高壓斷路器的永磁操作機構控制系統(tǒng)設計摘要永磁真空斷路器控制器作為一種新型的執(zhí)行機構，與傳統(tǒng)斷路器執(zhí)行機構相比，具有零部件數量不可比擬、可靠性高、免維護等優(yōu)點，受到世界各國的廣泛關注。本設計主要是對高壓斷路器的永磁操作機構原理、靜吸力、動態(tài)特性及控制系統(tǒng)進行研究分析，探討永磁斷路器的智能化。靜磁場的計算采用目前廣泛采用的有限元法，對僅作用于永磁體的機構的靜吸引特性、勵磁電流和永磁體的吸引特性進行分析計算.在動態(tài)計算中，根據永磁體與勵磁電流的耦合效應特性，建立了相應的數學模型，給出了動態(tài)微分方程的解，并分析了動態(tài)過程。通過動態(tài)特性計算，得到電容器放電勵磁下永磁操動機構的線圈電流、產生的磁力、動鐵芯的速度和位移，以及電容器電壓隨時間的變化曲線。通過分析各種電氣參數的動態(tài)特性，產品的影響為產品設計提供了依據。本設計討論了一種基于單片機的高壓真空斷路器雙穩(wěn)態(tài)永磁機構智能控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)集保護、控制、測量和開關監(jiān)測功能于一體?？蓪崿F對電壓、電流、有功、無功的實時監(jiān)控，具有過流快速制動保護、過欠壓保護、切斷、自診斷、報警等功能。設計的最后部分描述了高壓真空斷路器的智能控制和同步合閘技術。關鍵詞：永磁機構；智能控制；真空斷路器目錄TOC\o"1-3"\h\u20818摘要 119825Abstract 279791.概述 4202641.1研究背景 4105941.2研究內容 538592.永磁機構的結構及其工作原理 6102582.1永磁機構的優(yōu)點 6187722.2雙穩(wěn)態(tài)永磁機構結構與驅動原理 63802.3永磁操動機構的靜、動態(tài)特性 990012.3.1永磁操動機構的靜態(tài)特性 9178962.3.2永磁機構的動態(tài)特性 10214533.永磁機構的控制系統(tǒng) 11244223.1永磁機構控制系統(tǒng)設計原則 11146863.2控制器總體設計 11190033.3控制系統(tǒng)的硬件結構 15202313.4硬件模塊設計 16322383.4.1電源設計 16202353.4.2斷路器分、合閘狀態(tài)的檢測 17166813.4.3CPU模塊 17321563.4.4信號輸入單元 1816173.4.5信號輸出單元 1937643.4.6硬件監(jiān)控電路 20143263.5電磁兼容抗干擾技術 21141134.智能控制設計 23169604.1智能識別控制算法 23232164.2同步關合技術 23104734.2.1同步關合技術的意義 24268304.2.2永磁機構斷路器的同步關合技術 2456004.3軟件設計 35171824.3.1主程序模塊 36281534.3.2與上位機通信的程序設計 389684a.數據發(fā)送部分的程序設計 399326b.數據發(fā)送部分的程序設計 4020064.3.3軟件抗干擾設計 4227965.技術經濟分析 44227676.結論 452946參考文獻 461.概述1.1研究背景隨著微處理器技術、電力電子技術和智能控制理論的飛速發(fā)展，以及在電器領域的廣泛應用，人們提出了智能電器的概念。斷路器是電力系統(tǒng)繼電保護的終端設備，其智能化程度對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動化程度影響很大。目前人們提出的智能斷路器一般有斷路器自身狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷、電網故障診斷和遠程信息傳輸技術、自動重合閘的智能控制、同步合閘和合閘技術等。傳統(tǒng)高壓斷路器的操作機構主要采用電磁機構、彈簧機構等結構。近年來，國內外在中壓領域發(fā)展了永磁驅動機構。永磁機構采用獨特的結構和工作原理，永磁體實現了保持機構末端位置的功能，取代了傳統(tǒng)的機械脫扣和鎖定功能。工作能量由電磁線圈提供，永磁機構的閉合和打開能量由穩(wěn)壓電解電容器的充放電提供。永磁機構的出現，為同步合閘技術的實現創(chuàng)造了良好的物質條件。本文根據永磁機構的工作原理和結構特點，采用單片機測控系統(tǒng)控制永磁機構的開合，分析同步合合技術。所謂同步合閘技術，就是在控制系統(tǒng)的控制下，使斷路器的動、靜觸頭在系統(tǒng)電壓波形的規(guī)定相位角上合閘，使空載變壓器、電容器等電力設備，空載線路相互接觸，對系統(tǒng)產生影響，是電力系統(tǒng)中應用的一種智能控制技術，同時將其最小化。同步合閘技術可以降低合閘操作瞬態(tài)過程中的過流和過壓，提高電力設備的使用壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性。1.2研究內容永磁機構機械可靠性高，免維護。IEC標準和國家標準定義了一種斷路器氣體，其“設計為在預期的使用期內，用于斷開主電路的部件是不可維護的，而其他部件幾乎不需要維護”?！癊2級低維護斷路器””，在國際上也統(tǒng)稱為“免維護斷路器”。免維護功能的實現從產品的整體設計制造開始，綜合考慮，但是，首先要解決的問題是提高機器的可靠性。機器的高可靠性是基本的免維護。永磁機構是電磁機構和永磁體的特殊組合，可以實現機器的所有功能常規(guī)斷路器機構。該結構與常規(guī)機構的主要區(qū)別在于它可以實現保持端子位置的功能，因為它實現了不需要脫扣和鎖定裝置的機構。零部件大大減少，大大提高了斷路器的機械可靠性。本設計研究了永磁機構的靜動態(tài)特性、永磁機構的控制系統(tǒng)和永磁機構斷路器的同步合閘技術。

2.永磁機構的結構及其工作原理永磁機構是用于中高壓真空斷路器的永磁吸持和電控電磁作動機構。在運行過程中，只有一個主要運動部件。不需要機械釋放和鎖定裝置。故障源少，性能優(yōu)良。責任。永磁動作機構的應用，可實現斷路器開關的高可靠性、免維護和智能動作性能。2.1永磁機構的優(yōu)點與電磁作動機構和彈簧作動機構相比，永磁作動機構具有以下優(yōu)點：1）永磁操動機構結構簡單，運動部件少，機械可靠性大大提高。2）永磁操作機構采用永磁體作為保持力，不會造成常規(guī)機構的操作誤差，促進了免維護操作的實現。3）永磁操動機構的輸出特性與真空斷路器的機械特性相匹配，可以獲得良好的速度特性。4）永磁操動機構的傳動機構非常簡單，開關線圈勵磁電流產生的磁場直接帶動與主軸直接相連的動鐵芯。它運動部件少，控制性好，是實現斷路器智能控制的基礎。2.2雙穩(wěn)態(tài)永磁機構結構與驅動原理典型的雙穩(wěn)態(tài)永磁機構結構示意圖如圖2-1所示。圖2-1永磁機構剖面簡圖1-靜鐵心2-動鐵心3、4-永磁體5-分閘線圈6-合閘線圈7-驅動桿如上圖所示，永磁機構由七個主要部分組成：一個為機構提供磁路的鑿形鐵芯。方形結構多采用硅鋼板疊片結構，圓形結構由電工純鐵或低碳鋼制成。2動鐵芯是整個機構中最重要的運動部件，通常采用電工純鐵或低碳鋼結構。3和4用永磁體提供動力。5、6為開閉線圈，7為驅動桿，是執(zhí)行機構與斷路器驅動機構的連接。當斷路器處于合閘或分閘位置時，線圈中無電流流過，永磁體利用動鐵和靜鐵提供的低磁阻通道將動鐵保持在上下位置。無機械聯(lián)鎖。當有運動信號時，閉合或打開線圈中的電流會產生磁力。動靜鐵芯的磁場由線圈產生的磁場和永磁體產生的磁場疊加合成。磁鐵。動鐵芯在組合磁拉力的作用下，上下運動，通過傳動桿和傳動機構推動斷路器本體的動觸點，完成分合閘操作。動鐵芯可以在行程結束時保持在兩個位置，而不會消耗任何能量。在傳統(tǒng)的電磁機構中，動鐵芯通過彈簧的作用保持在行程的一端，通過機械鎖定或電磁能保持在行程的另一端。如上所示，永磁機構結合了電磁鐵和永磁體，實現了常規(guī)斷路器動作機構的所有功能。永磁體替代了傳統(tǒng)的脫扣和鎖定機構，實現了限位保持功能。開關線圈提供操作所需的能量。雙穩(wěn)態(tài)永磁機構的工作原理如圖2-2所示。永磁鐵（4、5）鑲嵌在鐵芯（1）的中心，兩個同名永磁鐵的磁極指向中心。合閘線圈6和分閘線圈3分別安裝在永磁體的下方和上方?？蓜予F芯2位于永磁鐵與普通鐵芯上下磁極之間?；顒予F芯的球殼（9）穿過規(guī)則鐵芯。該驅動桿可直接用于驅動斷路器進行合閘或分閘運動。圖2-2雙穩(wěn)態(tài)永磁機構操作過程原理圖1-靜鐵心2-動鐵心3-分閘線圈4、5-永磁體6-合閘線圈7-下磁極8-上磁極9-驅動桿I-永磁體磁場II-合閘勵磁磁場III-分閘勵磁磁場動鐵心理論上具有三個平衡狀態(tài)。一種是動鐵芯位于靜鐵芯的頂部，動鐵芯的頂部與靜電的上極接觸（8）。打開狀態(tài)圖左上角的鐵芯如圖2-2所示。二是動鐵芯位于鐵芯底部，動鐵芯下端與鐵芯下磁極7接觸，如圖2-2所示。在打開狀態(tài)下，永磁體通過上磁路的磁阻很小，氣隙很大，所以通過下磁路的磁阻很大。永磁體的大部分磁通通過上磁路，動鐵芯被固定鐵芯的上磁極（8）牢牢吸引。在關閉狀態(tài)下，與打開狀態(tài)不同，永磁體通過下磁路的磁阻很小，磁通集中在下磁路，動鐵芯被吸引到下磁極。7.第三個平衡是上下結構的對稱機制。動鐵芯位于規(guī)則鐵芯的中心，通過上下氣隙的永磁體的磁阻完全相同。鐵芯的頂部和底部完全等于鐵芯的吸力，鐵芯是平衡的。但是，這是一種不穩(wěn)定的平衡，只要上下氣隙稍有變化，這種平衡就會被破壞，轉為初級或次級平衡。因此，一個動鐵芯實際上只有兩種平衡狀態(tài)：分裂狀態(tài)和閉合狀態(tài)。正因為如此，圖2-2所示的雙線圈永磁機構被稱為雙穩(wěn)態(tài)永磁機構。雙穩(wěn)態(tài)永磁機構處于閉合位置時，永磁體產生的磁力線分布如圖2-2中閉合狀態(tài)圖I所示，打開時，將直流電流通過開路線圈，電流產生的磁力線方向與鐵芯底部永磁體的磁力線方向相反，如圖2-2，回線m。在打開過程圖中。電流在開路線圈中產生的磁場降低了動鐵芯的吸力。當電流增加到一定值時，動鐵芯的吸力之和小于動鐵芯的機械負荷。鐵芯（例如作用在動鐵芯上）鐵芯的接觸壓力與永磁體的吸力相反，此時動鐵芯向上運動。當動鐵芯向上運動時，動鐵芯下極與規(guī)則鐵芯下磁極之間存在間隙，底部磁阻增大，頂部磁阻減小。固定鐵芯下磁極對動鐵芯的拉力減小，上磁極對動鐵芯的拉力增大。由下而上的動鐵芯產生的合力增大，從而加速了動鐵芯的向上運動。這個過程一直持續(xù)到動鐵的頂部與定鐵的上部水隙接觸，直到打開動作完成。此時，動鐵芯再次被永磁體吸引，成為穩(wěn)定狀態(tài)，即使切斷開路線圈的電流，動鐵芯也不會回到閉合狀態(tài)。封閉的過程和開放的過程是對立的。當合閘線圈通電時（見圖2-2合閘流程圖），線圈電流在上部間隙中產生反磁場，并在動鐵芯中產生總吸力。當機械負荷小于動鐵芯時，動鐵芯向下運動，最終到達閉合位置，動鐵芯被永磁體再次閉合。合閘線圈電流切斷后，動鐵芯保持在合閘位置，合閘過程結束。當永磁體受到強烈的反向磁場作用時，其磁性能會變差，這就是永磁體的退磁。無論雙穩(wěn)態(tài)永磁機構處于關閉還是開啟過程中，永磁體線圈電流所產生的外部磁場始終與永磁體本身的磁場方向相同。根據雙穩(wěn)態(tài)永磁機構的工作原理，雙穩(wěn)態(tài)永磁機構具有以下特點：1）機械壽命長，可靠性高。由于永磁機構零件數量少，結構簡單，只有一個活動部件，所以永磁機構的機械壽命特別長，很容易達到10萬次以上。同時，由于沒有機械鎖等容易發(fā)生故障的高速運動部件，永磁機構發(fā)生機械故障的概率幾乎為零，即機械可靠性非常高。2）啟閉時間短，時間分散小。永磁機構的機械傳動非常簡單，開關線圈勵磁電流產生的磁場直接帶動動鐵芯直接帶動真空斷路器主軸進行開關操作。通過這種簡單直接的轉移方法，可以制造永磁機構。啟閉時間比較短且穩(wěn)定，啟閉時間的分散性可以控制在1ms內。3）永磁機構可以使用儲能電容器或電池作為其工作電源，也可以使用小功率交流電源運行。因此，永磁機構保留了能夠以低功率交流電源操作彈簧致動機構的優(yōu)點而沒有結構復雜的缺點。儲能電容器可使用低功率交流電源在換向后為電容器充電，柵極關斷(GTO)晶閘管可用于控制對閉合和打開線圈的放電。它具有結構簡單、功率大的優(yōu)點。保存。4）永磁機構可配備最新的電控裝置，滿足配電自動化的要求。電控系統(tǒng)不僅可以完成分合閘控制，還可以完成一定的繼電保護功能、通訊功能、遠程控制、在線檢測等功能。電子控制還可以精確地發(fā)送打開和關閉信號，以創(chuàng)建同步切換條件。2.3永磁操動機構的靜、動態(tài)特性2.3.1永磁操動機構的靜態(tài)特性隨著計算機技術的發(fā)展，利用數值計算方法解決磁場問題已日趨成熟。目前，計算電磁場最有效的方法是有限元數值計算，它不同于電磁場計算，因為永磁場不能包含電流域，磁場的磁化方向是任意的。本文采用離散組成法和直接考慮體積磁場強度的有限元法，討論了任意磁化方向的永磁場的計算。有限元法（FEM）的基本原理是將復雜的場空間看成一個由有限元組成的整體，對每個元素進行分析，得到該元素的計算公式。進行全面綜合并建立方程組系統(tǒng)。用有限元法計算，需要解決以下問題：1）求邊值問題對應的泛化和等價變異問題。2)將連續(xù)域離散為細分元素之和，將未知連續(xù)函數離散為有限項之和。換句話說，它將無限自由度問題離散為有限自由度問題。3）求泛化極限，離散化所謂的有限元方程，即矩陣方程。4)用直接法或迭代法或優(yōu)化法求解有限元方程。對于永磁機構，使用有限元方法的優(yōu)點是：1)有限元算法的系數矩陣對稱、正定弧、稀疏。該解決方案使用不完全Cholesky分解共軛梯度法來壓縮和存儲具有非零元素的有限元方程，從而節(jié)省內存和CPU時間。2）永磁機構由多種材料組成，內部有多種介質接口。用有限元法計算無表面電流密度的介質和第二類邊界條件的邊界條件時需要進行處理。3）鐵磁材料和永磁體在計算中都是非線性材料，有限元法可以更好地處理非線性問題。2.3.2永磁機構的動態(tài)特性永磁機構的動態(tài)特性是由電磁與機械一體化的過渡過程，或電磁吸引力與負載反作用力的匹配過程決定的。關注永磁機構動態(tài)過程的目的是：一是可以計算機構的動作時間，然后可以計算出開關觸點的動作時間和觸點的運動速度，二是確定動作過程中吸力和反作用力的合理配合，以保證動作的可靠性，以及防止機械碰撞提高和增加電氣和機械壽命。對于斷路器來說，為保證有效滅弧，不引起復燃，觸頭的移動速度必須合理快，這意味著機構的動鐵芯在規(guī)定的行程中必須有較高的移動速度。這增加了沖擊能量，從而增加了電氣和機械壽命?？梢?，提高移動速度和減少碰撞這兩個技術要求是矛盾的，必須在動態(tài)研究過程中加以考慮。同時，由于永磁機構的行程大，動、靜鐵芯之間的氣隙大，當線圈通電時，漏磁占總磁通量的很大一部分。磁通泄漏會導致更大的計算錯誤。對永磁機構的動態(tài)特性進行更準確的計算和分析，對于機構的合理設計以及機構與開關體的性能協(xié)調具有重要的理論和現實意義。

3.永磁機構的控制系統(tǒng)永磁機構智能控制方法是微機技術與斷路器控制的有效結合，具有更強大靈活的邏輯判斷分析能力。由于裝有永磁機構的斷路器的分合閘特性僅與線圈參數有關，因此對電氣參數的控制也是可能和容易的，因此永磁機構的分合閘特性如下。由微電腦系統(tǒng)控制，可實現真空斷路器的智能控制，檢測動鐵芯的動作位置和線圈電流、瞬時通電時間等參數，并實現自感應功能。同時可通過撥碼開關輸入進行功能設置和參數設置。3.1永磁機構控制系統(tǒng)設計原則永磁機構真空斷路器智能控制系統(tǒng)是電源的基本控制和保護裝置，它必須保證被控制和被保護對象在所有工作條件下的穩(wěn)定運行，并能夠監(jiān)測和控制工作狀態(tài)。總機本身。為了提高斷路器的分斷能力和使用壽命，斷路器必須實施同步操作技術。根據現場環(huán)境、設備條件和工作要求，永磁機構真空中斷驅動控制器的設計應遵循以下原則：1)實時性在設計數據采集和處理系統(tǒng)時，充分考慮數據采集和處理所采用的方法，保證數據采集和處理的實時性，同時在設計控制算法時考慮敏捷性和收斂性原則。實時控制，確保實時打開和關閉操作的算法。2)準確性高壓真空斷路器的工作環(huán)境具有特殊的強干擾性，對數據采集傳輸的準確性和開關控制的準確性提出了嚴格的要求。在設計數據采集系統(tǒng)時需要考慮使用合適的硬件組件和軟件處理方法，以保證采樣數據的準確性和確定設備運行狀態(tài)的準確性。3)安全性高壓設備實時控制系統(tǒng)必須保證生產安全、人身安全和設備安全，必須采取應急控制策略應對控制故障。3.2控制器總體設計由于永磁機構獨特的操作和保持原理，其控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的彈簧操作機構有很大不同。智能控制斷路器與普通斷路器的主要區(qū)別在于，它可以通過智能執(zhí)行裝置采集和處理電網參數，監(jiān)測和判斷自身狀態(tài)，然后按預定程序動作。斷路器動作機構的運行參數可根據需要進行調整，以達到合適的分合閘速度和最佳分合閘時間。永磁機構控制系統(tǒng)接收光電信號，最后通過邏輯判斷發(fā)出指令控制執(zhí)行機構的動作，其性能的好壞直接關系到整個斷路器的性能。實現真空斷路器的所有功能，可電控，同時具備智能化功能，可集成在線傳感技術，最大限度發(fā)揮永磁機構的卓越性能。目前，我國已經發(fā)展出用于控制永磁作動機構的電子技術，電子開關取代了原來的接觸開關。圖3.1斷路器智能控制工作原理圖3.1是斷路器智能控制的工作原理圖。圖中的智能控制單元由三個基本模塊組成：數據采集、智能識別和執(zhí)行機制（協(xié)調單元）。1）智能識別控制模塊：是智能控制單元的核心。微機控制系統(tǒng)由單片機組成，可根據運行前采集的電網信息自動識別當前運行過程中的開路。主控室運行信號電網運行狀態(tài)。顯示斷路器是否處于可操作狀態(tài)，斷路器的閉合和斷開狀態(tài)，斷路器動作的執(zhí)行情況，系統(tǒng)電壓和操作電壓信息，以及故障報警信號。斷路器動作機構裝置的運行狀態(tài)，使操作者能夠了解斷路器。并根據預先編程的決定向執(zhí)行器發(fā)出調整信息，斷路器發(fā)出相應的動作。2）數據采集模塊：由小型電壓電流轉換裝置和高速多路模數轉換器組成，可接收合閘指令、分閘指令、失壓跳閘信號、過壓信號。不定時提供電流跳閘信號和斷路器傳感器提供斷路器分合閘狀態(tài)信號、斷路器位置信號、接收系統(tǒng)電壓、斷路器操作電源信號和復位信號。這些信號經過重構處理，數據由模擬轉數字，由智能識別模塊進行處理和分析，滿足智能控制模塊的要求。3）執(zhí)行器（調節(jié)裝置）:由能接收定量控制信息的部分和驅動執(zhí)行器組成，具有控制開關線圈勵磁的功能。永磁機構智能控制執(zhí)行器由電源模塊、CPU模塊、開/關位置采樣模塊、開/關信號采樣模塊、驅動模塊、電容模塊等組成。結構原理示意圖如下。圖3.2。圖3.2智能化操作單元結構原理示意圖永磁機構的分合閘線圈必須被電激勵以產生電磁吸引力來驅動動鐵芯。永磁機構中的電容器可充電至恒定的DC10V0工作電壓，以提供激勵執(zhí)行機構的開關線圈所需的脈沖功率。但是，每當我們?yōu)殚_關線圈提供勵磁所需的脈沖功率時，如果不及時切斷開關線圈中的脈動電流，電容器模塊的功耗就會非常大。模塊打開或關閉。電壓下降到無法再提供下一次關閉或打開所需的脈沖功率的點。-0.3S-CO(min-0.3sec-closemin)操作。因此，根據開關位置采樣模塊、CPU模塊和驅動模塊的不同，需要隨著時間的推移切斷開關線圈的脈動電流。此外，為了確保智能斷路器在各種環(huán)境中可靠工作，首先需要解決的問題是電容器的使用壽命。電容器的壽命與環(huán)境溫度有關，通常在105下為2000小時，但如果工作溫度低于50，壽命可達10年以上。因此，在設計控制單元時，必須采取有效措施降低電容器的工作溫度，延長其壽命。采樣模塊將電子接近開關檢測到的開/關位置信息輸入智能控制器。當檢測到真空斷路器的合閘或分閘位置時，立即發(fā)出高電平，將高電平和低電平送至CPU模塊，經邏輯處理后送至分合閘邏輯驅動電路。計數，開閉會及時關閉。線圈中的脈動電流。圖3.3斷路器控制電路原理示意圖真空斷路器手動和自動控制電路結構示意圖如圖3.3所示。當真空斷路器的手動或自動控制電路接收到分閘或合閘指令時，邏輯驅動控制器根據RS鎖存器發(fā)送的高低電平自動檢測此時真空斷路器的位置。位置或關閉位置決定是否執(zhí)行打開或關閉命令。綜上所述，智能斷路器的工作過程如下：以：微控制器為核心的智能控制單元時刻采集電網狀態(tài)數據。智能識別模塊快速識別電網狀態(tài)。根據采集到的數據確定電網和斷路器的位置，并根據識別結果隨時控制調節(jié)裝置的運行。采用同步動作技術時，必須通過調節(jié)裝置改變動作機構的參數，使斷路器獲得與當前系統(tǒng)運行條件相適應的動作特性。另外，斷路器的分合閘時間應盡可能短，以防分閘故障，不能人為延長斷路器的分合閘時間。智能操作。這可以從硬件架構和軟件編程開始，因此由于添加控制和協(xié)調設備而導致的時間延長僅限于可接受和可以忽略的水平。與傳統(tǒng)的斷路器控制系統(tǒng)相比，永磁機構的智能控制有很大的不同。首先，永磁機構控制裝置的電源通常由電容器組成，控制部分有額外的電容器充電控制環(huán)節(jié)，以穩(wěn)定電容器的電壓值，保證整個系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。其次，永磁機構沒有跳閘裝置。給開關線圈供電，完成斷路器的開關操作。電容器作為開關線圈的電源，充放電過程由邏輯部分控制。變壓器主要包括電流互感器和電壓互感器。邏輯分析判斷部分是實現斷路器控制的關鍵，通過斷路器的智能測控裝置對輸入電壓和電流進行分析判斷，識別線路過流、短路、欠壓等錯誤。發(fā)出由執(zhí)行器動作完成的指令。控制系統(tǒng)的另一個特點是采用了全新的供電系統(tǒng)，解決了供電問題，可以設計光纖接口，通過發(fā)送光纖信號發(fā)送開/關指令。參數也可以通過光纖傳輸到次級。3.3控制系統(tǒng)的硬件結構隨著計算機技術的飛速發(fā)展，微機控制技術得到了廣泛的應用。微機控制技術以模擬和數字技術為基礎，利用CPU通過編程來獲取和處理外部信號。永磁機構控制系統(tǒng)硬件結構框圖如圖3.4所示。系統(tǒng)主控單元與外圍電路相結合，實現對機構的控制。充電裝置：當電容器組上的電壓低于規(guī)定值時，對電容器進行整流、穩(wěn)壓，限流。由于開關操作時勵磁電流可達幾十安培，因此必須選用大容量的電容來實現瞬時放電。電容器中儲存的能量必須能夠完成開關操作。電容電壓檢測可采用A/D轉換或V/F轉換等數據采集方式。執(zhí)行裝置：實現開關線圈放電，產生勵磁電流，帶動工作機構運動，完成斷路器的開關操作。單片機主控單元、傳感單元、鍵盤、顯示器、人機界面單元和通訊單元共同構成了控制器的測控系統(tǒng)。圖3.4控制系統(tǒng)的硬件結構框圖3.4硬件模塊設計在電力行業(yè)，永磁機構智能控制系統(tǒng)的可靠性必須是重中之重。否則，產品的質量會增加分銷鏈的故障率，這與分銷應用的初衷背道而馳。自動化。在硬件方面，配電自動化產品通常與高壓設備在相同的環(huán)境中使用。如果硬件處理不當，例如柜體漏電、高壓或低壓側導體的強電磁場干擾，可能會導致測量和控制、故障或儀器永久性損壞。因此，在設計硬件時應充分考慮系統(tǒng)可靠性，提高測量精度、系統(tǒng)響應速度等性能指標。硬件采用模塊化設計思想，提高產品設計多樣性，降低開發(fā)風險。3.4.1電源設計可對永磁機構的開關線圈通電產生電磁吸引力驅動動鐵芯運動，滿足一定的勵磁安匝數，滿足真空斷路器的開關速度要求。為了在更短的時間內獲得更大的脈動電流，目前有兩種選擇可供選擇。一個使用電容器，另一個使用電池。這兩種方法都能給出比較滿意的結果。但電池作為電源，必須考慮過充過放等問題，充電電路和保護電路較為復雜。與可充電電池相比，使用電容器作為電源具有許多優(yōu)點。例如，電容器的充電時間相對較短，可以使用任何具有濾波或未濾波、穩(wěn)壓或未穩(wěn)壓DC輸出的傳統(tǒng)電源進行充電。無需監(jiān)控確切的充電電流和充電時間，因為無需考慮過度充電的風險。沒有化學污染或電極氧化問題，它可以承受多次短路，并且可以放電到任何級別而不會損壞。它還可以很容易地并聯(lián)使用電容器，而不會引起諸如并聯(lián)電池之間的偏置電流之類的副作用。因此，在室內永磁機構中設計電源最經濟的方式是采用電容放電法。對于超精細戶外真空斷路器，通常使用其他方法，例如電池，因為現場電源不那么容易解決。作為給電容器充電的電源，要考慮電容器的耐壓，還要考慮控制器在實際開關操作時所需的電源電壓。室內永磁機構的電源實際使用的電壓大多在DC100V左右，所以需要確保給電容器充電的電源的輸出電壓為DC100V。開關電源在設計電源解決方案時考慮了電源行業(yè)標準。除了具有體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、紋波小等優(yōu)點外，在動態(tài)負載特性和電磁方面更有優(yōu)勢。兼容性、功能和優(yōu)勢。因此，室內永磁機構供電最經濟、最安全、最可靠的方式是采用開關電源對電容器進行充電，然后對電容器放電。電容器可充電至恒定的DC100V工作電壓，以提供激勵執(zhí)行機構的開關線圈所需的脈沖功率?？蓛Υ嫘∮?50J的電能，完成一個完整的O-CO操作循環(huán)。在這些操作周期結束時，電容器組在不到20秒的時間內以A2的峰值電流重新充電。因此，在輔助電源發(fā)生故障的情況下，預儲能鋁電解電容器的電能可以保證關斷操作能夠進行一個完整的O-CO操作循環(huán)。3.4.2斷路器分、合閘狀態(tài)的檢測 永磁機構斷路器必須穩(wěn)定在分合閘位置，中間狀態(tài)和其他故障位置是絕對不允許的。當發(fā)生錯誤位置時，必須及時上報告警。同時，必須及時關閉永磁機構，防止鐵芯移動到開合位置后的熱量損失和功率損失。為此，需要檢測斷路器的斷開/閉合狀態(tài)。傳統(tǒng)的帶有觸點的輔助開關經常由于接觸不良或污染和觸點氧化而失效。因此，應采用電子開關和非接觸式傳感器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輔助開關。收到手動和自動控制模塊的分閘和合閘命令后，將其發(fā)送給CPU，邏輯控制器根據分閘和自動控制模塊發(fā)送的高壓和地電平自動檢測斷路器的位置。關閉位置。決定是否執(zhí)行開倉和平倉訂單。當同時接收到分閘和合閘命令時，CPU通過邏輯控制器及時截獲合閘命令來響應分閘命令。當電網一次側電力監(jiān)控電路檢測到過流、過壓、欠壓信號時，CPU模塊也會由邏輯控制器發(fā)出分閘指令，及時關閉合閘指令。3.4.3CPU模塊Microchip推出的PIC16F87X系列8位微控制器是采用精簡指令集（RISC）架構和FLASH存儲技術的高性能嵌入式微控制器。與其他類型的微控制器相比，它具有以下特點：1）運行速度快。PIC16F87X系列單片機在架構上采用兩級流水線哈佛總線結構，指令讀取和執(zhí)行采用流水線方式，使得單條指令（GOTO和CALL指令除外）的執(zhí)行基本可以在一個周期內完成。另一方面，將數據總線和指令總線分開，采用不同的寬度，有利于所有指令的單字節(jié)實現，有助于提高CPU的處理速度。該單片機系列是世界上同類產品中速度最快的系列之一。2）功能廣泛，豐富而強大。PIC16F87X系列單片機內部集成了各種外圍功能模塊，如A/D模塊、EEPROM、捕獲\比較\脈寬調制器、I2C和SPI串行總線端口等，以減少外圍設備的使用。簡化電路板并提高系統(tǒng)可靠性。3）邏輯結構清晰。PIC16F87X系列單片機采用精簡指令集（RSC）技術，指令系統(tǒng)只有35條指令，尋址方式也簡化，簡單易學。該單片機系列的最大特點是大量使用了可位尋址的特殊功能寄存器。只要對這些特殊功能寄存器寫入命令，就可以方便靈活地控制各個功能模塊程序。此外，PIC16F87X系列單片機可在線編程，具有強大的上電、掉電延時復位保護和監(jiān)控功能，I/O引腳驅動功能和抗干擾功能。該系列單片機的功能基本相似，只是內存大小、引腳數量、A/D轉換器數量不同，用戶可以輕松選擇最適合自己的型號。本設計中的微處理器使用8kB的高性能PIC16F877。14個片上閃存程序存儲器，368kB8個片上數據存儲器(RAM)，256kB8個EEPROM數據存儲器和10位多通道A/D轉換器。由于PIC16F877無需任何其他外圍元件即可使用，簡化了控制器的硬件電路，降低了成本，大大提高了可靠性。3.4.4信號輸入單元控制器的輸入信號包括反映開關狀態(tài)和手動操作的開關量信號、CT和PT的模擬量信號、撥碼開關的設置參數等。前者可以很容易地通過光耦實現分離和轉換，并送到MCU進行處理。模擬量必須通過A/D轉換器轉換為數字量才能進行分析。交流電源信號輸入回路通常包括隔離轉換器、濾波、過值保護和量化處理。在電力系統(tǒng)中，電壓和電流信號取自電壓互感器和電流互感器的次級，額定值分別為100V/5A。當電力系統(tǒng)出現故障時，電量變化很大（幾十倍），所以必須轉換成微機系統(tǒng)能接收到的信號類型和范圍，不得超過這個范圍。如果發(fā)生錯誤。光電耦合器件利用光傳輸信息，由輸入端的發(fā)光元件和輸出端的受光元件組成，輸入端和輸出端電絕緣。體積小，使用方便，可根據現場不同的干擾情況，組成各種線路，抑制共模和差模干擾。在輸入輸出隔離的情況下使用光耦，電路非常簡單。這種隔離不僅可用于數字電路，還可用于線性（模擬）電路。用于去除噪聲的光電耦合器是從兩個方面實現的，一方面，輸入級的噪聲不傳輸到輸出級，而是將有用的信號傳輸到輸出級。另一方面，由于從輸入級到輸出級的信號傳輸是通過光來實現的，電極間電容小，絕緣電阻大，所以輸出級的信號和噪聲沒有反饋。到輸入結束。如果使用光電耦合器，頻率不能太高，因為光電耦合器本身具有10至30pF的分布電容。此外，應通過在觸點輸入處添加RC濾波器鏈接來抑制抖動。聯(lián)系人的。另外，用于低電壓時，傳輸距離應在100m以內，傳輸速度應小于10Kbps。圖3.5電壓模擬量輸入示意圖系統(tǒng)采集8個模擬信號，包括三相電壓、三相電流、零序電壓和零序電流。從互感器和電流互感器得到的電壓信號（100V）和電流信號（5A），進入控制器后必須進一步調整，轉換成CPU需要的0~2.5V電壓信號。然后將信號發(fā)送到CPU進行處理。電壓模擬輸入電路原理圖如圖3.5所示，電流模擬輸入類似。由于本系統(tǒng)使用的16F87X自帶10位A/D轉換器模塊，所以不用另外設計采樣電路。內核用到兩個參考電平，即和，作為轉換范圍的上下限和讀數的滿量程值和“0”值。轉換數值在輸入信號大于時為滿量程值，小于等于時為“0”。3.4.5信號輸出單元信號輸出裝置用于指示斷路器的運行狀態(tài)。輸出信號包括斷路器的閉合和斷開狀態(tài)、斷路器操作執(zhí)行情況（常閉或斷開、過流斷開和閉合、失壓斷開、過壓和欠壓斷開）。操作電壓是否滿足合閘或分閘要求，開關電源的輸入電壓是否正常，斷路器操作機構的故障報警信號等。當開關處于合閘位置時，指示燈指示關閉位置亮起。當開關處于打開位置時，指示打開位置的指示燈亮起。當開路電容上的電壓大于固定值時，開路電容上的電壓指示燈亮。閉合時，如果開關電容兩端的電壓大于一個固定值，則指示閉合電容的燈亮。當開關處于閉合位置時，測得的電壓為：如果過流時間大于設定的延時值且開路電容燈亮，則開關跳閘，溢流率關閉。當開關處于閉合位置時，被測電壓大于設定的過壓值，開路電容指示燈亮，開關動作，指示燈閃爍。當失壓保護動作且輔助線上的電壓低于一定值時，失壓指示燈亮。如果重合閘保護處于活動狀態(tài)并且計算機確定此時重合閘條件已滿足，則重合閘正在進行或重合閘正在進行。當完成但未進行重合閘操作時，重合閘燈亮。該機構執(zhí)行合閘操作，但若因故合閘不到位，微機立即發(fā)出分閘指令斷開開關，并點亮錯誤報警燈?？刂破鬏敵龅氖疽鈭D如圖3.6所示。圖3.6輸出單元示意圖3.4.6硬件監(jiān)控電路電源監(jiān)控電路是具有電壓監(jiān)控功能的復位電路。監(jiān)控電路必須具有以下特點：1）上電復位：系統(tǒng)上電時提供復位信號，系統(tǒng)電源穩(wěn)定后取消復位信號。為了可靠性，在電源穩(wěn)定后一定延遲后取消復位信號，以防止電源開關或電源插頭打開/關閉引起的抖動或影響復位。2）掉電復位：當電源被切斷或電壓下降到某一電壓值以下時，系統(tǒng)復位。軟件設計具有軟件監(jiān)控功能。但是，如果軟件出現問題，例如死循環(huán)，則硬件監(jiān)控和保護更加可靠和可靠。因為在現實生活中，僅僅依靠軟件看門狗來阻止程序“運行”是不安全的。需要硬件監(jiān)控電路來防止系統(tǒng)出現問題并確保系統(tǒng)的正常運行。硬件監(jiān)控電路如圖3.7所示。圖3.7電源監(jiān)控電路示意圖圖中MAXS809是PHLIPS半導體生產的單功能復位微處理器，體積小，功耗低，用于微處理器和其他邏輯系統(tǒng)中的電壓監(jiān)控。當電源開關和電壓不足（低于閾值電壓）時，閾值電壓可選時向微處理器發(fā)送復位信號。圖中R2和S1組成的電路可以實現手動復位。3.5電磁兼容抗干擾技術電磁兼容性是測試智能控制器對衰減沖擊波、電快速瞬態(tài)脈沖群和浪涌（沖擊）干擾信號的抗干擾現象。向線路注入沖擊電壓時是否發(fā)生永久性損壞。在電快速瞬變或短脈沖或振蕩波免疫實驗中，只允許指定的瞬變功能障礙。電磁干擾是一種外部發(fā)生的電磁現象，它來自對有用信號有害的干擾源。過去，機電設備和系統(tǒng)一般對電磁干擾（如：靜電、傳導電干擾、輻射電磁場干擾）不敏感。大多數這些敏感問題是由諧波和電壓等“低頻”現象引起的。停止。當前電子元件和設備的使用使它們對這些干擾更加敏感，尤其是“高頻”和“瞬態(tài)”現象。隨著電子元器件和設備的普及和使用，由于電氣和電磁干擾而導致故障和損壞的風險大大增加，使得電磁兼容性的研究變得越來越重要。因此，對作為永磁機構重要組成部分的功率控制器的電磁兼容性的評估至關重要。對于電子設備的抗干擾，一般應注意以下設計技術的應用：1）頻率設計技術。頻率設計技術必須解決頻率兼容性問題，也是單片機系統(tǒng)設計中比較復雜的技術之一。微控制器系統(tǒng)必須能夠使用相同的頻率源來保證頻率特性要求。頻率設計包括電平驗證、設計最大工作頻率、降頻和諧波分離技術（低頻信號的頻率不是高頻信號的正倍數，尤其是A/D轉換因子）。2）接地技術。接地技術有兩個方面。一是電源內阻分析技術，二是接地點及接地線設計技術。電源內阻分析其實就是對電源最大瞬時功率的分析。接地點和地線分布設計的原則是實現頻率隔離和電源隔離。頻率隔離是指高低頻系統(tǒng)的分離，而電源隔離是指弱電和高電的分離。3)電源技術。一方面，電源技術涉及到電源特性的設計。例如，電源必須確保足夠的容性電流吸收和功率裕度。另一方面，還包括系統(tǒng)電源特性的選擇。例如：使用什么類型的電池或整流器，是否要更換電源，集中式或分布式電源等。4）布線技術。應限制分布參數，以減少每個引腳和連接之間的相互影響。配電參數主要由系統(tǒng)接線決定。因此，布線是單片機系統(tǒng)電磁兼容技術的核心，也是單片機系統(tǒng)電磁兼容設計的基本實現。5）變頻控制技術。對于輸出的高頻信號，盡量降低頻率以保證系統(tǒng)的正常運行，并平滑一些輸出信號。在設計上，根據具體情況，主要采用以下電磁兼容控制技術：1）濾波器：濾波器可以抑制輸入交流電源線的干擾信號和信號傳輸線中感應的各種干擾。交流電源濾波器廣泛應用于開關電源系統(tǒng)中，不僅可以抑制外界高頻干擾，還可以抑制開關電源發(fā)出的干擾。工頻電源的臨時干擾或雷擊通過電源線進入電子設備。這種干擾以共模和差模傳輸，可以通過電源濾波器進行過濾。使用交流電源濾波器來防止可能的電磁干擾。2)屏蔽:對靜電場和恒磁場的影響采用靜電屏蔽，對交變電場、交變磁場和交變電磁場的影響采用電磁屏蔽。3)針對硬件設計中可能存在的電磁干擾，采用接線、接地、變壓器絕緣、光電絕緣等方式，提高系統(tǒng)的EMC性能。

4.智能控制設計4.1智能識別控制算法智能識別模塊是智能控制裝置的核心，與數據采集裝置和調整裝置共同構成智能控制裝置，運行前根據各數據采集模塊采集的電網信息自動識別當前時間。主控室操作信號斷路器動作時電網的運行狀態(tài)。并根據預先對斷路器的仿真分析結果，通過向驅動機構發(fā)送調整信息，使斷路器發(fā)出相應的動作。工作進程為：以微控制器為核心的智能控制單元時刻采集電網狀態(tài)數據和真空斷路器狀態(tài)數據。智能識別模塊根據采集到的數據對數據進行校驗。斷路器的狀態(tài)，從變電站主控室傳來的信息。快速判斷電網狀態(tài)，判斷電網和斷路器狀態(tài)，隨時隨地控制調節(jié)器。根據識別結果，發(fā)送時間和控制信號，使斷路器分、合閘，控制電網的正常運行。采用同步動作技術時，必須通過調節(jié)裝置改變動作機構的參數，使斷路器獲得與當前系統(tǒng)運行條件相適應的動作特性。另外，斷路器的分合閘時間應盡可能短，以防分閘故障，不能人為延長斷路器的分合閘時間。智能操作。由于永磁機構真空斷路器是一種機械、電氣、磁結構復雜的裝置，分合閘同步，運行狀態(tài)受多種因素影響，智能感知也受多種情況和條件的影響。例如，快速識別檢測到的電網信息和來自變電站主控室的信息和斷路器的狀態(tài)，判斷斷路器的同步分合閘時間是延遲還是提前。自動調整：狀態(tài)優(yōu)化采用模糊專家控制，考慮斷路器同步分合閘過程中的大量不確定性和模糊信息，如根據各操作情況保持操作開關合閘程度的數據。最佳狀態(tài)。模糊專家控制具有自學習和自適應能力，能夠很好地模擬人類專家解決復雜控制問題的思維和決策方法。它主要由數據庫、推理機、自學機構和知識組成。根據。自學習組織通過對控制系統(tǒng)的在線監(jiān)督和評估，學習控制對象的未知信息，有效地擴充和修改知識庫的內容，逐步完善控制者的特性。4.2同步關合技術采用智能控制技術操作的永磁機構，結構簡單，體積小，可方便地配置為適合開關各極的永磁機構，從而精確控制開關的三極運動。外觀上，同步合閘技術提供了良好的技術基礎，使同步合閘技術在電力系統(tǒng)中的實際應用成為現實。4.2.1同步關合技術的意義所謂同步合閘技術，就是在控制系統(tǒng)的控制下，使開關斷路器的動、靜觸頭在系統(tǒng)電壓波形的規(guī)定相位上合閘，使電容器、空載變壓器等電力設備，空載線路相互接觸，對系統(tǒng)產生影響，是電力系統(tǒng)中應用的一種智能控制技術，同時將其最小化。當電力系統(tǒng)中的斷路器分閘和合閘電力設備時，當前系統(tǒng)電壓的初始相位角通常是隨機不確定的，從而導致過電壓。例如，當電容器開啟時，它會產生高振幅和高頻率的浪涌電流。同步合閘技術可以降低合閘運行瞬態(tài)過程中的過電壓和過電流，提高電力設備的壽命和系統(tǒng)的可靠性。1)降低合閘動作的涌流和過電壓。過大的浪涌電流會導致開關的觸點熔焊和燒毀。浪涌電流產生的電動勢會損壞其他組件。過大的涌流也會造成電流互感器和神聯(lián)電抗器的絕緣損壞。對于感性負載，大浪涌電流會損壞開關觸點，對變壓器繞組施加機械應力，保護繼電器發(fā)生故障，過電壓會導致設備局部放電等損壞。同步開關降低了浪涌電流和電壓擾動的幅度。2)提高電能質量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。同步合閘技術可降低合閘負載時過流、過壓對電網設備的影響，有效改善電能質量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。3）采用同步合閘技術可以縮短系統(tǒng)的暫態(tài)過程，抑制高頻諧波，斷路器的同步分斷可以大大提高分斷能力。4）延長電器的使用壽命和維修周期，降低成本。4.2.2永磁機構斷路器的同步關合技術同步關合技術使開關的主觸點零電壓閉合，零電流斷開，大大改善了開關的通斷特性。同步合閘技術可以減少合閘運行瞬態(tài)過程中的過電流和過電壓，從而提高電力設備的壽命和系統(tǒng)運行的可靠性。同步合閘初始相位角的選擇與真空斷路器的預分斷特性有關。同時，合閘速度直接影響斷路器的預分斷時間，因此合閘速度是一個非常重要的參數。斷路兩端的合閘速度和電壓以及滅室塊兩端所能承受的電壓決定了斷路器同時合閘時的合閘相位。當我們關閉電容器組時，我們假設斷路的電源側受系統(tǒng)正弦交流電壓的影響，并且電容器兩端的電壓為零。理想情況下，它會在此時電壓過零時關閉。但由于斷路器觸頭合閘過程中斷路器合閘時間的分散性，分斷間隔必須承受一定的耐壓。它是在零殘壓下閉合電容器組時電壓結點兩端的系統(tǒng)電壓。破裂所能承受的電壓與合閘位移有關，只有合閘速度足夠高才能實現同步合閘。在真空斷路器的合閘過程中，動觸頭與靜觸頭之間的距離越來越近，當距離太小，達到一定的距離承受不了外加電壓時，真空間隙就會坍塌。此時，由于距離較窄，可以看作是場致發(fā)射故障。根據目前真空斷路器預擊穿實驗研究，擊穿電壓與真空間隙的關系為：（U:擊穿電壓，S：真空間隙）近似表示。對于10kV的三相接地系統(tǒng)，當瞬時合閘觸頭的合閘速度為0.17m/s以上時，觸頭間耐壓變化率大于變化率的10%。在過零點，系統(tǒng)電源電壓的.u=0.17m/s可視為臨界速度。對于三相不接地系統(tǒng)，臨界速度為u=0.29m/s。但瞬時真空斷路器的合閘速度通常在0.8m/s以上。因此，真空斷路器同時合閘10kV系統(tǒng)時，一般能滿足上述速度要求。對于35kV系統(tǒng)，當電壓零結合閘時，沒有預先閉鎖，臨界速度u=0.98m/s，因此對真空斷路器的合閘速度必須有一定的要求。對于10kV系統(tǒng)和35kV系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有一個臨界關閉率。如果合閘速率低于此速率，真空斷路器將在電壓零結合閘時預斷開。斷路器合閘電流點為：偏離預定點，閉合速度越低，偏離越大。如果斷路器的合閘速度大于臨界合閘速度，則真空斷路器在零電壓交叉點合閘不會發(fā)生預分斷，斷路器可以在零電壓交叉點合閘。真空斷路器同步合閘時，合閘時間的方差為1ms，對于10kV系統(tǒng)和35kV系統(tǒng)，合閘時涌流最小的最期望合閘點，斷路器合閘速度，電壓與系統(tǒng)參數有關。同步合閘操作系統(tǒng)包括智能感應裝置和快速執(zhí)行機構。前者能及時檢測到閉鎖電路的電壓或電流過零時刻發(fā)出動作信號，后者能在接收到信號后迅速開啟和關閉。由于同步閉合控制需要高速和大量的浮點運算，因此控制系統(tǒng)必須采用能夠進行浮點運算的數字信號處理器（DSP），例如更高的TI的TMS320浮點DSP。運行頻率高，計算速度快，特殊指令多，適合同步合閘技術要求。實現方案原理如圖5-1所示。圖4.1同步關合實現方案原理圖三相觸點間隙電壓電流波形、環(huán)境溫度和控制電壓通過A/D轉換送入DSP測控系統(tǒng)進行實時不間斷采樣。在接收到手動或遠程關閉信號后，關閉信號會導致DSP系統(tǒng)關閉。電壓過零時間在中斷服務程序中計算，根據當前環(huán)境溫度、控制電壓和機械磨損和老化計算。斷路器的合閘時間決定了合閘啟動信號何時發(fā)出。最新的傳感器技術使得交流零信號的拾取非?？煽亢头奖恪Ｍ瑯樱覀兛梢院苋菀椎卦诮涣麟妷夯螂娏鞯淖兓剩▽谡倚盘柕姆逯担┑牧泓c處獲得信號。剩下的問題是控制信號是在電壓或電流的零點之前還是在變化率的零點之后傳輸。真空開關的同步開啟首先要實現分相操作，同時滿足以下條件：1）初始分斷率足夠高，動觸頭能在1-2ms內達到能可靠滅弧的分斷距離。2)觸點斷開時間必須在過零時間T之前，該時間對應于原開關第一個斷開階段的最小電弧時間。3)過零檢測和可靠及時的觸發(fā)信號。當短路電流中斷時，第一相斷開5ms后，其余兩相同時斷開（10kV中性點不接地系統(tǒng)）。步驟選擇和退出的要求類似。隨著電子操作的改進和進步，同步真空開關的實現已經不遠了。由于同步技術，未來的大容量真空開關將更小、更長、成本更低。永磁致動機構防止脫扣器釋放后彈簧機構運動的不確定性和不可控性。同時，借助光電傳感器的光電信號轉換和數字電路接口，控制精度在s量級，并能準確執(zhí)行光電指令信號，可實現全封閉。環(huán)形。在彈簧機構的機械系統(tǒng)中難以實現控制。因此，近年來同步開關的研究和實踐取得了進展。相關的寓意是開關可以完全控制，開發(fā)可以成為最典型的新概念開關電器。我們現在關注的是真空開關的同步潛力。隨著新一代操作機構的開發(fā)，具有更高電壓等級的開關將找到自己的智能操作方式。電流傳感器——Rogowski線圈標志滑雪線圈是一個環(huán)形螺線管線圈。傳導電流的導體通過環(huán)形線圈的中心。傳感器的輸出電壓u與流過環(huán)形線圈中心導體的電流i的導數成正比。(4.1)式中，L為線圈的電感，其值決定于線圈的幾何結構（匝數等）。為測得電流i，還要經過運算，由式（4.1）得(4.2)這可以通過計算機操作或集成電路（模擬電路）來實現。線圈有很多優(yōu)點，因為它們沒有鐵芯。1）動態(tài)范圍大，線性度好，控制保護和測量功能可同時實現，無需使用兩套變壓器。2）體積小，重量輕，充分利用開關柜的空間，可以方便地與其他配電設備組合使用。3）安全性好，電流互感器無開路問題。4）成本低，易于實現標準化和應用推廣。光纖電壓傳感器(OVT)光纖電壓傳感器有六種類型：無源OVT和有源OVT。目前最常用的是基于POCKELS光電效應的透光無源OVT。這個效果如下：光在電場（或電壓）的作用下通過某種材料發(fā)生雙折射，雙折射光波之間的相位差與外加電壓或電場強度成正比，相位差為檢測電壓或場強的大小。該光電電壓傳感器動態(tài)范圍寬，響應速度快，適用于電子測量，可集成保護和控制功能，體積小，重量輕，可靠性和電磁兼容性好，安全性好。采用最新的傳感器和微機一體化繼電保護裝置，信號全為數字信號，接口信號處理也方便，新一代智能成套裝置出現。a.輸入模擬信號調理電路16F877有8個A/D輸入通道，共享一個10位ADC模塊。ADC模塊完成10位數據轉換的最短時間為19.2。,兩次轉換之間至少為3.2.16F877提供16個A/D輸入通道的組合。引腳0-8可通過控制字ADCON1配置為模擬信號輸入通道。16F877還支持外部參考電壓以提高A/D轉換的分辨率。輸入模擬信號調理電路如圖4.2所示。輸入的模擬信號先進行二次濾波，濾除高頻干擾信號，再通過ADC模塊進行采樣。一旦收集到信號，它必須非常復雜。每個輸入通道每1.25ms采樣一次，一個輸入通道在工頻周期采樣16點，然后進行數據處理。圖4.2信號調理電路b.光電隔離電路在多種工業(yè)測量中，如自動化傳感系統(tǒng)、計算機數據采集系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等，往往需要將現場模擬信號采集到控制系統(tǒng)中。在采集過程中，各種干擾信號與被測信號一起進入控制系統(tǒng)，當這些信號疊加在有用的測量信號上時，測量精度下降，控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。被測電路和控制電路必須電氣隔離，以實現電平線性變換，不會將場電噪聲干擾引入控制系統(tǒng)。光電隔離法和隔離放大器法是兩種常用的模擬信號隔離辦法。隔離放大器與高性能輸入和輸出放大器、調制解調器、信號耦合變壓器和其他設備器件集成在一起。一般情況下，磁耦合用于使放大器輸出和輸入沒有電氣連接，從而隔離干擾源并抑制干擾。信號。信號放大。隔離放大器具有完全浮動的輸入端和獨立隔離的輸出端，具有更好的線性度和穩(wěn)定性，以及更高的隔離電壓和共模抑制比。但是隔離放大器的成本比較高，只適用于更高的要求。光電隔離是一種常用、方便、有效的隔離方法，它以光為介質，通過光電之間的相互轉換進行信號傳輸，使測量系統(tǒng)與現場信號電絕緣。光電隔離可以減少場信號線和地線干擾對系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)安全。另外，由于光耦的輸入阻抗小于干擾源的內阻，疊加在被測信號上的干擾信號衰減很大，基本無法進入測量系統(tǒng)，從而保證了測量的準確性。光隔離分為數字光隔離和模擬光隔離兩種。數字光電隔離模擬信號價格低廉，但由于數字光電隔離的非線性和光電隔離器件之間的不匹配，這種隔離電路的線性度不高，只適用于要求不高的場合。模擬光隔離器的結構比隔離放大器簡單，價格也比隔離放大器低。所用光電器件的材料和工藝與數字光隔離器不同，線性度比數字光隔離器有明顯提高。該設計使用線性光耦合器HCNR200來分離模擬信號，如圖4.3所示。HCNR200是一款高精度線性光電耦合器，具有成本低、線性度高、穩(wěn)定性高、頻帶寬、設計靈活等優(yōu)點，可通過連接不同的分立器件實現各種光電隔離轉換電路。輸入信號經過調理電路，通過線性光耦輸入單片機，使控制系統(tǒng)與強電流完全隔離，有效抑制強電流干擾對控制系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的安全性.手術。圖4.3輸入信號的光電隔離電路c.過零點檢測電路及過壓過流判斷電路輸入電壓和電流信號經過濾波后，輸入電壓比較電路可以得到占空比為0.5，頻率為50HZ的方波信號。遲滯比較器用于防止輸出方波在輸入信號的零交叉點附近頻繁跳躍。比較器的輸出方波通過施密特觸發(fā)器74HC14引入單片機，增加了系統(tǒng)的可靠性。電路如圖4.4所示。圖4.4過零點檢測電路16F877RB端口的RB0和RB4-RB7具有復合功能，可用于檢測引腳上的電平變化。當RB4-RB7設置為輸入引腳時，RB4-RB7的電平變化（上升沿和下降沿均有效）會在控制位RBIE設置為1時觸發(fā)中斷。這對于獲取零非常有用。交叉信號。但是，由于RB4-RB7共享同一個中斷標志位RBIF，所有管腳的電平變化都會將RBIF置為1（該標志位必須由軟件清0），因此無法確定哪個管腳有電平變化.根據開關動作的時序，在任何給定時刻，只有RB4-RB7引腳之一被設置為輸入引腳，其他引腳被設置為輸出引腳。這樣您就可以在發(fā)生電平變化中斷時檢查電壓和電流。在系統(tǒng)出現過壓和過流情況時，能夠及時斷開同步開關至關重要。采用軟件操作控制，響應時間很長，不能有效保護系統(tǒng)安全。使用16F877的外部中斷功能可顯著縮短響應時間。16F877的外部中斷功能可以通過控制位來設置。當INIE設置為1時，外部中斷功能使能?？刂莆籌NTEDG用于控制上升沿還是下降沿觸發(fā)外部中斷。如果INTEDG=0，則RB0的下降沿有效，如果INTEDG=1，則RB0的上升沿有效。為此，設計了圖4.5中的過壓過流判斷電路。、是參考電壓，可根據需要手動調整。當UA(或IA、IB、IC)某時刻的瞬時值大于U-REF1時，a點輸出高電平，對C20充電，若UA>U-REF1的持續(xù)時間大于一定值，使得b點的電平大于U-REF2，則輸出OVER-1(或OVER-2、OVER-3、OVER-4)變?yōu)楦唠娖健VER-1、OVER-2、OVER-3、OVER-4中任意一個為高電平，都會使得輸出信號DANGER(與RB0引腳相連)變?yōu)楦唠娖?。使用兩級比較器可以避免瞬間干擾引起判斷錯誤。當出現過壓過流情況時，DANGER由低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)16F877的外部中斷，迅速斷開開關。圖4.5過壓過流判斷電路d.功率因素角測量電路測量功率因數為了確定有多少電容進入電網，控制系統(tǒng)需要實時檢測電網的功率因數。當電網功率因數低于設定值時，必須向電網投入一定量的電容。如果電網的功率因數高于設定值，則需要部分電容。將其從電網中移除，以防止“過度補償”。為提高測量精度，本設計采用專用功率/能量芯片CS5460A進行功率因數測量。下面簡單介紹一下CS5460A芯片。CS5460A是美國CirrusLogic公司生產的CMOS單芯片功率測量設備，功能強大，自帶功率測量計算DSP引擎，可以完成大部分計算。CS5460A具有兩個模擬輸入通道、一個可編程放大器(PGA)和兩個24位-A/D轉換器、2個高通數字濾波器、校準裝置、有效值計算模塊、1個SPI串行通訊端口。該芯片的性能主要優(yōu)于其他測量芯片如：1)可測量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、RMS電流、RMS電壓、RMS功率、電能。2)具有片上看門狗定時器和內部供電監(jiān)視器。3)雙向串行接口和內部寄存器陣列，便于與微處理器連接。4)帶機械計數器/步進電機驅動器。5)片上2.5V參考電壓。6)外部時鐘最高頻率可達20MHz。7)電源方向輸出指示。8)提供外部復位引腳。在本設計中，其工作流程是先用互感器把電壓、電流轉換并送入CS5460A，CS5460A內部有一個增益可編程的放大器，兩個Δ∑模數轉換器，兩個高速濾波器，具有系統(tǒng)校準和功率計算功能，用以計算電能、電壓、電流功率及功率因數。其測量功率因數的原理為:利用其內部的一個電量寄存器積累電能。根據電能與功率的關系W=Pt，在1s內積累的電能數值上等于其有功功率P；再根據公式cos=P/(UI)算出功率因數值。CS5460A的測量結果通過串行口送入單片機。其與PIC單片機的連接電路見圖4.6。圖4.6CS5460A和PIC16F877接口電路e.環(huán)境溫度的測量環(huán)境溫度測量采用DS18B20測量溫度（見圖4.7）。DS18B20是美國達拉斯半導體公司自DS1820以來推出的一款新型增強型智能溫度傳感器。與常規(guī)熱敏電阻相比，可直接讀取被測溫度，并可根據實際需要，通過簡單編程實現9-12位數字值讀取方式。9位和12位數字量分別在93.75ms和750ms內完成，從DS18B20讀取或寫入信息只需要一個端口（單線接口）和溫度轉換即可讀寫。從數據電源總線來看，總線本身也可以為連接的DS18B20供電，無需額外的電源。因此，DS18B20可以使系統(tǒng)結構更簡單、更穩(wěn)定。與DS1820相比，在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面都有很大的提升，為用戶提供了更方便的使用和更滿意的結果。它具有以下特點：1）獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時，只需一個端口即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。2)使用時無需外部零件。3）數據線及電壓范圍：+3.0~+4.5V可供電。4)溫度測量范圍：-55+125。固有溫度測量分辨率為0.5C。5）通過編程，可實現9-12位數字閱讀模式。6)用戶可設置非易失性報警上下限。7）支持多點組網功能單條三線可并聯(lián)多個DS18B20，實現多點測溫。8）負壓特性如果電源極性接反，溫度計不會被熱燒壞，但不能正常工作。圖4.7溫度測量電路DS18B20的溫度傳感器可以完成溫度測量。測量數據轉換為數字值并存儲在內部存儲器中。溫度傳感器的內部存儲器包含高速臨時存儲器和電可擦除非易失性非易失性存儲器。保持后部冷熱觸發(fā)器TH、TL和救援電阻器。根據DS18B20的通訊協(xié)議，主機需要控制DS18B20分三步完成溫度轉換。DS18B20必須在讀寫前復位。如果復位成功，則發(fā)送ROM命令，最后發(fā)送RAM。發(fā)送命令以便可以安排DS18B20的運行。復位需要主CPU將數據線拉低500s，下一個版本。DS18B20接收到信號后等待16到60。s，發(fā)送一個連續(xù)的低脈沖后，主CPU收到這個信號，表示復位成功。f.電源模塊圖4.8所示的電源模塊旨在避免對控制系統(tǒng)不利的電源耦合干擾。24V電源由外部供電，經電容穩(wěn)壓后，可直接作為開關的開關線圈工作電源。12V電源由開關穩(wěn)壓器LM2576-12轉換后得到，為MOSFET驅動信號提供高電平。LM2576-5用于產生5V電平。但是，該電平不應直接用作控制電路的電源，因為開關穩(wěn)壓器不能隔離地線，并且可以通過地線將強電流部件的干擾耦合到控制電路中來影響它?？刂葡到y(tǒng)運行穩(wěn)定，否則燒毀。DC-DC轉換器將控制元件的電源與外部電源完全分離，通過電源耦合消除干擾。ICL7660用于創(chuàng)建-5V電源，為濾波器電路提供負電源。圖4.8電源模塊g.通信模塊單片機與上位機之間的全雙工通信可以通過單片機的串口來實現。本設計采用RS-232C串行物理接口標準。RS-232C規(guī)定的邏輯電平不同于一般的微處理器和單片機。例如，RS-232中的邏輯“1”是-3到-。15V由單片機的邏輯“1”表示為+5V，但兩者完全不同。因此，單片機系統(tǒng)必須進行電平轉換才能與上位機的RS-232接口進行通信。RS-232C通信標準有很多專用芯片用于發(fā)送和接收信號，本設計采用美國MAXIM公司的MAX232芯片。該設備運行性能穩(wěn)定，外圍設備少，已廣泛用于RS232C通信標準的信號收發(fā)。PIC單片機與上位機的接口電路如圖4.9所示。圖中MAX232將PIC單片機SDO引腳輸出的TTL電平信號轉換為RS-232C電平，輸入上位機，對上位機輸出的RS-232C電平信號進行如下轉換。輸出到TTL電平和PIC單片機.SDI引腳。PIC16F877單片機的SDO和SDI引腳分別是串口的發(fā)送器和接收器。要實現單片機和上位機之間的通信，單片機和上位機必須使用相同的數據傳輸格式。圖4.9PIC單片機與上位機串口通信電路圖4.3軟件設計永磁機構智能控制器軟件設計采用模塊化設計思想。由于單片機軟件通常與硬件結合完成特定的控制任務，對實時性的要求比較高，這是單片機軟件設計的關鍵。在此系統(tǒng)上完成所需的軟件功能是：1）實時數據采集功能：系統(tǒng)需要實時電壓電流數據。由于需要測量高電壓，通常經過PT和CT后降到100V/5A，再由電壓電流轉換器轉換成可測量的量程，經過A/D轉換后送到CPU進行數據采集。2）實時計算功能：系統(tǒng)完成實時數據采集后，需要對數據進行實時處理。這包括計算電壓和電流值的有效值并將它們與設定值進行比較。3）實時控制功能：系統(tǒng)通過采集各種數據，發(fā)出控制指令，實現實時控制。包括開關機和采取保護措施。4）錯誤處理功能：可以相應地處理可能出現的錯誤。在軟件設計中，電氣參數的形狀有很大的不同，比如電力系統(tǒng)短路時的電氣參數的形狀，因為電力系統(tǒng)的實際運行是會發(fā)生變化的。在各種情況下都會采取對策來防止故障。4.3.1主程序模塊智能同步開關控制系統(tǒng)是一種常見的實時控制系統(tǒng)，它必須保證在運行過程中及時、有序、高效地完成采樣、計算、控制、通訊等多項操作。因此，在程序設計中，采用C語言和匯編語言進行混合編程，采用C語言構建整個軟件系統(tǒng)框架，中斷處理和定時器采用匯編語言實現。只有這樣才能保證整個系統(tǒng)的實時性和可靠性。圖4.10主程序流程圖系統(tǒng)軟件設計主要采用模塊化設計方法，將所有功能分為主模塊和功能模塊。具體實現采用中斷和查詢相結合的方式，采用任務調度的設計思想。高優(yōu)先級任務通過中斷來實現，低優(yōu)先級任務通過設置調用各種功能模塊。和查詢標志。整個系統(tǒng)軟件由主程序、過零檢測處理程序、鍵盤中斷服務程序、數據采集處理子程序、顯示程序、開關控制程序和通訊程序等模塊組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、設備自檢、查詢等工作。主程序流程圖如圖4.10所示。圖4.11數據采集流程圖數據采集程序主要對電網的電流電壓進行采樣和濾波處理。每個周期利用上一個周期的采樣點計算電壓、電流數字量和有功、無功的有效值，每16個周期后，數字的有效值經過濾波處理取平均值。要計算的電壓和電流量輸出并刷新實際值，每32個周期對有功和無功數字量進行平均濾波和刷新。數據采集程序如圖4.11所示。4.3.2與上位機通信的程序設計PIC單片機發(fā)送數據的程序流程框圖如圖4.12所示。上位機接收數據的程序流程框圖如圖4.13所示。圖4.12單片機發(fā)送數據流程圖圖4.13上位機接收數據流程圖a.數據發(fā)送部分的程序設計LISTP=16F877

＃includeP16F877.INC

CBLOCK0X24；保留三個字節(jié)作為顯示用

COUNT；作計數器或暫存器用

ENDC

ORG0X0000；程序復位入口

NOP

STARTGOTOMAIN

ORG0X20

MAINMOVLW0X30 ；以下將RAM內容初始化

MOVWFFSR ；從30H單元開始

MOVLW0X30 ；將值30H賦給單元30H

MOVWFCOUNT

INTRAMMOVFCOUNT，0；將30H～7FH賦給單元30H～7FH

MOVWFINDF

INCFCOUNT，1

INCFFSR，1

BTFSSCOUNT，7

GOTOINTRAM

BSFSTATUS，RP0；將SCI部件初始化

MOVLW0X19；將傳輸的波特率設為約9600bps

MOVWFSPBRG

MOVLW0X04；選擇異步高速方式傳輸8位數據

MOVWFTXSTA

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X80；允許同步串行口工作

MOVWFRCSTA

BSFSTATUS，RP0

BSFTRISC，7；將RC6、RC7設置為輸入方式，斷絕與外接電路的連接

BSFTRISC，6

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X30；30H作為同步字符發(fā)送

MOVWFFSR

MOVFINDF，0

MOVWFTXREG；將待發(fā)送的數據寫入發(fā)送緩沖器TXREG

BSFSTATUS，RP0

BSFTXSTA，TXEN；發(fā)送允許

BCFSTATUS，RP0

BSFRCSTA，CREN；接收數據允許

LOOPTXBTFSSPIR1，RCIF；等待PIC2的響應字節(jié)

GOTOLOOPTX

MOVFRCREG，0；讀響應字節(jié)，清RCIF

LOOPTX1BTFSSPIR1，TXIF；發(fā)送下一字節(jié)

GOTOLOOPTX1

INCFFSR

MOVFINDF，0

MOVWFTXREG

BTFSSFSR，7；30H~7FH單元的內容是否發(fā)送完？

GOTOLOOPTX；沒有，繼續(xù)下一字節(jié)的發(fā)送

BSFSTATUS，RP0；如果是，則停止發(fā)送

BCFTXSTA，TXEN

BCFSTATUS，RP0；數據發(fā)送完畢

CALLLED；調用顯示子程序，將發(fā)送的數據顯示出來

END；程序完b.數據發(fā)送部分的程序設計LISTP=16F877

＃includeP16F877.INC

CBLOCK0X24

COUNT

ENDC

ORG0X0000

NOP

STARTGOTOMAIN

MAINBSFSTATUS，RP0；初始化程序同發(fā)送子程序

MOVLW0X19；波特率設置與PIC1相同

MOVWFSPBRG

MOVLW0X04；異步高速傳輸

MOVWFTXSTA

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X80；串行口工作使能

MOVWFRCSTA

BSFSTATUS，RP0

BSFTRISC，7；與外接電路隔離

BSFTRISC，6

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X30；從30H單元開始存放發(fā)送來的數據

MOVWFFSR

BSFRCSTA，CREN；接收允許

BSFSTATUS，RP0

BSFTXSTA，TXEN；發(fā)送允許

BCFSTATUS，RP0

WAITBTFSSPIR1，RCIF；等待接收數據

GOTOWAIT

MOVFRCREG，0；讀取數據

MOVWFINDF；將接收到的響應字節(jié)存入PIC2的RAM

INCFFSR

MOVWFTXREG；發(fā)送響應字節(jié)

LOOPTXBTFSSPIR1，TXIF；等待寫入完成

GOTOLOOPTX

BTFSSFSR，7；全部數據接收否？

GOTOWAIT1；沒有，繼續(xù)接收其它數據

BCFRCSTA，RCEN；接收完，則關斷接收和發(fā)送數據允許

BSFSTATUS，RP0

BCFPIE1，TXEN

BCFSTATUS，RP0

CALLLED；調用顯示子程序，將接受到的數據顯示出來

END；程序完4.3.3軟件抗干擾設計邏輯電路技術與軟件技術的巧妙結合，可作為抑制噪聲的有力工具。該軟件的優(yōu)點是可靠性高，修改方便。無論噪聲進入系統(tǒng)的哪個階段或何處，都可以使用糾錯技術來識別和糾正錯誤。系統(tǒng)的自診斷也可用于檢測噪音。有時僅使用硬件來解決抗干擾問題，這會使設備變得更大、成本高且難以使用。因此，合理編寫抗干擾性能強的軟件是一種強有力的抗干擾措施。在斷路器驅動控制器的軟件編程設計中，采用以下方法來提高系統(tǒng)的抗干擾性能。1)數字濾波由于斷路器驅動控制器工作在高壓環(huán)境下，干擾較強，系統(tǒng)傳感設備和數據通信處理系統(tǒng)中不可避免地存在干擾信號。常用的有限幅濾波、限速濾波、中值濾波、算術平均濾波、加權均值濾波、一階慣性濾波等。在實際工業(yè)生產中，各種常用的“限幅濾波+限速濾波+中值濾波”等數字濾波方法常用于對通信數據進行預處理。該設計首先根據實際數據采集和處理情況限制幅值和變化率，然后使用多個采集數據點的中值作為本次采樣的采樣點。2)利用自標準化排除離群樣本采用以下的經驗公式排除離群樣本：式中是標準化后的數據，當訓練樣本集發(fā)生變化，可能產生新的離群樣本，要重新標準化，繼續(xù)檢驗。3)利用類型隸屬度排除迷途樣本有效樣本應該出現在同類樣本聚集的空間，否則屬于迷途樣本。傳統(tǒng)的模式識別方法應用二維可視分類器，用人眼觀測平面圖，識別錯分的樣本。在工業(yè)智能優(yōu)化過程中，引進模糊理論的隸屬度概念，給每一個樣本分配各類型的隸屬度，讓計算機在任意維空間自動識別、刪除迷途樣本。具體步驟如下:假設是兩類情況，和分別為第一和第二類樣本數目，定義第i個樣本屬于第一類的隸屬度記為：(4.3)式中為樣本i和樣本j的距離，w為隸屬度因子，為可調整正數，一般在10左右。(4.4)一般認為<0.4的樣本為迷途樣本。