1 前言 隨著電力技術(shù)的高速發(fā)展和供電規(guī)模的日益擴大, 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運行方式日趨復(fù)雜, 對電源的可靠性、安全性及供電質(zhì)量也都提出了更高的要求,相應(yīng)地對系統(tǒng)設(shè)備的操作簡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)故障時能快速有選擇性地可靠分斷相關(guān)系統(tǒng)短路故障電流,且不能出現(xiàn)越級跳閘或拒動現(xiàn)象。
特別是隨著電力系統(tǒng)控制方式數(shù)字化進程的發(fā)展應(yīng)用以及電力系統(tǒng)綜合自動化的廣泛應(yīng)用, 對系統(tǒng)可視化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化、精確化的要求越來越高, 相應(yīng)地對應(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)斷路器根本無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)綜合自動化的需要。智能化技術(shù)的應(yīng)用于是成了低壓斷路器的一個重要發(fā)展應(yīng)用方向。
2 智能化斷路器的簡介
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)、電氣自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機及其軟件技術(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、測量、監(jiān)控于一體。除了具備過載、過流、速斷、漏電、接地等常規(guī)控制、保護、報警、整定功能外, 同時還具備人機對話顯示、存儲、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地顯示溫度、電流、電壓、功率因數(shù)、有功、無功等各種特征參數(shù)并進行故障參數(shù)、類型的儲存,具有自診斷能力, 從而為運行維護人員進行相應(yīng)的信息查詢和故障判斷處理提供現(xiàn)場的實際運行資料, 為系統(tǒng)運行方式的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。通過其所具備的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以使多臺智能化斷路器實現(xiàn)與中央控制計算機雙向通訊, 構(gòu)成智能化的供配電系統(tǒng), 實現(xiàn)“四遙”功能, 為無人化站所和實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖、遠方監(jiān)控、運方調(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、測量、監(jiān)控于一體的多功能脫扣器, 它主要由微處理器單元、信號檢測采集單元、開關(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
單片機以其高性價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、通訊接口和標準的JTAG 程序燒寫口的單片機及其外圍電子電路組成。配以優(yōu)化的軟件, 組成的單片機控制系統(tǒng)所需外圍元件少, 使得設(shè)計簡單, 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)信號輸入回路、低通濾波器送到CPU 控制的多路開關(guān), 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 由DB 數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 。 CPU 通過調(diào)用程序存儲器（ EPROM） 中的程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行計算, 其計算結(jié)果與存放在電可擦存儲器（ E2PROM）中的整定值進行比較, 作出相應(yīng)的故障判斷處理。再通過輸入輸出端口（ I/O） 將處理信號送到相應(yīng)外設(shè)（ 信號與出口） 發(fā)出報警信號, 或執(zhí)行跳閘。微處理單元除了要完成整個系統(tǒng)的測量、保護、邏輯等功能外, 還具有自我故障診斷和監(jiān)察的能力,當斷路器本身發(fā)生故障或環(huán)境溫度超過允許范圍時, 能發(fā)出相應(yīng)的信號顯示或報警, 同時重新起動。自診斷的項目主要有EPROM出錯、A/D 轉(zhuǎn)換出錯、環(huán)境超溫、CT 斷線、跳閘線圈斷線、斷路器拒動及觸頭維護。微處理單元的自診斷功能不僅大大提高了斷路器的運行可靠性, 更給后期維修、故障判斷工作提供了極大的方便。
3.2 信號檢測采集單元
信號檢測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, 信號檢測采集單元將保護信號和測量信號分別取自不同類型的電流互感器, 以滿足保護和測量的要求。在測量大電流（ 短路電流） 時基本上都采用線性度好、精確度高的空心電流互感器進行保護信號的檢測; 而小電流及電參數(shù)的檢測則采用鐵芯互感器; 測量和保護用的電壓信號則由電壓互感器獲得。上述信號經(jīng)過信號處理電路后, 便能將主回路中的電壓及電流信號線性的轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和單片機可處理的電平信號,經(jīng)單片機分析判斷后發(fā)出信號或控制斷路器的動作。
根據(jù)電流、電壓的采樣值,還可利用不同的算法計算出相應(yīng)的電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、電能等參數(shù), 實現(xiàn)各種表計功能, 對降低成本, 簡化布線, 提高低壓配電的可靠性大有益處。
3.3 開關(guān)量輸入單元
為了滿足控制邏輯的需要, 單片機內(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關(guān)量的輸入與輸出, 便于上位機的監(jiān)視和操作控制。開關(guān)量的輸入主要是斷路器的輔助接點狀態(tài), 經(jīng)過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, 不僅要實現(xiàn)自動控制, 還要能把相關(guān)信息傳遞給操作運行人員, 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對話所不可缺少的, 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。通過液晶屏或發(fā)光管能夠適時顯示各種狀態(tài)和負載的參數(shù)值及故障電流、故障類型和保護動作、試驗整定情況, 結(jié)合按鍵還可以進行保護的整定、預(yù)警值的設(shè)定、開關(guān)的試驗和各種功能的檢測。
3.5 執(zhí)行輸出單元
智能化斷路器的執(zhí)行元件為一個帶永久磁鐵的磁通變換器, 其特點是體積小, 功耗低, 脫扣力大。正常工作時永久磁鐵使動靜鐵芯保持吸合。來自互感器的過載、短路、接地等故障信號, 按預(yù)先設(shè)計好的保護特性要求, 經(jīng)微處理器單元處理后, 發(fā)出一定寬度的跳閘脈沖（負方波脈沖）送到磁通變換器的線圈, 產(chǎn)生反向磁場, 抵消永久磁通, 動鐵芯釋放產(chǎn)生的機械能量推動斷路器的脫扣器使斷路器分斷, 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)場總線, 將配電系統(tǒng)組成一局域網(wǎng),一臺計算機作為主站,若干帶通訊接口的智能斷路器組成從站。斷路器編號、分合閘狀態(tài)、各種設(shè)定值、運行電流、電壓、故障電流、動作時間及故障狀態(tài)等多種參數(shù)進行網(wǎng)絡(luò)傳輸, 實現(xiàn)與系統(tǒng)上位管理機或控制調(diào)度中心計算機間的信息交換, 接收上位機或遠方調(diào)度控制中心的數(shù)據(jù)上傳要求, 完成對現(xiàn)場設(shè)備的遠方監(jiān)控和遙測、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提供電源, 還可在主電路停電或斷路器投入運行前對控制器進行參數(shù)整定、功能檢查、試驗、狀態(tài)顯示、通信以及在斷路器故障分斷后能保持各種狀態(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
軟件設(shè)計主要分為兩個部分, 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; 中斷程序包括定時器中斷、鍵盤中斷、通訊中斷等。
單片機對工頻電流信號進行采樣, 利用一種基于小波分析和FFT 的改進算法計算電流的有效值,可以提高采樣的精度, 滿足系統(tǒng)對延時保護高精度的要求。小波算法在采樣過程中檢測到可疑信號點后, 由FFT 算法進行有效值判斷, 如果沒有超過門檻值, 則可疑信號點無效, 回到小波算法中繼續(xù)尋找采樣可疑點; 如果有效值超過門檻值, 則認為可疑點有效, 根據(jù)各保護條件輸出相應(yīng)信號。
多功能脫扣器實時控制采用定時器中斷方式,判斷瞬時故障為最優(yōu)先中斷; 判斷短延時、長延時和接地故障為次優(yōu)先級中斷, 按鍵操作為低級中斷。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)。接著計算出最大相電流,與瞬時整定電流值比較, 判斷是否瞬時故障。按鍵閉合時產(chǎn)生中斷請求, 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并作出相應(yīng)的處理。這時還需排除鍵抖動引起的誤操作, 以及避免對同一個鍵的一次閉合作多重處理的錯誤, 采用雙鍵封鎖的鍵盤工作方式來排除上述誤操作, 在去抖動周期內(nèi)有兩個鍵按下, 則認為是同時按下, 只有最后釋放的那個鍵作閉合處理。根根計算出的鍵號,執(zhí)行相應(yīng)的程序, 實現(xiàn)脫扣器的各種操作保護功能。
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, 強干擾會使系統(tǒng)監(jiān)控程序失控, 脫離正常的執(zhí)行順序,甚至發(fā)出錯誤的控制信號, 造成斷路器的誤動作。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作的準確性與可靠性。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)計上采用數(shù)字濾波技術(shù)、軟件陷阱、空指令、對稱檢測法、限幅檢測法、小波分析和FFT 的改進算法、軟件看門狗等技術(shù), 從而保證了智能斷路器的可靠、準確分合閘, 避免了因系統(tǒng)自身故障而引起的不能開斷或誤動作的情況發(fā)生。
6 保護的設(shè)置
智能化斷路器為了滿足現(xiàn)場實際的需要, 設(shè)置了過載長延時、短路短延時、短路瞬時和接地等四段保護功能。其中瞬時保護是一種特殊的保護方式, 為了提高了可靠性, 它不需要對有效值進行比較, 而是采用即采即比的方式, 一旦發(fā)現(xiàn)某幾個采樣點連續(xù)超過規(guī)定的門檻, 立即讓系統(tǒng)發(fā)出脫扣信號, 使斷路器跳閘, 以防止過大的短路電流對系統(tǒng)設(shè)備造成破壞。智能化斷路器的保護定值設(shè)置極為方便, 可根據(jù)用戶的要求,在現(xiàn)場進行整定,定值設(shè)定完后還可在顯示裝置上顯示出整定曲線, 使單一的動作特性有可能做到一種保護功能多種動作特性, 保護功能更加完善可靠。各保護功能的動作電流和動作時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)部存儲器存儲起來。當主回路發(fā)生各種故障時, 如故障電流、電壓達到或超過設(shè)定值時, CPU 經(jīng)過運算判斷比較后輸給驅(qū)動電路一個動作信號, 使斷路器跳閘切斷故障電路, 從而保護系統(tǒng)的正常運行。
7 結(jié)束語
隨著高性能、低價格芯片和大規(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的多樣性、判斷準確性和抗干擾性、自診斷能力和實時通訊及顯示等方面都會有極大的改進。特別是大規(guī)模可編程邏輯器件和高速數(shù)字信號處理器的應(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使智能化斷路器的應(yīng)用產(chǎn)生一個質(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)綜合自動化再上一個臺階。
