基于单片机的智能化断路器设计.docVIP

摘要 低压断路器是用于接通、分断电力系统及对各种故障进行保护控制的一种开关电器，广泛应用于各类电网的供配电系统中，具有过载、短路、漏电和接地等故障保护功能。当电路内出现过载、短路或欠电压等情况时，能够自动分断，是低压配电系统中的主要电器元件，在配电系统中起着至关重要的作用。而智能化断路器除具备传统断路器的各种保护功能外，还能够实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)。各种保护功能的动作参数也可以显示、设定和修改。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非易失存储器中以便查询，与传统断路器相比有着很高的性价比，更适合现代配电电网的要求。 智能型断路器的中枢部件是智能测控单元。它承担断路器的各种保护、报带、显示与控制功能，且可通过网卡或接口转换器实现遥测、遥调、遥控、遥信等“四遥”功能。在网络系统中，可通过上位机集中监测和控制。 论文首先论述了装置的硬件框架结构，确定单片机及其外围功能单元的设计原理，进行系统的硬件和软件综合设计，控制器单元以MSP430F147单片机为核心处理器，采用双核的模式，一方面实现智能控制器对断路器本体和电网参数的自动监测，另一方面实现智能控制器对断路器的智能操作的功能。详细论述了智能控制器主要功能模块的工作原理和设计方案，对装置的各种测量、保护算法以及实现方法进行了详细的论述。 关键词：单片机，断路器，智能化 前 言 1.1研究背景 工业的发展对配电系统的要求越来越高。低压断路器是能接通、承载、分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路例如短路条件下接通、承载一定时间和分断电流的开关电器，是低压配电系统中重要的保护电器之一，在低压配电系统中，常用断路器做终端开关和支路开关，取代了过去的熔断器和闸刀开关。当电路发生过载，短路和电压过低等故障时，能自动分断线路，保护电气设备和线路而在正常条件下，它又可以用于非频繁的接通与分断线路。断路器具有分断能力高，具有多种保护功能,保护特性较完善，可分别用于各种线路及电动机的通断和保护[1-3]。 我国生产力快速发展，国民经济水平不断提高，对能源尤其是电能的需求量也不断提高。不管是生产部门，还是国防军工，以及居民的正常生活用电量也与日俱增，而且人们对供电的可靠性以及电能的质量要求越来越高。在配电和供电系统中，断路器起着举足轻重的作用，具有不可替代的地位。断路器主要应用于要求实现保护且不频繁操作的场合，它的任务是开断短路故障电流、关合正常电流，从而保护电网及回路上电力设备免受损坏。所以，在断路器正常工作时，不仅能准确接通电路、承载负载电流，当电流过大时，还可以及时分断负载电流，并且，当电力系统出现故障时，如过载故障、短路故障、单相接地故障等，断路器都能及时的动作切断电路，进而使得变压器、用电设备和供电线路免受过压或过流的损坏[5]。同时，断路器选择性动作，使得故障点就近切断，这样，不仅提高了断路器工作效率既避免非故障区域的停电，而且保证了电能的有效传输，把损失减小到最低[7]。 传统的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现的，因而体积较大，效果也不够理想。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及防止供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器。例如,具有短路保护、过流和过热保护、漏电保护、缺相保护等功能的断路器川。随着微电子技术的发展，集成电路的出现大大缩小了普通电子电路的体积，因此出现了以专用集成电路为基础的多功能断路器[5]。这种断路器己经比原有的机械式断路器进了一大步，但仍然不能称之为智能化。 单片机以其紧凑的结构、丰富的功能而受到广泛的应用，并成为智能化仪器仪表的核心部件[4]。目前，在研制高性能、高精度、多功能的测量控制仪表时，几乎无一例外地都考虑采用微处理器和单片机。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪表后,能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能够简化控制仪表电路，提高系统的可靠性，降低整机的成本以及加快新产品的开发速度。随着集成电路制造技术的不断提高，单片机的体积越来越小，而功能越来越丰富。新一代的单片机产品，已经将程序ROM、定时/计数器、串行通讯接口、A/D转换器、PWM转换输出、波形发生器、WATCHDOG监视器、I2C总线接口、更多的I/O端口和内部RAM寄存器集成在一起，从而能够适应更加广泛的用途[6]。另一方面，功能简单的单片机则向低功耗和小型化方向发展。采用串行总线的单片机，其外部引脚只有8个[10]。 1.2研究意义 随着社会的发展，传统断路器的功能已不能满足供电系统自动化的需要，人们对断路器提出了更高的要求，对于单台断路器要求其自动化、智能化、模块化。对于供电系统中的多台断路器要求能实现联网通信、集中监控等，即智能型断路