发布时间 : 星期日 文章低压断路器智能化控制技术研究更新完毕开始阅读
第二章 智能控制器的设计原理
供配电系统中的低压断路器的主要功能是通过采集单元得到系统母线中的电流、电压信号，由脱扣器的逻辑控制单元进行分析判断，根据结果采取相应的动作，实现对线路中的过载、短路等故障的保护。
智能脱扣器也是基于这个原理，通过互感器将主线路中的电压、电流信号转换成模拟电路可处理的信号，信号处理单元对这些信号进行滤波和整形，信号采样后经多路开关送入CPU，在CPU内部进行A/D转换后进行逻辑运算与处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设定保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动断路器的执行机构和其他辅助继电器，使断路器动作或输出声音、光信号。各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定并预先存储在EEPROM中，并可在运行期间随时进行修改。此外，当产生特大短路电流时，独立于CPU的模拟脱扣电路可立即产生动作信号控制执行单元，使断路器动作。
在电力系统中，大都需要对电压电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数等进行测量和计算，作为上级电力部门进行监控的可靠数据，计算故障电流，以实现系统的保护功能。在系统中，为了减少各种干扰造成的影响，除了硬件的抗干扰、滤波措施外，软件也需要一定的数字滤波处理，以便达到更好的抗干扰效果。
智能控制器单元是断路器的中枢部件，它承担着断路器的备种测量、保护、报带、显示与控制功能。早期的控制单元以过电流保护和脱扣功能为主，通过逐步改进和发展，现在其功能远不止此。除了过电流保护功能外，还具有报警、接地保护、温度保护、电流显示、电压显示、故障记录以及与计算机通信等功能。本章从计量、保护等方面讨论断路器智能控制单元的设计原理与其实现方法。
第一节 电量参数的计量原理
智能控制器使用采集转换而来的数字信号完成各种电量参数的计算，包括电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的计算。装置对监控对象的模拟信号量的采集，理论上采样频率越高则越能恢复原信号，但由于受CPU速度、A/D 转换时间等因素的影响，采样频率不可能太高。电力系统中的模拟信号其主要成分是l、3、5次谐波，对于六次以上的谐波和高频干扰经过模拟通道中RC低通滤波加以滤除；对予六次及以下各次谐波
分量借用数字滤波算法加以提取。本智能控制器每周采32个点，采样频率为l600Hz．为信号基波频率(50Hz)的32倍，可实现非失真采样。
2.1.1 电压、电流的计量
电流与电压检测方法是程序设计的关键部分，以电流为例，对正弦电流采样数据有
如下几种可能选择的处理方法： (1) 由最大值计算
通常认为配电系统是按照正弦电流电路工作的，由有效值和最大值之间的关系式
为最大值。为了得到一个周期内采样数据的最大值(可以认为最大
式中I为有效值，
值为峰值)，我们设计硬件电路来判断信号最大值的到达时刻，在该时刻对信号采样。设计触发电路在信号从负到正变化时引发单片机中断，相移电路使信号产生90度的相移，中断时单片机读取A/D转换器的转换值即为正弦信号的最大值。
这种方法求取有效值在信号不出现畸变时可行，而且软件设计简单方便、计算量小，当然需要硬件电路的支持，并且对硬件电路参数稳定性要求高。但这样只适用于正弦波无畸变的情况，在智能控制器系统中，当电网出现谐波干扰时，该方法将出现相当的偏差，特别是在出现短路电流时，偏差更大。 (2) 按有效值计算
根据热量相等原则，均方根值(即真有效值)适用于任何周期交变电路的定义为：
离散化后，以一个周期内有限个采样数字量来代替一个周期内的连续变化的电流函数值，则有：
式中：为第n-1个时间间隔的电流采样瞬时值，N为一个周期内的采样点数。交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线，其原理性误差主要有两项：一项是用时间上的离散数据近似代替时间上的连续数据所产生的误差，这主要取决于A/D的转换速度和CPU的处理速度；另一项是将连续的电流进行量化而产生的量化误差，这主要取
决于A/D转换器的位数。采用这种方法求取有效值。硬件电路简单，但是软件计算量大。为了减小有效值的误差，应适当增加一个周期内的采样点数N，点数增加，计算量增大，但是采用这种方法求取有效值对信号波形的依赖性很小。 (3) 由傅立叶变换得
由傅立叶变换求取有效值的原理是，A/D以一定的采样频率进行模数转换，获得信号离教的采样数据，经过离散傅立叶变换(DFT)，计算出基波有效值，计算公式如下：
为第n个采样数值，为电流的实都，为电流的虚部。
其中N为每周波的采样点数，
应用该方法计算有效值的条件和按有效值公式计算的条件差不多，但是该方法计算中大量引用了正弦、余弦函数。根据综合考虑，本控制器采用本方式。基波信号占到总信号的95％以上，而且不包含各种谐波分量，常常用作各种保护算法的依据，其余谐波分量可以作为故障分析等的参考。
2.1.2 电网频率、功率因数及功率的计量
(1) 电网频率和功率因数的计量
利用LM393芯片将正弦交流电压信号和正弦交流电流信号转换为方波信号，产生单片机的两个外部中断信号，同时启动内部定时器进行定时，两个中断信号0(INT0)之间的定时即为电网的周期，通过相应的运算即可得到频率。中断0(INT0)和中断l(INT1)之间的计时即为电压与电流之间的时间差，通过相应的运算即可得到功率因数。 (2) 功率的计量
功率的计量有两表法和三表法。两表法即两相对应线电压与线电流的乘积在时间段内的积分；三表法即三相对应相电压与相电流的乘积在时间内的积分。由于低压供电系统中绝大多数为三相四线制，所以智能控制器采用三表法测量功率:
第二节 保护的原理及实现方法
大多数保护算法的计算可视为对交流信号中参数的估算过程，对算法性能的评价也取决于其是否能在较短数据窗内，从信号的若干采样值中获得基波分量或某次谐波分量的精确估计值。衡量各种算法的优缺点，重要指标可以归结为：计算精度、响应时间和运算量。这三者之间往往是相互矛盾的，因此应根据保护的功能、性能指标（如精度、动作时间等）和保护装置硬件条件（如CPU的运算速度、存储器的容量等）的不同，采用不同的算法。
保护特别是快速动作的保护对计算速度要求很高。由于反映工频电气量的通道设有滤波环节，各种保护算法都需要时间，因此在其他条件相同的情况下，尽量提高算法的计算速度，缩短响应时间，可以提高保护的动作速度。在满足精度的条件下，在算法中经常采用缩短数据窗、简化算法以减小计算工作量，或采用兼有多种功能的算法以节省时间等措施来缩短响应时间，提高速度。
配电系统和用电设备的过载运行是经常发生的，例如，照明线路的过负荷、大容量电动机的起动、变负荷系统中负载的增减等等。低压断路器作为保护元件，智能控制器保护特性必须与被保护对象的热特性配合，其中必须考虑的主要问被保护对象热积累的模拟。过载时，系统中负载电流成倍增加，在线路和设备上直接以
的形式表现出来。
常数”的
，
在反时限延时保护特性曲线范围内被保护电器的时间——电流特性呈现“反时限特性。不管电流如何变化，被保护对象最终的热积累总值应符合
保护功能是智能控制器最重要的功能之一，保护功能的设计在整个控制器的设计中占有极其重要的地位。本节讨论智能控制器的保护功能及其实现原理，重点介绍过载延时、短路短延时和短路瞬动三段电流保护的实现原理。
2.2.1 保护的算法及分析
电力系统发生故障时，往往是在基波上叠加有衰减的非周期分量和各种高频分量，因此要求控制器对输入的电流、电压信号进行预处理，尽可能的滤除非周期分量积高频分量。傅氏算法带有很强的滤除高次谐波的功能，且收敛稳定，因而得到了广泛的应用。
本智能控制器的保护算法采用傅氏算法，以电流为例，分解出n倍频率的电流的实部、虚部分别如下所示：