智能型断路器设计

2024-05-03

智能型断路器设计（精选七篇）

智能型断路器设计篇1

关键词：智能断路器,TMS320F2812,主控芯片

一、智能控制单元的组成

针对于断路器含有的具体工作状态, 我们可以通过智能控制的单元进行自动的识别, 同时利用其含有的不同工作状态对其含有的机构进行自动的控制, 进而可以使得有关的保护特征充分的实现, 针对于断路器含有的相关工作的状态进行显示与记录以后, 可以使得远程的主机含有的通信基本完成。本文就是利用这些基本的要求, 针对于智能控制单元含有的基本结构进行了有关的设计, 具体含有的结构包括液晶显示部分、数据集成部分以及电源、微处理器部分。

二、CPU模块分析

在电力系统中, CPU模块需要对于三相电压与电流进行快速与精确的采集与计算, 经过这些步骤以后将数字信号进行有关的处理与分析, 含有电能质量以及故障的类型分析等几个方面。对于提及的这些功能, 需要的不仅仅就是CPU含有的处理速度需要特别的快, 同时对于A/D含有的转换速度与精度也是需要特别的好。

三、智能控制单元的硬件设计

3.1数据采集模块设计。因为母线有着很大的电压和电流, 这些要求我们对于主线路里面含有的大电压以及电流使用的为罗氏线圈具有的电流互感器、阻容分压以及电压互感器进行模拟量的转换, 针对于信号部分主要利用的就是6次以下含有的谐波, 针对于高于6次的谐波则是利用的两阶RC低通滤波装置进行有关的滤除活动。我们根据香农采样定理可以得出, 采样的频率需要大于或等于600Hz, 其采样点的个数要高于或者等于12个。通过对于谐波FFT进行分析同时对于数据含有的真实性进行维护, 对于采样点含有的基本个数选择预定为32个。

TMS320F2812芯片含有A/D采样含有的基本信号, 其具有的基本输入范围规定为0-3V, 与此同时经过互感器模拟变换以后含有的有效值个数为-2-2V。

这个时候需要通过运算的放大电路对于负极性具有的电压进行提升, 之后也是需要依据这些要求, 设计有关的信号采集电路, 含有对于电路里面的滤波以及放大保护部分。之后我们还可以通过Multisim10进行有关的仿真测试, 经过测试以后得到的输出电压为192.574m V-2.721V, 含有的截止频率为303Hz, 通过这样的设计得到的验证电路含有一定的可靠性, 这些也是在A/D采样含有的基本信号输入范围。

3.2电源的设计。本次设计使用的就是TPS73HD318芯片为TMS320F2812提供其所需要的电能, 这样的芯片含有的基本类型就是线性的降压型DC/DC变换器, 通过其含有的5V的电源就会可以产生不同的电压, 最后含有的最大输出电流为1A, 这样也会满足DSP芯片与外围电路含有的基本供电需求, 对于外部的设置的电源选择的为3.3V, 核心部分含有的电源为1.8V, 同时就会产生一个20ms的低电平脉冲, 可以为TMS320F2812提供上电复位信号。

3.3液晶显示模块的设计。液晶芯片选用的为FYD12864-0402B, 内部配置有ST7921液晶模块控制器, 本设计中采用8位并行总线模式, 将TMS320F2812的GPIOB8-GPIOB15端与液晶模块的D0-D7端连接在一起。

3.4通信模块设计。针对于智能控制部分具有的通信模块, 我们利用的为以太网控制芯片RTL8019AS, 之后经过脉冲网隔离的变压器20F001AN以后, 可以同RJ-45含有的以太网连接起来。JP引脚决定了RTL8019AS含有的基本工作方式。

四、软件设计

因为TMS320系统DSP含有的基本CCS是一种集成的环境, 这个也是在Windows操作系统下面进行的。在软件流程中, 始终执行的函数便是主函数中的循环。INIT函数含有针对于系统含有的每一个部分进行初始化的作用, 也就是含有A/D初始化、各个控制器含有的寄存器的初始化, 系统含有时钟含有的初始化等几个部分。

结束语

随着我国电网事业的快速发展, 数字化的变电站已经成为目前进行建设与研究的一个热点, 数字化变电所具有的基本核心就是对于一次设备的智能化以及二次设备含有的网络化进行设计。本文利用的智能控制单元含有的硬件电路设计与主程序软件的部分进行设计, 可以为智能断路器使用尊定了基础, 随着智能化进程上面, 很多的问题被一一解决, 这些也是未来发展的一个必然。

参考文献

[1]李二强, 全惠敏, 周琴, 王兴刚.智能断路器Device Net通信模块设计与实现[J].计算机系统应用, 2011 (08) .

断路器智能控制器设计及实现篇2

断路器的智能功能是通过智能控制器来实现。智能控制器通过采集三相电源的电压、电流信号,自动监测电网系统的负荷是否持续超载。三相电压经各自的TV变换成电压信号,再经模拟电路调整成具有一定带宽、一定动态范围的电压信号送A/D采样。三相电流、中线电流、接地电流经各自的TA变换成电流信号,再经模拟电路调整成具有一定带宽、一定动态范围的信号送A/D采样。每隔一定时间监测三相电流、中线电流、接地电流有无超载。若超载,即对其作倒计时;倒计时间到,即发出脱扣拉闸信号。

断路器关键性能要求是快速、可靠。快速——当负荷“超载超时”时必须立即实现脱扣拉闸,从发现“超载超时”开始至拉闸的时间误差不得超过±40ms;可靠——不该脱扣拉闸的绝对不可发生脱扣的误动作,而该动作时绝对不可延误。

1 智能控制器设计

智能控制器配用万能式断路器,壳架电流设计为4 000A,额定电流有多个规格。智能控制器具有长延时、短延时、瞬时、接地故障等四段任意组合的保护功能;电机断相、MCR、越限跳闸、负载监控保护功能;谐波分析、分断脱扣前的波形录制、功率因数测量、电度表、通信等功能。断路器极限短路分断能力为75kA。

1.1 功能设计

1.1.1 过载长延时保护

过载长延时保护输入电流范围为0.4～1.0倍整定电流,整定时间为15～480s,对于配电网、发电机、电机的脱扣保护动作特性有所差异。此外,过载长延时保护具有热记忆功能。

1.1.2 短路短延时保护

短路短延时保护输入电流范围为1～15倍整定电流,当电网电流小于0.9倍整定电流时,智能控制器不发出脱扣保护命令;当电网电流大于1.1倍整定电流时,智能控制器发出脱扣保护命令。短路短延时保护的延时时间整定为0.1～0.4s,脱扣时间精度为±40ms。

1.1.3 短路瞬时保护

短路瞬时保护输入电流范围为1倍整定电流至最大75kA。当电网电流小于0.85倍整定电流时,智能控制器不发出脱扣保护命令;当电网电流大于1.15倍整定电流时,智能控制器发出脱扣保护命令。短路瞬时保护脱扣时间精度小于50ms。

1.1.4 接地故障保护

接地故障保护采用矢量和方式,主要用于故障电流在几百安培以上的金属性接地故障保护,通常用于中心点直接接地系统。控制器根据三相电流和中性极电流的矢量和进行保护。接地电流的矢量关系如下:

(1)当断路器为三极时,三相不平衡电流;

(2)当断路器为四极时,接地电流。

输入电流范围为0.2～0.8倍整定电流。当电网接地电流小于0.9倍整定电流时,智能控制器不发出脱扣保护命令;当电网接地电流大于1.1倍整定电流时,智能控制器发出脱扣保护命令。接地故障保护的延时时间整定为0.1～0.4s,脱扣时间精度为±40ms。

1.1.5 MCR功能

在断路器开始合闸后的100ms内,当任一相电流超过15kA(壳架电流为4 000A)或10kA(壳架电流为1 600A)时,立即发出保护脱扣命令。MCR功能是一种后备保护功能,可由用户增选或不选。

1.1.6 负载监控保护

负载监控用于控制支路负荷。负载监控有两种方式可选:

(1)监控两路负荷。当主回路运行电流超过1.1倍整定值时,按过载反时限特性延时向相应支路发出分断信号,分断该支路负荷,以保证主系统的供电。

(2)监控一个支路负荷的卸载和重合闸。当主回路运行电流超过1.1倍整定值时,延时发出分断信号,分断该支路负荷;若分断后主回路运行电流又在持续60s内恢复正常(电流值低于整定值),控制器再发出另一个重合闸信号,闭合已分断的该支路负荷,恢复子系统供电。

1.1.7 区域选择性联锁

当发生短路、接地故障时,根据是否收到下级断路器发来的“出现短路短延时或接地故障”信号,有两种不同的处理方式:

(1)若未收到该信号,则立即发出脱扣信号,瞬时分断本级断路器。不管延时脱扣时间是否到达,应立即向上级断路器发送“出现短路短延时或接地故障”信号。

(2)若已收到该信号,则按正常设定的短路短延时、接地故障的延时脱扣方式执行脱扣动作,并立即向上级断路器发送“出现短路短延时或接地故障”信号。

多个下级断路器送来的“出现短路短延时或接地故障”信号采用并联的连接方式,即实现“或”逻辑后输入本级断路器。

1.1.8 其它功能

智能控制器除以上功能外,还具有电压表功能、电度表功能、计算有功功率功能、计算无功功率功能、计算视在功率功能、计算功率因数功能、谐波分析功能(包括电流总谐波畸变系数,基波至15次谐波数据)、频率测量功能、录波功能(记录自发出故障脱扣命令起的30ms内最大故障所在相的电流、电压瞬时采样值)。

1.2 硬件设计

智能控制器的输入信号:三相电流、中线电流经过TA输出信号,三相电压经过TV输出信号。从互感器输出的每一相电流、电压信号分别经过滤波和适当的信号调节(如信号放大、缩小等),按一定的时间间隔和顺序,分别送A/D变换,将模拟信号变为数字信号。接地电流信号采用三相电流信号矢量和方式获得。A/D变换后的数字信号送DSP处理,根据处理结果自动检测电网的故障情况,并按照事先整定的参数,判断是否需要脱扣拉闸。如果需要脱扣拉闸,通过控制接口发出脱扣拉闸命令,断路器执行拉闸操作,LCD显示器显示故障状态,同时将故障状态通过MODBUS总线发给系统控制单元。整定参数通过键盘设定。硬件设计框图如图1所示。

1.3 软件设计

根据功能实现的需求,智能控制器的软件主要有:信号采集处理软件、液晶显示输出软件、整定输入软件、脱扣控制软件、通信软件。软件流程如图2所示。

1.3.1 信号采集处理软件

信号采集是对输入的四相电流信号(模拟量)和三相电压信号(模拟量)进行采样,将其转变为数字信号。用定时方式对这些模拟信号进行等间隔采集。

三相电流、一相中线电流和三相电压及接地电流有效值计算,是在对三相电流、一相中线电流和三相电压信号FFT分析的基础上进行的,仅取50Hz的基波信号得到。接地电流为三相电流的矢量和。

有功功率、无功功率、视在功率的计算是在对三相电流和三相电压信号FFT分析的基础上进行的,取50Hz基波和10个奇次的高次谐波计算得到。

功率因数以及电压和电流的谐波畸变系数可按相应的公式计算。

1.3.2 液晶显示输出软件

液晶显示输出的主菜单画面设置有以下工作方式:运行、保护整定、试验、历史故障、功能设定、出厂设定。

(1)运行方式共有6个显示画面,分别是:

①三相电流、一相中线电流和三相电压的数据实时显示画面;

②每一相的有功功率、无功功率数据实时显示画面;

③每一相的功率因数数据实时显示画面;

④电流谐波总畸变因子、机内温度、接地电流数据实时显示画面;

⑤电压谐波总畸变因子数据实时显示画面;

⑥电流最大相的10个奇次电流谐波/基波比、10个奇次电压谐波/基波比的棒图实时显示画面。

(2)保护整定方式包括长延时、短延时、瞬时、接地、中线整定显示画面。

(3)试验方式包括脱扣或不脱扣动作。

(4)历史故障方式包括显示故障信息画面、显示故障时最后40ms内录制的电流的电压波形。

(5)功能设定方式包括热记忆开关设定画面、从站地址设定画面、近/远程控制画面、负载监控画面、MCR开关设定画面、波特率设定画面、区域联锁画面。

(6)出厂设定方式包括出厂设定值查询画面,口令输入画面,额定电流、极数、型号设定画面,编号、出厂日期、封装设定画面,TA、TV系数设定画面。

1.3.3 整定输入软件

整定输入软件完成长延时、短延时、瞬时、接地、中线整定参数设定。

1.3.4 脱扣控制软件

按照事先整定的参数,当检测到电网中的某相出现故障时,运行脱扣控制软件,发出脱扣命令。

1.3.5 通信软件

智能控制器采用标准的MODBUS通信格式,支持RTU通信模式(1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验位)。读取数据和修改数据时,采用主站请求,从站应答的通信方式。

2 试验

在智能控制器与断路器联机情况下对如下功能及性能进行了检测。

(1)频率测量精度,输入相电压信号为50±1Hz。

(2)输入相位可变的电流、电压信号,测试各相的功率因数、有功功率、无功功率,三相总的功率因数、有功功率、无功功率。

(3)机内温度测试。

(4)电流最大相的电流、电压各次谐波系数。

(5)验证发现故障至发出脱扣信号的响应时间。

(6)长延时保护:设定I=1.05×Ir1(长延时保护电流整定值),在2h内脱扣不动作;设定I=1.3×Ir1,在1h内脱扣动作。

(7)短延时保护:设定I=0.9×Ir2(短延时保护电流整定值),脱扣不动作;设定I=1.1×Ir2,脱扣动作。

(8)瞬时保护:设定I=0.85×Ir3 (瞬时保护电流整定值),脱扣不动作;设定I=1.15×Ir4,脱扣动作。

(9)接地保护:设定I=0.9×Ir4(接地保护电流整定值),脱扣不动作;设定I=1.1×Ir4,脱扣动作。

(10)负载监控方式一:设定I=0.9×ILC1(或ILC2)(负载监控保护电流整定值),脱扣不动作;设定I=1.1×ILC1(或ILC2),脱扣动作。

(11)负载监控方式二:设定I=0.9×ILC1,脱扣不动作;设定I=1.1×ILC1,脱扣动作。在LC1动作后,设定I=1.1×ILC2,LC2脱扣不动作;设定I=0.9×ILC2,LC2脱扣动作,动作时间为60s。

(12)区域选择性联锁:将“/下级报警”端接地,设定电流I=1.1×Ir2,观察“/向上级报警”输出,脱扣动作时间等于整定时间。

(13)故障时电流电压信号录波。

(14)MCR试验:将“脱扣回授”信号端悬空,设定电流I=15kA;然后令“脱扣回授”信号端接地,观察脱扣动作及响应时间;将“脱扣回授”信号端悬空,设定电流I=0.9×15kA;然后令“脱扣回授”信号端接地,脱扣无动作;经100ms后再令电流I=1.2×15kA,仍保持脱扣不动作。

3 结束语

SF6断路器智能控制器设计篇3

随着电力系统的发展,对高压开关的可靠性和自动化提出了更高要求,尤其是变电站自动化系统无人值守运行模式的实施,使数字化变电站的发展成为必然,而智能断路器是数字化变电站的重要组成部分。智能断路器是在传统断路器中引入数字处理技术和信息技术而发展起来的,其控制器是实现智能操作的核心部件,通过对自身状态和电网参数的采集和处理,给出相应的控制信息,来控制断路器执行机构动作。本文提出一种SF6断路器智能控制器的实现方法,为断路器控制器的设计提供了新思路。

1 智能断路器工作原理与结构

智能断路器由SF6断路器和智能控制器组成。作为被控对象的SF6断路器是智能断路器执行机构的一部分,而智能控制器是通过检测SF6断路器的传感器来实现对断路器状态的诊断。与普通断路器的最大区别在于,智能断路器能通过智能控制器实现对电网参数的采集、处理和对自身状态的监测、判断,并且在自身状态满足动作要求的前提下,可根据电网实时状态发出相应的控制命令。不同于传统断路器单一的开合控制命令,智能断路器能根据需要调整断路器操动机构的运动参数,从而获得合适的分合闸速度和最佳分合闸时间,实现断路器的最佳开合;同时,将断路器的实时状态反馈给主站,当断路器发生永久性故障时,向主站发出报警信号。

图1为智能断路器工作原理图。智能控制器由智能控制模块、数据采集模块和执行单元(调节装置)3个基本模块构成。它采用同步操作技术,通过执行单元改变操动机构参数,使断路器获得与当前系统工作状态相适应的运动特性,并由智能控制模块实现与变电站间隔层的信息交换。根据需要,智能断路器还添加了故障录波、电能计量等功能。

2 智能控制模块

智能控制模块是智能断路器的核心,负责控制命令的发送,具有以下功能。

(1)基本保护功能:有方向或无方向的过流和接地故障保护,零序电压、过电压和低电压保护,断路器失灵保护,低周减载及自动重合闸等。

(2)控制功能:保护跳闸、合闸,远方、就地控制以及各种控制信号和控制对象的显示等。

(3)监视功能:断路器状态监视、跳闸回路监视和本机运行自检。

(4)通信功能:实现与变电站间隔层间的信息交换。

智能控制器采用ARM和DSP的双CPU结构,以嵌入式操作系统μClinu作为系统的软件平台,如图2所示。由DSP TMS320F2812和CPLD来完成信号的采集和处理,即状态量的采集、执行信号的输出、人机接口的实现等;由ARM AT91RM9200通过嵌入式操作系统μClinux来实现RS-485、Ethernet、USB和CAN等通信。

2.1 DSP子系统

TMS320F2812芯片采用高性能静态CMOS技术,其供电电压降至3.3V,并具有150MIP/s的运算能力;采用哈佛总线结构,可单周期执行32位×32位的乘和累加操作(MAC)或双16位×16位MAC运算;片上存储器包括128K×16位Flash存储器、1K×16位的OPT存储器和14K×16位的SARAM;具有外部中断扩展(PIE)模块,可支持多达45个的外部中断,2个多功能的事件管理器(EVA,EVB)可方便地实现电机控制。

DSP子系统通过在TMS320F2812片外扩展一片CPLD MAX3256的方式来弥补DSP的1/O口线较少、控制能力较弱的不足。在CPLD的片内实现对整个A/D采样过程的控制、频率跟踪等功能,然后由DSP来完成各种运算,判断系统状态并做出动作决策。

DSP子系统主要完成数据采集和断路器控制。电子式电压、电流互感器分别检测供电线路中的电压、电流信号,并输出实时电压、电流的数字量,供TMS320F2812进行运算和处理;然后将运算结果与整定值进行比较,输出符合预设保护特性的逻辑电平信号,这些信号经放大后可直接驱动脱扣执行机构,使断路器动作。断路器动作时,脉冲电度表发出的脉冲信号经光电隔离后转换成数字信号,再经去抖电路进行脉冲计数。各种故障的保护动作电流和时间整定值通过液晶显示和键盘设定,并预先存储在Flash中。储能电机工作状态、气室压力等断路器状态信息经传感器检测后输入CPU,若出现异常将闭锁断路器,并输出相应的报警信号。

为了确保断路器状态检测的快速性和输出执行信号的可靠性,由CPLD完成状态量的监测与状态信号的输出,如图3所示。

2.2 ARM子系统

控制器选用Atmel公司的AT91RM9200作为通信模块的主芯片。该处理器内部资源丰富,拥有4个32位的I/O控制器,20通道外围数据控制器(PDC或DMA),1个10M/100M Ethernet控制器,2个USB2.0主机接口,2个多媒体卡接口MCI控制器,3个同步串行口SSC控制器,4个通用同步/异步串行端口UASRT,1个主从串行设备接口SPI,2个3通道16位定时计数器,1个两线串行接口TWI,JTAG/ICE等,1.8V的核心电压和3.3V的I/O电压。

ARM子系统采用了嵌入式系统,由应用程序和操作系统组成。应用程序通过调用操作系统内核进行通信,内核通过驱动程序将系统调用转换成对物理设备的操作,从而完成特定的功能。为了解决多任务协调困难的问题,将μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统移植到AT91RM9200上。μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统是一个完整的、源代码公开的、可移植可固化的、可裁剪的占先式实时多任务内核,将其作为智能脱扣器的操作系统,可提高系统的可靠性,降低开发成本,缩短开发时间和调试时间。

3 数据采集模块

数据采集模块需采集断路器和电网的状态信息。断路器状态信息包括触头位置信息、分合闸线圈电流信息、SF6气体状态及母联处温度等;电网状态信息包括母线电压、电流幅值及相位。对于不同的状态量选择特定的传感器,将非电量信息转化为与之相关的电量信息,再通过数据采集模块转化为对应的数字量,输入智能控制模块,为控制器作出正确的判断提供必要信息。

3.1触头位置监测方案

断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大,适当提高刚分速度对减小电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用,但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能,反而会加重操动机构的负担;同样断路器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此,对断路器触头的行程、速度特性的测量及在线监测是很重要的。为此必须选取合适的位移传感器。

测量断路器动触头的行程一时间曲线最直接的方法是在动触头下或触头的绝缘拉杆下安装直线位移传感器。但是,40.5kV及以下电压等级设备的结构非常紧凑,在动触头和绝缘拉杆附近可用来安装传感器的空间非常有限,而且传感器如果安装在动触头处还存在高电位隔离问题。考虑到断路器的动触头在分合闸过程中,其运动行程规律与主轴连动杆运动行程规律之间有着固定的联系,本装置通过在主轴上安装连动机构,将主轴的角位移转换成与动触头相对应的直线位移,并采用WDL-25型精密直滑式导电塑料电位器测量位移对应的电压值。该传感器线性度为0.1%,输出平滑性为0.1%,最大反应速度为10m/s,完全满足SF6断路器测量速度的要求,可精确检测断路器动·触头的速度和行程。

3.2断路器分合闸线圈电流的监测方案

经验表明,分合闸线圈的电流可以作为诊断断路器机械故障的重要依据。断路器分合闸线圈的电流信号如图4所示,t0为分合命令到达时刻,Z,为铁芯开始运行时刻,t2代表铁芯触动操作机构的负载后减速或停止运行的时刻,t3可视作开关辅助接点断开线圈电路时刻,t0～t1与控制电源及线圈电阻有关,t1～t2的变化表征电磁铁铁芯运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变动情况,tz～t3或t0～t3反映操作传动系统运动的情况。通过分析以上几个不同特征时间的电流情况,即可诊断断路器部分机械故障趋势,包括拒分、拒合等故障。

测量分合闸线圈电流采用跟踪型霍尔电流传感器,该霍尔传感器失调电流小、线性度好、跟踪速度快、响应时间小于2μs,测量范围从直流到100kHz,并且具有高过载能力。由于采用了霍尔磁平衡原理,其电气绝缘和抗干扰能力都很强。传感器安装于断路器分合闸操作回路中,它的输出由信号调理电路转换为0～3V电压信号后输入DSP。

3.3 SF6气体检测

在SF6高压断路器中,SF6气体不但作为绝缘介质,还作为灭弧介质,其性能的变化对于断路器的可靠性影响很大,因此SF6气体状态是断路器状态检测的重要方面。

SF6气体的绝缘性能和气体的压力有关,压力的降低会导致绝缘性能的下降。智能SF6断路器采用压力表和密度继电器实现对气体压力和密度的监测,并利用穿芯电流传感器采集其输出的与气体密度相对应的4～20mA电流信号,实现在线监测和远传功能。

SF6气体的含水量是反映SF6气体绝缘性能的重要指标,要求测量精度高,为此本装置由检测仪通过电解法进行含水量测量。

3.4母线联接处异常温升的在线监测方案

采用温度传感器检测母线联接处温升时,难以解决温度感应发射装置的供能问题。本系统在温度变换、发射装置处设有一次穿芯变压器,通过感应一次触臂的电流解决高电位处温度感应发射装置的自供电。温度传感器把信号送到红外发射器进行处理,并发射红外光束,红外光接收器和温度接收处理装置于低电位处,将接收的处理信号送到核心控制器,实现母线联接处异常温升的在线监测,并解决了绝缘问题。

4 与间隔层通信

随着智能化、数字化变电站的推广,传统面向点的电力规约正在向面向对象的电力规约IEC 61850转换。实现变电站内的控制、保护、监视和测量等功能的不同厂家智能电子装置(IED)集成在同一个变电站内时,就会出现通信协议不兼容的问题。通常的解决方法是增加通信协议管理机(规约转换器)来协调不同厂家间的协议,但是这样不仅降低了IED通信的速度,而且增加了设备投资。为了更好地与其它设备配合,提高设备的互操作性和兼容性,增强抗干扰性,断路器监控单元采用光纤以太网把实时数据传送监控中心,实现对断路器的监视与控制。

5 结束语

智能型断路器设计篇4

关键词：电弧断路器,故障电弧,电弧检测

1 引言

随着经济的飞速发展和人民生活的提高，用电量也在不断增加。用电安全，包括人身安全和防止漏电或电弧故障引起的火灾，日益受到人们重视。

目前，剩余电流保护断路器已广泛采用，但它在一些场合起不到故障电弧保护作用，因而美国研制了一种电弧故障断路器 (AFCI) ，用于家用AFCI己在市场上出售，用于航空、汽车和工业领域的也在开发中。

电弧是两个电极之间跨越某种绝缘介质的持续放电现象，经常伴随电极的局部挥发。电弧存在的区域会产生很高的电离气压，导致电弧被局限的任何地方都会释放出高热气体和电极物质粒子。线路上的电弧可分为“好弧”和“坏弧”两种。“好弧”是指电机旋转 (如电钻、吸尘器等) 产生的弧。另外当人们开关电器，插拔电器时产生的弧也属于“好弧”。“坏弧”是故障电弧。在低压供配电线路中，有串联、线对线、线对地3类电弧故障。电弧的电流和电压波形一般不是简单的正弦波性。经研究发现，并联电弧的性质更具一般性，而串联电弧的性质受到负载类型的影响，特性较为复杂。经过对大量电弧波形的研究，发现所有电弧都具有一些共同的特性，如高频噪声、电压降、电流低、上升速率高、有“平肩部”等。

本文主要设计针对住宅的智能电弧故障断路器，包括硬件电路设计、软件简介、实验分析等方面的说明，为实现智能电弧故障断路器的实际应用提供参考。

2 电弧断路器的硬件设计

本文设计研制的电弧断路器的硬件总框图如图1所示，控制芯片选择的是AVR公司的ATmegal6，这是一块典型的8位AVR单片机。

图2是信号采集模块的原理图, 电流互感器的电流信号转化为电压信号，再经过高通滤波器，将低频率的信号去掉。经过上述的几个模块的作用，电流信号就可以有一定选择的传过来了。但是，电流互感器的输出电流较小，加上电阻的作用，过来的信号相对单片机的工作电压还是比较小。故在后面设计一个放大电路。单片机要求的有效电压是0-5V，而信号采集过的时候是一个零点上下都有的正弦波，要将波形整体移到零点以上，所以在信号进入单片机之前加一个整形电路。根据单片机的要求，电路用5V电源将电流波形拉上去。D6是一个二极管，起到对单片机的保护作用。而电容C14是一个滤波电容，它与R6构成一个低通滤波器。这与前面的高通滤波器共同构成一个带通的滤波器。信号输入单片机的A/D转换端。

图3是电压比较器的电路原理图，由于电弧的电流的特性都比较复杂，所以在软件设计时，还要观察其电压波形的变化，用来判断电流过零点的时刻，故我们又设计了一个电压比较器的电路，并接到单片机的中断管脚上。

3 软件相关简介

三周期法：微处理器通过用一种或多种算法处理储存的电压/脉冲数据而确定电弧事件的发生。图4是其流程图，此方法参考德州仪器公司的专利。

4 电弧断路器的实验分析

试验平台的电路结构如图5所示，包括供电电源，开关，负载，和数据采集设备。供电电源按照标准要求能够提供220V交流的电压。

电弧发生器是人工产生持续燃烧电弧的设备，是实验中最重要的设备。将电弧发生器同各种负荷设备连接后，使电弧燃烧，就可以研究各种负荷状态下的电弧特性。在有此实验平台的基础上，我们共做了一组波形分析实验，此实验是：电炉子正常波形与电弧发生时的波形对比。如图6，下面是具体的波形图与分析。

图6电炉子正常情况下的波形图6中, (1) (过零点的正弦波) 是实际的电流波形； (2) (不过零点的正弦波) 是电流互感器传过来的信号波形经过了放大、整流等处理之后的波形，此波形是从R7与R6的连接点显示出来的； (3) (方波) 则是电压比较器最终进入单片机时的波形 (之后的波形位署与此图一致，分别用 (1) 、 (2) 、 (3) 波形代替) 。示波器下方的2、3、4分别给出了对应的波形的标度。显然，2号蓝色对应波形的标度是IV/格，可以看到，这个波形是在2.5V上下波动的，附合电路设计和单片机的要求。所以它可以做为输入信号输入单片机的A/D转换管脚。再A/D转换后，单片机将跟据软件对其进行分析处理。3号红色对应的波形的标度也是1V/格，电压在0-4V之间，也附合单片机的要求。可以做为同步信号使用。4号绿色则是通过电炉子的电流波形，其标度是2V/格，由图可以看出，它处于正常用的工作状态。在上个实验的基础上，将电弧发生器的接触棒向外转动，让它形成电弧，观察示波器中的波形，如图7。很明显，绿色的实际电流波形的零点附近形成了一个平台。同时，从电流互感器的传过来的电流信号与实际的电流一样也形成了一个平台。这个平台是电弧电流波形的特征，可以据此来判断电弧是否发生。

总结，电弧波形的普遍特性有： (1) 电弧电流的幅值比正常电流的幅值略小； (2) 某些半周波在过零点附近存在一段电流为零的区间，即“平肩部”。整个实验平台设备齐全之后，将软件程序传到单片机内，看一下各种算法的成功率如何。这里我们实际测试一种常用的软件算法：经过带通滤波器技术与应用的三周期法。下面是我们做的几组不同的三种负载的100次实验，三种不同负载情况的，这种算法作用情况的统计结果见表l。

对结果的分析：

三周期法 (以后简称算法一) ，我们在做实验的过程中发现，算法一的动作灵敏度不是很高，当然可以通过软件程序调解其阀值来改变其灵敏度，我们这里实验的是在一个特定的阀值下进行的。在此阀值下，算法一的动作一般要在电弧发生之后的2s钟左右才开始动作，而这种慢动作正好有效地防止了误动作。可以明显从表中看出，算法一在这几种负载下，都没有发生误动作的情况。从不同的负载的角度来看，电炉子负载时，94次是正确动作，6次没有动作，正确动作率有94%；电熨斗负载时，是93次正确动作，7次没有动作，正确动作率也是93%；而当电炉子和电熨斗复合负载时，却只有76次正确动作，24次都没有动作，正确动作率仅有76%。由此可以看出，算法一对于单个负载的发生电弧的情况的判断是很准确的，而对于多负载，复合负载的情况，算法一就不是十分的准确了。最后从负载的不同纵向看，发现电炉子的负载情况下算法一可以解决，电熨斗负载的情况下算法一也可以解决，复合负载的情况下算法一可以解决，但是正常动作率确不是很高。由此可以看出，小电流单个负载发生电弧的情况比较容易解决，而当大电流和多负载时则需要进一步的实验和研究。实际生活应用中还会有容性和感性负载，这些复杂的负载的电弧判断更需要进一步的研究。

5 结论

(1) 本文主要完成了4项任务： (1) 对电弧的定义、分类以及特性进行了详细的介绍； (2) 完成了电弧断路器的基本硬件电路的设计, 其中包括单片机附属电路、信号采集电路以及电压比较器电路等; (3) 搭建了电弧断路器的实验平台, 分别对电弧发生器和电弧断路器的电路板进行了详细的描述。并介绍了其使用方法; (4) 依据实验平台方案, 采用电炉子、电熨斗、台灯等负载进行了电弧故障断路器的实验, 包括故障电弧电流的数据采集、处理、算法验证, 实验结果验证了硬件电路设计的正确性, 并初步证明了电弧判断相关的软件算法的可行性。

(2) 改进措施与下一步工作展望。电弧检测算法需要完善, 用来区分负荷种类, 然后再进行电弧特征识别。还可以将第三章中提到的第二种算法完善, 进行相关实验, 并根据实验结果进行调试。在两种算法都有一定的成功率时, 尝试做一些两种算法取“与”、“或”的关系得到最佳的正确动作率。由于电弧波形的复杂性, 现存的算法或多或少都存在不同程度的缺陷。可以通过对实验数据的分析想出新的算法, 更好地解决电弧判断的问题。

参考文献

[1]陈德桂.低压电弧故障断路器一种新型低压保护电器[J].西安交通大学学报, 2007 (1) .

[2]George D.Gregory, Gary Scott, “The Arc—FaultCircuit Interrupter:AnEmerging Product”, IEEE, Tansactions on Industry APPlications, September/October l998.PP.928-933.

[3]赵淑敏.AFCI (故障电弧断路器) 的研制[硕士学位论文1.浙江大学, 2007.

智能型断路器设计篇5

目前,智能化低压电器的发展日新月异。智能低压电器是把计算机技术、数字信号处理技术、现场总线技术等大量的新技术嵌入到低压电器产品中。从20世纪90年代后期到21世纪初,国内外相继推出了新一代智能化产品,有的甚至都研发了两代产品,可见技术发展之快。新一代产品无论从产品综合技术、经济指标、产品结构、材料选用以及新技术的应用等方面都有新的突破。断路器作为低压电器中一个最为重要的产品,其发展一直得到众多公司的青睐。现在的智能断路器除实现基本的保护功能之外,还要对低压配电系统的现场参数进行监测,以及实现区域连锁功能,并能通过现场总线与监控系统通信,实现低压配电系统的自动化[1]。

本文介绍了一种基于Microchip公司的高性能16位数字信号控制器DSPIC30F6011A的智能低压断路器的控制器的硬件及软件设计。硬件设计方面采用高可靠的设计提高系统的可靠性,并采用采样三点法快速算法来计算电参数的有效值,大大提高了短路电流的动作响应时间,并且为了适应不同总线的要求,设计了两种通信接口:Modbus和CAN总线接口。

1 智能低压断路器控制器设计

1.1 总体方案设计

在低压输配电系统中,低压断路器主要完成对线路发生各种故障时(如过载、短路、不平衡等)进行保护。因此,智能控制器应能准确快速地检测电压、电流、频率等,可以实时的在现场显示出来并且可以按用户的不同要求设定时间-电流曲线,做到一种保护功能多种动作特性,实现与控制计算机双向通信,构成智能化的监控、保护、信息网络系统,其组成框图如图1所示。主要包括微处理器、信号采集电路、人机接口电路、脱扣驱动电路、通信接口电路、电源等部分。下面选择几个主要的电路单元做详细的介绍。

1.2 微处理器的选择

智能断路器既要实现基本的保护功能又要完成各种事务处理,同时又要完成大量的数据实时计算功能,因此对处理器的运算能力、处理速度及可靠性都有较高的要求。本设计采用Microchip公司的高性能数字信号控制器DSPIC30F6011A,其DSP内核使其具有强大的数据处理能力,同时又具有极为出色的控制能力。它的主要特点是:采用改进型哈佛架构及C编译器优化指令集,实现灵活的寻址模式。系统主频可达30 MHz,内部采用PLL技术将外部较低的时钟输入倍频到较高的频率,这样做的好处是降低了对外干扰,提高了系统的电磁兼容性。另外,它的片上集成了132 KB的FLASH闪存,6 KB的SRAM存储器,2 KB的EEPROM存储器,可以通过指令读取或擦写,免去了外扩这些存储器的需要,也增加了系统的可靠性,降低了成本。在数据处理方面,它有两个40位宽累加器,且具有可选的饱和逻辑,还有17位×17位单周期硬件小数或整数乘法器,使所有DSP指令都是单周期的,可以快速方便的完成数字信号处理运算。另外,它超宽的工作电压范围(2.5~5.5 V),使得它可以很方便的与不同电压等级的外围芯片接口。

此外,DSPIC30F6011A芯片还集成了丰富的常用外设模块。包括5个16位定时器,8路标准PWM,16通道12位A/D转换器,2路UART器件,2路CAN控制器兼容CAN2.0标准,还包括芯片间传送数据的2路SPI接口,1路SCI接口。支持多达41个中断源及中断嵌套。可以很好的满足系统需要。

1.3 信号调理电路

根据需要本控制器采集3路相电流信号和3路线电压信号。电流信号采用电流互感器经取样电阻后转化为电压信号,然后由单片机的A/D转换器将其转换成数字信号,与预设的保护特性逻辑进行比较,用以控制断路器动作。A相电流取样电路如图2所示。由于在本设计中电流互感器除了完成采样的任务还用来为系统提供电源,因此为了使电流互感器全部流过取样电阻,本设计将取样电阻R33串入回路中,整流桥将电流互感器输出的交流信号全波整流与其它两相一起为系统提供电源。由于电流互感器既要作为电流信号,又要为系统提供能量,电源部分的开关管动作会产生噪声,从而影响测量精度,为此在取样电阻处并联一瓷片电容旁路高频分量,另外信号调理电路采用滤波电路,这些措施都有效消除了电流上的噪声。信号输出采用两个开关二极管钳位用以保护单片机A/D转换器。

B相和C相取样电路与A相完全一样,另外,电压取样电路比较简单与通用设计也没有区别。

1.4 电源电路设计

一个稳定可靠的电源是保证控制器可靠工作的根本。对于智能化脱扣器的供电系统,可以有3种供电方式,专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电,电流互感器供电也称为“自供电”。这3种方式可以配合使用。本控制器采用电流互感器供电和外施供电结合的方式,在刚刚合闸和小电流的情况下,切换到外施供电方式,保证系统供电可靠性。下面介绍电流互感器供电方式。电流互感器供电是断路器一种特有的供电方式,它的能量来源于电流互感器,可以随着电网的接通自动开始工作,但是电网中电流较小时不足以供电。本设计中互感器次级电流不低于20 mA时可以为系统提供稳定的电源。电流互感器电源供电系统电路如图3所示。

本设计为了降低系统功耗,采用内阻较小的MOSFET作为开关管,输出电压和基准电压通过比较器LM339控制MOSFET的导通和关断时间,用以控制输出电压维持在+15 V左右,然后再通过三端稳压器得到+5 V稳定电压,为数字系统提供稳定的电源。

2 算法分析及软件系统结构

2.1 三点法测量电流原理

智能断路器的控制器的实时显示、三段保护功能及热记忆功能、负载监控功能、通信功能等都需要靠软件来完成。软件的可靠性和结构影响系统的性能及可靠性。其根本任务是实时检测和计算三相电路电流、电压等参数,同时根据预先设定的保护门槛值决定是否控制脱扣器动作。因此,通过采样实时计算电流、电压有效值是软件设计的首要目标。对于断路器,要求当线路中出现大电流时,要求立刻可靠的分断,切断故障源避免故障范围进一步扩大。为了可靠而又快速的分断,本控制器电流采样算法采用“三点法”来计算电流和电压有效值,取得了很好的效果。

下面以电流的计算来说明计算的原理。对于一个正弦的信号只要知道幅值、频率和初始相位就可以确定这个正弦量,因此,理论上来说,只要有三个点的信息就可以确定这些特征量。

设被测电流信号表达式为:

其中,Im为电流幅值,Δt为采样间隔,k为采样序列,φ0为初始相位。将其用三角公式展开如下:

其中Is=Imsinφ0,Ic=Imcosφ0。

选取任一时刻作为采样起始时刻即k=0,那么这一时刻以前的时刻k=-1,这一时刻以后的时刻k=1,然后将k值代入式(2)中列出如下:

由式(4)可得到:

由式(3)和式(5)可以得到:

再将式(6)、式(7)代入式(5),整理后得到:

故由式(6)和式(8)可以得到用三点采样值得到的有效值:

实践证明,只要采样间隔较小,即Δt

本算法计算量小,大大提高了控制器的响应速度,式(7)中要求i0不为0,如果i0为0,那么可以再采一点,以i0为前一时刻重新用以上的方法计算,另外,也可以用同步信号来把过零点过滤掉。采样计算过程如果出现│cos(ωΔt)│≥1的情况则说明采样点中有干扰要舍去该点。实际应用中可以多采几个点然后用数字滤波方法,减少干扰的影响。这种算法计算量小,而且不与前值相关联,因此响应迅速,非常适合采用微控制器的电力参数计算[2,3,4]。

2.2 程序结构

智能断路器的控制器要完成诸如采样计算、判断等实时性非常强的任务,也要完成显示、键盘扫描、通信等实时性要求不太高的任务,为了使程序结构更清晰,减小处理器负担,根据任务的实时性将任务分成4个等级。如显示等作为慢速任务,每300 ms执行一次,根据要求发送数据,键盘扫描等任务作为快速任务,每60 ms执行一次,采样、计算判断、发脱扣指令等任务作为实时任务,由中断完成,另外如清看门狗定时器,低压检测处理作为例行任务每次主循环都要执行一次。计算处理任务流程图如图4所示。

2.3 实验分析

为了验证实际电流检测精度,在不同等级电流下进行了实验,实验结果如表1所示。

从测量结果可以看出在整个测量范围内测量误差都在5%以内可以满足系统精度的要求。虽然在程序中作了补偿,但当电流较大时误差较大,主要是电流互感器的大电流时非线性及取样电阻发热引起阻值的变化引起的。

当线路中出现大电流短路时,断路器应该尽快分断,分断时延时主要是由采样计算及程序处理时间、机械部分延时、电弧熄灭时间组成。本设计采样间隔为T/100,T为实测工频周期,为了考察其响应时间进行了瞬动实验,瞬动整定电流倍数为2倍额定电流,动作时间结果如表2所示。

实验结果表明,当线路中出现大电流短路故障时,控制器从处理到分断完成的时刻不超过6 ms,可以满足系统对响应时间的要求。

3 结语

本文介绍了一种基于高性能16位数字信号控制器DSPIC30F6011A的智能低压断路器的控制器的硬件及软件设计,该控制器运行可靠性高,响应快速,有较好的电磁兼容性。智能断路器除实现基本的保护功能之外,还可以对低压配电系统的现场参数进行监测,以及实现区域连锁功能,并能通过现场总线与监控系统通信,完全能够满足现代低压配电系统的自动化的要求。

参考文献

[1]曾庆军,金升福,黄巧亮,等.关于万能式断路器智能控制器[J].电力自动化设备,2004(2):79-83.

[2]佟为明,李中伟,倪文利,等.基于PIC16F876单片机的智能低压电动机综合保护器的研究[J].继电器,2005,33(3):29-32.

[3]郑昕,朱方铁,张培铭,等.MC9S12DG128B在低压断路器智能控制器中的应用[J].低压电器,2007(1):22-24.

智能型断路器设计篇6

断路器运行的可靠性直接影响到变电站的安全与稳定。智能变电站设备状态在线监测系统对断路器的运行状态进行持续稳定的在线监测,通过实时监测的状态量以及相关历史数据,诊断断路器当前的运行状态,并及时对断路器可能发生的故障和运行异常进行预警,对已经形成的故障进行分析诊断,为断路器的状态检修提供依据。随着智能变电站的提出,变电站各类运行信息均需要符合IEC 61850标准,而且各种一次设备监测方法的结构变化很大,属于变电站间隔层的断路器状态监测智能电子设备(IED)需要嵌入符合IEC 61850标准的IED性能描述(ICD)文件,通过高速稳定的通信网络与断路器在线监测装置(过程层)进行数据传输,通过光纤按IEC 61850标准与监测中心(站控层)通信。这就需要新型IED必须具有快速高效的处理能力和高速稳定的通信能力以及强大的实时监控能力,才能满足智能变电站设备自动化、信息多样化及通信标准化的要求。文献[1-3]从不同角度研究了如何建立满足IEC 61850标准的IED模型,本文旨在依据智能变电站新的实际需要,遵循IEC 61850标准,设计一种基于ARM芯片+数字信号处理器(DSP)芯片的新型断路器状态监测IED。

断路器状态监测IED可对多个断路器在线监测装置(过程层)上传的监测数据进行处理运算后得到断路器机械特性参数,并实时、准确、高速地将断路器所有状态参量按IEC 61850标准传送给变电站监控中心,实现各类在线监测装置数据格式的统一化及数据资源的共享。断路器状态在线监测系统完成对所有断路器状态参数的综合采集、处理和故障诊断,实现智能变电站各分散监测系统的集成及其与信息一体化平台的融合。

1 智能变电站断路器状态在线监测系统结构设计

目前,断路器状态监测的主要参数有:合分闸线圈电流、合分闸线圈电压、断路器动触头行程、断路器动触头速度、断路器操动次数、断路器机械振动信号、断路器开断电流加权值、合分闸线圈通路、合分闸线圈时间、合闸弹簧状态、导电接触部位温度。在实际应用中,可以根据实际情况选取部分状态参量进行监测[4,5,6]。

根据《智能变电站技术导则》[7]将断路器状态在线监测系统按照过程层、间隔层和站控层分别设计,具体方案见图1。图中,GPS表示全球定位系统,CAN表示控制器局域网络。整个断路器状态在线监测系统的工作流程如下。

1)断路器在线监测装置(过程层)

断路器在线监测装置实时采集断路器运行状态参量,根据传感器信号直接或经数据运算处理得到需要监测的断路器状态量,进而诊断断路器运行状态。前期开发的断路器在线监测装置有5路模拟量输入,即合分闸线圈电流、储能电机电流信号、动触头行程信号和振动信号,通过零磁通型霍尔穿心式电流传感器将线圈回路电流和储能电机电流转换成0~30mA的电流输入,通过位移传感器增量式光电编码器监测动触头行程,通过振动信号传感器监测断路器机械振动。断路器监测装置对这些传感器模拟输入信号进行信号调理、隔离滤波、模拟/数字(A/D)转换以及运算处理后得到所需的断路器数字信号状态量。监测装置另外还有2路数字量输入:常开触点和常闭触点,通过接入断路器常开、常闭辅助接点判断分合闸状态,根据累计操作次数判断机械寿命[8]。断路器在线监测装置在收到间隔层发送的采集命令后,及时通过CAN总线、RS-485总线、以太网、Zigbee或通用分组无线服务(GPRS)等通信网络将实时采集的断路器状态量上传至断路器状态监测IED,本文以CAN总线作为过程层通信网络进行分析。

2)断路器状态监测IED(间隔层)

本文研发的断路器状态监测IED定时接收监控中心下发的数据采集指令,对收到的采集指令进行解析后,通过CAN总线向各个断路器在线监测装置发送相应的采集命令。过程层监测装置将采集的分合闸线圈电流等状态量上传给断路器状态监测IED,IED根据建立的模型计算出刚合速度、刚分速度、超行程、合分闸平均速度、合闸不同期以及分闸不同期等断路器机械特性参数,并遵循IEC 61850标准将上述断路器状态参数发送给监控中心。另外,为了实现断路器在线监测装置对合分闸线圈电流、触头行程等信号的同步采样,IED需要接收智能变电站GPS传输的IRIG-B码对时信号,并通过RS-485总线将IRIG-B码信号发送到各个间隔中的断路器在线监测装置。

3)监控中心(站控层)

监控中心一方面接受多个断路器状态监测IED上传的各类监测数据,对监测数据进行分析、计算、诊断和预警;另一方面通过IEC 61850标准将数据传输至智能变电站一体化信息平台。

2 断路器状态监测IED的硬件设计

为了增强断路器状态监测IED的数据采集和信号处理能力,以及满足IED嵌入IEC 61850标准的需求,采用ARM芯片+DSP芯片的双核结构对断路器状态监测IED进行设计,使其具有高效快速的传输能力和强大的数据处理功能。IED以ARM芯片为主处理单元,附加外围的键盘、液晶、光纤通信等硬件设备,嵌入符合IEC 61850标准的ICD文件,解析站控层监控中心的命令并将断路器状态量和对其处理后得到的断路器机械特性参量按IEC 61850标准发送给站控层。以DSP芯片作为从处理单元,利用DSP芯片的高速运算能力完成对断路器状态量的采集和数据运算处理。断路器状态监测IED的总体硬件结构如图2所示。图中,SPI表示串行外设接口。

2.1 IRIG-B码对时

为了精确计算断路器动作时的刚合速度、刚分速度等机械特性参数,需要实现过程层断路器在线监测装置对分合闸线圈、触头行程等信号的同步采样,并精确监测断路器分合闸动作时间,这对时间同步系统提出了更高的精度要求(同步准确度不大于1ms)。

变电站GPS将时钟信号以IRIG-B码的形式发送到间隔层断路器状态监测IED,IED再经过RS-485总线将IRIG-B码对时信号传送给断路器在线监测装置。IRIG-B码是每秒一帧的时间串码,由于其传输比较容易、携带信息量大以及高分辨率的特性而应用广泛,其基本的码元是“0”码元、“1”码元和“P”码元,每个码元占用10ms。码元“0”和“1”对应的脉冲宽度为2ms和5ms,“P”码元是位置码元,对应的脉冲宽度为8 ms,可以传递100位的信息[9]。IRIG-B码的基本码元如图3所示。

2.2 SPI通信

采用高速同步SPI来实现ARM芯片和DSP芯片之间的通信,传输速度可达到1 Mbit/s以上,提高了整个系统的运行速度和性能。ARM芯片和DSP芯片的连接如图4所示。

SPI共有4根信号线,分别是设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线,主从机能够同时发送和接收数据。

ARM芯片通过发出时钟信号来启动数据传输,DSP芯片通过中断方式来接收数据,当接收到完整的控制帧时,首先检验控制帧的有效性,对于有效的控制帧,首先关闭SPI中断,同时进行相应的处理[10]。处理完后,再开启SPI中断并向ARM芯片发送数据。ARM芯片对于无效的数据帧和超时错误将回应错误码要求重发,累计重发次数超过3次,将启动预警功能。

2.3 CAN总线

IED需要采集分合闸线圈电流等信号的波形文件来计算断路器动作时的刚合速度等机械特性参数,每个文件为8KB,利用传输速度快和通信可靠性高的CAN总线可以满足通信要求。

IED采用TMS320F28335芯片自带的eCAN(带有32个完全可配置邮箱和定时邮递功能的增强型CAN总线模块)作为CAN控制器,使DSP芯片能够方便地接入到CAN总线,不必再外加CAN控制器来实现CAN总线的底层协议,减少了通信时CPU的开销。CAN节点的结构如图5所示。在传输总线两端并联1个120Ω的匹配电阻,以克服长线效应,减小通信介质中信号的反射。

3 断路器状态监测IED软件平台构建

IED的软件总体框架如图6所示。

整个系统软件分为ARM软件和DSP软件设计。在ARM软件设计上,应该注重于IEC 61850标准以及系统的稳定性,为了方便IEC 61850标准的应用,以及光纤和SPI通信功能的实现,在ARM芯片上嵌入了Linux操作系统。在DSP软件设计上,应该保证整个软件系统及通信设计具有较强的实时性和高速性。

IED软件设计流程如图7所示。

其中,系统的初始化程序在整个全局中起着至关重要的作用。上电后经过一段时间延时,待电源稳定后需要对系统进行CPU初始化、时钟初始化、I/O初始化、存储器初始化、异步通信串口初始化等操作。

4 IEC 61850标准的实现

IEC 61850标准是迄今为止最为完善的变电站通信网络与系统标准,目的是为了使来自不同制造商的IED之间实现良好的互操作性。断路器状态监测IED需要将采集的数据按照IEC 61850标准进行描述,嵌入用结构化控制语言(SCL)形式保存的IED各项功能参数的ICD文件,才能使其可以不经中央处理单元、通信单元或协议转换单元、网关等中间环节,直接与变电站监控中心连接。本断路器状态监测IED已经顺利通过南京南瑞集团公司的一致性测试实验,实现了符合IEC 61850标准的间隔层通信功能。

断路器状态监测IED根据IEC 61850标准对于同一个功能对象相关的数据以及数据属性建模在该功能对象中的原则,表达了哪些监测数据需要通信以及如何进行数据通信。对IED进行建模,首先要对IED做出完整的功能描述,将每一个断路器设备描述为一个IED对象,将最小功能单元建模为一个逻辑节点对象[11,12,13,14,15,16]。根据IEC 61850标准定义的所有逻辑节点类型描述如表1所示,扩展的基于订阅覆盖的路由(SCBR)逻辑节点(断路器在线监测)数据描述如表2所示。

5 现场运行情况

本文研发的断路器状态监测IED已成功通过国家高压电器质量监督检验中心的静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌(冲击)抗扰度试验以及工频磁场抗扰度试验等检测试验,符合电磁兼容的国家标准四级设计要求,并且在华北电网虹桥220kV变电站正式运行,经过安装调试,断路器状态监测IED运行情况良好,实时、准确、高速地将多路断路器在线监测装置上传的状态量和经计算得到的机械特性参量按IEC 61850标准传送给监控中心。断路器在线监测系统(含断路器在线监测装置和IED)现场安装图、监控中心断路器显示界面图以及虹桥变电站某断路器合闸时得到的分闸线圈电流、合闸线圈电流、位移和常开触点、常闭触点状态等信号波形图见附录A。