第8章智能电器及其应用系统
设计实例
宋政湘
西安交通大学电器教研室
设计实例
8.1 8.2 8.3 8.4 低压塑壳式断路器的智能脱扣器设计电能质量在线监测器
分布式变电站自动化系统
本章小结
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8.1 低压塑壳式断路器的智能脱扣器设计
传统低压断路器完成不同保护功能需要不同的脱扣器配置，并在其二次电路中使用相应功能的继电器，所以二次控制电路元件多、体积大、可靠性教差、维护工作量较大，无法实现被监控和保护对象的分布式管理。
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8.1 低压塑壳式断路器的智能脱扣器设计
智能断路器是断路器本体与智能脱扣器的集成。可配置被监控和保护对象需要的各种保护功能及每种功能的不同保护动作特性，操作人员根据现场工作要求，可以方便地通过人机交互面板进行设置，还可以与应用系统中的其他智能电器组成分布式通信网络，接受后台管理系统的监控和管理，实现真正的分布式监控和管理。
本节以一个智能低压塑壳式断路器的脱扣器为例，说明智能电器监控器的基本设计过程。
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8.1.1 智能脱扣器的基本功能和设计要求
本例中设计的智能脱扣器可以与额定电压为交流220V/380V、多种电流规格的小型塑壳断路器配合，只要求两个功能：
◆电流保护功能
◆简单的人机交互功能
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8.1.1 智能脱扣器的基本功能和设计要求（1）电流保护功能
保护功能要求满足过载长延时、短路短延时、短路瞬时三段式电流保护特性。
I I1 I2 I r2 I3 设计实例 8.1.1 智能脱扣器的基本功能和设计要求（2）人机交互功能 由于断路器为操作面板的安装面积、脱扣器本身的电源负载能力及成本等因素，这种人机交互功能一般：◆用PID开关或拨码开关完成现场设置； ◆通过发光二极管指示当前选择的脱扣器保护特性、脱扣器工作是否正常及故障时的故障类型。 设计实例 8.1.1 智能脱扣器的基本功能和设计要求（3）脱扣器工作电源要求 一般塑壳断路器的智能脱扣器电源模块都采用电流 互感器作为交流供电电源。 本例设计的脱扣器需要两种直流电源： ◆+5V为脱扣器中央处理与控制模块和人机交互模块电路 供电； ◆+12V为断路器脱扣的磁通变换器提供能量，并作为+5V 电源的输入。 设计实例 8.1.2 智能脱扣器的硬件设计 本例设计的智能脱扣器硬件包括4个模块： ● ● ● ● 电流信号检测调理模块中央处理与控制模块 人机交互模块 输出驱动模块和电源模块 设计实例 8.1.2 智能脱扣器的硬件设计 智能脱扣器的总体结构图： 设计实例 8.1.2 智能脱扣器的硬件设计 （1）电流信号检测调理模块 电流信号检测调理模块包括信号调理电路和采样环节。 信号调理电路把电流互感器的二次输出电流变为与采样环节模拟输入端兼容的电压信号，由采样电阻、阻容滤波电路和比例放大器。 采样环节采用中央处理与控制模块选用的处理器内置器件。 设计实例 8.1.2 智能脱扣器的硬件设计 （1）电流信号检测调理模块 设计实例 8.1.2 智能脱扣器的硬件设计 （2）电源模块 电源能量直接取自一次电路中的电流互感器，脱扣器电源模块需要提供+5V和+12V两种电源。 稳压 电流互感器DZ2 M1 R1 R2 R4 U1 C2 电路 输出 C3 C1 DZ1 R3 设计实例 8.1.2 智能脱扣器的硬件设计 （3）中央处理控制模块 中央处理控制模块是脱扣器完成数据处理、控制与保护及其他功能的核心，其电路结构设计和处理器件的选择是脱扣器硬件设计的关键。 本例设计中，中央处理与控制模块选择单处理器单芯片结构，处理器件选用了Microchip公司的PIC16F87A 增强型Flash微控制器。 设计实例 8.1.2 智能脱扣器的硬件设计 （4）输出驱动模块 输出驱动执行元件为MOSFET ，脱扣器操作部件是磁 通变换器。 设计实例 智能脱扣器的硬件设计 （5）人机交互模块 人机交互面板只配置保护动作阈值的整定输入和脱扣器工作状态指示。 保护动作阈值整定输入采用拨码开关，其编码形式为“8、4、2、1”编制，可以表示从0～9的数字，对应 不同的动作电流倍数和动作时间。 脱扣器工作状态指示采用3个LED，分别指示正常工作状态、过载长延时和短路短延时故障预警状态。 设计实例 8.1.3 智能脱扣器的程序设计 程序主要功能模块包括以下4个： ● ● ● ● 初始化模块 采样定时中断处理模块采样值处理模块 故障处理模块 设计实例 8.1.3 智能脱扣器的程序设计 程 序 流 程 图 设计实例 8.1.3 智能脱扣器的程序设计 （1）初始化模块 完成对整个硬件系统的初始化工作，包括对PIC单片机各输入/输出端口的配置和定时器工作的设置。 （2）采样定时中断处理模块 该模块的中断源是PIC单片机的定时器，完成电流采样、采样值存储和瞬动保护功能。 设计实例 8.1.3 智能脱扣器的程序设计 （3）采样值处理模块 计算并存储一个电源周期中各采样点值的平方，为故障判断与处理程序模块提供需要的数据。 （4）故障处理模块 完成过载长延时和短路短延时故障处理，采用累计热效应的处理方法。
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