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1、河北工业大学硕士学位论文 i 基于基于 ARMARM 的断路器的断路器智能智能控制器的研究控制器的研究 摘摘 要要 智能控制器是智能断路器的核心， 不仅具有普通脱扣器的各种保护功能， 而且还具有实时参数显示、故障记忆和查询、自诊断等多项功能。在回顾和总结了智能断路器的发展历程后， 讨论了当前智能断路器的发展趋势， 提出了基于 ARM 的断路器智能控制器的研究。 本论文介绍了断路器智能控制器的设计原理， 同时重点阐述了断路器智能控制器的各项参数测量及保护原理和算法， 并进行了具体的硬件和软件模块的设计， 旨在实现断路器的智能保护。 本文涉及的断路器智能控制器，在硬件上以 PHILIPS 公司的
2、ARM 芯片 LPC2294 为核心处理器， 主要进行数据的实时采集处理和断路器的故障保护。 硬件设计采用了标准化模块设计方法，硬件电路尽可能选择标准化、模块化结构的典型电路，以便扩展。其中，液晶选用的是 SMG240128A，键盘芯片选用的是 ZLG7290。软件的编制采用模块化编程方法，每一个模块相对独立，完成特定功能，便于维护添加新功能。编程工具为 ARM 公司提供的ADS1.2。 为了保证智能控制器各种保护功能的可靠实现，论文中对智能控制器的干扰源进行了分析， 从硬件和软件两个方面采取了多项设计措施， 提高了智能控制器的稳定性和可靠性。 实践证明，论文中构建的断路器智能控制器结构简单，
3、易于实现，可以满足系统需要，因此具有较高的实用价值。 关键字：关键字：ARM,断路器，智能控制器 基于 ARM 的断路器智能控制器的研究 ii Rresearch of Breaker Intelligent Controller Base On ARM Abstract Intelligent controller is the kenrel of inetlligent air cicuit breaker. Ihnerited all functions from tradltional release,I thas developed some functions such as di
4、pslyaing measurements instantaneously, data logger and inquisition of failure,sel-diagnosis,communication in newtork，etc.After the history of breaker is reviewed，this paper discussed the trend of inetlligent berkaer,proposed the research of intelligent controller based on ARM. The main function and
5、composing principle of breaker intelligent controller were introduced. Moreover，this paper introduces all sorts of measuring and protecting arithmetic about intelligent breaker controller. The hardware and software of the intelligent breaker controller are designed to realize the intelligent protect
6、ion. The main function of the intelligent breaker controller in the paper,whose central controller is PHILIPSs LPC2294,is to deal with the sampling data and fault protection of breakers. For the hardware,the standard components and module circuit units are used，some reserve functions are kept to ext
7、end the unit designing in the future. The LCD was SMG240128A. The keyboard was ZLG7290.Software is writed in module,this can make being maintained and added some function easy than ever. The programming tool provided by ARM corporation was ADS1.2. In order to guarantee that all kinds of protective f
8、unctions will achieve reliably, this passage analyzed the disturbance sources of intelligent controller and took several designing measures to point against hardware and software, which enhanced stability and reliability of intelligent controller. Practice prove that this controller design is simple
9、 and easy to realize. It could meet the system need. Hence，it has high value used in industrial application. Key words：ARM , breaker , intelligent controller 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 研究课题的提出研究课题的提出 随着国民经济的飞速发展，电力在工业生产和人们的生活中发挥着十分重要的作用。如何有效地保障电力系统的稳定运行，提高供电质量，保护用电设备及人身安全，己成为人们普遍关心的话题。断路器俗称自动
10、开关1-4是低压配电系统中的重要电器元件， 其作用是保护电气配电网络和工业设备免受短路、过载、欠电压和接地故障电流的破坏。因此，断路器广泛应用于配电系统、电力输送系统以及用电设备中，如各类电站、变电站、车载系统（包括空调机车、电力抢修车） 、船用系统等等。 目前，在低压配电系统中，断路器的保护功能最为完善，是低压配电网中的主要开关电器之一。它不仅可以在正常工作情况下接通或断开负载电流，而且允许在不正常情况下（过载、短路、欠电压等）自动切断电路，从而保护用电设备和电缆等；故障排除后，可迅速恢复供电。断路器可以就地操作，还可以远距离操作，且安全、方便5。传统低压断路器的检测单元和保护功能大多是通过
11、电磁元件和双金属元件来完成，其抗干扰能力差，动作时间长，保护精度较低，参数整定比较困难；而且没有自检测和自诊断功能。随着微处理器技术和传感技术的发展，近年来人们推出了智能型断路器，所谓智能断路器是在现有断路器的基础上增加一个智能控制单元。它具有较好的兼容性，不一定要改变现有的变电站和继电保护系统结构，也不影响现有系统的各种功能，只是增加了一些新的功能。例如：智能化保护功能，精确选择性保护，能提高供电可靠性，避免不必要的停电，可实现配电自动化进行负载管理，自诊，故障判断。由于以上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛的应用6。 智能控制器是智能断路器的中枢控制部件。它承担断路器的各种保护、报警
12、、显示、试验与故障诊断功能，当前已成为断路器是否先进的主要标志之一。早期的产品称智能脱扣器，以过电流保护和脱扣功能为主，但通过逐步改进和发展至今，其功能远不止此，除过电流保护外还有电流显示、电压显示、有功功率和无功功率显示、报警、接地保护、温度保护、故障记录和计算机接口等功能7。 当前，智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。智能型断路器的“大脑” ，即断路器内的智能控制器，采用微处理器为核心，具有显示、三段保护、试验、负载监控、故障诊断等功能。为了满足市场需求及提高产品竞争力，要求我们设计出性能优良、价格合理、保护功能完善的智能化断路器。为了提高断路器工作的可靠性，完善保护功能，降低功耗，节
13、约能源，断路器的保护由电子式向数字智能化的方向发展。随着计算机、微处理器、光纤传导技术、传感器技术和数字处理技术的迅速发展基于 ARM 的断路器智能控制器的研究 2 和应用，出现了带微处理器的智能控制电器，使得断路器的智能化得以实现。智能型断路器不仅能够提供传统断路器的各种保护和控制功能，还具有保护的多样性和可选择性：能够实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数、触头磨损率、不平衡率等)，也可以设定和修改各种保护功能的动作参数。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非易失性存储器中以便查询8。若干个智能断路器通过互动网络可组成智能配电系统，实现遥测、遥信和遥调等功能。 1.21.2
14、智能控制器简介智能控制器简介 传统的断路器，其检测和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，多由电磁元件完成。因而其体积较大，动作时间长，保护精度低，整定困难，效果也不够理想。传统的电磁式控制、保护技术，由于特性一致性差，体积大，已经无法适应现代配电自动化发展需要，必须将计算机技术引入，将计量、保护、控制、通讯、故障记忆等功能集成一体，实现监测、保护功能一体化，比以往机电式和模拟集成电路式二次电路所具备的功能更全；实现控制、保护智能化，可以根据电网和被控对象的运行状态进行智能控制、网络化9。比如将每一智能控制器单元通讯接口与上位机相连，就可构成综合自动化系统。采用新的工作原理及
15、具有良好特性的新型电流和电压互感器，对保护、控制单元来讲，电流互感器、电压互感器是提供电流与电压信息的，传统的电磁式电流、电压互感器由于体积大及铁芯的饱和特性己经不能满足智能化高压电器要求，因此使用罗柯夫斯基(Rogowksi)线圈测量电流，电阻电压分压器测量电压。 智能控制器具有两个显著的特点：一是可靠性高。控制器在正常运行时，不断进行自检，一旦保护装置本身出现故障，可以立即检出。而一般传统继电保护是没有这种功能的。二是灵活及性能优良。微机保护技术的原理是测量、计算和逻辑判断，即将检测出的电气量与动作量整定值比较，超过整定值发出动作信号。所以只要研究出适当的算法，CPU 就能迅速计算出相应的
16、电气量，完成功能不同的保护，如馈线保护、变压器保护或电容器保护10。 1.2.11.2.1 基本结构及保护功能基本结构及保护功能 断路器一般由触头系统、灭弧系统、各种脱扣器和开关机构等主要部分组成。智能断路器中的智能控制器，是断路器中技术含量最高的部分，对断路器性能的影响也最大。断路器的结构原理如图 1.1所示。 河北工业大学硕士学位论文 3 1 一主接点； 2 一弹簧； 3 一接点拉钩； 4 一动作拉钩； 5 一电磁脱扣器； 6 一失压脱扣器； 7 一双金属片； 8 一热元件； 9 一杠杆； 10 一衔铁； 11 一弹簧 图 1.1 断路器的基本结构11 Fig.1.1 basic structure of breaker 断路器的触头系统包括主触头和辅助触头。 主触头串联在三相回路中， 辅助触头接在控制电路中。主触头中通过的电流很大，它应能通断负载电流和分断短路电流。电路发生短路时，短路电流比额定电流大得多，此时断路器要能分断电路，必须有很强的灭弧能力。触头断开
