1　引言

　　本文介紹一種適于中壓（3～35kV）的斷路器和開(kāi)關(guān)柜的智能單元設(shè)計(jì)方案。智能單元以Intel87C196KC單片機(jī)為控制器，能對(duì)電網(wǎng)三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和電能等電力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；具有帶時(shí)限過(guò)電流、電流速斷和單相接地保護(hù)功能，并有故障錄波功能，記錄電網(wǎng)故障前后10個(gè)周期的電流波形；具有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷功能，能對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，判斷開(kāi)關(guān)設(shè)備的剩余使用壽命和計(jì)算出維修期限。此外，智能單元具有RS－485通信接口，可以與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)連接和通信。2　硬件系統(tǒng)方案2．1　智能單元的總體結(jié)構(gòu)

　　智能單元以Intel87C196KC單片機(jī)為核心，由單片機(jī)基本系統(tǒng)、模擬量采集電路、開(kāi)關(guān)量輸入／輸出電路、RS－485串行通信接口、鍵盤(pán)與LCD顯示電路、電源等部分組成（圖1）。各單元電路采用模塊式插件結(jié)構(gòu)，所有插件封裝在一個(gè)金屬外殼內(nèi)，通過(guò)防震緩沖裝置安裝在開(kāi)關(guān)設(shè)備上（開(kāi)關(guān)柜原有的儀表繼電器室或斷路器外殼的小間隔內(nèi)）。2．2　單片機(jī)基本系統(tǒng)

　　單片機(jī)基本系統(tǒng)由CPU及擴(kuò)展的存儲(chǔ)器組成。CPU選用高性能的Intel87C196KC芯片［1］。87C196KC是16位單片機(jī)，其運(yùn)算速度快（主頻可運(yùn)行到20MHz）；片內(nèi)有512B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和16kB程序存儲(chǔ)器，后者可用于固化應(yīng)用程序；具有4個(gè)高速輸入通道（HSI）和4個(gè)高速輸出通道（HSO），可用于開(kāi)關(guān)量的輸入與輸出，而且HSO能產(chǎn)生和輸出寬度與周期均可調(diào)的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)；片內(nèi)有8個(gè)模擬量輸入通道（P0：ACH0～ACH7）以及多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器和1個(gè)10位A／D轉(zhuǎn)換器。

　　系統(tǒng)在CPU外擴(kuò)1片6264A（8kB）RAM，用于記錄故障發(fā)生前后電流波形數(shù)據(jù)。盡管87C196KC片內(nèi)有16kB的程序存儲(chǔ)器，但由于應(yīng)用程序較大，容量不敷使用，所以外擴(kuò)1片2764A（8kB）EPROM程序存儲(chǔ)器。另外擴(kuò)展1片串行E2PROM存儲(chǔ)器X25043芯片，其內(nèi)部集成了Watchdog定時(shí)器、上電復(fù)位控制器和512B容量的E2PROM。E2PROM用于存儲(chǔ)保護(hù)整定值等運(yùn)行參數(shù)，可以重新寫(xiě)入。2．3　模擬量采集電路

　　測(cè)量和保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)要采集電網(wǎng)的電壓和電流信號(hào)。模擬量采用交流采樣方式，信號(hào)來(lái)自電網(wǎng)的電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）。在中壓電網(wǎng)，測(cè)量和保護(hù)一般只需采集兩個(gè)線(xiàn)電壓和兩相電流，每相電流又分為測(cè)量信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)小電流接地電網(wǎng)的單相接地保護(hù)，需從零序電流互感器取得零序電流或從Y0／Y0／開(kāi)口接線(xiàn)的電壓互感器的開(kāi)口兩端取得零序電壓信號(hào)。

　　來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)CT和PT的電流和電壓信號(hào)不能適應(yīng)單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍要求，需進(jìn)行變換。同時(shí)，智能單元還要與強(qiáng)電系統(tǒng)隔離。本設(shè)計(jì)方案采用市售的微型互感器完成模擬信號(hào)的隔離變換和電壓形成工作，其原理電路如圖2所示。

　　這種微型互感器小巧輕便，能直接焊接在印刷電路板上，全樹(shù)脂密封，隔離度高。輸入端接標(biāo)準(zhǔn)CT或PT二次側(cè)。二次側(cè)加一級(jí)運(yùn)算放大器（OP07型）將電流量變換成電壓量，通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的反饋電阻R1，在輸出端得到所要求的電壓輸出。模擬量輸入電路的采樣保持、多路開(kāi)關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用一塊Maxim公司的MAX197芯片，它是單電源、多量程、8路輸入帶內(nèi)部采樣／保持和多路開(kāi)關(guān)、時(shí)鐘、基準(zhǔn)電壓的12位信號(hào)采集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6．0μs。2．4　開(kāi)關(guān)量輸入／輸出電路

　　輸入的開(kāi)關(guān)量包括兩類(lèi)：一類(lèi)是斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)備的輔助觸點(diǎn)和有關(guān)繼電器的接點(diǎn)，以檢測(cè)這些設(shè)備的工作狀態(tài)（開(kāi)還是合）；另一類(lèi)是智能單元裝置的一些接點(diǎn)，例如開(kāi)關(guān)量輸出回路的繼電器接點(diǎn)和裝置面板上的切換開(kāi)關(guān)。輸出的開(kāi)關(guān)量包括斷路器跳閘脈沖和信號(hào)。

　　開(kāi)關(guān)量的輸入／輸出通過(guò)87C196KC單片機(jī)的高速輸入通道（HSI）和高速輸出通道（HSO），但必須利用光電耦合器使弱電與強(qiáng)電隔離。跳閘脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的寬度，這可以方便地由87C196KC單片機(jī)的PWM信號(hào)形成。跳閘信號(hào)由CPU輸出鎖存器控制驅(qū)動(dòng)電路，使相應(yīng)的中間繼電器動(dòng)作。2．5　通信接口電路

　　開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能單元與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主機(jī)之間的通信采用RS－485串行通信方式。RS－485為半雙工通信，最大通信距離為1200m，此時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率為100 kb／s；如果通信距離為120m，則數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mb／s。為了簡(jiǎn)化通信機(jī)制，采用只有2條信號(hào)線(xiàn)的最簡(jiǎn)型連接。圖1中，單片機(jī)TXD（串行輸出）端口輸出的TTL邏輯電平信號(hào)通過(guò)光電隔離（6N137），由MAX485芯片轉(zhuǎn)換為RS－485電平信號(hào)，發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)。反之亦然。具體電路及原理可參考文獻(xiàn)［2］。3　軟件算法

　　智能單元采用交流采樣方式，每周波的采樣點(diǎn)數(shù)可選12、16、20或24，即采樣間隔在0．8～1．8ms之間［3，4］。3．1　測(cè)量算法

　　電壓、電流有效值為式中：N—每周波采樣點(diǎn)數(shù)，可取12、16、20、24；

　　uk、ik—電壓、電流的第k次離散采樣值。

　　中壓電網(wǎng)為小電流接地系統(tǒng)，功率可用兩瓦計(jì)法計(jì)算。三相總有功功率離散化后的計(jì)算式為

　　據(jù)此可計(jì)算出無(wú)功功率和功率因數(shù)

　　須指出，以上方法計(jì)算的電能量，精度可能滿(mǎn)足不了電能計(jì)量的要求，只適于內(nèi)部考核使用。測(cè)量誤差主要包括兩方面：測(cè)量中的截?cái)嗾`差和采樣不同步誤差。由于電壓、電流、功率的測(cè)量值均采用離散化處理，因而有截?cái)嗾`差。采樣不同步誤差是由于電網(wǎng)頻率波動(dòng)，采樣頻率不能?chē)?yán)格保持與電網(wǎng)頻率同步產(chǎn)生的。如果采取硬件測(cè)量電網(wǎng)頻率，以此頻率決定采樣的時(shí)間間隔，可以提高測(cè)量精度。3．2　保護(hù)算法

　　中壓電網(wǎng)的保護(hù)比較簡(jiǎn)單，主要是過(guò)電流保護(hù)和單相接地保護(hù)。過(guò)電流保護(hù)和接地故障的零序電流保護(hù)，可采用計(jì)算量小、計(jì)算速度快的半周積分算法［3］。算法的依據(jù)是一個(gè)正弦量在任意半周期內(nèi)的絕對(duì)值的積分為一個(gè)常數(shù)s，且積分值s和積分的起始點(diǎn)初相角α無(wú)關(guān)。半周波的面積式中：ik—第k次電流采樣值；

　　N—一周波的采樣點(diǎn)數(shù)；

　　Ts—采樣周期。

　　s求出后，可利用下式算出交流電流的有效值式中：w—一交流電角頻率。

　　這種算法的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度為半個(gè)周期，即10ms，運(yùn)算很小，只涉及加減法運(yùn)算，編程很簡(jiǎn)單。3．3　開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

　　開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目較多，如機(jī)械性能、載流導(dǎo)體溫度、凝露、電氣絕緣性能等。這些監(jiān)測(cè)經(jīng)濟(jì)代價(jià)大，實(shí)現(xiàn)也困難，有無(wú)必要值得商榷。不過(guò)，中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)仍可考慮以下幾項(xiàng)：①斷路器操作次數(shù)統(tǒng)計(jì)—監(jiān)測(cè)斷路器是否達(dá)到規(guī)定機(jī)械壽命次數(shù)或達(dá)到需要進(jìn)行維修的次數(shù)；②開(kāi)斷電流加權(quán)值—間接監(jiān)測(cè)斷路器觸頭的電磨損，預(yù)測(cè)其剩余電壽命；③母線(xiàn)連接處溫度。前兩項(xiàng)根據(jù)電流采樣值和軟件處理就可以做到，母線(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)采用數(shù)字溫度傳感器不難實(shí)現(xiàn)。3．4　軟件結(jié)構(gòu)

　　智能單元的軟件由調(diào)試程序和運(yùn)行程序構(gòu)成。執(zhí)行哪一程序由面板上的工作方式選擇開(kāi)關(guān)或LCD顯示屏上的菜單決定。調(diào)試程序的主要任務(wù)是對(duì)智能單元各插件調(diào)試和設(shè)置保護(hù)動(dòng)作值，通過(guò)鍵盤(pán)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行程序包括以下功能模塊：①對(duì)智能單元的各部分初始化；②對(duì)交流電壓和電流定時(shí)采樣和數(shù)據(jù)處理；③保護(hù)邏輯判斷和跳閘處理；④對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行采集，并對(duì)跳閘命令執(zhí)行情況反饋；⑤串行通信中斷服務(wù)程序；⑥鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序；⑦自檢循環(huán)并發(fā)報(bào)警信號(hào)；⑧顯示。4　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的基于87C196KC單片機(jī)的智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能單元可以取代中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備現(xiàn)有的二次系統(tǒng)，具有通信功能和簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能；而且，這種智能單元電路簡(jiǎn)單，成本低。