基于ARM 的斷路器智能控制器的研究摘 要智能控制器是智能斷路器的核心，不僅具有普通脫扣器的各種保護功能，而且還具有實時參數顯示、故障記憶和查詢、自診斷等多項功能。在回顧和總結了智能斷路器的發展歷程后，討論了當前智能斷路器的發展趨勢，提出了基于ARM 的斷路器智能控制器的研究。本論文介紹了斷路器智能控制器的設計原理，同時重點闡述了斷路器智能控制器的各項參數測量及保護原理和算法，并進行了具體的硬件和軟件模塊的設計，旨在實現斷路器的智能保護。本文涉及的斷路器智能控制器，在硬件上以PHILIPS 公司的ARM 芯片LPC2294 為核心處理器，主要進行數據的實時采集處理和斷路器的故障保護。硬件設計采用了標準化模塊設計方法，硬件電路盡可能選擇標準化、模塊化結構的典型電路，以便擴展。其中，液晶選用的是SMG240128A，鍵盤芯片選用的是ZLG7290。軟件的編制采用模塊化編程方法，每一個模塊相對獨立，完成特定功能，便于維護添加新功能。編程工具為ARM 公司提供的ADS1.2。為了保證智能控制器各種保護功能的可靠實現，論文中對智能控制器的干擾源進行了分析，從硬件和軟件兩個方面采取了多項設計措施，提高了智能控制器的穩定性和可靠性。實踐證明，論文中構建的斷路器智能控制器結構簡單，易于實現，可以滿足系統需要，因此具有較高的實用價值。關鍵字：ARM,斷路器，智能控制器第二章 智能控制器的設計原理供配電系統中的低壓斷路器的主要功能是通過采集單元得到系統母線中的電流、電壓信號，由脫扣器的邏輯控制單元進行分析判斷，根據結果采取相應的動作，實現對線路中的過載、短路、失壓等故障的保護。智能控制器也是基于這個原理，通過互感器將主線路中的電壓、電流信號轉換成模擬電路可處理的信號，信號處理單元對這些信號進行濾波和整形，信號采樣后經多路開關送入CPU，在CPU 內部進行A/D 轉換后進行邏輯運算與處理，運算結果與整定值比較后輸出符合預設定保護特性的邏輯電平信號，這些信號經放大后可直接驅動斷路器的執行機構和其他輔助繼電器，使斷路器動作或輸出聲音、光信號。各種故障保護的動作電流和時間整定值通過鍵盤設定并預先存儲在EPROM 中，并可在運行期間隨時進行修改。此外，當產生特大短路電流時，獨立于CPU 的模擬脫扣電路可立即產生動作信號控制執行單元，使斷路器動作。在電力系統中，大都需要對電壓電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數等進行測量和計算，作為上級電力部門進行監控的可靠依據，計算故障電流，以實現系統的保護功能。在系統中，為了減少各種干擾造成的影響，除了硬件的抗干擾、濾波措施外，軟件也需要一定的數字濾波處理，以便達到更好的抗干擾效果。2.1 電網參數的計量原理智能控制器使用采集轉換而來的數字信號完成各種電量參數的計算，包括電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數的計算。裝置對監控對象的模擬信號量的采集，理論上采樣頻率越高則越能反映原信號，但由于受CPU 速度、A/D 轉換時間等因素的影響，采樣頻率不可能太高。電力系統中的模擬信號主要成分是1、3、5 次諧波，對于六次以上的諧波和高頻干擾經過模擬通道中RC 低通濾波加以濾除;對于六次及以下各次諧波分量借用數字濾波算法加以提取。由香農采樣定理21可知，采樣頻率應不小于6 次諧波的兩倍，假定電網頻率為50Hz，則采樣頻率不小于600Hz，每個周期采樣點數應不小于12 個，考慮到要對諧波進行FFT 分析，采樣點N 應該為2 的冪。本智能控制器每周期采樣32 個點，采樣頻率為1600Hz，為信號基波頻率(50Hz)的32 倍，這樣一方面滿足了保護所需的各參數能比較如實地送入系統，另一方面也使微處理器承擔的計算任務不致過重，保證了數據采集的實時性。基于ARM 的斷路器智能控制器的研究101.電壓、電流的計量根據IEC60947.2低壓開關設備和控制設備、第二部分斷路器，為了使斷路器在信號波形發生畸變時不會產生誤動作，我們采用均方根法對電壓、電流進行計算。電流和電壓采用均方根值顯示，均方根值檢測提供了可靠的系統保護，在波形中含有的高的諧波分量時均方根值檢測將減小保護裝置誤脫扣的可能性22。本裝置中三相電流、電壓均采用相應的均方根值顯示。根據周期性連續函數有效值的定義，電壓和電流的有效值表達式為：201 ( )TUT= u t dt（21）201 ( )TIT= i t dt（22）式中，T 為電壓、電流信號的周期。將這兩個函數離散化，可以得到電壓、電流有效值的離散表達式：1201 NkkUN u-= （23）1201 NkkIN i-= （24）式中，N =32 為每周波采樣點數， k u 、k i 為電壓、電流的離散采樣值。為了防止采樣信號由于微小波動而影響計算精度，我們采用一次延遲數字濾波方法來計算k u 、k i ，進一步消除波動和擾動的影響，公式如下25:1(1 )n n n y b x by-= - + （25）式中， n x 是第n 次的采樣值， n y 是第n 次采樣值的數字濾波輸出值，其中b 是濾波系數。2.功率因數和功率因數的計量（1）有功功率的計算對于周期信號，其有功功率為: 0 0 01( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )A B CT T Ta a b b c ct t dt t t dt t t dtTP P P Pu i u i u i= + += + + （26）將式(2-6)離散化后可以得到功率的有效值為:11 Nak ak bk bk ck ckk N P u i u i u i= + + （27）其中N =32。將采樣得到的數據代入式，即可得到有功功率的值。（2）無功功率的計算對于周期信號，無功功率的表達式為:河北工業大學碩士學位論文112 2 2 2 2 2( ) ( ) ( )A A A B B B C C C Q =U I -P +U I -P +U I -P （28）將前面各式計算得到的結果代入上式，即可得到無功功率的值。（3）視在功率的計算求得有功功率和無功功率后，視在功率S 為:2 2 S = UgI = P + Q （29）（4）功率因數的計算功率因數為有功功率和視在功率的比值，表達式為:COS PSj = （210）2.2 智能控制器的保護原理與實現方法大多數保護算法的計算可視為對交流信號中參數的估算過程，對算法性能的評價也取決于其是否能在較短數據窗內，從信號的若干采樣值中獲得基波分量或某次諧波分量的精確估計值。衡量各種算法的優缺點，重要指標可以歸結為：計算精度、響應時間和運算量。這三者之間往往是相互矛盾的，因此應根據保護的功能、性能指標(如精度、動作時間等)和保護裝置硬件條件(如CPU 的運算速度、存儲器的容量等)的不同，采用不同的算法。保護特別是快速動作的保護對計算速度要求很高。由于反映工頻電氣量的通道設有濾波環節，各種保護算法都需要時間，因此，在其它條件相同的情況下，盡量提高算法的計算速度，縮短響應時間，可以提高保護的動作速度。可采用兼有多種功能的算法以節省時間等措施來縮短響應時間，提高速度。配電系統和用電設備的過載運行是經常發生的，例如，照明線路的過負荷、大容量電動機的起動、變負荷系統中負載的增減等等。低壓斷路器作為保護元件，智能控制器保護特性必須與被保護對象的熱特性配合，其中必須考慮的主要問題之一是被保護對象熱積累的模擬。過載時，系統中負載電流成倍增加，在線路和設備上直接以I t 2 的形式表現出來。在反時限延時保護特性曲線范圍內被保護電器的時間一電流特性呈現“ I t = 常數2 ”的反時限特性。不管電流如何變化，被保護對象最終的熱積累總值應符合=nii i I t I t12 2 ，保護功能是智能控制器最重要的功能之一，保護功能的設計在整個控制器的設計中占有極其重要的地位。本節討論智能控制器的保護功能及其實現原理，重點介紹過載長延時、短路短延時和短路瞬動三段電流保護的實現原理。基于ARM 的斷路器智能控制器的研究122.2.1 保護的算法及分析電力系統發生故障時，往往是在基波上疊加有非周期分量(衰減的直流分量)和高次諧波分量。根據IEC60947.2低壓開關設備和控制設備、第二部分斷路器規定，為了使智能控制器能正確地發出脫扣信號，不致使脫扣器產生誤動作，必須對輸入的電流、電壓信號進行預處理，盡可能的濾除那些非周期分量和高頻諧波。傅氏算法帶有很強的濾除高次諧波的功能，且收斂穩定，因而得到了廣泛的應用。本課題研究的智能控制器的保護算法采用傅氏算法，以電流為例，分解出n 倍頻率的電流的實部、虛部分別如以下公式所示：實部 ( ) 1Re2 2( ) cosNkk n kN NI ip= * * * （211）虛部 ( ) 1Im2 2( ) sinNkk n kN NI ip= _* * * （212）將N=32，n=1 代入上述兩式，則電流基波的實部R1 I 、虛部I1 I ，電流基波幅值為：12 2I IR1 II1 = +當計算出來的電流基波幅值大于或等于電流整定值的時候，就判斷為故障。為了計算上的方便，同時為了減小誤差，編程時直接采用平方值來比較，即2 21 I I設定值時，認為故障發生。2.2.2 三段電流保護的實現原理過電流保護是智能型斷路器最重要的保護功能。斷路器的智能控制器具有過載長延時，短路短延時和短路瞬動三段電流保護特性20。(1)過載保護a.過載及其危害性在電力系統的運行當中，可能發生各種故障和一些非正常的運行現象，其中最常見的非正常運行狀態就是過載。過載是指供電線路中的電流高于額定電流的一種非正常的工作狀態。過載電流不會馬上危害到電網和電器設備，但是如任由其發展下去，長時間的累計效應，同樣會給線路和用電設備帶來很大的破壞。系統長時間工作在超過其額定電流的情況下，不論是絕緣還是各部件的機械強度都將迅速降低，加速系統的老化，而且機械性能、電接觸性能的降低又會給其他類型的故障提供了可能性，所以更要認真對待。主要有以下幾個方面的影響:1) 絕緣材料在使用中如果超過了限定的溫度，將會加速老化，其電氣絕緣強度和機械強度將不斷的降低，大大縮短使用的壽命。2) 導體發熱會引起接觸部分的接觸電阻增大，溫度升高，危及正常的工作。3) 長期的發熱會使導體的抗拉強度顯著降低，可能在短路電動力的作用下變形或者損壞。4) 可能引起火災。河北工業大學碩士學位論文13b.過載及保護的基本原理及其實現過載長延時具有斜波特性，即I2t 特性，數學表達式為：2 (1.5 )2 L L r L I T = I t （213）其中L I 為過電流值，L T 為動作時間，r I 為電流整定值， L t 為長延時動作時間整定值。由公式可見長延時保護具有反時限特性，其動作時間與故障電流成反比。長延時動作時間整定值決定了過載長延時的保護范圍。對于過載電流產生的故障，智能控制器按2 I t 等于常數關系呈反時限特性，可以實現前后級的斷路器選擇功能。反時限保護的實質是熱保護，動作時間和電流平方成反比，我們可以根據測得的過電流倍數，查表得到動作時間，動作時間一到，就發生保護動作。具體的技術指標為:Ir=(0.4-1)In；tL=15，30，60，120，240s，其中In 為額定電流值。圖2.1 是過載保護的原理框圖，其中采樣部分實時監視被保護線路，不斷的采集電流信號并加以處理送入邏輯單元，邏輯單元將得到的信號經過計算后和整定值進行比較，判斷是否要對保護裝置進行動作，如果是，那么它的輸出信號還應該經過放大后驅動執行元件。圖2.1 過載保護原理框圖Fig. 2.1 Circuit diagram for over loading protect為了提高系統的可靠性，由互感器轉化過來的電信號還必需進行預處理，處理的過程包括濾波、隔離、放大、隔直。為適應斷路器能工作在不同電流范圍的電網中，互感器選用線性范圍大的空心互感器；放大隔離環節的放大器采用5V 電源供電；在線路中并聯電容，濾去電網中的高次諧波；另外，為了保證A/D 采樣的精度，加入隔直電容去掉直流成分。具體電路圖如圖2.2 所示。6圖2.2 過載保護信號處理電路圖Fig.2.2 Circuit diagram for dealing with over loading protect signal整定值輸入信號 輸出信號采樣單 元邏輯單 元保護單 元基于ARM 的斷路器智能控制器的研究14(2)短路保護a.短路故障及其危害性短路是指在電力系統中不同相的兩個導線之間或者是導線和地線之間產生直接接觸的現象。短路故障的發生，使得電力系統中的電壓降低，電流增大，引起嚴重的不良后果:1)強大的短路電流將引起熱效應，使得導體和電氣設備由于過熱而造成絕緣破壞，導體熔化。2)導致設備的變形或者損壞。3)破壞整個系統的穩定性。4）使觸點熔焊，引起火災。b.短路短延時的特性及其保護實現短路短延時特性可以分為兩段，即反時限特性和定時限特性。當短延時電流整定值小于8Ir 時，斷路器短延時特性同時具有反時限和定時限保護特性；當短延時電流整定值大于8Ir 時，斷路器短延時特性只有定時限特性。短延時的反時限保護和過載的一樣，也是通過查表法判斷是否動作。具體的技術指標為:Ir=(0.4-15)In；tS0.1，0.2，0.3，0.4s，其中In 為額定電流值，tS 為延時時間。當短延時動作電流在(18)Ir 之間時，短路短延時呈反時限特性，數學表達式如下所示:2 (8 )2 s S r S I T = I t （214）其中IS 為過電流值，TS 為動作時間，Ir 為電流整定值，tS 為短延時動作時間整定值。當短延時動作電流大于8Ir 時，保護特性自動轉換成定時限特性，這時候短延時的動作時間和電流的整定值無關，一般有tS=0.1，0.2，0.3，0.4s 可供選擇。當故障電流大于整定電流值時，啟動定時器，只要定時時間一到，就產生保護動作。在定時時間內，如果故障電流值小于整定值，則保護退出。短路故障是電力系統非正常運行的最重要原因，有效切斷故障線路是斷路器的主要功能，同時又要保證沒有出現故障的線路正常運行。這就是所謂的選擇性短路保護。對于具有選擇性保護功能的系統，動作時間的整定應該分級進行:主干線上的斷路器短延時的動作時間應該大于支路上的全分斷時間。在短路短延時保護中，對采集到的電流信號利用積分法進行有效值處理，CPU 將結果和整定值進行比較，判斷是否動作。由于經過互感器轉化來的電流信號屬于大信號，所以不需要進行放大就可以送入CPU 進行處理，在設計短路延時保護時，只要加濾波和隔離電路即可。其中一路短路保護信號處理電路原理圖如圖2.3 所示。河北工業大學碩士學位論文15R1 R2C1 C2IA A/D圖2.3 短路保護信號處理電路圖Fig.2.3 Circuit diagram for dealing with short circuit protect signalc.短路瞬動短路瞬時保護功能是為了在較大短路電流時能及時分斷線路而設置的，它的動作特性為定時限，動作時間一般在10-20ms。采用即采即比的方法，CPU 將采集來的電流信號的峰值和整定值進行比較，如果某次的電流信號峰值大于整定電流值，則再采樣一次，兩次的結果相近的話，說明發生短路故障。如果兩次結果相差很大，那么就不是短路故障。2.2.3 其他保護功能除上述的三段保護功能外，智能脫扣器還可以實現斷路器的接地保護，欠電壓和失壓保護，不平衡和斷相保護功能：（1）接地保護接地故障是指電網的線和地發生短接而產生的故障，嚴重危及電氣設備和人的安全。智能控制器必須在接地電流超過整定值時實現斷路器的脫扣或者發出報警信號。具體的技術指標為:Ir=(0.2-0.8)In；ti=0.1，0.2，0.3，0.4s 其中In 為額定電流值7。接地電流取中線電流IN 與三相電流的矢量和，即G A B C N I& = I& + I& + I& + I& ，具體的實現電路如圖2.4 所示。三相電流和中線電流在A 點進行矢量和，然后經過放大和隔離處理后，進入CPU 進行處理。由于接地故障電流可能出現斷續現象，在超過電流整定值后不能持續到故障的整定時間，造成主控制器不能正確的發出脫扣信號，這就要求在軟件設計的時候，讓斷路器智能控制器附帶記憶功能，把幾次超過故障整定電流值的時間記錄下來，一旦累計的時間超過了故障整定時間，智能控制器就進行正確的脫扣。基于ARM 的斷路器智能控制器的研究16圖2.4 接地保護信號處理電路圖Fig.2.4 Circuit diagram for dealing with grounding protect signal(2)欠壓/失壓保護、不平衡和斷相保護這兩種保護功能主要是針對電動機的保護功能。失壓/欠壓保護是當電源電壓短時降低或中斷時，對不需要自起動的電動機，或為保證重要電動機的自起動而需要斷開的次要電動機，需裝設的帶延時動作的保護，其電壓整定值為:異步電動機60-70的額定電壓，同步電動機50-70的額定電壓，保護裝置的動作時限為0.5-1s。當三相電流不平衡時，會產生正序和負序電流，進而產生正序和負序力矩使電動機的綜合力矩減少，增加電動機的電流，使電動機發熱增加，嚴重則會燒毀電動機。因此不平衡和斷相保護是以三相電流的差值來判斷是否動作的，當三相電流的差值大于整定電流時，一旦到達整定時間，就發出脫扣信號8。2.3 負載監控河北工業大學碩士學位論文17在供電電網運行過程中，當智能斷路器(控制器)作為上一級的保護開關，下一級有多條負載支路給不同的負荷供電時，如果下一級某條支路存在故障使上一級的保護開關動作，這將使接在保護開關下的所有支路斷電。因此，在實際使用過程中，要求控制器(斷路器)具有負載監控功能，能保障供電主回路和下級重要負荷支路的繼續供電。負載監控保護的主要思想是負載調度，保護分為兩種方式。方式一可控制兩路負載，當運行電流超過相應的電流整定值LC1 I ， LC2 I 時，延時發出指令信號分斷相應的下級不重要負載。其數學表達式為：延時12 2 ( )12 1.5 r LI T = I t （215）延時22 2 ( )14 1.5 r LI T = I t （216）在式（215）和（216）中， r I 為過載長延時保護的電流整定值，設定范圍（041） n I ； L t 為長延時動作時間整定值，設定范圍15s、30s、60s、120s、240s、480s。方式二控制一路負載，當運行電流超過電流整定值LC1 I 時，延時分斷下級不重要負載，其延時特性的數學表達式為2 2 ( )12 1.5 r LI T = I t ，如分斷后主電流下降至LC2 I 整定值并持續60s 后，控制器可再發出指令信號再次接通已分斷的負載，恢復整個系統的供電。2.4 智能控制器的自診斷智能控制器的自診斷功能主要對控制器自身的工作狀態和運行環境進行監測和保護。通過自診斷，智能控制器(低壓斷路器)能確知當前系統是否工作正常。如果診斷出系統錯誤，控制器能發出報警信息，進入保護處理;進而能啟動自我修復程序。通過自診斷功能，智能控制器將提高自身的智能化水平和可靠性程度。智能控制器主要對以下四個方面進行診斷:（1）環境溫度監測，當環境溫度超過80+5時，發出故障信號；（2）MCU 或E2PROM 的運行狀態，當出現故障時報警；（3）拒動報警，當控制器發出脫扣指令后，若斷路器拒動，則再次發出脫扣指令，如斷路器仍然拒動，則輸出報警信號；（4）電源監視，當斷路器閉合運行時，一旦MUC 的工作電壓出故障，則報警。_第三章 智能控制器的硬件設計硬件電路是智能控制器工作的基礎，設計的好壞，將直接影響到智能控制單元功能的實現。除了工作性能之外，經濟指標也是工業應用系統在設計過程中要考慮到的一個重要因素，尤其是在我國當前經濟不甚發達的情況下，能夠長期占據市場的將是那些高性價比的產品。硬件電路的設計要圍繞智能控制器單元功能的要求進行，本控制器集測量、保護、控制、通訊等功能于一體，為此控制器必須對電壓、電流等模擬量進行采樣，采集開關量，并輸出各種控制和報警信號。同時可以和上位機進行通訊，具有良好的人機交互功能。在設計時應充分考慮增強其自身的抗干擾性能，本章主要介紹低壓斷路器智能控制器單元硬件電路的設計。硬件設計的主要任務是綜合考慮系統所要實現的各種功能和各部分硬件之間的關系，來選擇所需芯片，設計出系統電路原理圖以及印刷電路板。3.1 硬件設計準則智能控制器的硬件設計圍繞其功能進行，同時要求遵循以下準則：軟硬件合理劃分：系統中軟件和硬件在邏輯功能上等效的。具有相同功能的微機應用系統，其軟硬件功能分配可以在很寬的范圍內變化。系統的軟硬件功能分配要根據系統的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、減少所需的存儲量，有利于檢測和控制的實時性。相反，提高軟件功能的比例可以降低硬件的造價，提高靈活性和適應性，但相應速度要下降，軟件設計費用和所需的存儲器容量要增加。劃分的原則是在滿足系統實時性及可靠性的前提下，系統功能盡可能用軟件來實現。（1）簡化設計：硬件設計時盡可能選用集成電路，少用分立元件，這樣有利于提高系統的集成度，減少元器件相互之間的連線、接點和封裝數目，從而大大提高系統工作的可靠性。（2）模塊化設計：硬件設計根據預期實現的功能劃分為若干功能模塊，盡可能選用模塊化結構的