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1 引言
随着变电站综合自动化系统和配电自动化系统的发展与应用，开关设备的智能化成为必然趋势。智能化开关设备是在开关设备上配置一个智能单元，具有微机测量、微机保护、与监控系统主机通信以及对开关设备运行状态在线监测等功能。
本文介绍一种适于中压（3～35kV）的断路器和开关柜的智能单元设计方案。智能单元以Intel87C196KC单片机为控制器，能对电网三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数和电能等电力参数进行测量；具有带时限过电流、电流速断和单相接地保护功能，并有故障录波功能，记录电网故障前后10个周期的电流波形；具有在线监测与诊断功能，能对监测到的数据进行分析和处理，判断开关设备的剩余使用寿命和计算出维修期限。此外，智能单元具有RS－485通信接口，可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信。2 硬件系统方案2．1 智能单元的总体结构
智能单元以Intel87C196KC单片机为核心，由单片机基本系统、模拟量采集电路、开关量输入／输出电路、RS－485串行通信接口、键盘与LCD显示电路、电源等部分组成（图1）。各单元电路采用模块式插件结构，所有插件封装在一个金属外壳内，通过防震缓冲装置安装在开关设备上（开关柜原有的仪表继电器室或断路器外壳的小间隔内）。2．2 单片机基本系统
单片机基本系统由CPU及扩展的存储器组成。CPU选用高性能的Intel87C196KC芯片［1］。87C196KC是16位单片机，其运算速度快（主频可运行到20MHz）；片内有512B数据存储器RAM和16kB程序存储器，后者可用于固化应用程序；具有4个高速输入通道（HSI）和4个高速输出通道（HSO），可用于开关量的输入与输出，而且HSO能产生和输出宽度与周期均可调的PWM（脉宽调制）信号；片内有8个模拟量输入通道（P0：ACH0～ACH7）以及多路转换器、采样保持器和1个10位A／D转换器。
系统在CPU外扩1片6264A（8kB）RAM，用于记录故障发生前后电流波形数据。尽管87C196KC片内有16kB的程序存储器，但由于应用程序较大，容量不敷使用，所以外扩1片2764A（8kB）EPROM程序存储器。另外扩展1片串行E2PROM存储器X25043芯片，其内部集成了Watchdog定时器、上电复位控制器和512B容量的E2PROM。E2PROM用于存储保护整定值等运行参数，可以重新写入。2．3 模拟量采集电路
测量和保护功能的实现要采集电网的电压和电流信号。模拟量采用交流采样方式，信号来自电网的电流互感器（CT）和电压互感器（PT）。在中压电网，测量和保护一般只需采集两个线电压和两相电流，每相电流又分为测量信号和保护信号。为实现小电流接地电网的单相接地保护，需从零序电流互感器取得零序电流或从Y0／Y0／开口接线的电压互感器的开口两端取得零序电压信号。
来自标准CT和PT的电流和电压信号不能适应单片机A／D转换器的输入范围要求，需进行变换。同时，智能单元还要与强电系统隔离。本设计方案采用市售的微型互感器完成模拟信号的隔离变换和电压形成工作，其原理电路如图2所示。
这种微型互感器小巧轻便，能直接焊接在印刷电路板上，全树脂密封，隔离度高。输入端接标准CT或PT二次侧。二次侧加一级运算放大器（OP07型）将电流量变换成电压量，通过调节运算放大器的反馈电阻R1，在输出端得到所要求的电压输出。模拟量输入电路的采样保持、多路开关和模数转换环节采用一块Maxim公司的MAX197芯片，它是单电源、多量程、8路输入带内部采样／保持和多路开关、时钟、基准电压的12位信号采集系统，转换时间为6．0μs。2．4 开关量输入／输出电路
输入的开关量包括两类：一类是断路器、隔离开关等设备的辅助触点和有关继电器的接点，以检测这些设备的工作状态（开还是合）；另一类是智能单元装置的一些接点，例如开关量输出回路的继电器接点和装置面板上的切换开关。输出的开关量包括断路器跳闸脉冲和信号。
开关量的输入／输出通过87C196KC单片机的高速输入通道（HSI）和高速输出通道（HSO），但必须利用光电耦合器使弱电与强电隔离。跳闸脉冲信号应有一定的宽度，这可以方便地由87C196KC单片机的PWM信号形成。跳闸信号由CPU输出锁存器控制驱动电路，使相应的中间继电器动作。2．5 通信接口电路
开关设备的智能单元与变电站综合自动化系统的主机之间的通信采用RS－485串行通信方式。RS－485为半双工通信，最大通信距离为1200m，此时的数据传输速率为100 kb／s；如果通信距离为120m，则数据传输速率可达1Mb／s。为了简化通信机制，采用只有2条信号线的最简型连接。图1中，单片机TXD（串行输出）端口输出的TTL逻辑电平信号通过光电隔离（6N137），由MAX485芯片转换为RS－485电平信号，发送给监控系统主机。反之亦然。具体电路及原理可参考文献［2］。3 软件算法
智能单元采用交流采样方式，每周波的采样点数可选12、16、20或24，即采样间隔在0．8～1．8ms之间［3，4］。3．1 测量算法
电压、电流有效值为式中：N—每周波采样点数，可取12、16、20、24；
uk、ik—电压、电流的第k次离散采样值。
中压电网为小电流接地系统，功率可用两瓦计法计算。三相总有功功率离散化后的计算式为
据此可计算出无功功率和功率因数
须指出，以上方法计算的电能量，精度可能满足不了电能计量的要求，只适于内部考核使用。测量误差主要包括两方面：测量中的截断误差和采样不同步误差。由于电压、电流、功率的测量值均采用离散化处理，因而有截断误差。采样不同步误差是由于电网频率波动，采样频率不能严格保持与电网频率同步产生的。如果采取硬件测量电网频率，以此频率决定采样的时间间隔，可以提高测量精度。3．2 保护算法
中压电网的保护比较简单，主要是过电流保护和单相接地保护。过电流保护和接地故障的零序电流保护，可采用计算量小、计算速度快的半周积分算法［3］。算法的依据是一个正弦量在任意半周期内的绝对值的积分为一个常数s，且积分值s和积分的起始点初相角α无关。半周波的面积式中：ik—第k次电流采样值；
N—一周波的采样点数；
Ts—采样周期。
s求出后，可利用下式算出交流电流的有效值式中：w—一交流电角频率。
这种算法的数据窗长度为半个周期，即10ms，运算很小，只涉及加减法运算，编程很简单。3．3 开关设备状态监测
开关设备的状态监测项目较多，如机械性能、载流导体温度、凝露、电气绝缘性能等。这些监测经济代价大，实现也困难，有无必要值得商榷。不过，中压开关设备的状态监测仍可考虑以下几项：①断路器操作次数统计—监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修的次数；②开断电流加权值—间接监测断路器触头的电磨损，预测其剩余电寿命；③母线连接处温度。前两项根据电流采样值和软件处理就可以做到，母线温度监测采用数字温度传感器不难实现。3．4 软件结构
智能单元的软件由调试程序和运行程序构成。执行哪一程序由面板上的工作方式选择开关或LCD显示屏上的菜单决定。调试程序的主要任务是对智能单元各插件调试和设置保护动作值，通过键盘命令来实现。运行程序包括以下功能模块：①对智能单元的各部分初始化；②对交流电压和电流定时采样和数据处理；③保护逻辑判断和跳闸处理；④对开关量进行采集，并对跳闸命令执行情况反馈；⑤串行通信中断服务程序；⑥键盘中断服务程序；⑦自检循环并发报警信号；⑧显示。4 结语
本文介绍的基于87C196KC单片机的智能化开关设备的智能单元可以取代中压开关设备现有的二次系统，具有通信功能和简单的开关设备状态监测功能；而且，这种智能单元电路简单，成本低。
（信息来源：机械电子频道子站）
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