智能断路器的设计方案
电气工程中的智能断路器设计
电气工程中的智能断路器设计随着科技的不断发展，智能化已经成为了现代社会的一种趋势。
在电气工程领域，智能化的应用也在不断推进。
其中，智能断路器的设计和研发成为了一个备受关注的课题。
智能断路器的出现，不仅可以提高电路的安全性和稳定性，还能够实现远程监控和控制，为电气系统的运行管理提供了新的解决方案。
一、背景介绍电气系统在现代社会中扮演着重要的角色，负责供电和能源传输任务。
然而，由于各种原因，例如过载、短路等问题，电路可能会出现故障。
传统的断路器在这种情况下会启动，切断电流，保护电气设备的安全运行。
然而，如果仅仅是切断电流，这种保护措施并不够智能化。
二、智能断路器的定义和特点智能断路器是在传统断路器的基础上进行升级，结合了计算机技术、传感器技术和通信技术等。
它不仅能够实现对电流和电压等电气参数的实时监测，还可以对故障信息进行收集和分析，实现远程监控和控制。
智能断路器具有以下特点：1.实时监测：智能断路器内置了各种传感器，能够实时监测电流、电压、功率等电气参数，以及温度、湿度等环境参数，从而提供准确的数据。
2.故障诊断：智能断路器通过对监测数据进行分析，可以判断出电路是否出现过载、短路等故障，并给出相应的警报和报警信息。
3.远程控制：智能断路器可以通过与上位机或云端系统的连接，实现远程控制。
工程师可以通过远程操作来切断或恢复电流，调整电路参数，从而有效地管理电气系统。
4.数据分析和预测：智能断路器能够将监测到的数据上传至云端，通过对大数据的分析和挖掘，可以提供更加精确的故障诊断和预测，为电气系统的运行管理提供决策支持。
三、智能断路器的设计原则在设计智能断路器时，需要考虑以下原则：1.安全性：智能断路器必须具备较高的安全性，能够迅速识别故障并切断电流，保护电气设备和人身安全。
2.可靠性：智能断路器需要具备较高的可靠性，能够在各种环境条件下正常工作，同时保持稳定的性能。
3.稳定性：智能断路器需要具备良好的稳定性，能够长时间持续工作，不受外部干扰。
低压智能断路器的研究与设计
本科毕业论文（设计、创作）题目：低压智能断路器的研究与设计学生：学号：0801002115所在系院：专业：入学时间：2010 年9 月导师：职称/学位：副教授/博士导师所在单位：完成时间：2014 年 6 月三联学院教务处制低压智能断路器的研究与设计摘要：论文阐述使断路器智能控制的技术，设计控制单元使之达到智能化。
其意义使之达到智能保护的效果，主要是设计控制单元的硬软件。
在本文中，分析断路器的原理和相关算法，确定单片机及其功能单元周围的原则，全面的硬件设计后，对系统的软件设计，实现断路器智能。
对短路、过载和接地等故障的相关参数进行实时检测。
叙述它紧要功能模块相关原则、设计方案，智能控制重点是C8051单片机，因为它是核心处理器，其任务是对数据进行收集、对故障线路进行保护，从而达到断路器自动控制的效果。
软硬件设计是以模块化和开放性为原则的。
硬件的串行芯片采用标准化和模块化，还留下空间，为今后的扩大提供条件；而软件选用层次化、多任务原则，提升软件系统灵活性、可移植性。
关键词：断路器；智能控制器；过流保护；Research and design of low-voltage circuitbreaker intelligentAbstract:Paper describes the technology of circuit breaker intelligent control, intelligent control unit to design. The effect of its significance to intelligent protection, main is hard for the design of the control unit software.In this article, analyzed the principle of circuit breaker and relevant algorithm, determine the single chip microcomputer and its functional units around the principle, the hardware design of a comprehensive, the software of the system design and realization of intelligent circuit breaker. For short circuit, overload, and earthing fault operation related parameters, such as the real-time detection. Describe its important function modules related principle and design scheme of intelligent control with a focus on the C8051 singlechip, because it is the core processor, its task is to collect data, the fault line protection, so as to achieve the result of automatic control circuit breaker. The hardware and software design based on modular and open principles. Using standardized and modular hardware serial chip, but also leave a space, provide the conditions for future expansion. And hierarchical, multitasking software chooses principle, improve software system flexibility and portability.Key words : circuit breaker; intelligent controller; overcurrent protection；目录1 绪论 (1)1.1课题研究的意义与目的 (1)1.1.1课题研究的意义 (1)1.1.2课题研究的目的 (2)1.2智能断路器在国外发展的现状 (3)2 智能低压断路器的原理及理论分析 (4)2.1低压智能断路器控制单元的算法分析 (4)2.1.1电压、电流的计量 (4)2.1.2电网频率、功率因数及功率的计量 (6)2.2保护的原理及实现 (7)2.2.1过电流保护特性曲线的运用 (7)2.2.2保护的实现 (8)3 智能低压断路器的硬件设计 (9)3.1硬件设计准则 (9)3.2智能控制器的硬件电路设计 (10)3.3嵌入式片上系统 (11)3.3.1 C8051系统单片机 (11)3.3.2数据采集模块 (13)4 智能低压断路器的软件设计 (14)4.1软件设计概述 (14)4.2主要程序设计 (15)4.3定时采样 (18)4.4键盘程序设计 (18)4.5故障处理 (21)4.6自检程序设计 (22)结论 (24)致 (25)参考文献 (26)1 绪论1.1 课题研究的意义与目的1.1.1 课题研究的意义随着电力工业的发展，各种功能的电力线保护装置也应运而生，并得到迅速发展。
智能断路器方案
智能断路器方案1. 引言智能断路器是一种结合了电气保护和智能化技术的电器设备。
它能够根据电流的变化和电路状况自动切断电源，以防止电路过载、短路和电火灾等现象发生。
本文将介绍一种智能断路器的方案，包括其工作原理、优势和应用场景。
2. 工作原理智能断路器采用了先进的电流传感器和微处理器技术，能够实时监测电路中的电流变化。
它的工作原理主要包括以下几个步骤：•电流监测：智能断路器通过内置的电流传感器持续地监测电路中的电流变化。
传感器能够准确地检测电路中的电流大小，并将数据传输给微处理器进行处理。
•电流判断：微处理器根据接收到的电流数据进行判断，如果电流超过了设定的阈值，则认为电路存在问题。
这个阈值可以根据实际需求进行调整。
•断路操作：一旦微处理器判断出电路存在问题，它会立即通过控制电路切断电源。
这样可以有效地防止电路过载、短路等故障，保护电器设备和人身安全。
•报警通知：智能断路器还可以配备报警装置，当电路断开时，它会发出声音或光信号，提醒用户检查电路并及时排除故障。
3. 优势智能断路器相比传统断路器具有许多优势，以下是一些主要的优势：•安全可靠：智能断路器能够根据电流的变化及时切断电源，有效地防止电路过载和短路等故障。
它还可以监测电路中的其他异常情况，比如电器设备故障和地线失效等，提供全面的电气保护。
•智能化管理：智能断路器配备了微处理器和电路控制系统，可以实现自动化监测和管理。
用户可以通过手机APP或电脑软件实时监控电路状况，并进行远程控制和管理。
•节能环保：智能断路器可以根据实际用电情况进行动态调整，避免电路过载造成的能源浪费。
它还可以监测电器设备的能耗，提供用电数据和报表分析，帮助用户合理用电。
•易于安装和维护：智能断路器与传统断路器的外观和尺寸相似，可以直接替换传统断路器使用。
它还提供了自检功能，能够自动检测设备的运行状态和故障情况，减少了维护和保养的工作量。
4. 应用场景智能断路器适用于各种电力配电系统和电器设备的保护，广泛应用于以下场景：•住宅和商业建筑：智能断路器可以用于住宅和商业建筑的电路保护，保障居民和员工的用电安全。
智能断路器的设计方案
智能断路器的设计方案智能断路器是一种集成电子技术和电器保护技术的产品，能够实现对电路的精确监测和迅速切断电源。
它是建立在智能控制技术的基础上，通过各种传感器对电路的负载、温度、电流等参数进行实时监测，并能根据实际情况进行智能判断和处理，以达到对电线、电器等负载设备进行安全保护的效果。
一、主要设计要求：1.推断和判断功能：能够准确、快速地判断故障发生的位置和类型，比如过流、过压、过载等故障，从而能够切断电源，保护负载设备。
2.高精度检测功能：能够对电路各种参数进行高精度的监测，如电流、电压、功率、温度等。
3.可靠性：具备高可靠性的设计和制造，确保在各种环境下都能正常运行，同时能够自检和自动修复故障。
4.远程监测和控制功能：通过通信技术实现与外部设备的远程通讯，从而能够随时随地对断路器的状态进行监测和控制。
5.集成处理功能：通过集成各种处理器和电子模块，对各种信号进行处理和转换，能够实现高效的电路保护功能。
二、设计方案：1.选择合适的传感器：基于电流、电压、功率和温度等参数来监测电路状态，选择高精度、快速响应的传感器，可以提高断路器的检测能力和响应速度。
2.引入智能控制技术：采用先进的微处理器芯片和智能控制算法，能够对各种参数进行分析和处理，实现智能判断和控制。
3.设计自保护功能：通过自检和自动修复故障的功能，提高断路器的可靠性，能够自动切断电源，更好地保护负载设备。
4.引入通信技术：通过网络通信或者物联网技术，实现与外部设备的远程通讯，能够进行实时监测和控制，提高断路器的可管理性和便捷性。
5.设计电路保护算法：通过分析和处理传感器获取的数据，对电路状态进行判断，并根据判断结果进行断口控制，保护负载设备。
6.良好的散热设计：断路器会产生一定的热量，需要设计良好的散热系统，确保断路器在长时间运行的情况下不会过热。
7.考虑用户友好性：设计直观明了的人机界面，方便用户对断路器进行设置和操作，同时设计合理的尺寸和外观，便于安装和维护。
智能变电站典型设计方案
智能变电站典型设计方案一、智能变电站的架构智能变电站的架构通常分为三层：过程层、间隔层和站控层。
过程层主要由智能传感器、智能执行器等设备组成，负责实现电力一次设备的智能化监测和控制，如电流互感器、电压互感器、断路器等。
这些智能设备能够实时采集电气量和状态信息，并将其转化为数字信号，通过网络传输给间隔层和站控层。
间隔层包含继电保护装置、测控装置等二次设备，主要负责对本间隔内的一次设备进行保护、控制和监测。
间隔层设备接收来自过程层的信息，并根据预设的逻辑和算法进行处理，实现对一次设备的保护和控制功能。
站控层则包括监控主机、远动通信装置等，是变电站的控制中心，负责对整个变电站进行运行监视、操作控制和信息管理。
站控层通过通信网络与间隔层和过程层进行数据交互，实现对变电站的全面管理和控制。
二、设备选型1、智能变压器智能变压器是智能变电站的核心设备之一，它采用了先进的传感器技术和智能控制技术，能够实时监测变压器的油温、油位、绕组温度、铁芯接地电流等运行参数，并具备自动调压、冷却控制等功能。
此外，智能变压器还具备故障诊断和预测功能，能够提前发现潜在的故障隐患，提高变压器的运行可靠性。
2、智能断路器智能断路器采用了新型的操动机构和传感器技术，能够实现断路器的智能操作和状态监测。
它可以实时监测断路器的分合闸状态、行程、速度、操作次数等参数，并具备在线监测断路器的绝缘性能、机械性能等功能。
智能断路器还具备远程控制和智能保护功能，能够根据电网的运行状态快速准确地动作，保障电网的安全稳定运行。
3、智能开关柜智能开关柜集成了多种智能化功能，如开关柜状态监测、智能控制、故障诊断等。
它可以实时监测开关柜内的温度、湿度、电压、电流等参数，并对开关柜的操作进行智能控制和管理。
智能开关柜还具备故障预警和诊断功能，能够及时发现开关柜内的潜在故障，提高开关柜的运行可靠性。
三、通信系统智能变电站的通信系统是实现智能化功能的关键，它采用了基于以太网的通信技术，如 IEC 61850 标准。
智能断路器的设计方案
智能断路器的设计方案智能断路器是一种可以自主感知电路状况并进行智能控制的电力保护装置。
在电力系统中，断路器的作用是在电路故障时自动切断电路，避免电路继续运行而带来的损失。
与传统断路器相比，智能断路器具有更高的安全性和可靠性，同时也能够实现远程控制和自主检测功能。
智能断路器的设计方案需要考虑以下几个方面：1. 控制系统设计智能断路器的控制系统由微处理器、传感器、执行器和通讯模块等多个组件组成。
其中微处理器是控制系统的核心，主要负责控制断路器的闭合与断开。
传感器可以检测电流、电压的变化，并将这些信息反馈给微处理器；执行器则用于控制断路器的闭合与断开；通讯模块则可以与上位机进行数据交互，实现远程控制和数据传输功能。
2. 硬件组成设计在智能断路器的硬件设计中，需要选择合适的材料和元器件，保证其在恶劣的工作环境下仍然能够稳定运行。
例如，在高电流和高温的环境下，需要使用高品质的电流传感器和温度传感器，以保证设备正常运作。
同时，断路器的开关部分需要采用高质量的材料，以便保证设备的性能和寿命。
3. 算法实现设计在智能断路器的算法实现中，需要考虑到断路器的保护效果和响应速度。
常用的断路器保护算法有过电流保护算法和短路保护算法。
其中，过电流保护算法是在电路出现电流过载问题时进行启动；短路保护算法则是在电路出现短路问题时启动。
这些算法需要在微处理器中进行实现，并根据不同的保护需求进行优化。
4. 人机界面设计智能断路器的人机界面是用来方便人与设备进行交互的界面，主要包括系统状态监控、参数设置和故障诊断等功能。
在设计人机界面时，需要确定用户需求，并根据用户的反馈进行相应的修改和优化。
例如，在人机界面中应该显示设备的工作状态、历史数据记录和报警信息等内容，以便用户能够及时对设备进行维护和修理。
5. 安全性设计智能断路器的安全性设计主要包括两个方面：电气安全和硬件安全。
在电气安全方面，需要保证设备的电路部分符合国际标准，并在运行过程中能够自动切断电源，以保护设备和人员安全。
断路器智能控制器设计及实现
１ １ ５ Ｍ Ｃ 功 能 ．． Ｒ 在 断路 器 开 始 合 闸 后 的 ｌ Ｏ Ｏ ｍｓ内 ， 当 任 一 相 电 流
１ １ 功 能 设 计 ．
１ １ １ 过 载 长 延 时 保 护 ．．
“ 载 超 时 ”开 始 至 拉 闸 的 时 间 误 差 不 得 超 过 ± 超
控 制 器不 发 出脱扣 保 护命 令 ； 当 电 网 电流 大 于 １ １ ． ５倍 整 定 电流 时 ，智 能 控 制 器 发 出脱 扣 保 护 命 令 。短 路 瞬
时 保 护 脱 扣 时 间 精 度 小 于 ５ ｍｓ ０ 。
电 机 的脱 扣 保 护 动 作 特 性 有 所 差 异 。此 外 ，过 载 长 延 时保 护 具有 热 记忆 功 能 。 １ １ ２ 短 路 短 延 时 保 护 ．．
１６ ０ 时 ，立 即 发 出保 护脱 扣 命 令 。 ＭＣ 功 能 是 一 ０ Ａ） Ｒ
种 后 备 保护 功 能 ，可 由用 户 增 选 或不 选 。 １ １ ６ 负 载监 控 保 护 ．．
１ １ ３ 短 路 瞬 时 保 护 ．．
短路 瞬时 保 护 输 入 电 流 范 围 为 １倍 整 定 电 流 至 最
大 ７ｋ ５ Ａ。 当 电 网 电 流 小 于 ０ ８ ． ５倍 整 定 电 流 时 ， 智 能
电流 、中线 电流 、接 地 电 流 经 各 自的 ＴＡ 变 换 成 电 流 信号 ，再 经 模 拟 电路 调 整 成 具 有 一 定 带 宽 、一 定 动 态 范 围的信 号 送 Ａ／ 采 样 。 每 隔 一 定 时 间 监 测 三 相 电 Ｄ 流 、中线 电流 、接 地 电 流 有 无 超 载 。若 超 载 ， 即 对 其 作 倒 计 时 ；倒计 时间 到 ，即发 出脱 扣 拉 闸信 号 。 断路 器 关 键 性 能 要 求 是 快 速 、 可 靠 。快 速 当 负荷 “ 载 超 时 ”时 必 须 立 即实 现 脱 扣 拉 闸 ， 从 发 现 超
基于DSP的智能低压断路器控制器设计
１３ 信号调 理 电路 ． 根据 需要本控 制器 采集 ３路相 电流信 号和 ３路
线 电压信 号 。电流信 号采用 电流互 感器经 取样 电阻
后转 化为 电压信号 ，然后 由单 片机 的 Ａ Ｄ转换器将 ／
其转 换成数 字信 号 ，与预设 的保护特 性逻 辑进行 比 较 ，用 以控制 断路 器 动作 。Ａ相 电流取样 电路如 图 ２所示 。 由于在 本设 计 中 电流 互感 器 除了完 成采样
出色 的控 制 能力 。它 的主 要特 点是 ：采用 改进 型 哈
佛架构及 ｃ编 译器优 化指 令集 ，实现 灵活 的寻址模 式 。系统 主频 可达 ３ Ｍ ｚ 内部采用 Ｐ Ｌ技术将外 ０Ｈ， Ｌ 部较低 的时钟 输入倍 频 到较高 的频率 ，这样 做 的好
处 是 降低 了对 外 干 扰 ，提 高 了系统 的 电磁 兼 容 性 。 另外 ，它 的片 上集成 了 １ ２ Ｂ的 Ｆ Ａ Ｈ闪存 ，６ Ｂ ３ Ｋ ＬＳ Ｋ
基于Ｄ Ｐ Ｓ 的智能低压断路器控锄器设ｉ ｆ －
电工电． （０ ０ ．） １ ２ １ ４ 【 Ｎｏ
进 行保护 。因此 ，智 能控制 器应 能准确 快速地 检测 电压 、电流 、频 率等 ，可 以实 时的在现 场显示 出来 并且 可 以按 用户 的 不 同要 求 设 定 时 间一 电流 曲线 ，
９ 一
作 电压 范 围 （． ２ ５～ ５ ５ ） ． Ｖ ，使 得 它 可 以很 方 便 的 与不 同电压等 级 的外 围芯 片接 口。
此 外 ，Ｄ Ｐ Ｃ ０ ６ １Ａ芯 片 还 集 成 了丰 富 的 Ｓ Ｉ ３Ｆ０ １
一
电工电气
（０ ０ ｏ４ ２ １ ． Ｎ ）
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智能断路器的设计方案一．系统的整体框架
断路器位置刀
闸
位
置
弹
簧
状
态
合
闸
控
制
信
号
开关位置信息分合闸命令断路器遥控
储能电机操作电流刀
闸
电
机
操
作
电
流
分
闸
线
圈
操
作
电
流
合
闸
线
圈
操
作
电
流
开
关
触
头
的
温
升
灭
弧
室
真
空
度
分
闸
速
度
合
闸
速
度
保护电流测
量
电
流
保
护
电
压
测
量
电
压
二．智能断路器各个模块映射的通信协议栈及通信特点
从图中可以看出：MMS映射了全部的A协议集和T协议集，复杂程度最高。
但是该模块主要实现的是断路器参数的在线检测和远程控制，因此对通信的实时性要求并不高，基本上是以人的反映时间为准。
GOOSE模块直接映射到了以太网，其目的是保证分合闸GOOSE报文的快速传递，因此它的特点是：通信映射简单，但是实时性要求高，GOOSE报文的时延必须小于2ms。
SMV也直接映射到了以太网，其特点是：实现简单，但是实时性要求最高，SMV的时延必须控制在微秒级。
三．具体的实现方案
1.方案一
图中所示为南瑞的开关设备智能装置实现方案。
CPU采用Freescale公司高性能32位微处理器，考虑到GOOSE和SMV的强实时性要求，在系统中嵌入Vxworks专业硬实时操作系统。
MMS,GOOSE,SMV全部在嵌入式单系统中实现。
其优点是：结构紧凑，硬件平台比较简单，实现起来相对容易；
缺点是：①采用专业的实时操作系统直接提高了研发经费，个人觉得仅仅为了满足GOOSE和SMV的实时性而采用Vxworks有点浪费；
②由于该系统只采用了61850定义的逻辑节点进行建模，因此系统在线检测的信息种类相对偏少。
应该按照62271-3标准进行建模，个别的检测参数如果在标准中没有对应的数据对象，可以考虑扩展建模。
③由于CPU的IO口有限，该方案中的电流互感器和电压互感器采样信号只能以QSPI（同步队列串行接口）方式通过CPU的IO口送入CPU中。
这种方式下将不可避免的会造成采样值的巨大时延，产生很大的相位偏移。
这种时延在电子式互感器的设计规范中将不可容忍。
2.方案二
方案二是对方案一的改进，采用双系统实现智能断路器的所有功能。
①具有高实时性要求的GOOSE报文和SMV帧采用FPGA，用纯硬件逻辑实现；由于FPGA具有丰富的IO口资源，可以实现电流电压采样信号的并行接入，减少时延。
②使用嵌入系统实现复杂的MMS服务。
由于不需要实现高实时性的任务，因此就没有必要使用昂贵的专业硬实时操作系统，Linux或者WINCE都可以满足MMS的设计要求。
研发费用大幅度降低。
③按照62271标准建模，扩展在线检测的信号种类，提高系统遥控和遥测的能力。
方案二的缺点是：硬件电路比较复杂，研发的难度比方案一大。
我在嵌入系统和FPGA系统中都进行过数字化变电站相关产品的研发，具备一定的研发经验，因此按照方案二实现智能断路器还是有信心的。