【正文】 量有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。要想準(zhǔn)確地監(jiān)測電網(wǎng)的質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)功能，關(guān)鍵就是準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)的電流、電壓及相應(yīng)的頻率等，因而對這些信號的數(shù)據(jù)處理算法尤為重要。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義， 任意周期函數(shù) f (x)的有效值 ： ? ??? T dxxTF 01 （ ） 式中， T 為函數(shù) f (x)的周期。 在實(shí)際的實(shí)時(shí)控制中，如果直接按照上述公式計(jì)算電壓、電流，需要大量的循環(huán)運(yùn)算，不能滿足實(shí) 時(shí)控制的要求。每一路在每個(gè)周期中采樣 32 點(diǎn)，即 N = 32。每一個(gè)周期有 11 32 32bit 的數(shù)據(jù)流量?；瑒哟翱诜ǖ幕舅悸啡缦拢涸O(shè)當(dāng)前采樣點(diǎn)的值為 uk0和 ik0，相應(yīng)被更新的數(shù)據(jù)為 uk1和 ik1，則： 00110 kkkk iuiuSS ??? （ ） SS?0 （ ） 式中： S0為上次采樣計(jì)算結(jié)果， S 為本次采樣結(jié)果。 漏電報(bào)警器的保護(hù)算法與分析 功能保護(hù)算法是漏電報(bào)警 器 的核心部分，完成 報(bào)警器 的大部分功能，包括過電流保護(hù)、欠壓過壓保護(hù)以及漏電保護(hù)等功能。電流保護(hù)是漏電報(bào)警 器 最重要的保護(hù)功能，系統(tǒng)具有過載長延時(shí)、短路短延時(shí)和短路瞬動三段電流保護(hù)及漏電保護(hù)等特性。如，在電廠廠用漏電報(bào)警 器 直接帶大功率電 動機(jī)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電動機(jī)起動時(shí)過載保護(hù)跳閘。當(dāng)前國外低壓漏電報(bào)警產(chǎn)品都采用了 IEC255 標(biāo)準(zhǔn)的五種特性曲線，該五條特性曲線有 5*16，共 80 級特性，完全包容了 GB1428793 的要求，且針對性更強(qiáng)，選用更方便。 /失壓保護(hù) 低壓配電線路由于出現(xiàn)短路故障等，會出現(xiàn)短暫時(shí)間內(nèi)線路中的電壓大幅度降低甚至消失的現(xiàn)象。三個(gè)線電壓均小于低電壓保護(hù)設(shè)定值，并且線路處于閉合狀態(tài)時(shí)，低壓保護(hù)動作。 漏電報(bào)警器總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)構(gòu)思 漏電報(bào)警器在供配電系統(tǒng)中的主要作用是對線路中的電流、電壓及負(fù)載等故障進(jìn)行保護(hù)，負(fù)責(zé)監(jiān)控終端電氣故障，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控和報(bào)警顯示功能。漏電報(bào)警 器 的設(shè)計(jì)就是依據(jù)這一原理，其總體設(shè)計(jì)采用以高性能的單片機(jī)為核心，以與單片機(jī)接口的外圍芯片為擴(kuò)展的設(shè)計(jì)思想。 圖 總體設(shè)計(jì)框圖 7 主要功能設(shè)計(jì) 本系統(tǒng) 集測量、保護(hù)、控制、通信等功能于一體，為此漏電報(bào)警器必須對電流、電壓等模擬量進(jìn)行采樣，采集開關(guān)量，并輸出各種控制和報(bào) 警信號，同時(shí)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通信，而且具有良好的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)應(yīng)具有如下主要功能 [7]： （ 1)測量與計(jì)量功能 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種測量和顯示，包括三相電流、三相相電壓和線電壓、不平衡度、頻率、功率因素、有功功率、無功功率、諧波分量等，以及萬年歷時(shí)鐘功能和主觸頭磨損程度及開關(guān)動作次數(shù)指示，以滿足現(xiàn)場監(jiān)視和一般測量的要求。 （ 3)故障歷史記錄及自診斷功能 故障發(fā)生后，可記錄故障發(fā)生的具體時(shí)間，同時(shí)把故障發(fā)生時(shí)各種數(shù)據(jù)和信息均保存起來，以便于進(jìn)行事后分析定性，盡快查出故障原因，減少線路維修時(shí)間。 （ 4)熱記憶功能 反復(fù)過載可能引起導(dǎo)體發(fā)熱，控制器因過載或短延時(shí)等故障延時(shí)動作后，具有模擬雙金屬片的熱效應(yīng)的功能，過載能量 30min釋放完畢，短延時(shí)能量 15min釋放完畢。系統(tǒng)斷電時(shí)自動清除積累熱效應(yīng)，且該功能可根據(jù)需要關(guān)斷。 （ 6)通信功能 通過 RS485 總線或通信網(wǎng)絡(luò)，向上位機(jī)發(fā)送現(xiàn)場的各種運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)，同時(shí)接受上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)和命令，即具有遙測、遙信、遙控、遙調(diào)“四遙”功能。 8 3 漏電報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 硬件設(shè)計(jì)原理 漏電報(bào)警器對線路中的電流、電壓及負(fù)載等故障進(jìn)行保護(hù)，負(fù)責(zé)監(jiān)控終端電氣故障，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控和報(bào)警顯示功能。外圍芯片按功能模塊擴(kuò)展，由信號檢測、信號調(diào)理電路、輸入與顯示部分、微控制 器 PIC16F877A、斷路器（含電操機(jī)構(gòu)）、通訊接口、遠(yuǎn)程監(jiān)控、執(zhí)行輸出元件等模塊組成。 CPU 根據(jù)這些信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理，將運(yùn)算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護(hù)特性的邏輯信號；邏輯信號經(jīng)放大后可直接驅(qū)動斷路器的電操機(jī)構(gòu)使斷路器動作 [15]。它是美國 Microchip 公司生產(chǎn)的中檔單片機(jī)，采用全新的流水線結(jié)構(gòu)、單字節(jié)指令體系，嵌入 Flash 以及看門狗定時(shí)器，指令精減 (只有 35 條指令 )，ICSP (在線編程 )方便可調(diào)； I/O 端口驅(qū)動能力強(qiáng)，可以直接驅(qū)動 LED 顯示；其端口的電平變化中斷功能，提高了實(shí)時(shí)監(jiān)測性。 PIC16F877A 引腳功能設(shè)計(jì) PIC16F877A 芯片引腳如圖 所示。 9 圖 PIC16F877A 芯片引腳 （ 1）電源和接地引腳（ 2 組） P1 P32 電源配置引腳，接＋ 5V電源信號； P1 P31 接地； （ 2）時(shí)鐘、復(fù)位引腳 P13：時(shí)鐘振蕩器晶體連接端 /1 外部時(shí)鐘源輸入端； P14：時(shí)鐘振蕩器晶體連接端 /2 外部時(shí)鐘源輸出端； （ 3）主復(fù)位引腳 P1 主復(fù)位引腳，最大用途為供使用者從外部輸入復(fù)位信號來復(fù)位單片機(jī)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中保持該引腳信號為高電平。主要接法如附錄一。 10 圖 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 依據(jù) PIC16F877A 單片機(jī)低電平復(fù)位和引腳 P1 的硬件設(shè)置，本系統(tǒng)采用上電復(fù)位，P1 引腳始終為高電平，復(fù)位電路如圖 所示。 外圍設(shè)備接口電路設(shè)計(jì) 人機(jī)交互電路設(shè)計(jì) 為適應(yīng)系統(tǒng)各種工作環(huán)境，人機(jī)交互接口采用按鍵和 LDE 顯示方式，分別如圖 和圖 所示。其中漏電選擇按鍵 SW1 和漏電設(shè)定按鍵 SW2 為組合按鍵，當(dāng)按下 SW2 鍵，額定漏電動作電流 200mA， 400mA， 800mA 分檔可選，用 SW1 鍵選擇需要的額定漏電動作電流，選好后按下 SW2 鍵鎖定選定值，此時(shí) SW1 鍵無效。 11 圖 人機(jī)交互接口電路 LED 顯示電路如圖 所示。 3 片 74LS373 的三態(tài)允許控制端 OE 腳接地，始終為低電平， Q0－ Q7 為正常邏輯狀態(tài)，用來驅(qū)動 LED 顯示。當(dāng) LE 為低電 平時(shí)， Q0－ Q7 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 圖 LED 顯示電路 12 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊電路如圖 所示。 4 漏電報(bào)警器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 對采用微處理器設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)，軟件是整個(gè) 報(bào)警器 的靈魂，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到硬件系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。軟件采用 C 語言和匯編語言混合編程方式編寫。此外，為了提高系統(tǒng)測量的精度和增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，在軟件設(shè)計(jì)上采用了數(shù)字濾波、軟件監(jiān)視定時(shí)器 WDT 等抗干擾措施 [16]。延時(shí) 5S 后自動合閘接通用戶電源，點(diǎn)亮輸出指示。默認(rèn)值為 800mA。 （ 1）漏電報(bào)警：在供電線路發(fā)生漏電，其漏電電流超過漏電動作電流設(shè)定值時(shí)，在 內(nèi)發(fā)出指令切斷電源，并發(fā)出報(bào)警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)關(guān)斷本機(jī)電源，待故障排除后，再打開本機(jī)電源，再按一下“運(yùn)行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運(yùn)行； 圖 漏電報(bào)警器軟件流程圖 14 （ 3）欠壓報(bào)警：當(dāng)供電線路中有任何一相（ A 相不能缺相）電壓欠壓時(shí)，經(jīng)延時(shí) 5S10S后仍在欠壓時(shí)，控制器發(fā)出指令切斷供電線路，并發(fā)出報(bào)警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)關(guān)斷本機(jī)電源，待故障排除后，再打開本機(jī)電源，再按一下“運(yùn)行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運(yùn)行。 軟件設(shè)計(jì)包括初始化子程序、上電電壓檢測子程序、主機(jī)自檢子程序、漏電檢測子程序、電壓檢測子程序、過載及短路檢測子程序、按鍵掃描子程序等。 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊軟件設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)每隔 10 秒循環(huán)查詢 一次，監(jiān)控機(jī)發(fā)出指令后等 2051 指令，等待時(shí)間最長為 20ms，超過 20ms 則判失敗重發(fā)，重發(fā) 2 次都失敗 pc 上顯示通訊故障； pc 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù) 00h表示查詢， 01h表示開機(jī)， 02h表示關(guān)機(jī)，之后都會有信號回傳， 2051 數(shù)據(jù)正常表示 8pin。 用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì) A/D 采樣和數(shù)據(jù)處理任務(wù) 各種測量和保護(hù)的數(shù)據(jù)來源都要依靠現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，所以采樣轉(zhuǎn)換是整個(gè)系統(tǒng)最為 重要的環(huán)節(jié)之一。其采樣任務(wù)子程序流程見圖 。這里利用定時(shí)器 1 來進(jìn)行定時(shí)采樣，初始時(shí)每隔 產(chǎn)生一次中斷進(jìn)行采樣，之后利用過零點(diǎn)方法檢測得到的頻率來修改定時(shí)器 1 匹配寄存器（ T1MR1）值，以改變采樣間隔，實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng)頻率采樣，這樣避免了因電網(wǎng)波動對采樣值的影響。 （ 1）漏電或接地保護(hù) 接地或漏電保護(hù)具有反時(shí)限特性，特性公式為 t = tG KIG/ I，故障延時(shí)動作時(shí)間不小于定時(shí)限的設(shè)置時(shí)間。接地漏電的選用方案與系統(tǒng)保護(hù)要求及接地方式有關(guān)，因而控制器分兩種不同保護(hù)方式：一種為內(nèi)部互感器矢量和方式（接地保護(hù)）。此方式適應(yīng)靈敏度要求較高，特別是小電流的接地和漏電保護(hù)場合。為此有必要對短路電流進(jìn)行分析和計(jì)算，再確定合理的保護(hù)措施。這兩種保護(hù)方式的保護(hù)電流大小都可設(shè)置，且兩種保護(hù)方式也可關(guān)閉或打開。當(dāng)定時(shí)限保護(hù)投入時(shí)，無論定時(shí)限或反時(shí)限，短延時(shí)延時(shí)動作的時(shí)間均不小于定時(shí)限的設(shè)置時(shí)間；但當(dāng)定 時(shí)限保護(hù)退出時(shí)，反時(shí)限保護(hù)的延時(shí)動作時(shí)間則不受定時(shí)限延時(shí)時(shí)間設(shè)定值的限制（但不小于 20ms）。 （ 3）短路瞬動保護(hù) 短路瞬時(shí)動作特性為定時(shí)限，動作時(shí)間一般為 10~20ms。 （ 4）電流不平衡保護(hù) 電流不平衡的保護(hù)可以對斷相和三相的電流不平衡進(jìn)行保護(hù)。其延時(shí)為定時(shí)限，延時(shí)時(shí)間為 Ts。 17 圖 短路 短延時(shí)保護(hù)程序流程圖 （ 5）過載長延時(shí)保護(hù)子程序 考慮到系統(tǒng)廣泛應(yīng)用到各種領(lǐng)域，以前的那種滿足 老標(biāo)準(zhǔn)的 10 級和 20 級要求的三段保護(hù)曲線，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足多種場所的用戶要求了，因而過載保護(hù)算法采用符合 IEC255 標(biāo)準(zhǔn)的五種特性曲線，根據(jù)不同的保護(hù)設(shè)備，如配電系統(tǒng)、電機(jī)或發(fā)動機(jī)保護(hù)，選擇上述五條曲線中的任意一種進(jìn)行保護(hù)。其中 N 相過載保護(hù)電流可設(shè)置為過載保護(hù)電流（ Ir1）的 50%或 100%進(jìn)行保護(hù)，長延時(shí)動作時(shí)間系數(shù)整定值 K 決定過載長延時(shí)保護(hù)的選擇范圍。 18 圖 過載保護(hù)流程圖 （ 6）負(fù)載監(jiān)控保護(hù)子程序 負(fù)載監(jiān)控有兩種方式，它們的保護(hù)特性曲線都與過載長延時(shí)所選擇的保護(hù)線相同，但其保護(hù)電流可以自行設(shè)定。但是當(dāng)主系統(tǒng)供電 恢復(fù)正常時(shí)，需要手動將切斷的負(fù)載重新接通。當(dāng)電流恢復(fù)正常，且電流值小于負(fù)載二設(shè)定的保護(hù)電流值（ ILC2）時(shí)，控制器固定延時(shí) 60S 后再發(fā)出信號接通已分?jǐn)嗟呢?fù)載。 系統(tǒng)自診斷任務(wù) 自診斷功能主要用于對系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行檢測和保護(hù)。其方法是，在利用 I2C 中斷讀寫 EEPROM 的數(shù)據(jù)時(shí)，若出現(xiàn)總線錯誤，則重新啟動總線讀寫數(shù)據(jù)，如果在 5 次重復(fù)的讀寫過程中仍出現(xiàn)總線，則跳出置讀寫 EEPROM 自檢故障標(biāo)志位，發(fā)出報(bào)警信號。對于斷路器拒動的診斷，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出脫扣指令后，通過檢測輸入的脫扣狀態(tài)開關(guān)量，若發(fā)現(xiàn)斷路器拒動，則再次發(fā)出脫扣指令，如斷路器仍拒動，則置自檢故障標(biāo)志位，發(fā)出報(bào)警信號。 20 5 總結(jié)與展望