1 前言 隨著電力技術(shù)的高速發(fā)展和供電規(guī)模的日益擴(kuò)大, 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日趨復(fù)雜, 對(duì)電源的可靠性、安全性及供電質(zhì)量也都提出了更高的要求,相應(yīng)地對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的操作簡(jiǎn)便性和安全性以及可靠性也提出了新的要求。低壓斷路器作為電力供配電系統(tǒng)中廣泛使用的主要控制電器, 除了要能正常分合相關(guān)系統(tǒng)額定電流外, 還要在相關(guān)系統(tǒng)故障時(shí)能快速有選擇性地可靠分?jǐn)嘞嚓P(guān)系統(tǒng)短路故障電流,且不能出現(xiàn)越級(jí)跳閘或拒動(dòng)現(xiàn)象。
特別是隨著電力系統(tǒng)控制方式數(shù)字化進(jìn)程的發(fā)展應(yīng)用以及電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用, 對(duì)系統(tǒng)可視化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化、精確化的要求越來(lái)越高, 相應(yīng)地對(duì)應(yīng)用面積廣、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作較頻繁、故障率高的低壓斷路器也就提出了更高的要求, 傳統(tǒng)斷路器根本無(wú)法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化的需要。智能化技術(shù)的應(yīng)用于是成了低壓斷路器的一個(gè)重要發(fā)展應(yīng)用方向。
2 智能化斷路器的簡(jiǎn)介
智能化斷路器綜合了現(xiàn)代高電壓零飛弧技術(shù)、電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及其軟件技術(shù)等, 采用模塊化結(jié)構(gòu), 完全突破了傳統(tǒng)斷路器的許多不足, 集保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控于一體。除了具備過(guò)載、過(guò)流、速斷、漏電、接地等常規(guī)控制、保護(hù)、報(bào)警、整定功能外, 同時(shí)還具備人機(jī)對(duì)話顯示、存儲(chǔ)、記憶、邏輯分析、判斷和選擇以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。能夠?qū)崟r(shí)地顯示溫度、電流、電壓、功率因數(shù)、有功、無(wú)功等各種特征參數(shù)并進(jìn)行故障參數(shù)、類型的儲(chǔ)存,具有自診斷能力, 從而為運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)的信息查詢和故障判斷處理提供現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行資料, 為系統(tǒng)運(yùn)行方式的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)其所具備的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以使多臺(tái)智能化斷路器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通訊, 構(gòu)成智能化的供配電系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)“四遙”功能, 為無(wú)人化站所和實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖、遠(yuǎn)方監(jiān)控、運(yùn)方調(diào)整等創(chuàng)造必要的設(shè)備技術(shù)保障。
3 斷路器智能化技術(shù)的構(gòu)成及其工作原理
智能化斷路器中智能化技術(shù)的應(yīng)用核心是集保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控于一體的多功能脫扣器, 它主要由微處理器單元、信號(hào)檢測(cè)采集單元、開(kāi)關(guān)量輸入單元、顯示和鍵盤單元、執(zhí)行輸出單元、通信接口、電源等幾個(gè)部分組成。如圖1 所示。
其各部分的工作原理如下: 3.1 微處理器單元
單片機(jī)以其高性價(jià)比和可靠性成為智能化斷路器智能控制系統(tǒng)的首選。微處理器單元由高性能的自帶A/D 轉(zhuǎn)換、看門狗監(jiān)視器、I2C 串行總線和高速輸入輸出通道、通訊接口和標(biāo)準(zhǔn)的JTAG 程序燒寫(xiě)口的單片機(jī)及其外圍電子電路組成。配以優(yōu)化的軟件, 組成的單片機(jī)控制系統(tǒng)所需外圍元件少, 使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單, 布線方便, 而且在穩(wěn)定性和抗干擾能力上都有極大的提高。
各交流量分別經(jīng)信號(hào)輸入回路、低通濾波器送到CPU 控制的多路開(kāi)關(guān), 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 由DB 數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 。 CPU 通過(guò)調(diào)用程序存儲(chǔ)器（ EPROM） 中的程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算, 其計(jì)算結(jié)果與存放在電可擦存儲(chǔ)器（ E2PROM）中的整定值進(jìn)行比較, 作出相應(yīng)的故障判斷處理。再通過(guò)輸入輸出端口（ I/O） 將處理信號(hào)送到相應(yīng)外設(shè)（ 信號(hào)與出口） 發(fā)出報(bào)警信號(hào), 或執(zhí)行跳閘。微處理單元除了要完成整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量、保護(hù)、邏輯等功能外, 還具有自我故障診斷和監(jiān)察的能力,當(dāng)斷路器本身發(fā)生故障或環(huán)境溫度超過(guò)允許范圍時(shí), 能發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)顯示或報(bào)警, 同時(shí)重新起動(dòng)。自診斷的項(xiàng)目主要有EPROM出錯(cuò)、A/D 轉(zhuǎn)換出錯(cuò)、環(huán)境超溫、CT 斷線、跳閘線圈斷線、斷路器拒動(dòng)及觸頭維護(hù)。微處理單元的自診斷功能不僅大大提高了斷路器的運(yùn)行可靠性, 更給后期維修、故障判斷工作提供了極大的方便。
3.2 信號(hào)檢測(cè)采集單元
信號(hào)檢測(cè)采集單元作為智能化斷路器十分重要的組成部分, 要求有高的轉(zhuǎn)換精度、靈敏度、可靠性、頻率響應(yīng)、測(cè)量范圍以及抗干擾能力, 以便微處理單元能夠作出精確的判斷處理。因此, 信號(hào)檢測(cè)采集單元將保護(hù)信號(hào)和測(cè)量信號(hào)分別取自不同類型的電流互感器, 以滿足保護(hù)和測(cè)量的要求。在測(cè)量大電流（ 短路電流） 時(shí)基本上都采用線性度好、精確度高的空心電流互感器進(jìn)行保護(hù)信號(hào)的檢測(cè); 而小電流及電參數(shù)的檢測(cè)則采用鐵芯互感器; 測(cè)量和保護(hù)用的電壓信號(hào)則由電壓互感器獲得。上述信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后, 便能將主回路中的電壓及電流信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和單片機(jī)可處理的電平信號(hào),經(jīng)單片機(jī)分析判斷后發(fā)出信號(hào)或控制斷路器的動(dòng)作。
根據(jù)電流、電壓的采樣值,還可利用不同的算法計(jì)算出相應(yīng)的電壓、電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)、電能等參數(shù), 實(shí)現(xiàn)各種表計(jì)功能, 對(duì)降低成本, 簡(jiǎn)化布線, 提高低壓配電的可靠性大有益處。
3.3 開(kāi)關(guān)量輸入單元
為了滿足控制邏輯的需要, 單片機(jī)內(nèi)部具有的高速輸入通道（HSI）和高速輸出通道（HSO）,可以很方便地用于開(kāi)關(guān)量的輸入與輸出, 便于上位機(jī)的監(jiān)視和操作控制。開(kāi)關(guān)量的輸入主要是斷路器的輔助接點(diǎn)狀態(tài), 經(jīng)過(guò)光電隔離可以很方便地輸入CPU 中,以此判斷斷路器的狀態(tài)。
3.4 顯示和鍵盤單元
在智能化設(shè)備中, 不僅要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制, 還要能把相關(guān)信息傳遞給操作運(yùn)行人員, 還要能夠接受外部輸入并做出響應(yīng)。良好的用戶界面是人機(jī)對(duì)話所不可缺少的, 靈活的鍵盤管理及直觀的信息顯示給用戶提供了極大的便利。通過(guò)液晶屏或發(fā)光管能夠適時(shí)顯示各種狀態(tài)和負(fù)載的參數(shù)值及故障電流、故障類型和保護(hù)動(dòng)作、試驗(yàn)整定情況, 結(jié)合按鍵還可以進(jìn)行保護(hù)的整定、預(yù)警值的設(shè)定、開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)和各種功能的檢測(cè)。
3.5 執(zhí)行輸出單元
智能化斷路器的執(zhí)行元件為一個(gè)帶永久磁鐵的磁通變換器, 其特點(diǎn)是體積小, 功耗低, 脫扣力大。正常工作時(shí)永久磁鐵使動(dòng)靜鐵芯保持吸合。來(lái)自互感器的過(guò)載、短路、接地等故障信號(hào), 按預(yù)先設(shè)計(jì)好的保護(hù)特性要求, 經(jīng)微處理器單元處理后, 發(fā)出一定寬度的跳閘脈沖（負(fù)方波脈沖）送到磁通變換器的線圈, 產(chǎn)生反向磁場(chǎng), 抵消永久磁通, 動(dòng)鐵芯釋放產(chǎn)生的機(jī)械能量推動(dòng)斷路器的脫扣器使斷路器分?jǐn)? 其脫扣執(zhí)行電路如圖2 所示
3.6 通信接口 智能化斷路器所帶的串行通信接口, 可將智能化斷路器連接到現(xiàn)場(chǎng)總線, 將配電系統(tǒng)組成一局域網(wǎng),一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為主站,若干帶通訊接口的智能斷路器組成從站。斷路器編號(hào)、分合閘狀態(tài)、各種設(shè)定值、運(yùn)行電流、電壓、故障電流、動(dòng)作時(shí)間及故障狀態(tài)等多種參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸, 實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)上位管理機(jī)或控制調(diào)度中心計(jì)算機(jī)間的信息交換, 接收上位機(jī)或遠(yuǎn)方調(diào)度控制中心的數(shù)據(jù)上傳要求, 完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)方監(jiān)控和遙測(cè)、遙訊、遙調(diào)、遙控功能。
3.7 電源
智能化斷路器采用雙電源供電方式, 只要其中任何一路電源正常工作, 均可可靠地給多功能脫扣器供電。一路電源為自生電源, 用速飽和鐵芯電流互感器從主電路感應(yīng)獲得電源。另一路電源為輔助電源, 以“或”的方式由外部提供,它不僅在主電源不能工作時(shí)提供電源, 還可在主電路停電或斷路器投入運(yùn)行前對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)整定、功能檢查、試驗(yàn)、狀態(tài)顯示、通信以及在斷路器故障分?jǐn)嗪竽鼙３指鞣N狀態(tài)指示及故障檢查, 以維持其正常工作和各種顯示。
4 智能脫扣器的軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分, 主程序和中斷程序。主程序包括故障處理、鍵盤處理、顯示處理、通信處理等子程序; 中斷程序包括定時(shí)器中斷、鍵盤中斷、通訊中斷等。
單片機(jī)對(duì)工頻電流信號(hào)進(jìn)行采樣, 利用一種基于小波分析和FFT 的改進(jìn)算法計(jì)算電流的有效值,可以提高采樣的精度, 滿足系統(tǒng)對(duì)延時(shí)保護(hù)高精度的要求。小波算法在采樣過(guò)程中檢測(cè)到可疑信號(hào)點(diǎn)后, 由FFT 算法進(jìn)行有效值判斷, 如果沒(méi)有超過(guò)門檻值, 則可疑信號(hào)點(diǎn)無(wú)效, 回到小波算法中繼續(xù)尋找采樣可疑點(diǎn); 如果有效值超過(guò)門檻值, 則認(rèn)為可疑點(diǎn)有效, 根據(jù)各保護(hù)條件輸出相應(yīng)信號(hào)。
多功能脫扣器實(shí)時(shí)控制采用定時(shí)器中斷方式,判斷瞬時(shí)故障為最優(yōu)先中斷; 判斷短延時(shí)、長(zhǎng)延時(shí)和接地故障為次優(yōu)先級(jí)中斷, 按鍵操作為低級(jí)中斷。每一相電流依次采樣, 分別與前一次保存的數(shù)據(jù)比較, 保存較大的數(shù)據(jù)。接著計(jì)算出最大相電流,與瞬時(shí)整定電流值比較, 判斷是否瞬時(shí)故障。按鍵閉合時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求, I/0 響應(yīng)中斷, 執(zhí)行中斷服務(wù)程序掃描按鍵, 判別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)并作出相應(yīng)的處理。這時(shí)還需排除鍵抖動(dòng)引起的誤操作, 以及避免對(duì)同一個(gè)鍵的一次閉合作多重處理的錯(cuò)誤, 采用雙鍵封鎖的鍵盤工作方式來(lái)排除上述誤操作, 在去抖動(dòng)周期內(nèi)有兩個(gè)鍵按下, 則認(rèn)為是同時(shí)按下, 只有最后釋放的那個(gè)鍵作閉合處理。根根計(jì)算出的鍵號(hào),執(zhí)行相應(yīng)的程序, 實(shí)現(xiàn)脫扣器的各種操作保護(hù)功能。
5 抗干擾措施
由于斷路器工作在較為惡劣的電磁環(huán)境中, 強(qiáng)干擾會(huì)使系統(tǒng)監(jiān)控程序失控, 脫離正常的執(zhí)行順序,甚至發(fā)出錯(cuò)誤的控制信號(hào), 造成斷路器的誤動(dòng)作。因此脫扣器的抗干擾性能在很大程度上決定了斷路器能否正常工作和其動(dòng)作的準(zhǔn)確性與可靠性。為了保證系統(tǒng)工作可靠性, 智能化斷路器常采用軟、硬件相結(jié)合的抗干擾技術(shù)。在硬件設(shè)計(jì)中采用電源濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)、合理布線、貼片封裝、并做好防潮和絕緣、硬件看門狗等措施; 在軟件設(shè)計(jì)上采用數(shù)字濾波技術(shù)、軟件陷阱、空指令、對(duì)稱檢測(cè)法、限幅檢測(cè)法、小波分析和FFT 的改進(jìn)算法、軟件看門狗等技術(shù), 從而保證了智能斷路器的可靠、準(zhǔn)確分合閘, 避免了因系統(tǒng)自身故障而引起的不能開(kāi)斷或誤動(dòng)作的情況發(fā)生。
6 保護(hù)的設(shè)置
智能化斷路器為了滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要, 設(shè)置了過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)和接地等四段保護(hù)功能。其中瞬時(shí)保護(hù)是一種特殊的保護(hù)方式, 為了提高了可靠性, 它不需要對(duì)有效值進(jìn)行比較, 而是采用即采即比的方式, 一旦發(fā)現(xiàn)某幾個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)超過(guò)規(guī)定的門檻, 立即讓系統(tǒng)發(fā)出脫扣信號(hào), 使斷路器跳閘, 以防止過(guò)大的短路電流對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成破壞。智能化斷路器的保護(hù)定值設(shè)置極為方便, 可根據(jù)用戶的要求,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整定,定值設(shè)定完后還可在顯示裝置上顯示出整定曲線, 使單一的動(dòng)作特性有可能做到一種保護(hù)功能多種動(dòng)作特性, 保護(hù)功能更加完善可靠。各保護(hù)功能的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間值可由鍵盤及編碼器預(yù)先設(shè)置, 并將這些數(shù)值輸送給微處理器單元的內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)主回路發(fā)生各種故障時(shí), 如故障電流、電壓達(dá)到或超過(guò)設(shè)定值時(shí), CPU 經(jīng)過(guò)運(yùn)算判斷比較后輸給驅(qū)動(dòng)電路一個(gè)動(dòng)作信號(hào), 使斷路器跳閘切斷故障電路, 從而保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
7 結(jié)束語(yǔ)
隨著高性能、低價(jià)格芯片和大規(guī)模可編程邏輯器件以及軟件技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用, 智能化斷路器在保護(hù)的多樣性、判斷準(zhǔn)確性和抗干擾性、自診斷能力和實(shí)時(shí)通訊及顯示等方面都會(huì)有極大的改進(jìn)。特別是大規(guī)模可編程邏輯器件和高速數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用以及新型的電壓電流變換器或智能化斷路器特種芯片的研制成功將會(huì)使智能化斷路器的應(yīng)用產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)的飛躍, 使應(yīng)用面積廣、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的低壓電氣系統(tǒng)綜合自動(dòng)化再上一個(gè)臺(tái)階。
