基于单片机的智能化断路器设计毕业设计论文.doc

基于单片机的智能化断路器设计Design of Intelligent Circuit Breaker Based on MCU学生姓名：所在学院：所在专业：指导教师：职 称：所在单位：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：基于单片机的智能断路器的控制与研究目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 国内外现状和发展趋势11.2.1 发展现状11.2.2 发展趋势21.3 智能断路器的基本原理21.4 本文的主要内容3第2章 控制器的硬件设计42.1 单片机系统42.2 电压、电流互感器62.3 AD转换模块62.3 人机交互模块72.4 温度检测与时钟电路82.5 通信模块92.6 本章小结9第3章 控制器的软件设计103.1 主程序103.2 保护模块软件设计113.2.1 三段电流保护软件设计113.2.2 接地故障保护软件设计133.2.3 过电压、欠电压保护设计143.3 通信模块软件设计143.4 本章小结15第4章 控制器的仿真及分析164.1 基于Proteus的保护仿真模块164.2 过载长延时保护性能测试194.3 短路延时保护性能测试194.3 单相接地保护性能测试204.3 过压保护性能测试204.4 本章小结21结 论22参考文献23致 谢25摘 要低压断路器是供配电系统中的一种控制与安保装置，对供电系统起着举足轻重的作用。本文在断路器智能功能实现的基本原理上，对主控制单元进行了硬件和软件的研究与设计，从而实现断路器的智能保护功能。在学习和总结国内外文献和资料的基础上，设计了以Atmel公司的AT89C51芯片作为系统的控制核心，对现场的状态信息进行实时读取和判断，以实现故障判断及保护功能。硬件设计主要包括：CPU系统、数据采集模块、AD转换模块、人机交互模块、通信模块、温度检测与时钟电路；软件设计包括：三段电流保护、接地保护、过电压和欠电压保护、通信模块等软件的设计。最后，为了验控制器的智能保护效果，在proteus仿真环境下搭建了仿真模型，并对仿真结果进行了分析，数据表明控制器达到了设计要求。关键词：断路器；智能控制；单片机；proteus I1学士学位论文ABSTRACTLow voltage circuit breakers is a distribution network control and protection devices for safe and reliable operation of the entire power grid plays a vital role. In this paper, the basic principle of intelligent circuit breaker, intelligent control unit hardware and software design, intelligent circuit breaker protection.On the basis of studying abroad and summary information on the design with Atmel's microcontroller AT89C51 bit control core, on-site data collection and real-time judge, in order to achieve fault protection. Hardware design includes: CPU system, data acquisition module, AD converter module, human-computer interaction module, communication module, temperature detection and clock circuit; software design includes: three sections designed current protection, ground fault protection design, overvoltage and undervoltage voltage protection design, communication module software design. Finally, in order to verify that the protective effect of the controller in proteus simulation software to build a simulation model, and the simulation results are analyzed, the data indicate that the function controllers meet the design requirements.Key words: Breaker；Intelligent control；MCU；proteusII第1章 绪 论第1章 绪 论第1章 1.1 课题背景随着现代科技的飞速发展、经济的迅猛增长，各种高精度电子设备得到了广泛的应用，对电网的供电质量提出了严重的挑战，这就要求电力行业不断更新完善供电技术，使整个电网安全、经济、可靠、高效的运行1。断路器是保护电网和负载发生故障的低压开关设备，对整个供电系统起到至关重要的保护作用。传统断路器的保护功能是通过电磁部件实现的，其保护精度差，抗干扰能力低，可靠性不高，若器件故障，容易引起误动作2。随着自动化和智能化水平的逐渐提升，早期的断路器已不能满足现代技术发展的要求。在电力电子技术、微处理器技术以及传感器的发展推动下，提出了可智能化的断路器使，使其在性能上得到了质的飞跃和发展。智能断路器采用高性能的微处理器为主控制芯片，可对电压、电流、频率、温度等各种现场信息进行实时采样、显示和处理，其内部具有电流保护、接地保护、过电压及欠电压等保护功能3。此外，用户可以根据实际情况来设置整定值，通常具有故障诊断、故障信息查询、报警及实验等功能。本文主要是基于单片机的智能断路器的控制与研究。第2章 1.2 国内外现状和发展趋势1.2.1 发展现状 国外对电力自动化保护的研究起步相对较早，在年代中期，由英美等发达国家率先提出使用计算机来实现电力自动化保护的概念，但受到当时微处理技术的制约，该概念在实验初期就搁置了4。在年代初期，随着集成电路技术的不断成熟，使功能较完备的断路器得以实现。到上世纪末期，电力系统自动化保术得到了快速的发展，已经在全世围内逐渐推广。目前，在国外产具有代表性的主要有施耐德公司的系列、公司的系列、梅兰日兰的系列、三菱公司的系列、西门子公司的系列。国内对于这方面的研究起步较晚，可追上世纪七、八十年代。目前国内的产分为三代：第一代以、等系列产品为代表，由于当时的技术功能不完善，所以没有在市场上得到推广。第二代主要包括自开发产品和引进产品两种系列，自开发系列以、为代表，引进技术系列主要以、系列为代表，其性能较第一代产品得到了相对的提升5。第三代产品则以、等系列为主，其性能与国外年代产品类似。目前，智能化的断路器在国内得到泛的使用，并提出了可通信的智能功能，其主要是在智能化的基础上加入了总线通信功能，可使断路器和微控制器进行双据通信，从而实现遥控、遥测、遥遥讯的功能6。1.2.2 发展趋势根据国内外的产品和技术发展方向，目前断路器的发展趋势主要表现为以下几个方面：1、 智能化及功能多样化智能化就是在断路器用微处理器技术，从而实现自身的保护功能，还可对现场的各种信息进行采样和处理，并对其进行显示7。此外，一部分断路器还具有诊断、实验和监控等功能；有的断路器还可对供电质量进行分析；高级的断路器还实现了无线通信的功能。2、可通信化将微处理技术和总线技术应用到断路器中，使智能断路器的工作状况和现场参数通过总线与其它设备进行通讯，使系统实现网络化，以适应电气设备逐能化的趋势。3、模块化和通用性 将智能断路器的控制系统、触头系统、操作机构等主要功能部件分开设计，根据实际的需求选择相应的模块进行组装8。模块化设计降低了产品的开发成本，易于实现产品的生产，有利于断路器的维护和功能拓展。同时，其各个模块部件具有通用性，用户可根据需要选择不同厂家的功能模块，实现满足功能的最优组合。第3章 1.3 智能断路器的基本原理智能断路器的控制原理图如图1.1所示，图中虚线部分为断路器的控制中。控制器主要由智能识别、数据采集和调节三个功能模块构成。数据模块将采集到的电网模拟信号通过模块转换为供识别的数字信号，然后传输给智能模块进行分析，智能识别模块是整个控制系统的核心，其内部为一个或个微处理器，根据系统的设定参数和当前采集的数据来识别和判断当前电网的工作状态9。当系统出现故，微处理器对其进行判断，若满足需要切断供电的条件时，则发出断电信号，驱动相应的执行部件完成断电工作。调节模块由人机界面和通讯端口构成，通过交互界面可以根据实际要求来设置保护动作触发的条件10。上位机可通过通讯端口对当前电网的运行情况进行监控，还可以通过通信接调整保护功能动作的条件和其它系统参数。图1.1 智能控制器的原理图智能控制相对于传统的断路保护具有可靠性高、适应性强、保护性好、体积小等优点，近年来得到了越来越泛的应用。第4章 1.4 本文的主要内容本设计的内容是基于单片机控制的智能断路器设计，主要包括硬件和软件两方面的设计。通过硬件和软件的结合，实现断路器的智能保护功能。本文的结构如下：第一章为绪论，阐述了课题背景、国内外现状及发展趋势、智能断路器的基本原理；第二章为控制单元的硬件设计；第三章为控制单元的软件设计；第四章为控制器系统保护功能的仿真及分析。23第2章 控制器的硬件设计第2章 控制器的硬件设计 本文设计的控制器应实现的功能如下所示：1、 测量功能对现场的三相电压和电流、中线电流与接地电流、现场温度等参数进行实时检测。2、 保护功能该功能包括：三段电流保护，其主要由过载延时保护、短路延时保护及短路瞬时保护三部分组成；接地故障保护；温度保护；过电压及欠电压保护11。3、 显示功能显示现场的接地电流、三相电压及电流等参数，以及显示场温度及时间和日期的功能。4、 自诊断功能控制器可对断路器的工作状态进行自诊断，当系统出现如故障、采样错误、参数丢失、或出错等问题时，显示模块均可对其进行显示，并提示报警信息12。5、 通信功能支持协议，上位机可通过接口与控制单元实现通讯功能。综上所述，智能控制部分主要括以下几个模块：单片机控制模块、数据采集模、人机交互模块、通信模块及电源模块，如图2.1所示。图2.1 控制器的结构框图第5章 2.1 单片机系统单片机是断路器控制单元的中央处理器，所以单片机的性能对整个控制系统产生直接的影响。本文选用公司的系列单片机作为制单元的。单片机是一款低功耗、高性能的位微控制器，与产指令和引脚完全兼容。片内存储器可在线重新编程，从而使功能更完善，应用更加活，在控制系统中有着广泛的应用前，其引封装图如图2.2所示13。图2.2 引脚封装图单片机的主要性能如下：1、与单片机产品完全兼容；2、字节在系统可编程存储器，可在线程，擦写次不少于次；3、具有字节的片内；4、全静态工作模式：；5、具有三级程序锁定；6、根可编程口线（、和口）；7、个位定时器/计数器，和，一个看门狗定时；8、个中断源、个中断矢量、级优先权的中结构；9、个全双工串行通道；10、种低功耗节电工方式：空闲模式和电模式；11、双数据指针和；12、具有掉电标识符；13、工作电源电压：V14。第6章 2.2 电压、电流互感器控制器需要采集电压和电流信号，所以采用电压、电流互感器对信号进行测量，并将一次侧数值较大的信号转换为二次侧数值较小的信号，输送给微处理器，来实现测量、保护等功能。本文采用电压互感器采集电压信号，其内部为初、次级比为的电流互感器。输入侧串接限流电阻，将采集到的电压信号换为以为单位的电流信号，二次侧获一个相同的电流信号，经运放和处理后，将该电流信号换为电压信号，其原理图如图2.3所示，输入电压在限流电阻的作用下，使一次侧生电流，初、次级的比为，所以=，经采样电阻后得到输出电压。图2.3 电流型电压感器原理图采用电流传互感器采集电流信号。该互感器量范围宽、响应速率快、精度高、体积小、结构简单等优点，同时还具有较高的电气隔离和抗干扰功能，可安全可靠的稳定工作15。第7章 2.3 AD转换模块转换模块可将现场集到的模拟量换为可供单片机别的数字量，本文用美国公司的转换芯片，该芯片用串行信接口，具有多路输入道、较高的价比、易于实现和单片机信的特点，广泛应用于现场据采集统中。单片机与芯片的原理图如图2.4所示，其中为个模拟输入端，和为基准正负信号，为片选信号，通过CS信号的下降沿可复位计器及使能、和。为串行数据输入端，其为一个位的串行地址，可选择下一个要被转换的模拟数字信号18。为转换完成态串出端，可与MCU或外围的串行口进行通信。为数据输入/输出提供同步时钟信号，系统时钟由片内产生。在转换结束时，输出端变高表明换完成21。图2.4 芯片与单片机的接线原理图第8章 2.3 人机交互模块在实际运行过程中，需要对系统当前的运行参数及状态进行显示，所以断路器应具有良好的人机交互功能及盘接口电路。采用个数码管表示现场的工作状况，分别是故障、过载、温度和电源等信息。当断路器因短路、过电压、欠电压等错误发生动作时，故障灯将变亮；当过载电流比过载长延时保护设置值大时，过载灯将变亮；当现场工作度在正常范围时，温度为熄灭状态，温度超出正常范围，温度LED将变亮；当电源正常工作时，电源灯亮，切断电源时，灯将熄灭16。键盘模块采用4个按键，分别为左、右、取消和确认功能。单片机与液晶显示器、LED指示灯、键盘的原理图如图2.5所示。图2.5 人机交互模块与单片机的接线原理图 第9章 2.4 温度检测与时钟电路采用高性的温度传感器检测现场的工作温度，以防止断路器因温度过高而发生错误或损坏，该传感器为数字式且仅需要一条数据线传输，易于与连接，可以去除模块，降低硬件成本，简化系统电路，具有精度高、结构简单、体积小、功耗小、使用方便等优点21。基于的温度检测电路如图2.6所示。图2.6 温度检测电路是一款高性能、低功耗的流充电时钟芯片，内部具有时时钟、日历和字节的存储时间数据，通过简单的I²三线串行接口与进行同通信，支持单字节和突发式数据传输模式。可根据月份和闰年的情况自动整月份的结束时间，还可由用户定时钟是以小时制式还是小时制式工作。芯片有着VV的供电范围，在V时其接口与电平兼并功且耗很低22。时钟电路如图2.7所示，在引脚和引脚之间接Hz的晶振以及pF的电容构成稳定的自激荡器，为内部时钟电路提脉冲，引脚、连接到单片机的口，此处的个引脚串接上拉电阻。图2.7 与单片机的连接电路第10章 2.5 通信模块本文的通信模块采用协议及通信接口，接口电路采用美国公司的芯片，其引脚图如图2.7所示，该芯片具有如下特点：1、片内集成个瞬时过压保护管；2、具有承受高达W功率的时电压脉冲；3、具有稳定的输速率；4、具有自动热关断和保护功能；5、总线可挂接个节点17。图2.8 芯片第11章 2.6 本章小结本章介绍了断路器控制单元的硬件设计，主要完成了单片机系统、电压电流互感器、转换模块、人机交换模块、温度检测与时钟电路、通信模块的设计。通过单片机系统对各个功能模块的控制，可实现所需要的功能。第3章 控制器的软件设计第3章 控制器的软件设计第12章 3.1 主程序图3.1 主程序流程图语言是目前单片机开发中较用的高级语言，其程序的可读性、易护性和移植性都很好，对硬件有较强的控制能力，所以本文选择语言进行软件设计19。编程采用 C这个集成开发环境， C是德国S公司出品的系列兼容单片机语言软件发系统，其可提供丰富的库数和功能强大的开发调试工具u，现已成为应用最为广泛的单片机开发软件。主程序模块是整个系统的控制核心，流程框图如图3.1所示。第13章 3.2 保护模块软件设计保护模块是整个控制器系统最重要的功能，通过采集电路中的各项参数，经单片机处理和运算后，对现场的情况进行判断和保护。3.2.1 三段电流保护软件设计图3.2 三段电流保护流程图过流保护功能主要由过长延时保护、短路短延时保护和短路时保护三部分构成，为对应的整电流阈值，以为时反时限保护和定时限制保护的分界点。当时，正常运行；当时，进行过长延时保护；当时，进行短路短延时反时限制保护；当时，进行短路时保护。其流程图如图3.2所示。过载长延时反时限制保护的流程图如图3.3所示，其中为能量累加值，为脱扣能量值。图3.3 过载长延时保护流程图短路短延时保分为反时限和时限两种情况，当时，为反时限情况，扣时间与电流成反比；当时，为定时限情况。程序流程图如图3.4所示。瞬时保护没有累积能力，可以根据采样到的电流与进行比较，若连续两个周期的电流均不小于，则发出脱扣信号。图3.4 短路短延时保护流程图3.2.2 接地故障保护软件设计图3.5 接地故障保护流程图 该保护采取定时限制保护特性，当接地电流、并超过规定的时间时，则发出脱扣信号，其保护流程图如图3.5所示。3.2.3 过电压、欠电压保护设计图3.6 过电压保护流程图 图3.7 欠电压保护流程图过电压和欠电压保护模块采取定时限制护特性，当其中任意一相的电压值大于过电压保护的设置值或低压保护的设置值，且超过规定时间，则发出脱扣信号。第14章 3.3 通信模块软件设计通信模块的运行如图3.8所示，其为上层任务提供串口数据接收和数据发送两组函数，分别为接收和发送缓冲资源服务，每套资源包括接收环、环形缓示、尾指示及调用接口的命令20。图3.8 通信模块流程图第15章 3.4 本章小结本章主要对控制器系统的软件部分进行了设计，包括系统的主程序、三段电流保程序、接地故保护程序、通程序及过电压、欠电压保护程序，通过各个模块之间的配合，达到智能控制的效果。第4章 逆变器系统软硬件设计及实验第4章 控制器的仿真及分析第16章 4.1 基于Proteus的保护仿真模块为了测试控制器的保护功能，采用软件对其进行仿真测试，基于的保护功能仿真模块如图4.1所示，在仿真模块中，采用一个继电器来实现脱扣动作。仿真实验开始后，继电器闭合，与之连接的灯亮，当单片机发出跳指令时，继电器断开，灯灭。图4.1 保护功能仿真模块采用计数定时器来完成对仿真开始到继电器作时间的记录。同时，为方便起见，将V的交流电压信号作为转换模块的输入信号，并在程序中，也相应的将设定值改为V，通过将计定时器计算得到的动作时间与设定值进行比较，计算出相应的误差。模拟电压输入信号如图4.2所示，正弦输入电压的值设置为V，频率为Hz，通过改滑动变阻器的阻来改变输入电信号的大小。图4.2 模拟输入电压电路图4.3 电压上移波形图根据叠加原理，输入电压有：图4.2中，、分别取、。调节滑动变阻至直流电压表示数为V时，则有。示波器中输入电压和输出电压的波形如图4.3所示。在图4.2的基础上，采用信号变路将输入电流信号转为电压信号，如图4.4所示。图4.4电流/电压信号变换电路图4.5电流/电压信号变换电路输出电压波形输入正弦电流的幅值设为A，频率为Hz，电阻为欧姆，则根据式（4-1）可得到输出电压，其波形如图4.5所示。第17章 4.2 过载长延时保护性能测试过载长延时作电流设定为A，动作时间分别为s、s、s、s，根据不同的输流可得到不同的动间，如表4-1所示。表4-1 过载长延时保护数据 取这组数据进行计算，并给出了相应的对误差和误差，如表4-2所示。表4-2 过载长延时误差分析绝对误差相对误差通过表4-1和表4-2的数据可知，动作电流间成反比关系，动作电大，动间则越短，且保护精度误差在范围内。第18章 4.3 短路延时保护性能测试短路延时保定值设为，输入电流为，测试时间分别为、，如表4-3所示。表4-3 短路延时保护误差分析由表4-3可知，当实际电流超过设时，控制器可发出关号，但精对较差，控制在范围内。第19章 4.3 单相接地保护性能测试单相接地保定值设为，输入电流为，测试时间分别为、，如表4-4所示。表4-4 单相接地保护误差分析由表4-4可知，当实际电过设定值时，控制器可起到相应护功能，但精度相差，控制在范围内。第20章 4.3 过压保护性能测试过压保定值设为，输入相电压为，测试时间分别为、，如表4-5所示。表4-5 过压保护误差分析由表4-5可知，当实际电流超过设时，控制器起到相应的保护功能，但精对较差，控制在范围内。第21章 4.4 本章小结本章在环境下对系统的保护功能进行了仿真和分析，结果表明保护功能起到了良好的效果，但保度较差，有待进一步完善。结 论本文设计了一种基于单片机的低能断路器控制单元，并在软件下搭建了仿型，对控制器的保护功能进行了验证。由此，得到如下结论：（1）控制器集成了测量、保护、控制和显示等功能，实现了监控与保护功能。（2）采用单片机为控制核心，充分利用了单片机的数据处理能力，对控制系统起到了决定性的作用。（3）硬件和软件设计采取模块化设计，针对每个不同的功能分别设计，提高了硬件电路和软件程序的灵活性。（4）在仿真软件下搭建了实验电路，仿真数据表明，该控制系统可较好的实现智能控制效果。由于条件和能力的限制，控制系统还存在诸多不足，还需要进一步的完善：（1） 控制系统的保护功能在仿真实验时精确度不高、部分误差比较大；系统的可靠性不够，需要对控制程序进一