1　引言

　　本文介紹一種適于中壓（3～35kV）的斷路器和開關(guān)柜的智能單元設(shè)計(jì)方案。智能單元以Intel87C196KC單片機(jī)為控制器，能對電網(wǎng)三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和電能等電力參數(shù)進(jìn)行測量；具有帶時(shí)限過電流、電流速斷和單相接地保護(hù)功能，并有故障錄波功能，記錄電網(wǎng)故障前后10個(gè)周期的電流波形；具有在線監(jiān)測與診斷功能，能對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，判斷開關(guān)設(shè)備的剩余使用壽命和計(jì)算出維修期限。此外，智能單元具有RS－485通信接口，可以與變電站綜合自動化系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)連接和通信。2　硬件系統(tǒng)方案2．1　智能單元的總體結(jié)構(gòu)

　　智能單元以Intel87C196KC單片機(jī)為核心，由單片機(jī)基本系統(tǒng)、模擬量采集電路、開關(guān)量輸入／輸出電路、RS－485串行通信接口、鍵盤與LCD顯示電路、電源等部分組成（圖1）。各單元電路采用模塊式插件結(jié)構(gòu)，所有插件封裝在一個(gè)金屬外殼內(nèi)，通過防震緩沖裝置安裝在開關(guān)設(shè)備上（開關(guān)柜原有的儀表繼電器室或斷路器外殼的小間隔內(nèi)）。2．2　單片機(jī)基本系統(tǒng)

　　單片機(jī)基本系統(tǒng)由CPU及擴(kuò)展的存儲器組成。CPU選用高性能的Intel87C196KC芯片［1］。87C196KC是16位單片機(jī)，其運(yùn)算速度快（主頻可運(yùn)行到20MHz）；片內(nèi)有512B數(shù)據(jù)存儲器RAM和16kB程序存儲器，后者可用于固化應(yīng)用程序；具有4個(gè)高速輸入通道（HSI）和4個(gè)高速輸出通道（HSO），可用于開關(guān)量的輸入與輸出，而且HSO能產(chǎn)生和輸出寬度與周期均可調(diào)的PWM（脈寬調(diào)制）信號；片內(nèi)有8個(gè)模擬量輸入通道（P0：ACH0～ACH7）以及多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器和1個(gè)10位A／D轉(zhuǎn)換器。

　　系統(tǒng)在CPU外擴(kuò)1片6264A（8kB）RAM，用于記錄故障發(fā)生前后電流波形數(shù)據(jù)。盡管87C196KC片內(nèi)有16kB的程序存儲器，但由于應(yīng)用程序較大，容量不敷使用，所以外擴(kuò)1片2764A（8kB）EPROM程序存儲器。另外擴(kuò)展1片串行E2PROM存儲器X25043芯片，其內(nèi)部集成了Watchdog定時(shí)器、上電復(fù)位控制器和512B容量的E2PROM。E2PROM用于存儲保護(hù)整定值等運(yùn)行參數(shù)，可以重新寫入。2．3　模擬量采集電路

　　測量和保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)要采集電網(wǎng)的電壓和電流信號。模擬量采用交流采樣方式，信號來自電網(wǎng)的電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）。在中壓電網(wǎng)，測量和保護(hù)一般只需采集兩個(gè)線電壓和兩相電流，每相電流又分為測量信號和保護(hù)信號。為實(shí)現(xiàn)小電流接地電網(wǎng)的單相接地保護(hù)，需從零序電流互感器取得零序電流或從Y0／Y0／開口接線的電壓互感器的開口兩端取得零序電壓信號。

　　來自標(biāo)準(zhǔn)CT和PT的電流和電壓信號不能適應(yīng)單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍要求，需進(jìn)行變換。同時(shí)，智能單元還要與強(qiáng)電系統(tǒng)隔離。本設(shè)計(jì)方案采用市售的微型互感器完成模擬信號的隔離變換和電壓形成工作，其原理電路如圖2所示。

　　這種微型互感器小巧輕便，能直接焊接在印刷電路板上，全樹脂密封，隔離度高。輸入端接標(biāo)準(zhǔn)CT或PT二次側(cè)。二次側(cè)加一級運(yùn)算放大器（OP07型）將電流量變換成電壓量，通過調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的反饋電阻R1，在輸出端得到所要求的電壓輸出。模擬量輸入電路的采樣保持、多路開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用一塊Maxim公司的MAX197芯片，它是單電源、多量程、8路輸入帶內(nèi)部采樣／保持和多路開關(guān)、時(shí)鐘、基準(zhǔn)電壓的12位信號采集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6．0μs。2．4　開關(guān)量輸入／輸出電路

　　輸入的開關(guān)量包括兩類：一類是斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的輔助觸點(diǎn)和有關(guān)繼電器的接點(diǎn)，以檢測這些設(shè)備的工作狀態(tài)（開還是合）；另一類是智能單元裝置的一些接點(diǎn)，例如開關(guān)量輸出回路的繼電器接點(diǎn)和裝置面板上的切換開關(guān)。輸出的開關(guān)量包括斷路器跳閘脈沖和信號。

　　開關(guān)量的輸入／輸出通過87C196KC單片機(jī)的高速輸入通道（HSI）和高速輸出通道（HSO），但必須利用光電耦合器使弱電與強(qiáng)電隔離。跳閘脈沖信號應(yīng)有一定的寬度，這可以方便地由87C196KC單片機(jī)的PWM信號形成。跳閘信號由CPU輸出鎖存器控制驅(qū)動電路，使相應(yīng)的中間繼電器動作。2．5　通信接口電路

　　開關(guān)設(shè)備的智能單元與變電站綜合自動化系統(tǒng)的主機(jī)之間的通信采用RS－485串行通信方式。RS－485為半雙工通信，最大通信距離為1200m，此時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率為100 kb／s；如果通信距離為120m，則數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mb／s。為了簡化通信機(jī)制，采用只有2條信號線的最簡型連接。圖1中，單片機(jī)TXD（串行輸出）端口輸出的TTL邏輯電平信號通過光電隔離（6N137），由MAX485芯片轉(zhuǎn)換為RS－485電平信號，發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)。反之亦然。具體電路及原理可參考文獻(xiàn)［2］。3　軟件算法

　　智能單元采用交流采樣方式，每周波的采樣點(diǎn)數(shù)可選12、16、20或24，即采樣間隔在0．8～1．8ms之間［3，4］。3．1　測量算法

　　電壓、電流有效值為式中：N—每周波采樣點(diǎn)數(shù)，可取12、16、20、24；

　　uk、ik—電壓、電流的第k次離散采樣值。

　　中壓電網(wǎng)為小電流接地系統(tǒng)，功率可用兩瓦計(jì)法計(jì)算。三相總有功功率離散化后的計(jì)算式為

　　據(jù)此可計(jì)算出無功功率和功率因數(shù)

　　須指出，以上方法計(jì)算的電能量，精度可能滿足不了電能計(jì)量的要求，只適于內(nèi)部考核使用。測量誤差主要包括兩方面：測量中的截?cái)嗾`差和采樣不同步誤差。由于電壓、電流、功率的測量值均采用離散化處理，因而有截?cái)嗾`差。采樣不同步誤差是由于電網(wǎng)頻率波動，采樣頻率不能嚴(yán)格保持與電網(wǎng)頻率同步產(chǎn)生的。如果采取硬件測量電網(wǎng)頻率，以此頻率決定采樣的時(shí)間間隔，可以提高測量精度。3．2　保護(hù)算法

　　中壓電網(wǎng)的保護(hù)比較簡單，主要是過電流保護(hù)和單相接地保護(hù)。過電流保護(hù)和接地故障的零序電流保護(hù)，可采用計(jì)算量小、計(jì)算速度快的半周積分算法［3］。算法的依據(jù)是一個(gè)正弦量在任意半周期內(nèi)的絕對值的積分為一個(gè)常數(shù)s，且積分值s和積分的起始點(diǎn)初相角α無關(guān)。半周波的面積式中：ik—第k次電流采樣值；

　　N—一周波的采樣點(diǎn)數(shù)；

　　Ts—采樣周期。

　　s求出后，可利用下式算出交流電流的有效值式中：w—一交流電角頻率。

　　這種算法的數(shù)據(jù)窗長度為半個(gè)周期，即10ms，運(yùn)算很小，只涉及加減法運(yùn)算，編程很簡單。3．3　開關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

　　開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目較多，如機(jī)械性能、載流導(dǎo)體溫度、凝露、電氣絕緣性能等。這些監(jiān)測經(jīng)濟(jì)代價(jià)大，實(shí)現(xiàn)也困難，有無必要值得商榷。不過，中壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測仍可考慮以下幾項(xiàng)：①斷路器操作次數(shù)統(tǒng)計(jì)—監(jiān)測斷路器是否達(dá)到規(guī)定機(jī)械壽命次數(shù)或達(dá)到需要進(jìn)行維修的次數(shù)；②開斷電流加權(quán)值—間接監(jiān)測斷路器觸頭的電磨損，預(yù)測其剩余電壽命；③母線連接處溫度。前兩項(xiàng)根據(jù)電流采樣值和軟件處理就可以做到，母線溫度監(jiān)測采用數(shù)字溫度傳感器不難實(shí)現(xiàn)。3．4　軟件結(jié)構(gòu)

　　智能單元的軟件由調(diào)試程序和運(yùn)行程序構(gòu)成。執(zhí)行哪一程序由面板上的工作方式選擇開關(guān)或LCD顯示屏上的菜單決定。調(diào)試程序的主要任務(wù)是對智能單元各插件調(diào)試和設(shè)置保護(hù)動作值，通過鍵盤命令來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行程序包括以下功能模塊：①對智能單元的各部分初始化；②對交流電壓和電流定時(shí)采樣和數(shù)據(jù)處理；③保護(hù)邏輯判斷和跳閘處理；④對開關(guān)量進(jìn)行采集，并對跳閘命令執(zhí)行情況反饋；⑤串行通信中斷服務(wù)程序；⑥鍵盤中斷服務(wù)程序；⑦自檢循環(huán)并發(fā)報(bào)警信號；⑧顯示。4　結(jié)語

　　本文介紹的基于87C196KC單片機(jī)的智能化開關(guān)設(shè)備的智能單元可以取代中壓開關(guān)設(shè)備現(xiàn)有的二次系統(tǒng)，具有通信功能和簡單的開關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能；而且，這種智能單元電路簡單，成本低。