维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第３期 冶 金 动 力 总第１２７期 ＭＥｒＡＩＪ．Ｉ瓜ＧＩＣＡＬ Ｐ１）ＷＥＲ 智能化技术在低压断路器上的应用 高仁堂 （攀枝花新钢钒股份有限公司能源动力中心。四）ｌｌＳ￣花６１７０２３） 【摘要】随着人们对供电系统的自动化程度要求越来越高，对其保护功能的完善也提出了更高的要求， 传统断路器的功能已不能满足供电系统自动化的需要。详细阐述了智能化技术在低压断路器上的应用。 【关键词】断路器；智能化；可视化；保护；自诊断；通信 【中图分类号】ＴＭ５６ 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】１００６－－６７６４（２００８）０３－０００１－０４ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ ＧＡＯ Ｒｅｎ・ｔａｎｇ （Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｐａｎｚｈｉｈｕａ Ｎｅｗ Ｓｔｅｅｌ－Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｃｏ．。￡ ，Ｐａｎｚｈｉｈｕａ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１７０２３，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔｓ】Ａｓ ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ ｄｅｍａｎｄ ｏｎ ｈｉ ｈｇ ａｕｔｏｍａｉｔｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ，ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒａｉｓｅｄ． Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｃａｎ ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｈｔｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、ｆｏ ｉｎｔｅＨｉｇｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔｍ１． ｔ 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ；ｖｉｓｕａｌｉｚａｉｔｏｎ；Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｅｌｆ－ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｃｏｍ－ ｍＩ】ｎｉｃａ ｏｎ １前言 电子技术、电气自动化技术、网络通信技术、计算机 随着电力技术的高速发展和供电规模的日益扩 及其软件技术等，采用模块化结构，完全突破了传统 大，系统的网络结构和运行方式日趋复杂，对电源的 断路器的许多不足，集保护、测量、监控于一体。除了 可靠性、安全性及供电质量也都提出了更高的要求， 具备过载、过流、速断、漏电、接地等常规控制、保护、 相应地对系统设备的操作简便性和安全性以及可靠 报警、整定功能外，同时还具备人机对话显示、存储、 性也提出了新的要求。低压断路器作为电力供配电 记｝乙、逻辑分析、判断和选择以及网络通信等功能。 系统中广泛使用的主要控制电器，除了要能正常分 能够实时地显示温度、电流、电压、功率因数、有功、 合相关系统额定电流外，还要在相关系统故障时能 无功等各种特征参数并进行故障参数、类型的储存， 快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流， 具有自诊断能力，从而为运行维护人员进行相应的 且不能出现越级跳闸或拒动现象。 信息查询和故障判断处理提供现场的实际运行资 特别是随着电力系统控制方式数字化进程的发 料，为系统运行方式的优化奠定了基础。通过其所具 展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用，对系 备的网络通信技术可以使多台智能化断路器实现与 统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越 控制计算机双向通讯，构成智能化的供配电系 来越高，相应地对应用面积广、网络结构复杂、操作 统，实现“四遥”功能，为无人化站所和实现区域联 较频繁、故障率高的低压断路器也就提出了更高的 锁、远方监控、运方调整等创造必要的设备技术保 要求，传统断路器根本无法满足现代电力系统综合 障。 自动化的需要。智能化技术的应用于是成了低压断 ３断路器智能化技术的构成及其工作原理 路器的一个重要发展应用方向。 智能化断路器中智能化技术的应用核心是集保 ２智能化断路器的简介 护、测量、监控于一体的多功能脱扣器，它主要由微 智能化断路器综合了现代高电压零飞弧技术、 处理器单元、信号检测采集单元、开关量输入单元、 维普资讯 http://www.cqvip.com
冶 金 动 力 ２０（）８年第３期 ２ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＰＯＷＥＲ 总第１２７期 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。 ，．．。 ．…．．．．．一．．一一－－－－一－－－一一一一－一－一－－－－一－－－－。。。。 ’‘… 。’ ‘。’’ …‘’’’。‘。 ‘ ‘。…。。。‘‘・ 。‘’’‘‘‘‘‘一。’ ‘’‘‘ 信号检测采集单元 ｉ 微处理单元 ；执行输出单元 空 心 ｆ ｆ ｆ ｌ 脱扣输 ｌ 互 感 硬件自检 信号 器 隔离与电压 出接口 及 电 形成及低通一－ 多 鬟 路 ＣＰＵ ＥＰＲ０Ｍ ＲＡＭ Ｅ ｌＲ０Ｍ Ｉ，０ ｌ 互 压 感 滤波回路 关 开 冀 ｌ抗干扰电路 器 ｆｌ ｛｛ ｌｌ ｌｌ‘ ｌ｛ ｌ；Ｉ Ｊ ｌ ＪＩ●ｌ ｆ ＡＢ ｊ 驱动电路 ｔ ｉ ｌ ● Ｉ ＋ ● ： ＤＢ ｒＲ ’ ｌ 开关量输入单元 ｝’｝。｛ ’ ｝…－ ｝ｒ Ｉ 执行机构 开关量卜 光隔输入 信接通 盘 显键 电 印打 Ｊ 口 尔 器 路 回 图１ 智能化脱扣器原理结构框图 其各部分的工作原理如下： 环境超温、ＣＴ断线、跳闸线圈断线、断路器拒动及触 ３．１微处理器单元 头维护。 单片机以其高性价比和可靠性成为智能化断路 微处理单元的自诊断功能不仅大大提高了断路 器智能控制系统的首选。微处理器单元由高性能的 器的运行可靠性，更给后期维修、故障判断工作提供 自带Ａ／Ｄ转换、看门狗监视器、Ｉ２Ｃ串行总线和高速 了极大的方便。 输入输出通道、通讯接口和标准的ＪＴＡＧ程序烧写 ３．２信号检测采集单元 口的单片机及其外围电子电路组成。配以优化的软 信号检测采集单元作为智能化断路器十分重要 件，组成的单片机控制系统所需外围元件少，使得设 的组成部分，要求有高的转换精度、灵敏度、可靠性、 计简单，布线方便，而且在稳定性和抗干扰能力上都 频率响应、测量范围以及抗干扰能力，以便微处理单 有极大的提高。 元能够作出精确的判断处理。因此，信号检测采集单 各交流量分别经信号输入回路、低通滤波器送 元将保护信号和测量信号分别取自不同类型的电流 到ＣＰＵ控制的多路开关，经模数转换后，由ＤＢ数 互感器，以满足保护和测量的要求。在测量大电流 据总线送到数据存储器（ＲＡＭ）。ＣＰＵ通过调用程 （短路电流）时基本上都采用线性度好、精确度高的 序存储器（ＥＰＲＯＭ）中的程序对采集的数据进行计 空心电流互感器进行保护信号的检测；而小电流及 算，其计算结果与存放在电可擦存储器（Ｅ２ＰＲＯＭ） 电参数的检测则采用铁芯互感器；测量和保护用的 中的整定值进行比较，作出相应的故障判断处理。再 电压信号则由电压互感器获得。上述信号经过信号 通过输入输出端口（Ｉ／Ｏ）将处理信号送到相应外设 处理电路后，便能将主回路中的电压及电流信号线 （信号与出口）发出报警信号，或执行跳闸。 性的转换为数字电路和单片机可处理的电平信号， 微处理单元除了要完成整个系统的测量、保护、 经单片机分析判断后发出信号或控制断路器的动 逻辑等功能外，还具有自我故障诊断和监察的能力， 作 当断路器本身发生故障或环境温度超过允许范围 根据电流、电压的采样值，还可利用不同的算法 时，能发出相应的信号显示或报警，同时重新起动。 计算出相应的电压、电流的有效值、有功功率、无功 自诊断的项目主要有ＥＰＲＯＭ出错、Ａ／Ｄ转换出错、 功率、频率、功率因数、电能等参数，实现各种表计功 维普资讯 http://www.cqvip.com ２（］０８年第３期 总第１２７期 冶 金 动 力 ＭＥ『ｒＡＩＪ，ＵＲＧｌＣＡＬ Ｐ（）＼ⅣＥＲ ３ 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开关置输入单元 设备的远方监控和遥测、遥讯、遥调、遥控功能。 ３－７电源 为了满足控制逻辑的需要，单片机内部具有的 高速输人通道（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 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 和操作控制。开关量的输人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人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 部输人并做出响应。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。 Ｖ＋３０ Ｖ ｃＰ 图２断路器脱扣执行电路 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 人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ＦＦｒ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ＦＦｒ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 维普资讯 http://www.cqvip.com 冶 金 动 力 ２００８年第３期 ４ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＰＯＷＥＲ 总第１２７期 能否正常工作和其动作的准确性与可靠性。为了保 有可能做到一种保护功能多种动作特性，保护功能 证系统工作可靠性，智能化断路器常采用软、硬件相 更加完善可靠。各保护功能的动作电流和动作时间 结合的抗干扰技术。在硬件设计中采用电源滤波技 值可由键盘及编码器预先设置，并将这些数值输送 术、屏蔽技术、隔离技术、接地技术、合理布线、贴片 给微处理器单元的内部存储器存储起来。当主回路 封装、并做好防潮和绝缘、硬件看门狗等措施；在软 发生各种故障时，如故障电流、电压达到或超过设定 件设计上采用数字滤波技术、软件陷阱、空指令、对 值时，ＣＰＵ经过运算判断比较后输给驱动电路一个 称检测法、限幅检测法、小波分析和ＦＦＴ的改进算 动作信号，使断路器跳闸切断故障电路，从而保护系 法、软件看门狗等技术，从而保证了智能断路器的可 统的正常运行。 靠、准确分合闸，避免了因系统自身故障而引起的不 ７结束语 能开断或误动作的情况发生。 随着高性能、低价格芯片和大规模可编程逻辑 ６保护的设置 器件以及软件技术的不断发展应用，智能化断路器 智能化断路器为了满足现场实际的需要，设置了 在保护的多样性、判断准确性和抗干扰性、自诊断能 过载长延时、短路短延时、短路瞬时和接地等四段保 力和实时通讯及显示等方面都会有极大的改进。特 护功能。其中瞬时保护是一种特殊的保护方式，为了 别是大规模可编程逻辑器件和高速数字信号处理器 提高了可靠性，它不需要对有效值进行比较，而是采 的应用以及新型的电压电流变换器或智能化断路器 用即采即比的方式，一旦发现某几个采样点连续超过 特种芯片的研制成功将会使智能化断路器的应用产 规定的门槛，立即让系统发出脱扣信号，使断路器跳 生一个质的飞跃，使应用面积广、网络结构复杂的低 闸，以防止过大的短路电流对系统设备造成破坏。 压电气系统综合自动化再上一个台阶。 智能化断路器的保护定值设置极为方便，可根 收稿日期：２００８—０２—０２ 据用户的要求，在现场进行整定，定值设定完后还可 作者简介：高仁堂（１９７０一），男，电气区域工程师，主要从事电气设备 在显示装置上显示出整定曲线，使单一的动作特性 的运行维护及检修管理工作。 追日电气有源电力滤波装置被认定为国家重点新产品 日前，由上海追日电气有限公司自主研发的我国首台具有自主知识产权的有源电力滤波工业应用产 品——ｚＡＰＦ并联有源电力滤波装置被国家科技部等四部委评定为“国家重点新产品”，取得了认定证书。 有源电力滤波技术是当今国际上最先进的电力网谐波污染治理技术，目前为少数欧、美国家知名厂商掌 握，我国在该高新技术领域的研究只处于起步阶段。追日电气作为我国在电力谐波污染治理、电能质量优化 技术领域的先驱企业，利用与著名高校的科研合作，于２００４年自主研发出了ＺＡＰＦ并联有源电力滤波装置． 并在国内冶金、轻工、电力、化工、家电等行业得到应用推广。该产品采用最新的数字化核心控制器件，运用先 进的双闭环及重复控制技术和ＳＶＰＷＭ调制技术，具有高（谐波滤除率ＴＤＤｉ达到９０％ｖ２上）、快（动态响 应速度快，完全响应时间小于１０ ｍｓ）、稳（可单相动态注入电流，改善系统不平衡的影响；自动消除谐振。没 有系统谐振之忧；自动限流１００％输出，无过载之忧）、广（可滤除２￣５０次谐波，既可滤除特征谐波，也可滤除 非特征谐波）、补（既可滤波，又可无功补偿）等突出性能特点，并可扩展并联运行，一些关键技术指标已超 过了国际同类产品水平。 （周 韦）
