智能万能式低压断路器的设计

3.1核心芯片 ................................................................................................................................................................ 2 3.2数据采集 ................................................................................................................................................................ 3 3.3数据通讯 ................................................................................................................................................................ 3 3.4人机接口 ................................................................................................................................................................ 3 4、软件设计 ........................................................................................................................................................................ 4

4.1电源测综合阻抗设计 ............................................................................................................................................ 4 4.2自适应电流速断保护 ............................................................................................................................................ 5 4.3自适应电压速断保护 ............................................................................................................................................ 6 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 ................................................................................ 6 4.5自适应反时限过电流保护 .................................................................................................................................... 7 4.6保护程序结构 ........................................................................................................................................................ 8 4.7交流电压和交流电流断线自检 ............................................................................................................................ 8 5、总结................................................................................................................................................................................ 9

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。

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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路的A /D转换,并可通过2 ×8通道输入多路选择

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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、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

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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: ① D0 —运行; ② D1 —通信; ③D2 —出口; ④ D3 —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

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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

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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。

4.3自适应电压速断保护

(1) 动作电压整定。动作电压整定值为

Uact =E*ZL/[kk ( Zs + ZL )] (3)

(2) 动作出口条件。当Uf ≤Uact ,动作出口。其中:Uf 为故障电压值; Uact为动作电压整定值。

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

(1) 事先输入被保护线路参数ZL 及kk ;

(2) 电势E可根据电网电压事先设定,也可在线实时计算;

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(3) 在线计算Zs 和kd ;

(4) 计算整定值Iact与Uact;

(5) 根据故障时数据求出If与Uf;

(6) 动作条件判断。当If ≥Iact , Uf ≤Uact时,动作出口。

4.5自适应反时限过电流保护

线路故障时, 传统过电流保护在短路电流小于最大负荷电流ILmax的情况下,不能检出故障电流;自适应反时限过电流保护通过实时监测负荷电流IL ,实现在线自动整定反时限特性,提高了过电流保护的灵敏度。在线自动计算整定及动作过程如下:

计算时间系数：

tp =Δt·n·[( I / Ip )²-1] (4)

确定反时限特性：

t = tp·[( I / Ip )²- 1] (5)

式中: n为级数, 保护线路的下一级只有1级时,取n = 1,有2级时,取n = 2;Δt为时间级差,可取Δt = 0. 4 s; tp 为时间系数; t为保护的动作时间; I为实际负荷电流; Ip = 2 Ioc /3, Ioc为过电流保护的动作电流。

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4.6保护程序结构

保护主程序框图如下图所示,上电或复位后,进行系统初始化全面自检,自检不通过,装置告警等待复位;否则,则进入数据采集、保护算法程序模块。进而判断是否有故障,出口条件是否满足,满足则跳闸出口后进行自动复位;否则,进入调试任务模块。判断是否有调试任务,有,则进入调试模块子程序;无,则进入通信处理、人机对话子程序模块。

4.7交流电压和交流电流断线自检

由于控制器采用的是空心电流互感器，直接套装在供电线路上,绕组线径小。这种内嵌式电流互感器一般不具备现场检测条件，根据对称分量法实时计算零序电压、电流，相互

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比较进行断线判断;如果有条件可直接采集实测零序电压、电流,与计算值相互比较进行断线判断。

(1) 交流电压断线自检。有自产零序电压(大于正常实测门限值)而无自产零序电流(小于等于正常实测门限值)，TV断线异常。

(2) 交流电流断线自检。有自产零序电流(大于正常实测门限值)而无自产零序电压(小于等于正常实测门限值)，TA断线异常。

5、总结

为了实现保护、监控、智能控制和通信一体化,迅速而有选择地切除故障设备，研究设计的低压断路器的智能控制器采用了新型自适应保护算法、自动检测断线；选用的TMS320F2812芯片，具有多功能、结构紧凑的特点，缩小了低压断路器的体积。

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