基于-单片机的智能断路器设计

基于单片机的智能化断路器设计Design of Intelligent Circuit Breaker

Based on MCU

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目录

摘要………………………………………………………………………………………I ABSTRACT…………………………………………………………………………………II

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 国外现状和发展趋势 (1)

1.2.1 发展现状 (1)

1.2.2 发展趋势 (2)

1.3 智能断路器的基本原理 (2)

1.4 本文的主要容 (3)

第2章控制器的硬件设计 (4)

2.1 单片机系统 (5)

2.2 电压、电流互感器 (6)

2.3 AD转换模块 (7)

2.3 人机交互模块 (8)

2.4 温度检测与时钟电路 (8)

2.5 通信模块 (9)

2.6 本章小结 (10)

第3章控制器的软件设计 (11)

3.1 主程序 (11)

3.2 保护模块软件设计 (12)

3.2.1 三段电流保护软件设计 (13)

3.2.2 接地故障保护软件设计 (15)

3.2.3 过电压、欠电压保护设计 (16)

3.3 通信模块软件设计 (16)

3.4 本章小结 (17)

第4章控制器的仿真及分析 (18)

4.1 基于Proteus的保护仿真模块 (18)

4.2 过载长延时保护性能测试 (21)

4.3 短路延时保护性能测试 (21)

4.3 单相接地保护性能测试 (22)

4.3 过压保护性能测试 (22)

4.4 本章小结 (23)

结论 (24)

参考文献····································································································错误!未定义书签。致·················································································································错误!未定义书签。

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

ABSTRACT

Low voltagecircuit 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；proteus

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60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80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，电力系统自动化保护技术得到了快速的发展，已经在全世界范围逐渐推广。目前，在国外产品中具有代表性的主要有施耐德公司的Masterpact MT系列、ABB公司的F系列、梅兰日兰的M系列、三菱公司的AE系列、西门子公司的3WN系列。

国对于这方面的研究起步较晚，可追溯到上世纪七、八十年代。目前国的产品可分为三代：第一代以DW10、DZ10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DW15、DZ20为代表，引进技术系列主要以ME、TO、TG、3TB、B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DW45、S等系列为主，其性能与国外90年代产品类似。目前，智能化的断路器在国得到了广泛的使用，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CAN总线通信功能，可使

断路器和微控制器进行双向数据通信，从而实现遥控、遥测、遥调和遥讯的功能[6]。1.2.2 发展趋势

根据国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中采用微处理器技术，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CAN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CAN总线与其它设备进行通讯，使系统实现网络化，以适应电气设备逐渐智能化的趋势。

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指。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A/D模块转换为供MCU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，其部为一个或多个微处理器，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]。

当系统出现故障，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，还可以通过通信接口调整保护功能动作的条件和其它系统参数。