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1 引 言 我國電力工業充滿生機與活力，這為高壓開關制造業帶來了難得的發展機遇和嚴峻的考驗。而高壓開關制造業必須不斷地進行技術創新，推出一代又一代新品，才能滿足電力市場日益增長的需求。目前來看高壓開關有著良好的發展勢頭。然而高壓隔離開關作為電力系統重要開關設備，其運行狀況直接影響電能的傳輸、分配及系統的安全可靠運行。近年來，隨著用電負荷的增加，新變電所的建設，各種新型結構、材料的電氣設備亦層出不窮，高壓隔離開關也從功能、結構、用途由單一趨于多樣化以適應不同地域、不同接線方式的需要，各種型號的隔離開關雖然用途相同，但結構、適用范圍各不相同，各類隔離開關的檢修維護工作也大相徑庭。伴隨著高壓開關的廣泛使用，高壓開關的事故也是不斷。給國民生產帶來了很大的損失。所以需要對高壓開關進行智能控制，實現對高壓開關的智能控制和電網的狀態監測。 智能開關綜合保護裝置是專門為礦用隔爆型高壓配電裝置而設計的新型保護裝置，適用于3.3 kV，6 kV，10 kV等中性點不接地的供、變電系統，可替代原有的各種模擬保護器和數碼顯示保護器。其核心部分采用超大規模集成電路和虛擬儀器技術，電氣穩定性好；同時采取特殊的抗干擾措施，動作準確可靠。產品具有良好的過載反時限保護、過流保護、斷相保護及漏電閉鎖保護等多項保護功能，而且各項保護功能均有測試模擬試驗及相對應的數據顯示；此外，它還具有實時通訊功能，能與工控機聯網實現遠程數據采集，并能接受遠程網絡的控制和操作。具體功能如下： (1)短路保護。對高壓電網出現短路故障時實施速斷保護，短路保護整定電流值分檔可調，短路速斷動作時間小于0.1 s；同時還具有特定的過流直接保護功能，對電網的瞬間嚴重短路情況采用沖擊電流直接驅動保護繼電器執行切斷負荷，大大縮短保護響應時間。 (2)過載保護。對高壓電網出現斷續、持續過載情況，實施定時限保護和反時限保護。其中反時限過載保護在負荷電流達到1.1倍過載電流時啟動，采用反時限特性動作，過載倍數分4檔可整定。它們都是利用熱積累實現斷續過載情況下的過載保護，當負荷電流小于1.0倍整定電流時，熱積累能量開始散熱。過載動作時間與理論計算值誤差小于±5％。 (3)監視保護。對配電裝置負載側使用雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線實行絕緣監視保護，超限時報警，絕緣監視保護功能可通過參數設置選擇打開和關閉。 (4)過壓保護。當電網進線電壓Uac＞110％～130％額定電壓時，過壓保護動作，精度為±15％。 (5)欠壓保護。當電網進線電壓Uac＜75％～55％額定電壓時，欠壓保護延時0.1～300 s動作，精度為±5％。 (6)漏電保護。對下屬電網中出現的單相接地故障，既可采用零序電流方向型漏電保護方式進行檢漏保護，也可采用功率方向法進行選擇性檢漏保護，發生漏電時均發出警報。 (7)相不平衡保護。可對負載的三相進行相不平衡保護。動作延時分檔可選，相不平衡功能可根據需要選擇打開或關閉。 (8)煤礦瓦斯超限保護。可一外接瓦斯檢測儀器，當煤礦瓦斯濃度超限時，瓦斯檢測儀器動作輸出后，配電裝置執行閉鎖禁合閘或拒分閘。 (9)聲光報警輸出。當高壓電網出現故障時，能發送信號給聲光報警系統進行報警。 (10)遠程通信功能。具有遠程通信功能，可實現群控，可在地面進行遠程控制、測試調整。 (11)多種智能記憶功能。具備自檢功能、閉鎖功能、顯示故障性質功能等，同時能在跳閘斷電后對故障性質進行記憶保存。 3 基于微控制器與SJA1000T智能開關綜合保護單元 基于微控制器和SJA1000T CAN總線智能開關綜合保護系統的硬件組成原理如圖1所示。它包括：微控制器89C51、模擬信號的調理電路、A／D轉換電路、串行E2PROM存儲電路、RAM及光電隔離電路等。 電流等波形的采樣實際上是輸入連續模擬量到離散采樣數字量的轉換過程，這里通過采樣中斷來實現。 從外面引入微機保護的開關量，如開關、閘刀位置輔助接點，收發信機的收發信狀態觸點等都是由開關量輸入回路中的光電隔離技術處理后，將信息送至中央處理系統。從微機保護送出的開關量，如跳閘命令，告警信息等，則是經開關量輸出回路中的光電隔離技術處理后，將中央處理系統的判斷結果送出。光電隔離技術可以有效抵御干擾侵入。 微控制器89C51，即中央處理系統，對數據采集系統輸入的各種原始數據進行計算分析、處理、判斷，完成各種繼電保護功能。微控制器89C51是微機保護系統的核心。采用40 MIPS的嵌入式數字信號處理器構成簡潔高效的數據采集和處理系統。 交流插件上設有模擬量輸入變換器，用于將二次交流電壓或電流信號隔離變換為小電壓信號，經調整后輸入到A／D，裝置模擬量輸入的原理如圖2所示。 其中電壓互感器(TV)為120 V／5.66 V；電流互感器(TA)，測量TA為6 A／3.53 V，保護TA為120 A／3.53 V，TA采用穿心式。選用的隔離變壓器精度高，隔離效果好，具有很高的抗擾度性。零序互感器型號是GLL-5，1 A／0.097 V，保定市三環電器廠生產。 4 CAN總線和CAN232MB CAN(Controller Area Network)，意為控制區域網絡。其是國際上流行的現場總線中的一種。其是一種特別適合于組建互連的設備網絡系統或子系統。由德國Bosch公司最先提出，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線的任何錯誤。當信號傳輸距離達10 km時CAN仍可提供高達50 kb／s的數據傳輸速率。 CAN(Controller Area Network)即控制器局域網絡，屬于工業現場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準，并已被公認為見種最有前途的現場總線之一。其典型的應用協議有：SAE J1939／ISO11783，CANOpen，CANaerospace，DeviceNet，NMEA 2000等。 按照ISO11898規范，為了增強CAN-bus通訊的可靠性，CAN-bus總線網絡的兩個端點通常要加入終端匹配電阻(120 Ω)，如圖3所示。終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定，例如，雙絞線的特性阻抗為120 Ω，則總線上的2個端點也應集成120 Ω終端電阻。 CAN232MB轉換器內部電路沒有集成120 Ω的終端電阻(終端電阻隨機附送)。 CAN232MB轉換器作為終端設備時，用戶可以在CAN232MB轉換器的CAN接口，引腳7即“Res+”、引腳8即“Res+”之間，連接120 Ω的終端電阻。 CAN232MB智能協議轉換器采用Philips公司的CAN控制器SJA1000(16 MHz的晶體振蕩器)、CAN收發器PCA82C251來實現CAN通訊接口功能，如圖4所示。CAN232MB轉換器和CAN總線連接的時候是CANL連接CANL，CANH連接CANH。 CAN232MB轉換器內置看門狗，保障長期工作的可靠性；同時，轉換器內置非易失性存儲器，用于保存用戶上次配置運行的參數。CAN232MB轉換器在正常工作時，實時對CAN總線和RS 232／RS 485總線進行監聽，一旦檢測到某一側總線上有數據接收到，立即對其進行解析，并裝入各自的緩沖區，然后按設定的工作方式處理并轉換發送到另一側的總線，實現數據格式的轉換。在CAN232MB轉換器中，CAN-bus通訊電路采用隔離電壓為DC 2500 V的電氣隔離。RS 232通訊接口用3線(TXD，RXD，GND)連接，RS 485通訊接口用2線(A+，B-)差分連接。 5 LabVIEW程序設計 數據處理軟件的開發平臺是LabVIEW，LabVIEW的圖形化編成界面給該數據處理軟件的制作帶來了極大的方便。數據獲取與處理系統軟件的功能是：實時顯示經過CAN232MB轉換后通過串口傳回來的數據，同步顯示數據采集的波形圖、通過對數據的處理、給出龜網狀態指示信號。 6 系統測試 智能開關綜合保護裝置的系統軟測試包播軟件測試和現場工作測試。軟件測試主要使用單片機模擬CAN232MB發送給串口的數據，然后用LabVIEW設計的軟件來讀取數據。測試軟件的性能情況良好。單片機的串口數據發送程序如下： 智能開關綜合保護裝置的系統現場測試的原理是基于高壓電網正常工作的時候零序電壓和零序電流都為零，所以通過檢測高壓電網的零序電壓和零序電流來判斷電網的供電情況；在系統連接成功后就對數據進行測試，運行情況正常。 從數據庫讀出所獲得零序電壓數據如下： 從上面的數據可以看出零序電壓在0～10 V內波動。在這個范圍內的波動是允許的。最后檢測出的狀態是電網供電性能好。 從以上數據可以看出零序電流都在1 A以內。這對高壓電網來說是可以接受的相不平衡。可以認為是正常的供電。 7 結 語 智能開關綜合保護裝置通過CAN轉換過來的數據實現了高壓電網的狀態檢測和開關的智能控制。組成網絡后中心控制站的系統運行界面需要對保護的配電設備進行選擇、控制等。對某個高壓配電裝置的保護方式中心控制站可以通過中斷和過濾的方式進行。 中斷方式 每個綜合保護裝置在沒有接收到控制指令的時候只對自己保護的開關進行保護。采集的數據并不發送到CAN總線上。如果中心站需要獲取某個保護裝置的數據時則發送出相應的控制字。該控制字發送到CAN總線上后綜合保護裝置對接收到的控制字進行處理。如果是要求本裝置發送數據則發送中心站需要的數據。如果不是對本保護裝置進行控制的指令則拋棄該指令。 過濾方式 每個綜合保護裝置都采集自己保護開關的數據，不停的監測和保護。將采集回來的數據不停的轉發到CAN總線上。數據再經過CAN232MB傳送到中心控制站。中心站對接受到的數據進行過濾。如果接收到的數據是需要檢測開關的參數則接收它；如果不是則拋棄。 今后發展方向是構成網絡式的高壓配電裝置保護網。它不僅可以很好地應用在中性不接地高、低壓配電系統，也可以推廣運用在其他工業控制領域。 |
