[科普中國(guó)]-永磁真空斷路器智能控制

背景

隨著微處理器技術(shù)，電力電子技術(shù)和智能控制理論的迅速發(fā)展及其在電器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們提出了電器智能化的概念。斷路器是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的終端設(shè)備，其智能化的水平對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和自動(dòng)化程度將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前人們提出的智能斷路器大致有以下幾個(gè)特點(diǎn)：斷路器自身狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和故障診斷，對(duì)電網(wǎng)的故障診斷和信息遠(yuǎn)傳技術(shù)，自動(dòng)重合閘的智能控制，同步關(guān)合技術(shù)等。

傳統(tǒng)的中壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用電磁機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外中壓領(lǐng)域相繼研制出了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。永磁機(jī)構(gòu)采用一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作原理，由永久磁鐵實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)終端位置的保持功能，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械脫扣和鎖扣功能。由電磁線圈提供操動(dòng)能量，永磁機(jī)構(gòu)的合、分閘能量是由經(jīng)過(guò)充電和穩(wěn)壓的電解電容對(duì)合、分閘線圈放電提供的。永磁機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)同步關(guān)合技術(shù)創(chuàng)造了很好的物質(zhì)條件。

作用首先，永磁機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械上的高可靠和免維護(hù)。IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“設(shè)計(jì)成在其預(yù)期的使用期間，主回路中開(kāi)斷用的零件不許要維護(hù)，其它零件只需要很少維修”的一種斷路氣定義為“E2級(jí)少維護(hù)斷路器”，國(guó)際上也統(tǒng)稱為“免維護(hù)斷路器”。盡管實(shí)現(xiàn)免維護(hù)功能需要從產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)、制造入手，全方位綜合考慮，但毫無(wú)疑問(wèn)首要解決的問(wèn)題是提高機(jī)械可靠性，或者說(shuō)機(jī)械上的高可靠是免維護(hù)的基礎(chǔ)。由于永磁機(jī)構(gòu)是通過(guò)將電磁機(jī)構(gòu)與永久磁鐵特殊結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器機(jī)構(gòu)的全部功能，其結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的最大區(qū)別在于無(wú)須脫、鎖扣裝置即可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)終端位置的保持功能，零部件數(shù)目大大減少，因此必將大大提高斷路器的機(jī)械可靠性。

其次，永磁機(jī)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)操作性能上的智能化。斷路器的智能化操作可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高斷路器的開(kāi)斷和關(guān)合性能，提高斷路器的可靠性。因此，斷路器實(shí)現(xiàn)智能化操作式開(kāi)關(guān)電器追求的目標(biāo)。永磁機(jī)構(gòu)由于部件少，中間轉(zhuǎn)換和連接機(jī)構(gòu)也少，大大減小了動(dòng)作時(shí)間的分散性和不可控性，為斷路器實(shí)現(xiàn)智能化操作提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)采用電子或微機(jī)系統(tǒng)來(lái)對(duì)分合閘線圈進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的智能操作和同步開(kāi)斷與關(guān)合。僅從提高機(jī)械可靠性的目的出發(fā)，永磁機(jī)構(gòu)二次控制也可采用目前常規(guī)的電磁式繼電保護(hù)方式。但為適應(yīng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展的要求，特別是永磁機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可電控的特點(diǎn)，加上應(yīng)用各種傳感技術(shù)，采用電子式控制，開(kāi)發(fā)具有自診斷功能的智能化開(kāi)關(guān)最根本的發(fā)展方向。1

發(fā)展歷史永磁體很早就在開(kāi)關(guān)的脫扣器中得到了應(yīng)用。

20世紀(jì)60年代中期國(guó)外就有人試圖發(fā)展永磁機(jī)構(gòu)，由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有合適的永磁材料，并沒(méi)有制造出具有商業(yè)價(jià)值的永磁機(jī)構(gòu)。

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了釹鐵硼稀土永磁材料。釹鐵硼永磁材料具有極高的磁能積、很高的矯頑力和剩磁。稀土永磁材料的出現(xiàn)為永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件。

在中壓斷路器領(lǐng)域，國(guó)外永磁機(jī)構(gòu)技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代末，歐洲以英國(guó)和德國(guó)為代表。

1989年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)系統(tǒng)與能量組為GEC公司設(shè)計(jì)了一臺(tái)永磁機(jī)構(gòu)模型。

1992年前后，永磁機(jī)構(gòu)技術(shù)開(kāi)始在英國(guó)工業(yè)應(yīng)用。

1995年英國(guó)的Whipp&Bourne公司進(jìn)一步改進(jìn)了結(jié)構(gòu)。1997年ABB Calor Emag開(kāi)關(guān)設(shè)備公司在德刊上介紹了他們最新研制的VM1型配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器，接著于1998年在漢諾威博覽會(huì)上展出了樣品，引起了各制造公司的極大重視。ABB公司的VM1所配的永磁機(jī)構(gòu)是一種雙穩(wěn)態(tài)線圈結(jié)構(gòu)，采用電容其作為充放電組件，可以實(shí)現(xiàn)充合閘操作。采用微電子邏輯電子線路組成的控制單元及傳感智能單元，微電子邏輯電子線路控制單元具有強(qiáng)的電磁干擾抑制能力，并具有自診斷及可通訊功能。

繼ABB公司研制開(kāi)發(fā)出永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器以后，國(guó)內(nèi)很快開(kāi)發(fā)出了具有自主版權(quán)的VSm型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器。該斷路器具有零部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、壽命長(zhǎng)（機(jī)械壽命高達(dá)10萬(wàn)次）、免維護(hù)等特點(diǎn)。

目前，我國(guó)的釹鐵硼永磁材料特性水平達(dá)到了世界先進(jìn)水平，已有較先進(jìn)的加工制造能力和成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。而永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性使得國(guó)內(nèi)一些斷路器生產(chǎn)廠家和科研院所越來(lái)越關(guān)注永磁機(jī)構(gòu)的研制。2

設(shè)計(jì)原則永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器智能控制系統(tǒng)作為供電設(shè)備的基本控制與保護(hù)單元，應(yīng)能夠保障在控制、保護(hù)對(duì)象的任何工作狀態(tài)下可靠工作，并對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備自身工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。為了提高斷路器的分?jǐn)嗄芰εc使用壽命，斷路器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)同步操作技術(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備條件和工作的要求，配永磁機(jī)構(gòu)真空斷路驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)必須遵循以下的原則:

1）實(shí)時(shí)性

在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮數(shù)據(jù)采集和處理采用的方法，以保證數(shù)據(jù)采集與處理的實(shí)時(shí)性;同時(shí)在控制算法設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮算法的快速性和收斂性原則，以保證控制的實(shí)時(shí)性，開(kāi)合動(dòng)作的實(shí)時(shí)性。

2)準(zhǔn)確性

高壓真空斷路器工作環(huán)境特殊，并且存在很強(qiáng)的干擾，對(duì)數(shù)據(jù)采集的精確性和傳輸?shù)臏?zhǔn)確性以及開(kāi)合控制的準(zhǔn)確性提出了嚴(yán)格的要求。要在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用合適的硬件元件與軟件處理方法，以保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與設(shè)備工作狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。

3)安全性

作為一種實(shí)時(shí)針對(duì)高壓設(shè)備的控制系統(tǒng)，必須保證生產(chǎn)安全、人員安全和設(shè)備安全，需要采取對(duì)應(yīng)于控制失效情況下的應(yīng)急控制策略。3

總體設(shè)計(jì)由于永磁機(jī)構(gòu)獨(dú)特的操動(dòng)和保持原理，所以其控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)有很大的區(qū)別。智能控制斷路器與普通斷路器的最大區(qū)別在于它能通過(guò)智能操作單元對(duì)電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行采集和處理，對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，然后根據(jù)預(yù)先確定的程序動(dòng)作。并可根據(jù)需要調(diào)整斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而獲得合適的分合閘速度和最佳分合閘時(shí)間。

永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)接受光電信號(hào)，并通過(guò)邏輯判斷最終給出指令控制操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)斷路器的性能。它可采用電子控制，以實(shí)現(xiàn)真空斷路器的所有功能，同時(shí)還可具有智能化功能，可融合在線檢測(cè)技術(shù)來(lái)最大限度地體現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)發(fā)展了用來(lái)控制永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電子技術(shù)，原先的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)被電子開(kāi)關(guān)所代替。

結(jié)構(gòu)組成右圖為斷路器智能控制的工作原理圖。圖中智能控制單元由數(shù)據(jù)采集、智能識(shí)別和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)裝置)三個(gè)基本模塊構(gòu)成。4

1)智能識(shí)別控制模塊:它是智能控制單元的核心，由微控制器構(gòu)成微機(jī)控制系統(tǒng)，能根據(jù)操作前所采集到的電網(wǎng)信息和主控制室發(fā)出的操作信號(hào)，自動(dòng)識(shí)別當(dāng)次操作時(shí)斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài)。顯示斷路器是否具備可以操動(dòng)的條件、斷路器的合分閘狀態(tài)、斷路器動(dòng)作執(zhí)行情況,給出系統(tǒng)電壓、操作電壓的信息,以及斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障報(bào)警信號(hào),供運(yùn)行人員了解斷路器的工作狀態(tài)。并根據(jù)事先程序，決定對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)節(jié)信息，從而使斷路器發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作。

2)數(shù)據(jù)采集模塊:它由小型電壓、電流轉(zhuǎn)換裝置和高速多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，隨時(shí)接收斷路器的合閘命令、分閘命令、失壓跳閘信號(hào)、過(guò)流跳閘信號(hào),接收傳感器提供的斷路器合分狀態(tài)信號(hào)、斷路器位置信號(hào),接收系統(tǒng)電壓、斷路器的操動(dòng)電源信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)等。并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行整形、處理,把數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供智能識(shí)別模塊進(jìn)行處理分析，使之滿足智能控制模塊的要求。

3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)裝置):它由能接收定量控制信息的部件和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器組成，作用是用來(lái)控制合閘與分閘線圈的勵(lì)磁。

永磁機(jī)構(gòu)智能控制操作單元由電源模塊、CPU模塊、分合閘位置采樣模塊、分合閘信號(hào)采樣模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電容器模塊等組成，結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖所示。

永磁機(jī)構(gòu)中的分、合閘線圈必須受電勵(lì)磁，從而產(chǎn)生電磁吸力方可驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)。永磁機(jī)構(gòu)中的電容器上充以恒定的DC10V0操作電壓，可為操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘線圈勵(lì)磁提供所需的脈沖電能。但它每提供一次分閘或合閘線圈勵(lì)磁所需的脈沖電能，如果不及時(shí)切斷分閘或合閘線圈中的脈動(dòng)電流，電容器模塊分或合閘一次功耗就會(huì)很大，電容器模塊上的電壓就會(huì)下降到不能再為下一次合閘或分閘提供所需的脈沖電能，亦即不能完成一次CO(合分)操作，更談不上完成一次O－0.3S－CO(分－0.3秒－合分)操作。因此必須及時(shí)切斷分閘或合閘線圈中的脈動(dòng)電流，這就要靠分合閘位置采樣模塊及CPU模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等共同完成。另外，要使智能斷路器在各種環(huán)境下可靠工作，首先要解決的問(wèn)題是電容器的使用壽命問(wèn)題。電容器的使用壽命與環(huán)境溫度有關(guān)，一般在105℃時(shí)，壽命為2000h，但工作溫度低于50℃時(shí)，其壽命可達(dá)10年以上。所以設(shè)計(jì)控制單元時(shí)，應(yīng)通過(guò)有效措施降低電容器的工作溫度，延長(zhǎng)其使用壽命。

采樣模塊是將電子接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到的分合閘位置信息輸入到智能控制器。當(dāng)檢測(cè)到真空斷路器的合閘或分閘位置時(shí)即刻發(fā)出高電平，將高、低電平送至CPU模塊，通過(guò)邏輯計(jì)算后分別送至分合閘邏輯驅(qū)動(dòng)電路，及時(shí)切斷分合閘線圈中的脈動(dòng)電流。

真空斷路器的手動(dòng)、自動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖所示。當(dāng)真空斷路器的手動(dòng)、自動(dòng)控制電路接收到分閘或合閘命令時(shí)，則邏輯驅(qū)動(dòng)控制器會(huì)根據(jù)RS鎖存器發(fā)出的高、低電平自動(dòng)檢測(cè)此時(shí)真空斷路器所處的位置是分閘位置還是合閘位置，以決定是否執(zhí)行分閘或合閘命令。3

工作過(guò)程智能斷路器的工作過(guò)程如下:由微控制器為核心的智能控制單元時(shí)刻采集電網(wǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，智能識(shí)別模塊根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行快速識(shí)別，判斷電網(wǎng)和斷路器所處的狀態(tài)，并隨時(shí)根據(jù)識(shí)別結(jié)果控制調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作。若采用同步操作技術(shù)，則要通過(guò)調(diào)節(jié)裝置來(lái)改變操動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)，使斷路器獲得與當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)相適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特性。

另外，故障開(kāi)斷時(shí)要求斷路器分合閘的時(shí)間盡可能短，不能因智能操作所增加的控制和調(diào)節(jié)裝置而人為使斷路器的分合閘時(shí)間延長(zhǎng)。這可以從硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程上著手，使因增加控制和調(diào)節(jié)裝置而延長(zhǎng)的時(shí)間限制在可接受的和可忽略的程度。

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微機(jī)控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。微機(jī)控制技術(shù)基于模擬和數(shù)字技術(shù)通過(guò)編程利用CPU來(lái)采集、處理外界信號(hào)。永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，系統(tǒng)的主控單元結(jié)合外圍電路實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的控制。

充電單元：當(dāng)電容器組的電壓小于規(guī)定值時(shí)，對(duì)電容進(jìn)行整流穩(wěn)壓限流充電。由于進(jìn)行分、合閘操作時(shí)激勵(lì)電流能達(dá)到幾十安培，所以必須選用大容量電容，從而實(shí)現(xiàn)瞬間放電。電容儲(chǔ)存的能量必須能夠完成一次分－合分－合分操作。電容電壓的檢測(cè)可采用A/D轉(zhuǎn)換或采用V/F變換等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

執(zhí)行單元：實(shí)現(xiàn)對(duì)分、合閘線圈的放電，以產(chǎn)生激勵(lì)電流使操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而完成斷路器的分、合閘操作。

單片機(jī)處理器主控單元、檢測(cè)單元、鍵盤、顯示、人機(jī)接口單元與通信單元等共同組成控制器的測(cè)控系統(tǒng)。5

硬件模塊設(shè)計(jì)永磁機(jī)構(gòu)智能控制系統(tǒng)在電力行業(yè)的應(yīng)用其可靠性應(yīng)擺在首位，否則因產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題反而提高了配電網(wǎng)的故障率，這是與配電自動(dòng)化應(yīng)用的初衷相背離的。硬件方面，配電自動(dòng)化產(chǎn)品通常與高電壓等級(jí)的設(shè)備在同一環(huán)境中使用，當(dāng)硬件處理不當(dāng)，如發(fā)生柜體漏電，高壓從低壓側(cè)導(dǎo)線禍合或強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾等情況時(shí)，都可能導(dǎo)致測(cè)控設(shè)備的誤動(dòng)作或永久性損壞。因此在硬件的設(shè)計(jì)上，應(yīng)在充分考慮系統(tǒng)的可靠性的基礎(chǔ)上提高測(cè)量的精度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度等性能指標(biāo)。硬件上為提高產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上的通用性和降低開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，采取了模塊化的設(shè)計(jì)思想。

1、電源設(shè)計(jì)

給永磁機(jī)構(gòu)中的分閘或合閘線圈通電，從而產(chǎn)生電磁吸力即可驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)，而且必須達(dá)到一定的勵(lì)磁安匝數(shù)，才能滿足真空斷路器的分閘或合閘速度要求。要想在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較大的脈動(dòng)電流，目前有兩種方案可供選擇。其一是采用電容器;其二是采用蓄電池。這兩種方案均可獲得較為滿意的結(jié)果。然而蓄電池作為電源需要考慮諸如過(guò)充電、過(guò)放電等問(wèn)題，充電線路及保護(hù)電路較為復(fù)雜。

用電容器作為電源與可充電蓄電池電源相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如電容器的充電時(shí)間較短，可采用具有濾波或非濾波、穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的直流輸出的任何一種常規(guī)電源裝置對(duì)其充電。因不必考慮充電過(guò)量的危險(xiǎn)，所以不要求對(duì)精確的充電電流和充電時(shí)間進(jìn)行監(jiān)視。不存在化學(xué)污染或電極氧化問(wèn)題，可以經(jīng)受無(wú)數(shù)次短路，并可放電至任意電平都不會(huì)受損壞。除此之外，電容器還可以很容易地并聯(lián)使用，而不會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)電池之間的偏置電流那樣的側(cè)流效應(yīng)問(wèn)題。

因此，戶內(nèi)永磁機(jī)構(gòu)中的電源設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)的方法是采用電容器放電的方式。對(duì)于戶外柱上真空斷路器，由于現(xiàn)場(chǎng)電源不易解決，一般采用蓄電池等其它方式。作為給電容器充電的電源，必須考慮電容器的耐壓，考慮實(shí)際分閘或合閘操作時(shí)控制器所需的電源電壓。戶內(nèi)永磁機(jī)構(gòu)中的電源實(shí)際使用的電壓大多為DC100V左右，因而必須保證為電容器充電的電源輸出電壓為DC100V。開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)電源方案時(shí)均考慮了電源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，除體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、紋波小等優(yōu)點(diǎn)以外，在動(dòng)態(tài)負(fù)載特性和電磁兼容性兩方面更具特色和優(yōu)勢(shì)。

因此，戶內(nèi)永磁機(jī)構(gòu)中的電源最經(jīng)濟(jì)、最安全、最可靠的方法是采用開(kāi)關(guān)電源為電容器充電，而后采用電容器放電的方式。電容器上充以恒定的DC100V操作電壓，可為操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘或合閘線圈勵(lì)磁提供所需的脈沖電能。它能儲(chǔ)存完成一個(gè)完整O－CO操作循環(huán)的低于250J電能。當(dāng)這樣的一個(gè)操作循環(huán)結(jié)束后，電容器組在不足20S內(nèi)以A2的峰值電流重新充電。因此，若輔助電源發(fā)生故障，儲(chǔ)能鋁電解質(zhì)電容器事先儲(chǔ)好的電能可確保開(kāi)斷操作能進(jìn)行一個(gè)完整的O—CO操作循環(huán)。

2、斷路器分、合閘狀態(tài)的檢測(cè)

永磁機(jī)構(gòu)斷路器必須保證可靠地處于分、合閘位置，決不允許出現(xiàn)中間狀態(tài)等故障位置，一旦出現(xiàn)故障位置，應(yīng)及時(shí)報(bào)警。同時(shí)，永磁機(jī)構(gòu)在鐵心運(yùn)動(dòng)到分、合閘位置后，為避免熱損耗及電源損耗，應(yīng)及時(shí)斷電。這就需要對(duì)斷路器的分、合閘狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

如果用傳統(tǒng)的有觸點(diǎn)輔助開(kāi)關(guān)，則由于污染、觸頭氧化，經(jīng)常會(huì)使觸頭接觸不良，甚至失效。因此，應(yīng)使用電子開(kāi)關(guān)和非接觸式傳感器來(lái)取代傳統(tǒng)的輔助開(kāi)關(guān)。當(dāng)接受到來(lái)自手動(dòng)、自動(dòng)控制模塊的分、合閘命令時(shí)，送至CPU，則邏輯控制器會(huì)根據(jù)分、合閘位置采樣模塊發(fā)出的高、地電平，自動(dòng)檢測(cè)斷路器所處位置，以決定是否執(zhí)行分、合閘指令。若分、合閘指令同時(shí)收到，則CPU會(huì)通過(guò)邏輯控制器及時(shí)閉鎖合閘命令而響應(yīng)分閘指令；若電網(wǎng)一次側(cè)電源監(jiān)測(cè)回路監(jiān)測(cè)到過(guò)電流或過(guò)電壓、欠電壓信號(hào)，CPU模塊也會(huì)通過(guò)邏輯控制器及時(shí)閉鎖合閘命令而發(fā)出分閘指令。

3、CPU模塊

Microchip公司推出的PIC 16F87X系列8位單片機(jī)是采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和FLASH存儲(chǔ)技術(shù)的高性能的嵌入式單片機(jī)，相比于其它類型的單片機(jī)，有以下特點(diǎn)：

1) 運(yùn)行速度快。PIC 16F87X 系列單片機(jī)在架構(gòu)上采用了兩級(jí)流水線的哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的讀取和執(zhí)行采用流水線方式，使得單條指令(GOTO、CALL指令除外)的執(zhí)行基本上可在一個(gè)周期內(nèi)完成。另一方面，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化，有利于提高CPU的處理速度。該系列單片機(jī)是目前世界上速度最快的品種之一。

2) 擴(kuò)展功能豐富，功能強(qiáng)大。PIC 16F87X系列單片機(jī)不同程度地將各種外圍功能模塊集成于內(nèi)部，如A/D模塊、EEPROM、捕捉\比較\ 脈寬調(diào)制器、I2C 和SPI串行總線端口等，減少了外圍器件的使用，簡(jiǎn)化了電路板的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性。

3) 邏輯結(jié)構(gòu)清晰。PIC 16F87X系列單片機(jī)采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)，其指令系統(tǒng)只有35條指令，其尋址方式也得到了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)單易學(xué)。該系列單片機(jī)的一個(gè)很大的特色是廣泛使用了可位尋址的特殊功能寄存器，只要將命令寫入這些特殊功能寄存器，就可以方便靈活地控制各功能模塊，易于編制程序。

另外，PIC 16F87X 系列單片機(jī)還有可在線編程，上電、掉電延時(shí)復(fù)位保護(hù)和看門狗功能， I/O管腳驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力強(qiáng)。該系列單片機(jī)的功能基本相近，只是在存儲(chǔ)器大小、引腳數(shù)目、A/D轉(zhuǎn)換器個(gè)數(shù)等有所區(qū)別，用戶可方便地選擇最適用的型號(hào)。

4、信號(hào)輸入單元

控制器的輸入信號(hào)有反映開(kāi)關(guān)狀態(tài)與手動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)量信號(hào)、來(lái)自CT與PT的模擬量信號(hào)、撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置參數(shù)等。前者通過(guò)光電耦合器可以很方便地實(shí)現(xiàn)隔離與變換，送入MCU進(jìn)行處理;模擬量要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量來(lái)分析。交流電量信號(hào)輸入回路通常包括隔離變換器、濾波、超值保護(hù)與量化處理等部分。在電力系統(tǒng)中，電壓電流信號(hào)取自電壓互感器與電流互感器二次側(cè)，其額定值分別為100V/5A。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，這些電量會(huì)發(fā)生很大的變化(幾十倍)，因此必須將其轉(zhuǎn)換成微機(jī)系統(tǒng)可以接收的信號(hào)類型與范圍，并且須保證故障情況下也不會(huì)超過(guò)此范圍。

光電耦合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發(fā)光元件和輸出端的受光元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、使用簡(jiǎn)便，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)干擾情況的不同，組成各種不同的線路對(duì)共模和差模干擾進(jìn)行抑制。光電耦合器用在輸入、輸出間隔離情況下，線路是很簡(jiǎn)單的。

這種隔離的作用不僅可以用在數(shù)字電路中，也可以用在線性(模擬)電路中。光電禍合器用于消除噪聲是從兩個(gè)方面體現(xiàn)的:一方面是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端，只是把有用信號(hào)傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出端的信號(hào)傳遞是利用光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號(hào)與噪聲也不會(huì)反饋到輸入端。使用光電耦合器時(shí)，應(yīng)注意這種光電耦合器本身有10~30pF的分布電容，所以頻率不能太高;另外在接點(diǎn)輸入時(shí)，應(yīng)加RC濾波環(huán)節(jié)，抑制接點(diǎn)的抖動(dòng)。另外，用于低電壓時(shí)，其傳輸距離以100米以內(nèi)為限、傳輸速率在10Kbps以下為宜。

5、信號(hào)輸出單元

信號(hào)輸出單元用于指示斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。輸出的信號(hào)有斷路器的合分閘狀態(tài)、斷路器動(dòng)作執(zhí)行情況(正常合閘或分閘、過(guò)流速斷分閘、失壓分閘、過(guò)壓欠壓分閘)、操作電壓是否滿足合閘或分閘的要求、開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓是否正常以及斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障報(bào)警信號(hào)等。

當(dāng)開(kāi)關(guān)在合閘位置時(shí)，表示合閘位置的燈亮;當(dāng)開(kāi)關(guān)在分閘位置時(shí)，表示分閘位置的燈亮;當(dāng)分閘電容的電壓大于定值時(shí)，代表分閘電容電壓的燈亮;當(dāng)合閘電容的電壓大于定值時(shí)，代表合閘電容的燈亮;當(dāng)開(kāi)關(guān)在合閘位置，測(cè)量電壓大于設(shè)定的過(guò)流定值，過(guò)流時(shí)間大于設(shè)定的延時(shí)定值，且分閘電容燈亮?xí)r，開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，過(guò)流速斷燈亮。當(dāng)開(kāi)關(guān)在合閘位置，測(cè)量電壓大于設(shè)定的過(guò)壓定值，且分閘電容燈亮?xí)r，開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，此燈閃爍;當(dāng)失壓保護(hù)投入，且線路二次電壓低于某值時(shí)，失壓燈亮;當(dāng)重合保護(hù)投入，且微機(jī)判斷此時(shí)滿足重合閘條件，正在進(jìn)行重合閘，或者已經(jīng)重合閘完成，但沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行復(fù)歸操作時(shí)，重合燈亮。當(dāng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合閘操作，但由于某些原因引起合閘不到位時(shí)，微機(jī)立即發(fā)出分閘命令，將開(kāi)關(guān)分開(kāi)，此時(shí)故障報(bào)警燈亮?？刂破鬏敵鰡卧疽鈭D如圖所示。

6、硬件監(jiān)控電路電源監(jiān)控電路即帶電壓監(jiān)控的復(fù)位電路。監(jiān)控電路必須具備如下功能：

1)上電復(fù)位：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分一合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。

2)掉電復(fù)位：當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時(shí)，復(fù)位系統(tǒng)。在軟件的設(shè)計(jì)當(dāng)中，會(huì)設(shè)有軟件看門狗的功能。但軟件如果出現(xiàn)了問(wèn)題，如死循環(huán)，硬件的監(jiān)控保護(hù)顯得更可靠，更放心。因?yàn)樵趯?shí)際的情況中，光靠軟件看門狗防止程序“跑飛”是不安全的。需要有硬件的看門狗電路來(lái)防止系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。硬件監(jiān)控電路如圖所示。它在電源開(kāi)、關(guān)和電壓不足時(shí)(小于門檻電壓)給微處理器發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，門檻電壓可選。圖中R2和S1構(gòu)成的電路可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。1

電磁兼容抗干擾技術(shù)電磁兼容性是考驗(yàn)智能控制器對(duì)阻尼震蕩波、電快速瞬變脈沖群、浪涌(沖擊)三類干擾信號(hào)時(shí)的抗干擾性現(xiàn)象，在線路中注入沖擊電壓時(shí)是否發(fā)生永久性損壞，在電快速瞬態(tài)或短脈沖或振蕩波抗擾實(shí)驗(yàn)中，僅允許規(guī)定的暫時(shí)功能性失效。

電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，它是一種來(lái)自外部的并有損于有用信號(hào)的電磁現(xiàn)象。過(guò)去，機(jī)電設(shè)備和系統(tǒng)通常對(duì)電磁干擾(即:靜電、傳導(dǎo)的電氣干擾和輻射電磁場(chǎng)的干擾)不敏感，這些敏感問(wèn)題的起因大多數(shù)是“低頻”現(xiàn)象，如諧波和電壓中斷。

目前，電子元器件和設(shè)備的使用，使其對(duì)這些干擾更加敏感，尤其是“高頻”和“瞬態(tài)”現(xiàn)象。電子元器件和設(shè)備的推廣使用，大大增加了因電氣和電磁的干擾而引起的誤動(dòng)作、損壞等危險(xiǎn)性，使得電磁兼容的研究變得越來(lái)越重要。因此，電磁兼容性的考核對(duì)作為永磁機(jī)構(gòu)中的重要組成部分的電源控制器是必不可少的。

對(duì)于電子裝置的抗干擾，一般應(yīng)注意以下幾方面設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用：

1)頻率設(shè)計(jì)技術(shù)。頻率設(shè)計(jì)技術(shù)要解決的是頻率兼容的問(wèn)題，也是微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的比較復(fù)雜的技術(shù)之一。微控制器系統(tǒng)要能使用同一頻率源，保證頻率特性要求。頻率設(shè)計(jì)包括電平核實(shí)、最高工作頻率設(shè)計(jì)以及降頻和諧波分離(低頻信號(hào)的頻率不與高頻信號(hào)成正倍數(shù)，特別是A/D轉(zhuǎn)換速率)技術(shù)。

2)接地技術(shù)。接地技術(shù)包括兩個(gè)方面，一方面是電源內(nèi)阻分析技術(shù)，另一方面是接地點(diǎn)和地線設(shè)計(jì)技術(shù)。電源內(nèi)阻的分析實(shí)際就是對(duì)電源最大瞬時(shí)功率的分析。接地點(diǎn)和地線分布設(shè)計(jì)的原則是做到頻率隔離、功率隔離。頻率隔離是指高低頻系統(tǒng)分開(kāi)，功率隔離是指弱功率和大功率分開(kāi)。

3)電源技術(shù)。電源技術(shù)一方面包括了電源特性的設(shè)計(jì)，例如電源要保證有適當(dāng)?shù)娜菪噪娏魑漳芰凸β试６?，另一方面還包括系統(tǒng)電源性質(zhì)的選擇，如使用電池還是使用整流，所需電源的種類，電源之間是否需要交換，集中供電還是分布式供電等。

4)布線技術(shù)。要降低各管腳和連線之間的相互影響，必須對(duì)分布參數(shù)加以限制。分布參數(shù)主要由系統(tǒng)的布線所決定。所以，布線是微控制器系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的關(guān)鍵，也是微控制器系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本體現(xiàn)。

5)降頻控制技術(shù)。對(duì)輸出的高頻信號(hào)，在保證系統(tǒng)正常工作的前提下盡量降低頻率，對(duì)某些輸出信號(hào)采取平滑措施。

與傳統(tǒng)斷路器控制系統(tǒng)區(qū)別相對(duì)于傳統(tǒng)的斷路器控制系統(tǒng)，永磁機(jī)構(gòu)的智能控制有很大不同。

首先，永磁機(jī)構(gòu)控制裝置的電源一般由電容器組成，其控制部分多了一個(gè)電容器充電控制環(huán)節(jié)，用來(lái)穩(wěn)定電容器的電壓值，保證整個(gè)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。

其次，永磁機(jī)構(gòu)沒(méi)有脫扣裝置，斷路器的分、合閘動(dòng)作完全靠給分、合閘線圈通電來(lái)完成，電容器作為分、合閘線圈動(dòng)作的電源，其充、放電過(guò)程由邏輯部分來(lái)控制?；ジ衅髦饕须娏骰ジ衅骱碗妷夯ジ衅?。邏輯分析判斷部分是實(shí)現(xiàn)斷路器控制的關(guān)鍵，它通過(guò)對(duì)斷路器智能化測(cè)控單元輸入的電壓、電流的分析判斷來(lái)識(shí)別線路過(guò)電流、短路、欠電壓等故障，并發(fā)出指令由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)的另外一個(gè)特點(diǎn)是，采用新型電源系統(tǒng)解決操動(dòng)電源問(wèn)題，并可設(shè)計(jì)光纖接口，通過(guò)傳遞光纖信號(hào)來(lái)發(fā)出分合閘命令，同時(shí)，內(nèi)部的各種參數(shù)也可通過(guò)光纖傳輸?shù)蕉慰刂撇糠帧?