单片机理论下的开关智能控制器探究与分析

第一章绪论

1.1课题研究背景
我国生产力快速发展，经济水平不断提高，对能源尤其是电能的需求量也不断提高。不管是生产部门，还是国防军工，以及居民的正常生活用电量也与日俱增，而且人们对供电的可靠性以及电能的质量要求越来越高。在配电和供电系统中，断路器起着举足轻重的作用，具有不可替代的地位。断路器主要应用于要求实现保护且不频繁操作的场合，它的任务是开断短路故障电流、关合正常电流，从而保护电网及回路上电力设备免受损坏。
所以，在断路器正常工作时，不仅能准确接通电路、承载负载电流，当电流过大时，还可以及时分断负载电流，并且，当电力系统出现故障时，如过载故障、短路故障、单相接地故障等，断路器都能及时的动作切断电路，进而使得变压器、用电设备和供电线路免受过压或过流的损坏。同时，断路器选择性动作，使得故障点就近切断，这样，不仅提高了断路器工作效率既避免非故障区域的停电，而且保证了电能的有效传输，把损失减小到最低。供电的可靠性是当今社会发展的根本保障，而断路器的智能控制是供电可靠性的重中之重，该技术的实现不仅可以提高电网运行的稳定性，还可以提高供电水平、改善供电质量，最终保证了用电设备的稳定运行，提高经济效益，促进经济发展，进而提高人们的用电水平。微处理技术越来越多地应用于工业的各个方面，对工业自动化水平的提高起着巨大的促进作用。同时，随着电力电子技术水平的飞速发展以及控制领域中智能控制理论的不断完善，使得在电力系统领域中，电能变换与控制逐渐被实现。智能化是当今世界的发展趋势。断路器作为电力系统的关键元件，它的通断直接决定了电网的正常工作。所以，鉴于电力系统的可靠性要求，断路器的智能化控制成为当今世界的热点，在继电保护中，断路器的智能化成为今后发展的必然趋势。传统断路器保护灵敏度低、整定困难，并且维护起来需要大量人力物力，关键是无法通信，为满足电力系统F1益提高的可靠性要求，这就要求电力设备能自诊断、能及时发现故障的前兆、运行状态可控，而要实现这些功能，显然离不开断路器的智能化。因此，开发与研制智能断路器具有极其重要的意义。
智能断路器以主频高、运算速度快、精度高的微处理器为核心，不仅可以完成多种模拟量信号如电网电压、电流、频率、温度的采集，通过信号处理后在显示屏上显示，并且还可以通过控制要求，发出控制信号来实现三段式电流保护、欠压保护、过压保护、单相接地保护、漏电保护等多种保护。此外，微处理器还可以对故障参数进行记录和査询，这样，断路器就实现了自诊断功能。同时与上位机进行双向通信，可以进行人机交流。微处理器与现场断路器元件共同组成低压智能配电监控系统。真空断路器的特点是动、静触头被密封在真空泡内，该泡内没有空气存在，处于真空状态，所以，具有很好的绝缘性，可以起到很好的灭弧作用。它的特点是能够快速断开短路电流，断路器体积小，并且操作起来方便，容易维护，在配网自动化这样需要频繁操作的中低压领域正得到越来越广泛的应用。
传统的真空断路器，从操动机构上可分为电磁操动机构或弹簧操动机构。电磁操动机构结构比较简单、制造的成本相对较低，由于电磁感应的作用，合闸线圈消耗的功率大、合阐反应较慢，用时较长，同时电压的波动造成合闸速度降低；弹簧操动机构与电磁操动机构有很大不同，合间弹簧和分闹弹簧是其关键部件，它将电机的机械能以弹性势能的方式在短时间内储存在合闸弹簧中，当断路器动作时，将合闸弹簧中的能量释放转换为幵关动作的动能来进行合闹。其工作过程完全依靠机械传动来完成，机械部件相互配合相对复杂，容易产生故障。
近年来，一种电子控制、永磁保持的电磁操动机构开始用于真空断路器。这样的断路器集电磁机构与永久磁铁的特点于一身，从而来实现传统断路器操动机构的功能，这样就无需传统的脱扣和锁扣装置即可实现机构终端位置的保持功能。由于零部件的减少，这样就减小了动作时间的分散性，提高了断路器的可控性，为断路器实现自身的智能控制提供了可靠的操动机构，同时也使智能断路器的开发更加具有可行性。

    1.2 国内外研究动态 ............11-13
    1.3 论文研究的主要内容 ............13-14
第二章 断路器智能控制器的总体设计 ............14-20
    2.1 智能控制器的功能要求 ............14-17 
    2.2 智能控制部分的设计思路 ............17-20
        2.2.1 智能控制器的智能监控 ............17-18
        2.2.2 智能控制器的智能动作 ............18-20
第三章 智能控制器的硬件系统设计 ............20-36
    3.1 智能控制器的硬件系统结构 ............20-21
    3.2 单片机系统 ............21-22
    3.3 电源设计 ............22-23
    3.4 模拟量输入及转换 ............23-25
    3.5 分合闸线圈电流传感器输入回路 ............25-26
    3.6 真空泡真空度在线监测回路 ............26
    3.7 开关量输入 ............26-27
    3.8 开出回路 ............27-29 
    3.9 通讯接口电路设计 ............29-36 
第四章 智能控制器的软件系统设计 ............36-52
    4.1 保护CPU的模块程序设计 ............36-43
        4.1.1 三段电流保护设计 ............37-39
        4.1.2 定时器中断程序设计 ............39-41
        4.1.3 保护CPU模块故障处理程序设计 ..........41-43
    4.2 测控CPU模块程序设计 ............43-45
    4.3 测量算法 ............45-51 
    4.4 主要保护原理 ............51
    4.5 本章小结 ............51-52
第五章 开关智能控制器的通讯设计 ............52-60
    5.1 基于CAN通讯的智能控制器的通讯协议设计 .......52-57
        5.1.1 CAN总线的通讯规范 ............52-53
        5.1.2 CAN通讯软件设计 ............53-55
        5.1.3 CAN总线通讯的应用层协议 ............55-57
    5.2 RS485调试接口的软件设计 ............57-58
    5.3 本章小结 ............58-60
第六章 系统的抗干扰措施 ............60-66
    6.1 干扰的来源与分类 ............60
    6.2 控制器硬件的抗干扰 ............60-61
    6.3 控制器软件的抗干扰措施 ............61-66
第七章 系统的仿真与误差分析 ............66-74
    7.1 PROTEUS软件的介绍 ............66-67
    7.2 保护功能试验及结果分析 ............67-72
    7.3 系统误差分析 ............72-74

总结

本文通过多方面的研究和分析，对国内外的智能断路器的种类和功能，做了一个比较全面和深刻的总结，并进而设计了自己的方案。本文所研究的智能型号的控制器不仅具备常规电流的保护功能，而且还具备一些智能决策和处理的高级运算和控制功能。它集许多断路器的常规功能于一身，能提供各种断路器在实际应用中的使用参数运行状态参数。在进入论文书写阶段时，已完成了大部分的工作。本文主要的研究成果如下：
(1)提出了自己的应用幵发方案，即引入两个CPU的运行设计模式，使得运行的速度大大提高，性能也得到加强。
(2)通过对传统回路进行分析，对传统的基于继电器的开关的运行回路无法保证运行和开合的性能要求，本文采用了 IGBT的回路，实现电控制。
(3)本文在硬件的实现上做了改进，改变了传统的方法。
(4)选取差值的方法对电流进行有效的计算，能对电流和电压的各项状态参数，提高了断路器控制的精度。
(5)中央处理器（CPU)已经具有了一些通讯总线，设计了一些端口，实现组网通信。
(6)通过模拟实验证明了算法的正确性，并且对保护进行了实验仿真。
随着实际应用的需求不断增加，本课题存在以下的不足：
(1)断路器的关合控制上研究的比较少，没有一个很好的分析策略，需要进一步对同歩关合技术进行研究。
(2)从监控方面说，在线监测的力度还不够，没有得到一个满足实际要求的结论，不能为断路器的状态监测提供一些关键的数据。