值进行比较, 当判定越限后认为存在瞬动电流, 立即启动端口断路器, 为确保不产生误动作, 可增加判定次数。
(2) 串口通信相关中断
设计中串口通信采用标准的Modbus协议, 用到了3个中断, 其中串口数据接收由于其数据长度的不确定性, 采用串口中断来接收, 数据帧的结束和通讯超时判定由定时器中断负责, 在定时器中断里面检测到协议规定的帧结束时间后, 发送消息通知TASK_UARTPRO任务处理数据。串口数据发送由DMA自动执行, 只需在TASK_UARTPRO任务启动DMA传输功能。
5结束语
高压断路器的操作智能化研究 篇6
高压断路器的智能化是支撑智能电网发展的重要技术基础之一。断路器的智能化从最初的断路器外围监测与控制, 发展到状态信号采集、状态监测与故障诊断、操作智能化等多个方面, 其中最关键的是断路器的操作智能化, 尤其是断路器的可控操作[1,2,3,7,8]。
操作智能化可以使断路器的操作大多在较低速度下完成, 从而减小开断时的冲击力和磨损, 减少机械故障、提高机械使用寿命[2]。其次可以实现选相分闸, 控制实际燃弧时间, 使断路器起弧时间控制在最有利于燃弧的相位角, 不受系统燃弧时差要求的限制, 提高断路器的实际开断能力[1]。
电磁操动机构易于利用电力电子技术和先进方法控制其运动过程, 以电力电子器件为主放电拓扑的控制系统易与数字电路接口, 可准确执行计算机指令信号, 控制精度较高, 且驱动电路简单, 所需功率较小。兼具快速性和可控性的操动机构, 在实现断路器智能化方面具有较好的发展前景, 值得探索和研究[1]。
本文将对高压断路器操作智能化的发展现状进行总结, 并提出一种能够有助于断路器操作智能化的操动机构的设想。
2、操作智能化的原理
具有智能操作的断路器工作原理如图1所示。
高压断路器操作智能化的实现主要包括三个过程:数据采集、智能识别和执行机构对断路器的控制。
(1) 数据采集。数据采集模块由小型电压、电流转换装置和模/数快速转换器组成, 随时把电网的数据由模拟量转换为数字量, 供智能识别模块进行处理分析。同时, 数据采集模块还通过传感器对高压断路器本身进行状态检测和故障诊断, 把所检测到的实时数据传送到智能识别模块进行处理。
(2) 智能识别。智能识别模块是智能控制单元的核心, 是由微处理器构成的微机控制系统, 能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号, 自动地识别当次操作时断路器所处的电网工作状态, 根据对断路器仿真分析的结果决定出合适的所需的分合闸运动特性, 并对执行机构发出调节信息, 待调节完成后再发出分合闸信号。
(3) 执行机构对断路器动作的控制。这一过程由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器实现, 主要是通过调整操动机构的参数, 以便改变每次操作时的运动特性。对于电磁操动机构, 可以通过调节流过线圈的电流特性来实现。
3、操作智能化的发展现状
目前, 能够实现操作智能化的产品并不多见, 这是因为高压断路器操作智能化需要两个方面作为基础, 一是智能化控制与检测诊断功能, 二是断路器本身自适应动作特性的改进。
3.1 智能化控制与检测诊断功能[4]
高压断路器的智能化控制与检测依赖于微电子、计算机技术和新型传感器, 其智能化主要体现在:远端主机通信;自动调整操动机构;自动识别工作状态;显示记录工作状态;状态监测与诊断功能等。
3.2 高压断路器自身动作特性
目前在中高压断路器中, 只能做到操动机构动作速度的分级调节[2,5], 即大量额定电流以下的操作实现慢速开断, 而次数不多的故障电流和电容电流的开断以快速开断的分级方案实现速度分级可控调节, 但是该操作过程亦不能实现全过程可控调节。
就动作过程而言, 目前大部分断路器都采取开环控制, 且不能准确跟踪触头动作速度或位移, 这使得实现智能断路器基础的前提条件 (动作过程完全可控) 几乎不能实现。为了改变这种现状, 国内外有学者分别针对不同的操动机构实现了部分控制。如针对永磁操动机构提出利用电力电子开关器件实现运动过程分阶段控制[10]。虽然得到较好结果, 但是其控制系统仍为开环控制, 并不能实现给定预期动作曲线的准确跟踪。
4、一种电磁操动机构在操作智能化中的应用设想
电磁操动机构的动力来源于通电线圈和铜盘之间的作用力, 其作用特性与线圈电流的特性有着直接的关系。因此, 要改变电磁力的作用特性, 可以通过改变线圈电流来实现[9,11]。
线圈电流由充电电容作为电源, 线圈中流过的电流由电容、装置和线路参数以及动作过程共同决定。动作过程是预先设定好的, 在装置的拓扑结构和线路参数已经优化的前提下, 可以通过改变电源的特性 (即充电电容) 来实现对线圈电流以及电磁力的控制。这也正是可以实现操作智能化的方法, 下面介绍一种新方案。
4.1 采用多个电容配合放电
传统电磁操动机构中, 电容放电过程只有一次, 在一次放电过程中, 线圈电流和电磁力在短时间内达到峰值, 但之后迅速下降, 不能对操作智能化有所帮助, 行程也较短。可以采用如图2所示的方法对电磁操动机构进行改进。在图2中, 由原来的单一电容放电变成多个电容相互配合放电, 每个电容都由各自的可控开关控制。这种模式既可以实现操作智能化, 又可以增加电磁操动机构的行程。
4.2 操作智能化的实现原理
这种高压断路器通过外围检测装置, 实时的检测电网和断路器本身的状态, 把所测得的状态传送到计算机系统, 并由计算机系统进行处理, 从而决定操动机构的开断动作。
当系统出现短路故障时, 高压断路器需要以最快的速度将线路断开。首先由一个充电电容器C1放电, 触头将会获得很大的加速度, 这样就使得触头可以迅速把速度提高。当电磁力达到极大值以后, 开始迅速下降, 加速度随之降低, 逐渐不能满足快速性的要求。此时, 在控制开关的作用下, 第一个电容的开关关闭, 第二个电容开关打开, 电容C2开始放电, 通电线圈又获得了较大的电流, 从而使电磁力再次上升。可以采用多个电容器配合使用的方法, 依次使各个电容放电, 始终给触头一个较大的加速度, 满足开断的快速性要求。
当系统空载时, 系统允许以较低的速度开断, 此时可以仅使用电容C1进行放电, 动作过程如前面所示, 触头开始时获得很大的加速度, 但是当速度增加到一定值后, 加速度明显减小, 可以使触头以较低的速度分合闸, 减小了机械磨损和震荡。
5、结语
(1) 电磁操动机构作为断路器的动力机构, 具有结构简单、电磁力较大、调节相对灵活的特点, 必将成为高压断路器操作智能化的一种非常有效的方式。
(2) 操作智能化将是高压断路器发展中很重要的一部分, 它将随着断路器技术的不断改进而更加成熟, 并将发挥更大的作用。
摘要：高压断路器的操作智能化是未来断路器的发展趋势, 其在减小冲击和磨损、减少机械故障、提高机械寿命等方面有着非常明显的优势。本文重点研究了电磁操动机构的电源特性和动态性能, 并设计了具有快速性和高可控性的操动机构。上述操动机构在实现断路器操作智能化方面具有很大的发展潜力和应用价值。
关键词：高压断路器,操作智能化,电磁操动机构
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发电厂智能化框架断路器的应用 篇7
关键词：发电厂,智能化框架断路器,用电系统
随着经济高速发展,电成为人们在生活中越来越不可或缺的东西。发电厂承担着为人们提供电的责任,而发电厂也随着人们的需求增加而增多。目前,发电系统的智能化已成为主流。断路器是电网当中的一种设备,在电路系统中有着重要作用。实现断路器的智能化主要是让断路器提高感知、执行、决策等方面的作用,能够在电力系统中发挥更加可靠的功能。
1 智能化框架断路器概述
智能化框架断路器是在原有框架断路器上进行相应的改进,其相对于普通的断路器,有着体积较小、分断电路的能力强、相应结构模块化等特点,能够实现自动报警、自动检测及智能通讯等功能。智能化框架断路器的特点可以从结构、保护定值设置、相关功能等方面进行分析。
首先,在结构方面,智能化框架断路器包括抽屉式和固定式两种不同的结构,都设置有手动操作和电动操作两种机构。因为智能化框架断路器有着零飞弧、体积小、结构较为紧密等特点,这使得这种断路器所占空间会比较小,而且因为其结构按模块排列,每个相应单元都有序排列,电动的结构与手动的分开,彼此间相互独立。这样在后期对断路器进行检修时,可以在操作上更加方便,减少因检修电路而被迫关闭电网的时间,加快维修进度。而且智能化框架断路器的储能方式是弹簧储能方式,电流互感器是内置型的,因此,在进行测量和保护等方面不用配置另外的电流互感器。
然后,从保护定值设置方面讲,智能化框架断路器有着非常方便的保护定值设置方式,这主要是因为在结构上设计了电子脱扣器。设定一个额定电流,然后相应的各类保护的整定电流,诸如短路时的短延时保护和瞬时保护、过载时的长延时保护以及单相接地保护等的数值,会通过电子脱扣器显示为相应的曲线,同时可以进行延时时间的调整。而且整定电流还可以应客户的要求,当面进行整定。
最后,在相应的功能方面,智能化框架断路器有检查电路故障、进行某些故障的模拟试验以及遥控、监测等通讯功能。因为智能化框架断路器有一定的记忆功能,即使断电之后都能进行记忆,所以,在对故障类型、参数等进行检查和分析后,智能化框架断路器能够提供一定的依据帮助实现电路事故的分析。为减少电路事故的发生,在安装电力系统之前,可以借助智能化框架断路器进行故障模拟,以便于观察断路器安装前后电力系统是否足够安全。智能化框架断路器的通讯功能借助所设置的电子脱扣器来实现。以后台计算机与若干框架断路器的连接组成局域网,室内的主站(计算机)可以方便对室外的从站(智能化框架断路器)进行控制与监测。如图1所示:
2 在发电厂中智能化框架断路器的应用分析
在科技飞速进步的大背景下,发电厂的设备容量不断增加,对自动化和安全性的要求使发电厂在科技应用方面得到了人们越来越多的重视。先进设备与科学合理的管理方式是使发电厂达到自动化和安全性标准的保障。智能化框架断路器因为其自身的特点,已被广泛应用在发电厂中。智能化框架断路器在发电厂中的应用主要是在配电回路和电动机回馈线回路方面,相应的功能对应不同的安装地点。
2.1 配电回路的应用
配电回路是指发电厂中配电站向相应车间进行电力传输所形成的回路。配电回路通常需要单独保护,以保障发电厂的安全。在发电厂中配电回路如果不做好相应的保护设计,很可能会因为配电站与车间的距离太远,或者配电站与车间进行配电的母线出现了接地短路的情况而发生火灾,对发电厂造成重大人员伤亡和经济损失。在出现上述两种电路故障时,原有的相间短路保护不具备足够的灵敏性,使其并不足以发挥保护作用,单相接地短路等问题因此得不到完全解决,最后导致危险情况发生。传统的框架断路器在对配电回路进行单相接地短路保护时,因为功能不足,常常需要额外添加零序电流互感器,借助电流互感器的电流输出,使框架断路器发挥保护作用。这种设计下的框架断路器敏感性很高,能够实现一定的保护功能,但车间或者配电站的回馈线回路发生单相接地短路情况时,很容易出现越级跳闸的情况,框架断路器无法对其发挥保护作用。
智能化框架断路器自身能够实现多种保护功能,其中就包括了单相接地保护功能。而且因为智能化框架断路器可以很方便地进行保护定值设置,所以,对于单相接地保护的整定电流可以进行相应的设定,对不同情况的电路故障可以进行选择性保护。比如单相接地保护的整定电流为0.2~1In,框架断路器进行装设时可以根据延时时间0.2~0.8s进行调整,配电回路的上下级系统之间可以借此实现相互配合,从而达到保护的目的。
分布式控制系统也被称为集散控制系统,是计算机控制系统当中较为新颖的一种,其以通信网络为纽带,进行多级、分散的控制,包括了通讯、计算机等技术,具有可靠性高、开放性高的特点。在发电厂对自动化要求越来越高的背景下,分布式控制系统越来越多地被应用在电力系统中。在配电回路当中,智能化框架断路器可以与分布式控制系统相结合,减少电气主站与现场的控制电缆数量,提高工作效率。因为智能化框架断路器有很好的通讯功能,在实际的后台控制需求下,可以借助智能化框架断路器的通讯功能与分布式控制系统连接。这样所需要的机组控制电缆可以得到极大缩减,而且计算机机组的工作效率和控制水平可以得到提高。机组控制系统自动化的实现,使发电厂在相关的控制人员安排下可以进行一定的缩减,这对于减少人工成本以及增加发电厂效益有着积极影响。
2.2 在电动机回馈线回路的应用
电动机是发电厂中重要的一个部分,对整个电网有着十分重要的影响。在发电厂中,电动机的安装要设置有相应的保护,比如单相接地、低电压、相间短路、两相运行等方面的保护。不同的保护在实际应用中的效果有所不同。单相接地保护所对应的是低压发电厂中高电阻接地系统或者用电中性点不接地系统,低电压保护不包括所有电机,而是根据实际情况设置。相间短路中断路器和熔断器都可以完成保护工作。当电机的短路保护是由熔断器执行时,两相运行保护才能相应地进行装设。有时两种保护性质相同,比如当发电厂的性质是低压发电厂,而其中所运用的系统是电中性点直接地系统时,按照要求,电机的功率高于100千瓦则应安装设计单相接地短路保护。如果电机的功率为55~100千瓦,可由灵敏性相当于单相接地短路的相间短路保护来充当单相接地短路保护。但如果相间短路保护的灵敏性不够,则在安装电机时,需要额外的接地短路保护。
在我国现今许多低压发电厂当中,中性点直接接地方式在用电系统当中应用得最为普遍。此时按照要求,在其中设置的保护应为单相接地短路保护,而不是单相接地保护。通常在功率高于75千瓦的电机上框架断路器才应用于电动机的回路,因为电机功率高于55千瓦后,电力系统设计的过程中,相间短路保护的灵敏性是否能达到单相接地短路的水平受制于诸多条件,很难通过实际的检验。所以,通常在低压发电厂当中,采用的保护是单相接地短路保护。
在智能化框架断路器被广泛采用之前,发电厂的电力系统以普通的断路器实现单相接地短路保护功能。因为断路器自身的特点,电流过载保护、相间短路保护等作用可以很好地实现,但如果要实现单相接地短路保护,则需要额外的元件来帮助实现。智能化框架断路器在普通断路器的基础上进行改进,可以满足多种保护需求,类似于单相接地短路保护与相间短路保护的应用可以不受影响,而且不需要额外的元件进行辅助。相间短路保护和单相接地短路保护之间可以互相转化,而不需要对相间短路保护的灵敏性进行检测,极大方便了电力系统的设计。因为其本身功能的多样化,当电力系统不需要低电压保护时,智能化框架断路器可以实现所需的全部保护需求。相对于传统的普通断路器,智能化框架断路器节省了断路器装设的成本,还可以极大满足发电厂在智能化以及自动化等方面的需求,电力系统的设计和安装的工作效率得到提高,而且也极有效率地保障电网的安全。
3 结语
智能化框架断路器的优点十分明显,相对于传统的普通框架断路器,可以在装设时节省大量空间,而且模块化的结构使其在进行检修时能够更加方便。不仅如此,智能化框架断路器在性能上较为可靠,而且能够实现多种功能。其具备通讯功能和全面的保护功能,为发电厂的断路器提供新的选择。通讯功能可以使框架断路器成为发电厂控制系统局域网的一部分,全面的保护功能可以帮助发电厂实现安全生产,有效保障电力系统的安全。作为低压电器的一种,智能化框架断路器的发展前景十分可观。可以预计,未来的智能化框架断路器可以得到更广泛的应用。
参考文献
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