胡曉曦,黃紹平

(1.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,長沙 410076;2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

具有電能質(zhì)量監(jiān)測功能的智能開關(guān)設(shè)計(jì)

胡曉曦1,黃紹平2

(1.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,長沙 410076;2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

設(shè)計(jì)了一種具有電能質(zhì)量監(jiān)測功能的智能開關(guān)設(shè)備.該智能開關(guān)設(shè)備不僅具有微機(jī)保護(hù)功能,還具有波形畸變率、三相不平衡、電壓波動(dòng)、電壓跌落等電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測功能,是一種將電能質(zhì)量監(jiān)測和開關(guān)設(shè)備結(jié)合起來而組成的智能開關(guān)設(shè)備.介紹了設(shè)計(jì)方案和具體實(shí)現(xiàn)方法,著重闡述了硬件系統(tǒng)的原理和具體電路,解決了當(dāng)線路發(fā)生短路故障而失壓時(shí)的工作電源能量獲取問題,并對軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了介紹.

電能質(zhì)量;智能開關(guān);微機(jī)保護(hù);波形畸變率;電壓跌落

0 引 言

開關(guān)設(shè)備在電網(wǎng)中起到電路控制和保護(hù)的重要作用.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,智能化開關(guān)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速發(fā)展與應(yīng)用.

現(xiàn)今的智能開關(guān)設(shè)備一般具有保護(hù)、測量、狀態(tài)監(jiān)測和簡單的通信功能[1].本文提出一種將電能質(zhì)量監(jiān)測功能融入智能開關(guān)設(shè)備的方案.這種智能開關(guān)設(shè)備可用于配電網(wǎng)的主要供電點(diǎn),它不僅具有常規(guī)智能開關(guān)設(shè)備的電路控制與保護(hù)功能,而且可在線監(jiān)測和記錄主要的電能質(zhì)量參數(shù),為提高電能質(zhì)量和供電可靠性提供依據(jù).

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能開關(guān)的硬件設(shè)計(jì)是在充分應(yīng)用DSP芯片內(nèi)部資源的基礎(chǔ)上,結(jié)合信號采集與調(diào)理、參數(shù)輸入輸出、液晶顯示和數(shù)據(jù)通信等功能而實(shí)現(xiàn)的.其總體的系統(tǒng)框圖如圖1所示.

1.1 處理器單元

硬件設(shè)計(jì)采取了 TMS320LF2407最小系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)思想.在組建硬件系統(tǒng)時(shí),通過外圍控制板的插接便可實(shí)現(xiàn)各種基于TMS320LF2407的監(jiān)控裝置.而且LF2407具有低成本、低功耗和高性能的特點(diǎn),依據(jù)一定的算法和邏輯判斷對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理,并根據(jù)處理結(jié)果完成輸出控制功能.可大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性.

圖1 智能開關(guān)電器硬件原理系統(tǒng)框圖

1.2 工作電源單元

為了加強(qiáng)智能部件工作的可靠性、方便性,本設(shè)計(jì)采用直接從母線取電的供電的方式.且考慮了主回路正常與不正常的工作模式[4].

當(dāng)主回路供電正常時(shí),通過特制變壓器直接從母線上取電,經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓得到系統(tǒng)所需要電壓.當(dāng)被保護(hù)線路中發(fā)生相間短路時(shí),主回路失壓,第一組電源不能正常工作,此時(shí)由第二組電源供電.第二組電源采用一種帶雙繞組線圈的電流互感器,此互感器有一個(gè)空芯線圈用于測量。另有一個(gè)鐵芯線圈作系統(tǒng)電源用.工作電源電路原理圖如圖2所示.

圖2 工作電源單元

1.3 信號調(diào)理

LF2407的模擬信號輸入標(biāo)準(zhǔn)為0～3.3 V,因此,必須采用信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理,然后經(jīng)過去耦,整流濾波提供給微處理器.信號調(diào)理電路示意圖如圖3所示,若要提高負(fù)載能力,運(yùn)放的輸出級可以再接一級電壓跟隨器(如圖3所示).

圖3 信號調(diào)理電路

1.4 跳閘執(zhí)行電路

跳閘執(zhí)行單元電路圖如圖4所示.當(dāng)DSP采集到電壓和電流信號并經(jīng)過運(yùn)算分析比較后,如果參數(shù)值正常,則DSP輸出端GPIO-TK為低電平信號.三極管的基極為低電平,不導(dǎo)通.如果參數(shù)值超過一定數(shù)值,經(jīng)過分析處理后,使DSP的GPIO-TK端口輸出高電平,對大電容充電,同時(shí)三極管的基極為高電平,三極管導(dǎo)通,脫扣線圈有電流經(jīng)過,吸合鐵芯,使開關(guān)跳閘,切斷電源,從而有效地保護(hù)設(shè)備.

圖4 跳閘執(zhí)行單元電路圖

1.5 人機(jī)交互

采用LCD12864液晶顯示器來顯示電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)信息.該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面,而且低電壓低功耗.鍵盤操作面板提供按鍵操作,通過按鍵可實(shí)現(xiàn)整定、試驗(yàn)、檢測等功能.

2 算法及軟件設(shè)計(jì)

智能開關(guān)設(shè)備是以DSP芯片為平臺設(shè)計(jì)的,由主程序、外部中斷子程序、定時(shí)中斷子程序和通信子程序組成.而信號采集、過電流三段式保護(hù)、脫扣控制,電能質(zhì)量監(jiān)控和通信等功能,這些功能在編寫程序時(shí)多以定時(shí)器中斷的形式實(shí)現(xiàn).外部中斷用來通信和鍵盤的控制.

2.1 信號采集

每周波采樣24點(diǎn),采樣間隔為0.8 ms,在采樣間隔時(shí)間內(nèi),程序完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算和保護(hù)處理.電流、電壓測量采用均方根值法.計(jì)算方法如下:

式中 N——每周波采樣點(diǎn)數(shù)(N=24);Ik——電流第 k次離散采樣值;Uk——電壓第k次離散采樣值.

2.2 波形畸變率計(jì)算

采用FFT算出各次諧波的幅值,計(jì)算出波形畸變率:

諧波含有率(HR):

總諧波畸變率(THD):

式中Uh——h次諧波分量的有效值(或幅值);

U1——基波分量的有效值(或幅值).

2.3 其他電能質(zhì)量參數(shù)算法

(1)電壓跌落、欠電壓、過電壓

當(dāng)前實(shí)際電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓值之差,再與標(biāo)準(zhǔn)電壓值相比較的百分比是否大于整定值作為判斷依據(jù).其中電壓值低于正常值70%為電壓跌落,低于80%為欠電壓,高于正常的1.1倍為過電壓.

(2)電壓波動(dòng)

電壓方均根最大值與最小值之差相對額定電壓的百分比,若電壓波動(dòng)變化率低于每秒0.2%時(shí),應(yīng)視為電壓偏差.

(3)三相不平衡

三相不平衡可以用比較三相電壓的的差值是否大于設(shè)定值,按下式計(jì)算.

式中Ua、Ub、Uc為三相的相電壓.

(4)功率與功率因數(shù)

采用三采樣值積算法可以求得電流電壓信號幅值,以及相位.取三個(gè)等間隔時(shí)刻的電壓電流有效值U1,I1,U2,I2,U3、I3,先經(jīng)過兩兩相乘,在采用適當(dāng)組合消元得出功率因數(shù)正切值.

由此,可計(jì)算出有功功率、無功功率.

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種具有電能質(zhì)量監(jiān)控功能的智能開關(guān)設(shè)備.所闡述的設(shè)計(jì)方案其電路簡單,易于實(shí)現(xiàn).針對電源部分,解決了當(dāng)線路發(fā)生短路故障而失壓時(shí),工作電源能量的獲取問題.這種開關(guān)不僅能夠完成傳統(tǒng)意義下保護(hù)功能,而且具有電能質(zhì)量監(jiān)測功能.能實(shí)時(shí)的監(jiān)測各種電能質(zhì)量參數(shù)并顯示,為提高電能質(zhì)量和供電可靠性奠定基礎(chǔ).

[1]黃紹平,李永堅(jiān).低壓斷路器智能脫扣器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床電器,2004,(3):8-10.

[2]劉賢興,張卡飛,蔡 彬.基于FPGA的智能脫扣器設(shè)計(jì)[J].智能電器及計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2008,3(20):20-22.

[3]李國朝,韓九強(qiáng),吳彩玲.一種新型智能脫扣器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2007,15(3):375-377.

[4]李志丹,張 杭.智能電子脫扣器工作能量的獲取[C].第七屆全國"智能化電器及應(yīng)用“學(xué)術(shù)年會(huì)暨”2004年配電網(wǎng)自動(dòng)化和變電站自動(dòng)化“論壇論文集”,南京,2004.

[5]黃紹平,秦祖澤.智能化電器的RS-485通信設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2003,(3):24-27.

Design of Intelligent Switch Device with Function of Monitoring Power Quality

HU Xiao-xi1,HUANG Shao-ping2
(1.College of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410076,China;2.College of Electrical and Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

A new type of intelligent switch device with the function of monitoring the power quality is designed.The device not only has the function of conventional circuit protection,but also can monitor a series of parameters such as the waveform distortion,voltage fluctuation,voltage drop and so on.This new intelligent switch device is composed of the electrical energy quality monitoring facilities and the switch component.In this paper,it introduces the design scheme of intelligent switch device and its detailed implementation method.It elaborates the principle of the hardware system and the concrete electric circuit.The paper also solves the core components'problem of getting the power supply when short-circuit fault happenes and leads to under-voltage.A brief introduction is given to the main points of the software design.

power quality;smart switch;circuit protection;waveform distortion;voltage drop

TM77

A

1671-119X(2011)02-0006-03

2010-10-30

湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金項(xiàng)目(09K100)

胡曉曦(1986-),男,碩士研究生,研究方向:電力系統(tǒng)保護(hù)控制與智能電器.