1前言

    隨著電力技術的高速發展和供電規模的日益擴大,系統的網絡結構和運行方式日趨復雜,對電源的可靠性、安全性及供電質量也都提出了更高的要求,相應地對系統設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中廣泛使用的主要控制電器,除了要能正常分合相關系統額定電流外,還要在相關系統故障時能快速有選擇性地可靠分斷相關系統短路故障電流,且不能出現越級跳閘或拒動現象。

    特別是隨著電力系統控制方式數字化進程的發展應用以及電力系統綜合自動化的廣泛應用,對系統可視化、自動化、網絡化、實時化、精確化的要求越來越高,相應地對應用面積廣、網絡結構復雜、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,傳統斷路器根本無法滿足現代電力系統綜合自動化的需要。智能化技術的應用于是成了低壓斷路器的一個重要發展應用方向。

    2智能化斷路器的簡介

    智能化斷路器綜合了現代高電壓零飛弧技術、電子技術、電氣自動化技術、網絡通信技術、計算機及其軟件技術等,采用模塊化結構,完全突破了傳統斷路器的許多不足,集保護、測量、監控于一體。除了具備過載、過流、速斷、漏電、接地等常規控制、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、判斷和選擇以及網絡通信等功能。能夠實時地顯示溫度、電流、電壓、功率因數、有功、無功等各種特征參數并進行故障參數、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的信息查詢和故障判斷處理提供現場的實際運行資料,為系統運行方式的優化奠定了基礎。通過其所具備的網絡通信技術可以使多臺智能化斷路器實現與中央控制計算機雙向通訊,構成智能化的供配電系統,實現“四遙”功能,為無人化站所和實現區域聯鎖、遠方監控、運方調整等創造必要的設備技術保障。

    3斷路器智能化技術的構成及其工作原理

    智能化斷路器中智能化技術的應用核心是集保護、測量、監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、開關量輸入單元、顯示和鍵盤單元、執行輸出單元、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的首選。微處理器單元由高性能的自帶A/D轉換、看門狗監視器、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。配以優化的軟件,組成的單片機控制系統所需外圍元件少,使得設計簡單,布線方便,而且在穩定性和抗干擾能力上都有極大的提高。

    各交流量分別經信號輸入回路、低通濾波器送到CPU控制的多路開關,經模數轉換后,由DB數據總線送到數據存儲器（RAM）。CPU通過調用程序存儲器（EPROM）中的程序對采集的數據進行計算,其計算結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外設（信號與出口）發出報警信號,或執行跳閘。微處理單元除了要完成整個系統的測量、保護、邏輯等功能外,還具有自我故障診斷和監察的能力,當斷路器本身發生故障或環境溫度超過允許范圍時,能發出相應的信號顯示或報警,同時重新起動。自診斷的項目主要有EPROM出錯、A/D轉換出錯、環境超溫、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,要求有高的轉換精度、靈敏度、可靠性、頻率響應、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換為數字電路和單片機可處理的電平信號,經單片機分析判斷后發出信號或控制斷路器的動作。

    根據電流、電壓的采樣值,還可利用不同的算法計算出相應的電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率、頻率、功率因數、電能等參數,實現各種表計功能,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開關量輸入單元

    為了滿足控制邏輯的需要,單片機內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量的輸入與輸出,便于上位機的監視和操作控制。開關量的輸入主要是斷路器的輔助接點狀態,經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。

    3.4顯示和鍵盤單元

    在智能化設備中,不僅要實現自動控制,還要能把相關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。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。通過液晶屏或發光管能夠適時顯示各種狀態和負載的參數值及故障電流、故障類型和保護動作、試驗整定情況,結合按鍵還可以進行保護的整定、預警值的設定、開關的試驗和各種功能的檢測。

    3.5執行輸出單元

    智能化斷路器的執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,按預先設計好的保護特性要求,經微處理器單元處理后,發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,產生反向磁場,抵消永久磁通,動鐵芯釋放產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場總線,將配電系統組成一局域網,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、各種設定值、運行電流、電壓、故障電流、動作時間及故障狀態等多種參數進行網絡傳輸,實現與系統上位管理機或控制調度中心計算機間的信息交換,接收上位機或遠方調度控制中心的數據上傳要求,完成對現場設備的遠方監控和遙測、遙訊、遙調、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整定、功能檢查、試驗、狀態顯示、通信以及在斷路器故障分斷后能保持各種狀態指示及故障檢查,以維持其正常工作和各種顯示。

    4智能脫扣器的軟件設計

    軟件設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,根據各保護條件輸出相應信號。

    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先中斷;判斷短延時、長延時和接地故障為次優先級中斷,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據比較,保存較大的數據。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。按鍵閉合時產生中斷請求,I/0響應中斷,執行中斷服務程序掃描按鍵,判別鍵盤上閉合鍵的鍵號并作出相應的處理。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,執行相應的程序,實現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境中,強干擾會使系統監控程序失控,脫離正常的執行順序,甚至發出錯誤的控制信號,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。為了保證系統工作可靠性,智能化斷路器常采用軟、硬件相結合的抗干擾技術。在硬件設計中采用電源濾波技術、屏蔽技術、隔離技術、接地技術、合理布線、貼片封裝、并做好防潮和絕緣、硬件看門狗等措施;在軟件設計上采用數字濾波技術、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,從而保證了智能斷路器的可靠、準確分合閘,避免了因系統自身故障而引起的不能開斷或誤動作的情況發生。

    6保護的設置

    智能化斷路器為了滿足現場實際的需要,設置了過載長延時、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,一旦發現某幾個采樣點連續超過規定的門檻,立即讓系統發出脫扣信號,使斷路器跳閘,以防止過大的短路電流對系統設備造成破壞。智能化斷路器的保護定值設置極為方便,可根據用戶的要求,在現場進行整定,定值設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先設置,并將這些數值輸送給微處理器單元的內部存儲器存儲起來。當主回路發生各種故障時,如故障電流、電壓達到或超過設定值時,CPU經過運算判斷比較后輸給驅動電路一個動作信號,使斷路器跳閘切斷故障電路,從而保護系統的正常運行。

    7結束語

    隨著高性能、低價格芯片和大規模可編程邏輯器件以及軟件技術的不斷發展應用,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。特別是大規模可編程邏輯器件和高速數字信號處理器的應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用產生一個質的飛躍,使應用面積廣、網絡結構復雜的低壓電氣系統綜合自動化再上一個臺階。