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智能低压断路器的研究摘要当前，电力系统正在全面迈向智能化时代，而在配电网中，智能断路器则是确保线路安全、可靠运行的至关重要的设备之一，其主要职能在于对线路电流进行有效保护。传统的断路器由于体积大、结构复杂等缺点已经不能适应当前发展的需要，因此开发新型的智能型断路器势在必行。随着智能电网的不断扩张，对电网参数测量精度、故障排除速度和功能多样性等方面的要求越来越高，因此现有的智能断路器需要进行重大改革，以适应32位DSP作为智能控制核心处理器的需求。本文就基于此背景下分析了智能断路器在低压电气自动化中的具体运用及发展前景。对于低压电气制造行业而言，深入探究智能断路器的研究意义和应用价值，具有极其重要的意义。本文提出了一种低压智能断路器控制系统，该系统采用双核控制器结构，由DSP和ARM构成。该系统具有良好的可扩展性及可靠性，能够实现智能化操作,提高电力系统运行效率。介绍新型智能控制器的整体构造、硬件构成、测量保护算法以及控制程序等方面的内容。分析基于电压有效值法的三相三相电流测量方法以及利用该方法得到的数据与实际情况存在偏差。针对直流分量衰减对电力参数计算的影响，建议采用改进的傅里叶测量算法进行修正，以提高电力参数的准确性，并根据三段电流保护特性原理对系统进行保护控制。同时通过软件编程完成数据采集及数据处理，从而使智能断路器能够准确地检测出线路故障点位置及类型，为后续进一步分析提供可靠依据。经过实验验证，所提出的方法不仅能够显著提高计算参数的精度，同时还能够实现低压配电系统状态的网络化实时监测,从而提高智能断路器的可靠性，具有极高的实用性。关键词：断路器；智能控制；三段电流保护第一章导论1.1 课题研究的背景及意义智能电网是电力系统发展的新趋势，其目标是提高电能的有效利用和能源安全。为了提高智能电力系统的稳定性和可靠性，实现资源的优化配置，并增强其对新能源的容纳和消纳能力，国家已经投入了大量的资金。智能电网的建设离不开智能设备的应用，尤其是低压配电网作为电力传输通道之一，其自动化水平直接影响到整个电网运行状态的安全性与稳定性。为了实现配电系统的智能化，必须对中、低压变电站的相关设备进行智能化升级，以提高其效率和可靠性。随着智能电网建设步伐的加快，低压配电网也将成为未来智能配电网的重要组成部分之一。低压配电网是一种紧密连接于用户、负荷多样变化、故障频繁的网络，其主要职责在于实现高低电压的转换和分配。因此，研究低压配电网自动化技术具有重要意义。控制电器和配电电器是低压电器的两种主要类型，而断路器作为一种主要的配电电器，直接连接用电终端，其性能直接影响着其工作效果。目前.，我国低压配电网大多采用传统继电器式断路器，存在可靠性差、故障率高等问题，难以满足智能电网建设需求。采用故障监测技术，可有效提升装置的使用寿命，同时显著降低能源消耗，实现节能效果。通过对断路器进行状态评估可及时发现问题并及时采取措施解决问题。为确保高安全性线路系统的可靠安全运行，实时监测断路器性能参数是必要的，这样可以避免故障对系统和设备造成的损失。目前，随着电力市场改革进程不断加快，传统的供电方式己经不能满足人们对电能质量的需求，而在这种情况下，智能电网应运而生，它能够实现配电网的自动化管理。因此，实现低压开关的智能化是构建智能电力系统的首要任务。早期的低压断路器由操作机构、触头系统、灭弧室和电磁脱扣装置四大部件组成。这种断路器使用电磁波的作用来完成合闸和分闸的动作，但其抗干扰能力差、保护动作时间长、精度低、参数整定难、维护工作量大，并且缺乏通信功能。随着电力电子技术的发展，对电能质量和安全性的要求不断提升，低压断路器需要更高的可视化、自动化、模块化、网络化和智能化程度。在这种情况下，普通的开关根本不够用。为了达到“智能电网”这个伟大的目的，一个重要的先决条件就是首先对电力系统中的各种控制装置进行智能化改造，于是，智能开关便产生了。对于电力系统本身的发展来说，开展智能开关的研究有着非常重大的现实意义。来取代传统的机械结构的辅助继电器和开关。新型传感器与数字化控制设备相互结合，进行数据独立的采集计算，可以对线路的缺陷和故障进行检测，在故障出现之前，向工作人员提出预警信号，便于他们采取适当的行动来避免事故的发生。智能断路器最重要的一点，就是需要将其保护部分从原来的机械电子式转变为数字智能化，而其核心就是控制器单元是否能够满足智能化。1.2 发展现状与发展趋势1.2.1 国内外发展现状早期的断路器以脱扣装置为核心，通过电磁元件控制电路的断开，实现合闸和分闸操作。随着电力事业的发展，继电保护要求越来越高。为了确保不同电流等级的保护效果，需要采用多种不同的脱扣机制。为了实现小型化和更多的保护功能，断路器逐渐演变成以高性能微处理器为核心的智能断路器。智能断路器具备高保护精度、稳定性，能实时显示电能质量参数、报警故障和进行组网通信等功能。它具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、抗干扰能力强和维护方便等特点，受到国内外厂商的广泛关注和投资。在国外，低压智能断路器的研究起步较早，直到1985年才问世第一台以嵌入式微处理器技术为核心的智能断路器。随着计算机技术在工业领域的应用和电力电子技术的发展，智能断路器得到了广泛推广和普及。它成为电力系统不可缺少的组成部分，也是当前国内外低压电器行业的热门课题之一。近二、三十年来，一些享有国际声誉的大型企业相继推出了最新型的低压智能断路器，如法国施耐德公司的MasterpactMT系列和西门子公司的3WT系列。国内的一些知名电力设计院也研发了自己的低压智能断路器。随着先进技术的应用，产品更新换代速度加快，电能管理得到加强，断路器的使用寿命和性能指标得到了显著提升。尽管我国在智能电气产品的研发方面起步较晚，但智能断路器的研发已经取得了显著的进展。智能电网的建设离不开智能设备的应用，尤其是低压配电网作为电力传输通道之一，其自动化水平直接影响到整个电网运行状态的安全性与稳定性。在早期，我们依赖于引进国外技术，但是我们自主研发的断路器在性能方面与国外存在着明显的差距。随着电力电子、计算机技术、通信技术和微电子技术的发展，智能断路器也逐渐成为一种发展趋势。目前，我国从事断路器生产的企业数量已超过100家，其中常熟开关、杭州之江、长征九厂等企业具有代表性。随着国家对电力事业发展的重视以及节能环保政策的出台，智能断路器的市场前景将非常乐观。浙江正泰电器自主研发的NM8系列断路器，以模块化设计和智能型脱扣器为核心，展现出与国外领先技术媲美的卓越性能。产品主要用于高压及超高压输电线路中作为分合闸设备使用。因其高度智能化、紧凑的体积和卓越的可靠性，该技术已广泛应用于各个领域。随着社会对用电安全性的重视以及电网规模扩大，传统的断路器已不能满足用户日益增长的需求，因此需要研制新一代具有高可靠性和高性能价格比的产品来替代原有的产品。经过五载的研发，杭州之江开关股份有限公司成功推出HSM系列智能断路器，该系列具备三段式电流保护和欠压保护的可调节动作时间功能，其中H型智能断路器还拥有现场总线通讯的特性。这款先进的智能断路器不仅能够满足用户对于安全性能和可靠性方面的需求，同时还能够有效地降低成本，提升市场竞争力。接着，森泰电器推出了一款TSM智能模块化断路器，采用单片机控制技术，不仅实现了基本的三段保护,还具备接地故障、预警和漏电保护功能，同时还支持远程遥控，使得工作人员无需亲临现场即可掌握故障参数，从而全面排查线路故障。传统机械式和电子式断路器虽然各自存在缺陷，但它们所具备的优势却是无可比拟的，同时也克服了这些缺陷。目前，我国正在致力于研发一种现场总线可通信、智能化程度高的断路器，以实现智能电网中网络管理的集中化。1.2.2 发展趋势智能断路器的研发在国际上备受关注。它的发展经历了从8位单片机到多处理器再到16位和32位处理器的演进，提升了系统的可靠性、运算速度和采样精度。智能断路器具有高度智能化、通讯化、产品模块化和通用化特点。它通过软件编写实现保护功能、实时显示参数和修改动作参数整定值等功能。同时，智能断路器可以通过通信芯片或电路与上位机连接，实现监控和信息交换。为适应电网智能化发展，智能断路器采用开放、规范、统一的通讯协议，并支持远距离测量、通讯、遥控和调节。产品模块化和通用化：随着新技术的发展，新一代模块化的断路器提升了产品的生产效率和市场适应性。它的应用范围可以不限于特定的一种类型的断路器,避免了因为单一零件的损坏而导致整个设备进行替换的缺点。因此，系统的维修工作也会变得比较容易，同时还可以达到产品的节材、节能的环保要求。在上述的功能特征之外，智能断路器的发展方向还将朝着经济型、迎合某一或某种特定的环境，并朝着新能源配电系统、超大电容等几个方向发展，从而让它变成一种拥有多个功能的智能网络化电器设备，从而满足在未来智能电网中技术的发展需求。1.3 主要研究及工作内容在国际上，对智能断路器的研发受到了高度的关注。它的发展首先以8位的51单片机为处理器，但它存在着保护存储量较少，参数修改比较麻烦的问题。后来，因为多处理器的使用，使得不同的单片机可以分工对保护进行处理，从而提升了系统的可靠性和运算速度。再后来，为了更好地提升系统的采样精度，还使用了16位处理器，一直到现在，才开始使用现在流行的32位DSP处理器，从而极大地提升了电网参数的运算效率，并且还具有远程通信功能，使得系统误差越来越小，对故障的判断更加精确。现在，一般都会将串口线或现场总线等嵌入到智能断路器中，以适应电网智能化的发展。在此基础上，结合国家的实际情况和科学研究的实际情况，提出了在网络环境下，采用开放、规范、统一的通讯协议。对通讯性能的特殊需求是能够实现远距离测量、远距离通讯、远距离遥控、远距离调节等。产品模块化和通用化：随着新技术的发展，新一代模块化的断路器提升了产品的生产效率和市场适应性。它的应用范围可以不限于特定的一种类型的断路器,避免了因为单一零件的损坏而导致整个设备进行替换的缺点。因此，系统的维修工作也会变得比较容易，同时还可以达到产品的节材、节能的环保要求。在上述的功能特征之外，智能断路器的发展方向还将朝着经济型、迎合某一或某种特定的环境，并朝着新能源配电系统、超大电容等几个方向发展，从而让它变成一种拥有多个功能的智能网络化电器设备，从而满足在未来智能电网中技术的发展需求。第二章智能断路器的总体设计2.1 智能断路器的基本原理智能断路器与传统断路器最大的不同在于应用了新型传感器技术、自动控制技术、微电子技术、计算机技术和网络通信等技术。它通过数字化自动控制设备取代了传统的机械结构单元，并利用新型传感器实时采集电网线路的运行数据。这些数据经过处理和分析，能够识别断路器中的问题并提前发出预警信号，方便工作人员采取措施，预防或降低非计划停电事故的发生。智能断路器的工作原理如下所示：数据采集单元将电网的模拟信号通过传感器、电压调节和滤波电路转换为数字信号，并传送到处理器智能识别单元进行运算和分析。智能识别单元根据采集到的信息和设定的参数，进行分析、运算和判断，识别线路的运行状况。当电网发生故障且需要切断供电时，处理器发出分闸信号，通过驱动执行机构控制断路器动作，实现切断故障线路供电的目标，避免故障扩展的风险。调节装置包括实时的人机调整接口和远距离的通信接口。人-机调整接口由液晶显示器、键盘和报警电路组成，用于设定和修改保护动作的启动情况和设定值。远距离通信接口允许远端控制室的工作人员随时了解电网线路的运行状况和故障资料，并对保护动作的触发条件进行修正，实现对电力系统的集中管理和监督。除此之外，使用者还可以按照自己的实际需求，增加一些功能模块（比如GPS模块、物联网模块等）来进行扩充，从而让断路器变得更加的智能。断路器变压器HITTr-智能控制|灭凶室I-CT0-OZZX0-OZxO-负载或次级线路变电站匕控室调节装置智能识别分闸信号合闸信号执行机构断路器状态图2.1智能断路器的工作原理图2.2 智能断路器功能要求和技术指标2.2.1 智能断路器实现的功能1、保护功能：暂态短路保护；短时短路延迟保护；超负荷长期滞后防护；防止过流；低压防护；温度过高防护装置；2、电力网络参数的测定与监控：利用互感器，可以对电网中的模拟信号进行实时检测，具体包含了三相交流电压、电流的有效值，以及计算出的功率等内容。此外，还可以对系统的运行状况进行实时的展示，例如，故障状态预警。3、其它功能显示器：利用1.CD和按钮构成了一个完备的人机接口，它的目的是为了使操作人员能够更好地了解电力系统的操作参数以及各种保护参数的设置情况。历史故障资料储存：储存断路器的错误资料，可以储存五种不同的错误资料，分别是：发生错误时的电压和电流的有效值，错误的时间，错误的种类，错误的次数，从而帮助操作者对线路的错误进行准确的判定，缩短了检修的周期2.2.2智能断路器设计的技术指标作为一种新型的开关电源，其主要性能指标应满足中华人民共和国质检总局及中国标准化委员会颁布的国家标准。参考GB/T22710-2008(低压断路器用电子式控制器)及低压开关设备和控制设备第2部分：断路器(GB14048.1-2008),提出了下列各方面的智能化断路器必须符合的技术要求：1、功率指标：由外部220VAC供电，作为全部控制装置的工作功率。2、操作温度：-10+70摄氏度.3、保护指数：短路瞬时保护、短路短延时保护、过载长延时保护都是针对于电流保护而设计的，三级保护中，过载长延时电流（Ir）、短路短延时（ISd）、短路瞬时（Ii）长延时（Tr）、短延时（TSd）、短延时（TSd）等都有一个固定的调整区间，在这个区间里，使用者可以按照自己的需要来选取合适的调整参数，不同的电流调整区间所对应的调整区间也是不同的，具体内容见下图2.1。保护类型整定范围误差负载电流整定时间过载长延时r0.4InvInTrKIr1.05Ir按GB14048.22OOX中表6的规定1.30Ir1.50Ir15s30s60s120s240s480s动作时间±10%2.OIr8.4s16.88s33.76s67.6s135s270s7.2Ir一一2.6s5.2s10.4s20.8s短路短延时Isd1.5lr'12IrTsd定时限短延时3i：O.Is、0.2s、0.3s、0.4s反时限tsd2：按Mtsd=（8Ir）2Tsd变化（仅当I81可设置为反时限，1>8/1始终为定时限）动作时间+10%短路瞬时Ii2In'15InV0.9j不动作,>1M动作<100msa）：1.5Ir和2.0Ir,7.2Ir.8I1动作时间是按设定的，需要时也可按其他变化形式处理，其中7.2Ir动作时间应符合电动机保护要求。b）：短延时的可返回时间由制造商的具体产品标准中规定。表2.1国家标准中电流及动作时间整定范围2.3智能断路器总体设计方案该控制系统是由两个单独的CPU共同工作的工作方式组成。DSP控制器选择了TMS320F2812作为DSP,因为TMS320F2812具有一个很强的计算处理架构，它的作用是对整个电力系统进行了数据采集之后的计算处理，以及对故障进行了智能的辨识和处理；ARM选择了STM32F103芯片，利用其强大的数据处理能力，实现了人机交互和远程通讯等功能。该方案通过将高速计算、开关量输出等模块与低速通信、人机交互等模块进行模块化的方式来实现，从而有效地克服了单一CPU在计算时间上的“瓶颈”问题，同时，能够充分利用DSP高速计算的特点以及ARM多任务的特点，从而提升系统的可靠性。此外，还可以将多余的资源用于扩充其它的功能，以达到开关设备的智能化、网络化和可扩充的目的。在图2.2中显示了该系统的架构方框图调块号模信理键电源模块图2.2系统结构框图第三章智能断路器控制器的硬件设计3.1 硬件部分设计标准本文从第二章介绍了开关开关的各种性能出发，提出了在硬件方面要遵循模块化、简单化和一定的抗干扰原则。模块化设计指的是根据要实现的功能的差异，将硬件分成几个较小的模块，这样做的好处是，它不仅可以提供很多的典型的电路可以供人借鉴，而且还可以方便地对电路的各个功能进行理解，方便地修改设计的不足之处。简化的设计就是在设计时尽量选用IC,这样就可以降低在设计阶段对电路进行失效分析的难度，同时也可以减小电子设备间的连线，便于电路布置，从而增加了设备在使用过程中的可靠度；另外，因为智能开关所处的工作环境较为复杂，所以在设备内部和外部都要注意防止电磁干扰，为了提高系统的稳定性，还需要采用一些必要的硬件手段。3.2 DSP部分在系统运行期间，运用CT和PT技术对电力网络中的信号进行捕捉，经过滤波和调整处理后，将其传输至数字信号处理器中。随着电力电子和微电子技术发展及应用，智能化断路器成为当前研究热点之一。随后，根据软件中设定的三段保护原则，进行逻辑运算、比较和处理，最终将相应动作的护信号输出至光耦隔离，以驱动执行机构控制的断路器分合闸。另外还为用户提供了一种室外人工开、关两种方式的开关，以便于用户在室外进行应急或操作。3.3 ARM部分为了便于工作人员监测电网运行状况，并在开关整定值上进行调整，便于操作和观测，本装置采用STM32作为控制单元。该模块主要由液晶显示，键盘输入，1.ED显示，与PC的通讯连接等组成。其中，1.CD模块主要用于显示实时数据和参数设置等相关的数据，并以I1.I9325DTFT1.CD驱动芯片为主要的控制模块，实现了与系统的人机交互。在键区的输入线路中，设置的参数修改和显示的系统状况都是经由此线路进行的。PC通讯界面是将所收集到的实时资料讯息传送至主控制台进行显示，并能汇报系统的设定及所在的线路状况；主控计算机通过对从属计算机发出调整指令，进行远距离控制，从而达到对各种需要的线路进行调整的目的。3.4 双CPU间的通信部分RXDTXDSTM32捕获启动在控制系统中，由于两个CPU各自负责工作，所以需要DSP把探测到的信号和错误信息都输出到ARM上进行显示；此外，ARM还负责对参数进行调整，所以要将参数值传达到DSP,因此，就必须对这两个人进行通信，通信电路的示意图见图3.1。TXDRXDF2812启动捕获图3.1F2812与STM32通信电路示意图CPU间采用非同步的串行接口进行信息传递，无需进行电平变换即可进行通讯。在F2812和STM32之间，利用串行异步通讯技术，可以实现高速的数据传输。另外，还采用了不同的方式，通过不同的方式，来控制数据的流向，防止数据之间的碰撞。3.5 硬件抗干扰措施在具体的使用过程中，智能断路器需要具有较高的稳定性和抗干扰性，在本文之前已经说明了，如果有较强的干扰信号，那么就会造成断路器的误操作，因此，有一定的硬件干扰措施。该系统从设计原理图到制作印刷电路图，均考虑到各种因素的影响。(1)绝缘抗扰动：绝缘的本质是通过隔离强电和弱电、扰动源和易受扰动部件，确保智能控制器与环境之间只有一个信号连接。采用光藕隔离芯片T1.P521,利用光作为媒介，直接耦合输入和输出信号。因此，该芯片有很强的电气隔离和抗干扰性能。此外，在该硬件系统中使用到的变压器，电流传感器，以及变压器自身具有很好的电绝缘性能。(2)滤波抗干扰：在进行硬件设计时，通常会采用一种基本的硬件，可以达到许多试验与模拟的需求，而本论文所采用的RC滤波，可以较好地达到某些去除噪声的需求，并且可以提高滤波的品质。(3)PCB的抗噪声：PCB是指在测量控制系统中，由信号线，地线，电源线等组成的一个较大的集合体。在印制电路板时，应尽量采用适当的布线方式，尽量减少并联布线的长度；讯号线路应尽量缩短，并以较少的讯号线路排布于电路板上，以避免晶片针脚处的连结；另外，还需要使用大面积的包铜、补泪滴等。第四章保护特性的原理分析和算法选取4.1三段式电流保护原理在低电压型智能开关中，最重要也是最核心的一项工作就是电流保护。电流保护特性可划分为三大部分：过载长延时、短路短延时和短路瞬时。智能开关要求对电力系统中正在运行中的线路进行实时监测，对于这种情况，通常采用三级保护加以区分。图4.1是一张防护特征曲线。智能断路器动作时间Irllr2lr3lr4I图4.1三段式保护特性曲线当发生过负荷时.，系统负荷电流显著增大，发热在导线上以'12-的方式反映，在反时延保护特征曲线的作用下，被保护的电气设备的时间一电流特征表现为“121=常数”。无论在导线中的电流怎样改变，受保护物体最后的热量累积应当满足Q=Ft=tI=I4.2 过载长延时保护在电力系统中，超负荷通常是最常见的一种，超负荷超负荷的超负荷通常会超过1.3个额定的超负荷，超负荷超负荷超时保护本质上是一种逆时限超负荷超负荷的高温保护，参考低压开关设备和控制设备，选择该部分中的时间-电流调节保护特征如下：tr=(Kr)z*Tr公式中：I表示真实的电流，K表示给定的电流乘以一定的整数倍；Tr是大负载延迟下的整定时刻；Ir是在较大的超负荷延迟下被设定的电流，Tr是在较大的超负荷延迟下被设定的工作时间。4.3 短路短延时保护短路短延时保护通常是在与上下保护相结合的情况下，作为一种选择性保护,它可以分为反时间限制和定时限制两种，并且它还可以满足以下的数学关系：Isd=(1.5-12)r/W8/,时:&=(8/)2QI>8。时：J=TstiISd通常是1.5-12个超载整定数值，其中81.表示两者之间的界限。在ISdVl<81.的情况下，该智能控制系统会根据与超负荷抗时间延迟相似的特性，对系统进行短暂延迟保护；在I>8Ir的时候，根据定时限保护特性，它的动作时间也就是系统设定的整定时间，一旦故障电流满足了一定期限的起动条件，则定时器开始，定时到系统立即输出动作指令。4.4 短路瞬时保护由于电流强度大，造成的危害也是最大，因此，短路瞬间保护是需要速度最快的一项保护，它的保护特征具有一定的时间限制，在国家标准中，它的动作需要在20ms之内，因此，当出现此故障时，要立刻进行操作。采用“即取即比''型保护，将当前的有效电流与预先设置好的暂态故障电流设置数值Ii进行对比，如果三个数值均高于Ii,则表明已经出现了暂态故障，必须马上给分闸指令；若未发生三次以上的现象，则可判定为存在于该线路中的一种“尖脉冲”的扰动，并将该扰动讯号的跳闸现象消除，使该开关不起作用。其目标是避免因外部扰动而造成某个时刻所获得的样本数值超出，从而引起开关错误地判定为开关动作，从而有效地保障电网的稳定。通常Ii是2-15倍的额定电流In,其具体数值可以根据使用者的要求进行设置。4.5 改进的傅里叶算法在该设计中，准确、快速地获得电参量数值是实现开关的先决条件，其计算的精度和速度直接关系到整个系统的可靠性和精度问题。在该系统中，应用了修正的FoUrier算法来求解各个频率的谐波分量。在一般条件下，傅里叶算法作为一种常见的电参量计算方法，它的计算公式是：x(t)=EXitSin(皿+a”)=£ucosn/+llsinn/式中：Xn是n倍频分量振幅；初相角为an；该系统可以用于对含有非线性负荷及非线性电源的配电网进行在线实时监测和故障诊断。an和bn是各次谐波正弦和余弦分量振幅。为了消除这个误差对分析结果的干扰，本文提出了一种新的基于相位补偿的傅氏方法来解决这一问题。在电力系统故障时，由于存在电磁惯性的电抗与电容，导致模型中未考虑衰减的直流分量部分，这一因素会对傅里叶算法造成误差。在出现故障的情况下，信号的模式呈现出一种特殊的形态：x(t)=2Xz,sin(初+a“)+Xne'7分析计算后得：=«+Sa二+Sh为了提高系统的稳定性和可靠性，需要消除控制器发出错误的动作命令。这可以通过消除直流分量来实现。误差值3a和b是理想值与实际值之间的差异,如果将这些误差引入并计算有效值，就会产生误差。本文分析讨论了引起直流分量偏差的因素，并对各影响因子作了详细分析。提出一种算法，该算法在周期的基础上进行延拓，选取三个数据窗进行修正分解，以消除非周期分量，从而减小直流分量误差。该方法是基于最小二乘原理推导出来的。假设存在三个数据窗口，那么它们所对应的表达式将会是不同的：心=InCoSQn+S11S=flsina,+Sha,n=11cos(n+ki)+,tl<b,n=11sin(an+kt)+8a,n=ncoscos(11+2kt)+3”“b"n=/,1sinsin(11+2ki)+,h4=«；-KCaIt+Ksbn令B=bKebn+Ktan'C=-Kca+KsbD=btfn-Kea+Kxan进一步计算可得到:A(Kr-Kc)-BKi1+-2K,K凝=B(K-Kc)-AKs1+2KrK式中:K”/号/"二甸等）&=CM等）最终，我们成功地提取了基波和各次谐波，并消除了直流衰减所带来的误差，从而获得了具有校准意义的an和bn值。接下来，我们进行了电压和电流有效值、有功功率、无功功率等参数的计算。根据模拟结果所示，该算法能够以高度精准的方式对电力系统进行深入分析，并得出准确无误的结论。尽管该算法的计算复杂度受到一定限制，但其所需的计算时间足以满足实时需求，这一点毋庸置疑。第五章智能断路器控制器的软件设计5.1 软件设计准则为了实现对电网线路的实时、高效监控，智能断路器需要具备卓越的硬件设备和必不可少的软件支持。本文主要介绍了智能断路器监测系统软硬件设计与实现方法。软件是系统的核心，对系统的性能产生着至关重要的影响。在开发过程中，必须遵循软件工程原则。为了便于发现和纠正错误，软件设计必须采用模块化分解的方式，以确保简洁明了。设计时必须遵循软件工程思想，采用结构化方法，使其具有可维护性和可扩展性。确保功能语句在实时性、可靠性和执行速度方面均达到最佳状态。软件必须满足通用性和可扩展性等要求，使其能够适应各种不同规模和类型的应用需求。软件的全面测试和修改需要具备高度的可测试性和易操作性。在软件结构上必须具有良好的可扩展性。为确保未来系统功能的扩展，软件必须具备高度的互操作性，以实现无缝的数据交互和无缝的信息共享。5.2 软件总体设计根据第二章中的智能断路器结构框图2.2和预期实现的功能，我们可以将软件设计划分为两个主要部分，一个是F2812的软件设计，另一个则是STM32。在硬件方面，采用了以单片机为主控芯片、外围电路为辅的设计原则，通过合理分配各个功能模块来完成对整个系统的控制。F2812的软件设计涵盖了多个模块，包括数据采集处理、ARM通信和智能识别保护等，这些模块之间相互协作，以实现分工明确的目标。本文主要介绍了智能断路器监测系统软硬件设计与实现方法。STM32软件的主要职能在于为调节装置提供支持，它由一系列模块化软件组成，包括液晶显示模块、键盘模块和串行通信等，这些软件相互协作，共同构成了STM32软件的核心。通过对各种不同型号的调压器的分析对比，选择出适合本实验需要的产品。采用嵌入式开发技术与单片机编程方法相结合，本设计实现了各个功能模块的程序设计，从而简化了硬件电路，提高了可靠性，同时也方便了维护。根据图5.1所示的系统总体流程图，F2812主控芯片在通电后进行了初始化和自检工作，其中包括对FlaSh、RAM、GPlO和AD的初始化情况进行检查，并在随后中断并等待与ARM板进行通信。一旦两个芯片实现通信，DSP芯片将进入正常运行状态，包括信号采集和FFT处理计算参数，并根据预设参数判断线路是否存在故障。由于采用嵌入式技术设计，因此该控制系统具有很好的可扩展性，可应用于各种不同类型的电子设备上，如汽车电源管理系统、智能家电以及其他需要对电能质量进行监控的设备中。ARM控制的液晶显示屏同时接收系统发送的电压、电流、功率和故障状态等信息，同时现场工作人员可以通过键盘进行控制器参数的修改或查询操作。第六章装置性能测试与分析第六章装置性能测试与分析为了确保智能断路器能够达到预期的要求和功能，需要对其硬件和软件进行协同调试，以验证系统设计的精确性。本课题中，首先通过实验方法对系统软硬件部分分别做了全面的调试工作，然后将各部件连接后再搭建起完整的试验平台，最后利用该试验台完成智能断路器各项性能指标测试。这段内容主要总结了评估装置性能的关键。首先，确保电网参数检测的准确性，特别是电压和电流的有效值，这对测量精度和智能识别模块的有效动作至关重要。其次，需要测试智能断路器在线路故障发生时是否能够及时准确地判断故障类型并做出相应动作。最终,对装置性能进行了简单的误差分析。6.1 软、硬件调试进行模拟信号到数字信号转换的过程中，硬件部分的调试需要使用万用表检查电路板是否存在短路或断路问题，确保线路正确。验证和观察电源模块的电压范围和连接是否正确，以保证系统硬件的可靠运行。观察信号调离电路后的模拟信号是否与理论值相符，然后传输至DSP的ADC进行处理。软件测试的目标与硬件测试相同,验证AD采样程序得到的数字信号是否与输入前的模拟信号相符，检查FFT计算后的有效值是否与原始信号相符，确保准确性以支持故障判断。6.2 试验测试分析为了评估设计系统的可靠性，我们在实验室条件下挑选了不同级别的电流进行试验，并在表61中得出了测试结果。表6.1试验测试分析测量电流/A实际电流/A误差/%2032001.55635502.369779502.84243925002.44386940003.27大电流下的测量误差较大，原因是电流互感和电阻发热导致非线性特征和阻值变化。然而，整个测量范围内的误差控制在5%以内，符合系统精度要求。大电流通过线路时，需要分段处理并根据不同的整定时间调整电流测试的实际动作时间，与理论计算时间进行对比。以过载保护测试为例，测试结果详见表6-2O表6.2测试结果线路线流整定时间15整/s整定时间30整/sA理论值实际值误差了理论值实际值误差550.017.8518.905.8735.7036.903.35750.09.6010.105.2119.2020.104.69950.05.986.406.9611.9712.201.951050.04.905.206.179.8010.406.171150.04.084.407.768.178.504.09根据表6-2的测试结果，一旦电流I超过整定电流，断路器便会开始呈现出延迟的现象。随着电流的增加，动作所需的时间也随之缩短，而动作时间误差值则符合低压断路器用电子式控制器规约中规定的10%以下的标准。6.3误差分析根据误差理论，我们可以得出相对误差的计算公式：相对误差=测量真值X100%计算表6.1、表6.2的最大误差为:2.84%、6.96%；说明本装置能较好地满足设计指标，达到了预期效果。系统延时动作保护误差率不超过10%的要求，设备误差范围得到了基本的满足。在实际的工作场景中，我们发现该系统呈现出一定的不稳定性。分析原因是由于采样时间间隔较短，且受外界干扰较大，使其产生测量误差而造成的。系统误差的根源在于多种因素的相互作用，这些因素的综合影响导致了系统误差的产生：（1）数字信号的产生涉及到互感器、调理电路和AD转换等多个复杂的步骤，而这些步骤所涉及的电路精度直接关系到测量结果的准确性。在整个传输线路的数据采集模块中，需要特别留意阻抗和分布电容的存在，因为它们可能会对结果产生无法避免的误差。（2）AD转换器是一种采用DSP自带的逐次逼近型AD转换器，其数字单位为0.0244%。这些误差不仅包括采样频率、占空比等参数引起的噪声，而且还有由输入信号中包含大量随机成分所造成的抖动现象。然而，在进行量化的过程中，难以避免地会出现误差的出现。如果不加以补偿则可能导致输出信号中出现较大偏差。此外，转换后的结果还会受到增益系数和偏移量的影响，这两个因素的存在会对结果产生显著的影响。因此，为确保AD校正的准确性，我们采用了外加标准电压的措施。（3）在实际的计算过程中，简化复杂问题的求解以及对有限位数进行运算都可能导致误差，而在FFT计算程序中使用的正弦余弦函数、开方和乘除运算则存在可能产生舍入误差的情形。在计算过程的各个环节中，这种舍取方式可能会导致新的误差积累，从而对计算结果产生影响。结论该文研究了智能断路器的发展趋势和最新进展，并提出了一种双CPU硬件设计方案，采用DSP和ARM相结合的方式进行功能模块的分析。系统参数可以通过人机交互界面进行调整，实现直接操作。采用模块化设计思想，将控制系统分为主控制模块、通讯模块和保护与测量模块，并研究了各个子程序的功能和联系。通过硬件电路设计和软件编程，成功完成了一台完整运行的低压智能断路器样机的实现和测试，验证了其可靠性。系统存在的缺陷及未来研究的前景：在本次的设计过程中，我对低压智能断路器进行了全面深入的探究，并且所研发的智能短路器已经成功地实现了预期的目标。说明本装置能较好地满足设计指标，达到了预期效果。然而，鉴于时间和个人能力等多方面的限制，样机的设计需要在多个方面进行改进和完善，以达到更高水平。（1）在系统设计中，若只考虑了软件同步采样，而未对硬件进行充分设计，则可能导致系统在处理数据时出现一定的误差，因此，今后可以将该模块纳入硬件部分，以提升系统性能。（2）为了提升系统采样的准确性，我们选用了DSP内置的12位AD转换器作为系统采样的AD转换器，并使用了专门的多位同步AD采集转换器芯片，以进一步优化系统性能；尽管FFT算法在计算各次谐波方面表现出色，但其无法深入分析信号的时域特性，因此在未来的研究和优化中，我们有必要对其进行更深入的探究。（3）该设备在通信领域的研究尚未达到充分的程度，尚未实现真正的遥控操作，仅具备相应的通信接口。对于上述缺陷，我们可以展望系统未来的发展方向：该方案采用双重CPU架构，为智能电网提供了丰富的资源。在主控制器的基础上，通过对现场数据采集系统进行升级改造，将其嵌入到主站中。未来可扩展的功能将包括对电网频率的分析、跟踪和检测，以及无功补偿，此外，用户还可以根据自身需求添加GPS和物联网模块。通过对智能断路器的研究，提出基于物联网技术的电力监控系统设计方案，完成了系统总体架构与软硬件结构的设计。该设备实现了实时监测和远程控制，从而提升了断路器的智能化水平，使其具备了更高的可靠性和稳定性。通过对现有的电力电子技术进行研究与应用，开发出具有良好人机交互界面的新型智能变电站。智能断路器的实现，得益于系统硬件和软件的精心设计与开发。通过对传统的智能断路器进行升级改造后，可以完成各种复杂情况下的运行操作及故障处理等工作，提高了变电站设备的自动化程度。为未来电网通信规约奠定基础，整合多种技术手段在通信传输领域实现了无缝集成。参考文献Ul韩雨,戴玮.智能低压断路器的研发及应用J电气时代,2020(05):21-24.