高压开关柜智能单元设计
第1章 绪论
随着人们生活水平的提高，对电力的需求越来越大，在传统开关电器中引入高新技术，对提升供配电系统的性能和可靠性具有重要意义。电器智能化是传统电器技术和现代电子技术、电力电子技术、微机控制技术、现代传感器技术、数字通信及计算机网络技术等多门类学科交叉和融合的结果。电器智能化是现代化社会生产和生活向开关电器领域提出的要求，也是电器学科的一个新的发展领域。
1.1 智能电器与电器智能化
智能电器是指智能化了的开关电器元件或成套开关设备，是一种具体有形的产品。
它是在传统的开关电器上安装一个以单片机或DSP为核心的智能单元。该单元集微机测量、微机保护、在线监测、通信等功能于一体。
(1)微机测量 智能化电器应具有测量各种电力参数和电能计量功能，并通过LCD显示出来，完全取代传统的电力仪表。〕
(2)微机保护 通过在一台计算机输入相应的程序来完成继电保护功能，达到代替传统的继电保护的目的。
(3)在线监测 高、中压电器的状态监测项目较多，例如机械性能、温度、凝露、电气绝缘性能等，可通过选择合适的传感器来实现这项功能。
(4)通信 这是智能化电器最重要的功能之一，也是全开放式电器智能化网络的基础。通信功能是保证控制中心远方运行现场的各类信息的自动交换，实现对整个系统中各现场设备的综合监控和管理。采用统一的通信协议或协议转换技术，可保证通信网络的开放性。
电器智能化是以智能电器这种有形产品为基础建立的相关学科知识及应用技术的系统集成。它是一种理念，一种方法，是电器学科发展进步过程。
1.2 智能电器的基本特点
智能化电器具有维护调试方便，可靠性高，动作准确率高，通过软件改变处理算法来获得附加的功能，操作简单，使用灵活等特点。根据智能电器的工作原理和方式，可以归纳出智能电器的基本特点。
(1)现场参量处理数字化
这是智能电器区别其他采用集成电路实现控制功能的电器设备的最重要标志。由于
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湖南工程学院毕业设计论文 采用微机处理和控制技术，电器设备运行现场的各种被测参量全部采用数字处理，不仅大大提高了测量和保护精度，减少产品保护特性的分散性，而且可以通过软件改变处理算法，不需修改硬件结构设计，就可以实现不同的保护功能。
(2)电器设备的多功能化
采用微处理器或单片微机对电器设备运行现场的各种参量进行采样与处理，智能电器可以集成用户需要的各种功能。
(3)电器设备的网络化
智能电器监控单元以微处理器为核心，实际上就是独立的计算机控制设备，可以把它们当做计算机通信网络中的通信节点，采用数字通信技术，组成电器智能化通信网络，完成信息的传输，实现网络化的管理、设备资源的共享。
(4)真正实现分布式管理与控制 智能电器的监控单元能够完成对电器设备本身及其监管对象要求的全部监控和保护，使现场设备具有完善的、独立的处理事故和完成不同操作的能力，可以组建成完全不同于集中控制或集散控制系统的分布式控制系统。
(5)可以组成真正的全开放式系统 采用计算机通信网络中的分层模型建立起来的电器智能化通信网络，可以把不同生产厂商、不同类型但具有相同通信协议的智能电器互连，实现资源共享，不同厂商产品可以呼唤，达到系统的最优组合。通过网络互连技术，还可以把不同地域、不同类型的电器智能化通信网络连接起来，实现全国乃至世界范围内的开放式系统。
1.3 智能监控单元的功能
智能监控单元是监测和控制智能电器完成各种功能的设备，它可以实现对电器元件的保护和分、合功能，全面完成对控制对象的实时监控，并将其运行状态和数据向系统控制中心上传，接受中心下发的各类操作命令、功能投递和参数设置等信息。它一般有都具有以下功能：
(1)现场运行参量的监测 (2)保护 (3)故障诊断 (4)就地/远方调控
(5)被控开关运行状态监视及现场运行工况记录 (6)通信
(7)一次开关电器元件的监测
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高压开关柜智能单元设计 1.4 电器智能化网络的现状与发展趋势
电器智能化网络最普遍的结构形式是现场总线局域网和工业以太网。底层网络通过通信控制器和自己带有独立协议转换接口的现场智能设备，即可组成基于工业以太网的局域网。在现场总线局域网应用中，网络基本上采用的是主－从方式。各现场设备控制单元作为下位机，作为从设备；底层小型变电站、配电室中的监控、管理计算机为上位机，在网络中作为主设备。
现代电力系统综合自动化管理，要求对不同地区的电网、不同发电站的电能进行统一管理和调度，各地区电网的电能质量要进行集中监控。同时希望各地区电网的某些资源。随着计算机网络硬、软件技术的日臻完善，局域网不仅可以互连成覆盖范围很大的广域网，而且今年来已将网络互连技术引入电器智能化网络，不同类型的现场网络互连的问题也得到了根本解决。采用面向对象的软件设计模式来设计网络的系统软件，大大提高了网络的开放性、灵活性。
1.5 本课题的主要设计任务
本课题的主要设计的任务是设计智能单元的软硬件系统，完成其控制功能。这需要设计智能单元的数据采集系统、A/D转换、时钟电路、看门狗技术、串行通信技术，液晶显示和键盘接口技术。通过单片机编程实现微机保护的功能。
智能单元软件分为数据采集与处理、通信软件、处理显示、自检、控制和保护及故障诊断与报警软件组成。要完成以上的功能，需要微机保护，通过单片机编程实现。智能单元硬件系统由五个部分组成，即信号输入电路，单片机微机保护系统，人机接口部分，输入输出回路和电源部分。
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第2章 智能高压开关柜的硬件系统
2.1智能单元的硬件结构
智能化开关柜是在常规开关柜上安装一个智能单元。该智能单元以MCS－51单片机为核心，智能地实现保护功能的工业控制装置。高压开关柜智能单元通常由单片机系统、模拟量数据采集系统、开关量输入/输出、串行通信接口、人机对话以及电源等部分组成。其原理图如图2.1所示。
图2.1智能单元的硬件结构图
（1） 单片机系统
单片机系统是控制/保护智能单元的核心，它由CPU和RAM、EPROM、E2PROM等扩展芯片构成。对于智能型开关柜，可采用8位或16位的单CPU结构，本课题中使用的MCS－51单片机是8位单CPU结构。由于测量和保护的数值计算量大，并要记录故障发生前后的波形，所以外扩一片RAM6264。E2PROM用于存放保护定值和装置运行控制字等信息，可就地或远方调整修改。 （2） 模拟数据量采集系统
智能单元要采集的信息包括交流模拟量和开关量。模拟信号来自电流互感器（TA）和电压互感器（TV），为了提高系统的抗干扰性能，对开关量信号进行了必要的整形、
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高压开关柜智能单元设计 延时和光隔离处理。输入的电压和电流，是模拟量信号，要对它进行数字化处理，本系统采用12位的A/D转换芯片MAX197进行数模转换。 （3） 开关量输入/输出
开关量输入包括两类。一类是断路器等开关元件的辅助触点和继电器的节点，用来检测这些设备的工作状态；另一类是智能单元装置本身的一些接点。输出通道部分是控制断路器实现控制操作的出口通道。在出口通道里设有光隔离，以防止断路器对微机系统的反馈干扰。 （4） 人机对话系统
为了便于接受操作人员的干预，提高系统的智能化程度，本系统具有键盘、液晶显示、打印、时钟及信号灯、音响报警等装置，可进行整定值的输入，工作方式的变更，随时检查系统状态，显示、打印系统状态结果 （5） 电源部分
微机系统对电源的要求比较高，因此我们采用逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需要的直流电压。它把变电所的强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开。通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，对来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。
2.2模拟量数据采集系统
2.2.1 模拟量输入电路概述
模拟量包括电流和电压，模拟量输入电路是微机保护装置中很重要的电路，保护装置的动作速度和测量精度等性能都与该电路密切相关。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与CPU接口，完成数据采集任务。
2.2.2 数据采集系统的组成
数据采集系统分为硬件部分和软件部分，硬件部分由互感器、放大器、滤波器（ALF）、采样保持器、A/D转换器组成，其结构图如图2.2所示。
传感器的作用是把非电的物理量转变为模拟电量（如电压、电流或频率）。目前电力系统中应用最多的是铁心电磁式电压（电流）互感器，他们都是最主要的电压和电流测量用传感器。
放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应变片输出电压变化只有几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程
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