智能万能式低压断路器的设计

1、概述 (1)

2、设计原理 (1)

3、硬件设计 (1)

3.1核心芯片 (1)

3.2数据采集 (2)

3.3数据通讯 (2)

3.4人机接口 (2)

4、软件设计 (3)

4.1电源测综合阻抗设计 (3)

4.2自适应电流速断保护 (3)

4.3自适应电压速断保护 (4)

4.4自适应电流电压速断保护在线自动计算整定及动作过程 (4)

4.5自适应反时限过电流保护 (4)

4.6保护程序结构 (4)

4.7交流电压和交流电流断线自检 (5)

5、总结 (5)

1、概述

低压断路器作为配电系统中的重要电器元件之一，其作用是保护配电网络和工业设备免受短路、过载和接地等故障的损坏。传统断路器的检测和保护功能多由电磁元件完成，其动作时间长、保护精度低、整定困难。随着技术进步，对于单台断路器要求其模块化、智能化和自动化，对于供电系统中的多台断路器要求能实现联网通信、集中监控等，即所谓的智能断路器。

智能断路器是采用了智能控制器的断路器。其主要特点是在传统的断路器基础上充分应用微电子、微机监测、智能控制及网络通信等新技术，具有较高的可靠性。若干个智能断路器通过互动网络可组成智能供配电系统，具有遥测、遥控、遥信和遥调等四遥功能。

2、设计原理

低压断路器在供配电系统中的主要作用是对线路中的过载、短路和接地等故障进行保护。它通过检测单元获取主线路的电流、电压信号，经控制器的逻辑控制单元分析判断后发出信号控制断路器的动作，断路器的动作与否及动作时间取决于控制器的控制信号。

智能控制器的设计也是基于这一原理，但其逻辑控制单元由高性能的单片机（或其他微处理器）及其外围电子电路组成，检测单元由互感器和模拟信号调理电路组成，它具有传统脱扣器无法比拟的优点:控制信号准确可靠、实时显示电流与电压值、随时设定动作电流和动作时间、存储故障信息、预报警、联网通信等。

3、硬件设计

3.1核心芯片

TMS320F2812 是美国TI公司的新型32 bit定点低功耗的数字信号处理器(DSP) ,继承了原有DSP芯片的优点,进一步提高了性能,该器件片内集成了丰富的外围设备,简化了接口设计,降低了开发周期和成本,而且性价比高,非常适用于快速、实时信号控制系统。TMS320F2812 芯片采用高性能静态COMS低压电器( 2006№9) 新型低压万能式断路器智能控制器的设计技术,最高主频为150 MHz,内部电压为1. 8 V,I/O口电压为3. 3 V;支持空闲、等待、挂起等低功

耗和节能模式;内含高性能32 bit CPU,同时包含2个16 ×16 bit乘累加器(MAC) ,可执行16 ×16bit和32 ×32 bit乘累加操作,采用统一的寄存器编址模式,程序和数据存储器的寻址范围可达4MB;具有丰富的片内存储资源,包括128 KB ×16bit Flash、128 KB ×16 bit ROM、2个4 KB ×16 bit单口随机存储器( SARAM) 、4 KB ×16 bit BootROM,因而在大多数情况下无需扩展外部存储器。此外,还具备专用的外部并行接口,寻址范围可达1 MB;具有3个外部中断,并可利用外部中断扩展模块( P IE)扩展45个外部中断;具有完善的串行外围设备接口,包括串行外围接口( SP I) 、2个串行通信接口( SC I) 、标准UART接口、增强型的局域网接口( eCAN) 、多通道缓冲串行接口(McBSP)和串行外围接口模式;具有12 bit 16通道ADC,可进行

2路独立的A /D转换,并可通过2 ×8通道输入多路选择器和2个采样保持器,可单独和同时采样,每1路转换时间80 ns,采样速率为12. 5MS/ s;具备多达56个独立、可编程、多用途通用I/O引脚;片内集成有振荡器、看门狗定时器、3个32 bit CPU定时器、128 bit秘匙、电动机控制等外围设备;高级仿真特性具有分析和断点设置功能,可进行实时硬件调试; TMS320F2812与TMS320F24xx/LF240指令集兼容,在集成编辑环境下,可采用汇编代码、ANSI C 或C ++编程,然后经编辑器和连接器生成高效机器码,再通过JTAG下载到目标板。

3.2数据采集

利用TMS320F2812芯片内部具有的ADC通道进行A /D转换,每1路转换时间为80 ns,采样

速率为12. 5MS/ s,保证了其测量和计算的精度、稳定性和实时性。

3.3数据通讯

内部集成的总线模块CAN是增强型( eCAN)模块,支持CAN 技术规范2. 0B,最高速率达1 Mb / s,并带光电隔离; 在CAN 总线接口集成的eCAN模块基础上,外扩了TI公司的3. 3 V CAN

总线收发器SN65HVD232。

3.4人机接口

采用内部控制的KS0108点阵式LCD (128 ×32)显示器,可根据中文菜单和提示完成定值输入、保护单元投入/推出选择、测量数据显示等功能。指示灯显示: ①D0 —运行; ②D1 —通信; ③D2 —出口; ④D3 —异常

系统硬件结构如下图所示。

4、软件设计

传统的电压、电流速断保护普遍存在着受系统运行方式变化的影响,为了克服其保护存在的缺陷,采用新型自适应电流与电压速断、自适应反时限过电流保护原理。利用故障分量法,系统电源侧综合阻抗对应系统的运行方式;在故障发生瞬间根据电力系统运行方式和故障类型的变化,在线实时计算出系统电源侧综合阻抗;自动地整定保护定值,使其处于最佳状态。

4.1电源测综合阻抗设计

电力系统发生断路故障时,其故障相短路电流、电压可分解为故障前负荷状态电流、电压分量和故障分量。从故障时测量到的相应量中减去故障前的分量,就可得到故障分量。系统阻抗图如下图所示。

电源侧综合阻抗为

Zs = - Umg / Img (1)

式中, Umg、Img分别为保护装设处故障电压、电流分量。

4.2自适应电流速断保护

(1) 动作电流整定。动作电流整定值为

Iact =Kd *Kk* E/（Zs + ZL）(2)

式中kd———故障类型系数

kk———可靠系数, kk = 1. 2～1. 3

E———系统等效电源的相电势

Zs———系统电源侧综合阻抗

ZL ———被保护线路阻抗

kd可由故障类型判别，对于三相短路, 取kd = 1;对两相短路,取kd = (根号3)/2。

(2) 动作出口条件。当故障电流值If ≥Iact ,动作出口。