1 前言
随着电力技术的高速发展和供电规模的日益扩大, 系统的网络结构和运行方式日趋复杂, 对电源的可靠性、安全性及供电质量也都提出了更高的要求,相应地对系统设备的操作简便性和安全性以及可靠性也提出了新的要求。低压断路器作为电力供配电系统中广泛使用的主要控制电器, 除了要能正常分合相关系统额定电流外, 还要在相关系统故障时能快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流,且不能出现越级跳闸或拒动现象。
特别是随着电力系统控制方式数字化进程的发展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用, 对系统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越来越高, 相应地对应用面积广、网络结构复杂、操作较频繁、故障率高的低压断路器也就提出了更高的要求, 传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。智能化技术的应用于是成了低压断路器的一个重要发展应用方向。
2 智能化断路器的简介
智能化断路器综合了现代高电压零飞弧技术、电子技术、电气自动化技术、网络通信技术、计算机及其软件技术等, 采用模块化结构, 完全突破了传统断路器的许多不足, 集保护、测量、监控于一体。除了具备过载、过流、速断、漏电、接地等常规控制、保护、报警、整定功能外, 同时还具备人机对话显示、存储、记忆、逻辑分析、判断和选择以及网络通信等功能。能够实时地显示温度、电流、电压、功率因数、有功、无功等各种特征参数并进行故障参数、类型的储存,具有自诊断能力, 从而为运行维护人员进行相应的信息查询和故障判断处理提供现场的实际运行资料, 为系统运行方式的优化奠定了基础。通过其所具备的网络通信技术可以使多台智能化断路器实现与中央控制计算机双向通讯, 构成智能化的供配电系统, 实现“四遥”功能, 为无人化站所和实现区域联锁、远方监控、运方调整等创造必要的设备技术保障。
3 断路器智能化技术的构成及其工作原理
智能化断路器中智能化技术的应用核心是集保护、测量、监控于一体的多功能脱扣器, 它主要由微处理器单元、信号检测采集单元、开关量输入单元、显示和键盘单元、执行输出单元、通信接口、电源等几个部分组成。如图1 所示。
其各部分的工作原理如下:
3.1 微处理器单元
单片机以其高性价比和可靠性成为智能化断路器智能控制系统的首选。微处理器单元由高性能的自带A/D 转换、看门狗监视器、I2C 串行总线和高速输入输出通道、通讯接口和标准的JTAG 程序烧写口的单片机及其外围电子电路组成。配以优化的软件, 组成的单片机控制系统所需外围元件少, 使得设计简单, 布线方便, 而且在稳定性和抗干扰能力上都有极大的提高。
各交流量分别经信号输入回路、低通滤波器送到CPU 控制的多路开关, 经模数转换后, 由DB 数据总线送到数据存储器（ RAM） 。CPU 通过调用程序存储器（ EPROM） 中的程序对采集的数据进行计算, 其计算结果与存放在电可擦存储器（ E2PROM）中的整定值进行比较, 作出相应的故障判断处理。再通过输入输出端口（ I/O） 将处理信号送到相应外设（ 信号与出口） 发出报警信号, 或执行跳闸。微处理单元除了要完成整个系统的测量、保护、逻辑等功能外, 还具有自我故障诊断和监察的能力,当断路器本身发生故障或环境温度超过允许范围时, 能发出相应的信号显示或报警, 同时重新起动。自诊断的项目主要有EPROM出错、A/D 转换出错、环境超温、CT 断线、跳闸线圈断线、断路器拒动及触头维护。微处理单元的自诊断功能不仅大大提高了断路器的运行可靠性, 更给后期维修、故障判断工作提供了极大的方便。
3.2 信号检测采集单元
信号检测采集单元作为智能化断路器十分重要的组成部分, 要求有高的转换精度、灵敏度、可靠性、频率响应、测量范围以及抗干扰能力, 以便微处理单元能够作出精确的判断处理。因此, 信号检测采集单元将保护信号和测量信号分别取自不同类型的电流互感器, 以满足保护和测量的要求。在测量大电流（ 短路电流） 时基本上都采用线性度好、精确度高的空心电流互感器进行保护信号的检测; 而小电流及电参数的检测则采用铁芯互感器; 测量和保护用的电压信号则由电压互感器获得。上述信号经过信号处理电路后, 便能将主回路中的电压及电流信号线性的转换为数字电路和单片机可处理的电平信号,经单片机分析判断后发出信号或控制断路器的动作。
根据电流、电压的采样值,还可利用不同的算法计算出相应的电压、电流的有效值、有功功率、无功功率、频率、功率因数、电能等参数, 实现各种表计功能, 对降低成本, 简化布线, 提高低压配电的可靠性大有益处。
3.3 开关量输入单元
为了满足控制逻辑的需要, 单片机内部具有的高速输入通道（HSI）和高速输出通道（HSO）,可以很方便地用于开关量的输入与输出, 便于上位机的监视和操作控制。开关量的输入主要是断路器的辅助接点状态, 经过光电隔离可以很方便地输入CPU 中,以此判断断路器的状态。
3.4 显示和键盘单元
在智能化设备中, 不仅要实现自动控制, 还要能把相关信息传递给操作运行人员, 还要能够接受外部输入并做出响应。良好的用户界面是人机对话所不可缺少的, 灵活的键盘管理及直观的信息显示给用户提供了极大的便利。通过液晶屏或发光管能够适时显示各种状态和负载的参数值及故障电流、故障类型和保护动作、试验整定情况, 结合按键还可以进行保护的整定、预警值的设定、开关的试验和各种功能的检测。
3.5 执行输出单元
智能化断路器的执行元件为一个带永久磁铁的磁通变换器, 其特点是体积小, 功耗低, 脱扣力大。正常工作时永久磁铁使动静铁芯保持吸合。来自互感器的过载、短路、接地等故障信号, 按预先设计好的保护特性要求, 经微处理器单元处理后, 发出一定宽度的跳闸脉冲（负方波脉冲）送到磁通变换器的线圈,产生反向磁场, 抵消永久磁通, 动铁芯释放产生的机械能量推动断路器的脱扣器使断路器分断, 其脱扣执行电路如图2 所示
3.6 通信接口
智能化断路器所带的串行通信接口, 可将智能化断路器连接到现场总线, 将配电系统组成一局域网,一台计算机作为主站,若干带通讯接口的智能断路器组成从站。断路器编号、分合闸状态、各种设定值、运行电流、电压、故障电流、动作时间及故障状态等多种参数进行网络传输, 实现与系统上位管理机或控制调度中心计算机间的信息交换, 接收上位机或远方调度控制中心的数据上传要求, 完成对现场设备的远方监控和遥测、遥讯、遥调、遥控功能。
3.7 电源
智能化断路器采用双电源供电方式, 只要其中任何一路电源正常工作, 均可可靠地给多功能脱扣器供电。一路电源为自生电源, 用速饱和铁芯电流互感器从主电路感应获得电源。另一路电源为辅助电源, 以“或”的方式由外部提供,它不仅在主电源不能工作时提供电源, 还可在主电路停电或断路器投入运行前对控制器进行参数整定、功能检查、试验、状态显示、通信以及在断路器故障分断后能保持各种状态指示及故障检查, 以维持其正常工作和各种显示。
4 智能脱扣器的软件设计
软件设计主要分为两个部分, 主程序和中断程序。主程序包括故障处理、键盘处理、显示处理、通信处理等子程序; 中断程序包括定时器中断、键盘中断、通讯中断等。
单片机对工频电流信号进行采样, 利用一种基于小波分析和FFT 的改进算法计算电流的有效值,可以提高采样的精度, 满足系统对延时保护高精度的要求。小波算法在采样过程中检测到可疑信号点后, 由FFT 算法进行有效值判断, 如果没有超过门槛值, 则可疑信号点无效, 回到小波算法中继续寻找采样可疑点; 如果有效值超过门槛值, 则认为可疑点有效, 根据各保护条件输出相应信号。
多功能脱扣器实时控制采用定时器中断方式,判断瞬时故障为最优先中断; 判断短延时、长延时和接地故障为次优先级中断, 按键操作为低级中断。每一相电流依次采样, 分别与前一次保存的数据比较, 保存较大的数据。接着计算出最大相电流,与瞬时整定电流值比较, 判断是否瞬时故障。按键闭合时产生中断请求, I/0 响应中断, 执行中断服务程序扫描按键, 判别键盘上闭合键的键号并作出相应的处理。这时还需排除键抖动引起的误操作, 以及避免对同一个键的一次闭合作多重处理的错误, 采用双键封锁的键盘工作方式来排除上述误操作, 在去抖动周期内有两个键按下, 则认为是同时按下, 只有最后释放的那个键作闭合处理。根根计算出的键号,执行相应的程序, 实现脱扣器的各种操作保护功能。
5 抗干扰措施
由于断路器工作在较为恶劣的电磁环境中, 强干扰会使系统监控程序失控, 脱离正常的执行顺序,甚至发出错误的控制信号, 造成断路器的误动作。因此脱扣器的抗干扰性能在很大程度上决定了断路器能否正常工作和其动作的准确性与可靠性。为了保证系统工作可靠性, 智能化断路器常采用软、硬件相结合的抗干扰技术。在硬件设计中采用电源滤波技术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术、合理布线、贴片封装、并做好防潮和绝缘、硬件看门狗等措施; 在软件设计上采用数字滤波技术、软件陷阱、空指令、对称检测法、限幅检测法、小波分析和FFT 的改进算法、软件看门狗等技术, 从而保证了智能断路器的可靠、准确分合闸, 避免了因系统自身故障而引起的不能开断或误动作的情况发生。
6 保护的设置
智能化断路器为了满足现场实际的需要, 设置了过载长延时、短路短延时、短路瞬时和接地等四段保护功能。其中瞬时保护是一种特殊的保护方式, 为了提高了可靠性, 它不需要对有效值进行比较, 而是采用即采即比的方式, 一旦发现某几个采样点连续超过规定的门槛, 立即让系统发出脱扣信号, 使断路器跳闸, 以防止过大的短路电流对系统设备造成破坏。智能化断路器的保护定值设置极为方便, 可根据用户的要求,在现场进行整定,定值设定完后还可在显示装置上显示出整定曲线, 使单一的动作特性有可能做到一种保护功能多种动作特性, 保护功能更加完善可靠。各保护功能的动作电流和动作时间值可由键盘及编码器预先设置, 并将这些数值输送给微处理器单元的内部存储器存储起来。当主回路发生各种故障时, 如故障电流、电压达到或超过设定值时, CPU 经过运算判断比较后输给驱动电路一个动作信号, 使断路器跳闸切断故障电路, 从而保护系统的正常运行。
7 结束语
随着高性能、低价格芯片和大规模可编程逻辑器件以及软件技术的不断发展应用, 智能化断路器在保护的多样性、判断准确性和抗干扰性、自诊断能力和实时通讯及显示等方面都会有极大的改进。特别是大规模可编程逻辑器件和高速数字信号处理器的应用以及新型的电压电流变换器或智能化断路器特种芯片的研制成功将会使智能化断路器的应用产生一个质的飞跃, 使应用面积广、网络结构复杂的低压电气系统综合自动化再上一个台阶。