智能漏电断路器系统设计

摘要

　　本文阐明了“智能电网”建设对漏电断路器提出的要求，确定了带有 GPRS 通讯功能的漏电断路器及其远程监控系统设计目标。论文首先介绍了智能漏电断路器系统的整体框架和结构，在接下来的章节里着重讲述了系统各个模块的软硬件原理及设计方法。论文最后对所设计的漏电断路器、GPRS 模块、监控软件分别做了测试并分析了测试结果。

　　智能漏电断路器系统分为三部分，分别为漏电断路器、GPRS 无线模块、监控软件。漏电断路器负责线路信号的采样并为线路提供各种保护功能。在这部分介绍了使用分段法简化采样曲线的拟合过程，介绍了分级保护中的区域选择性联动功能，介绍了通过给漏电断路器添加自动档位跟踪功能，解决漏电保护灵敏度过高导致线路经常切断的问题。本文提出将GPRS 技术应用于漏电断路器的设计中，使漏电断路器具备了远距离通信的能力。监控软件用于监控漏电断路器的运行状态，基于 MFC 框架开发，使用了串口控件以实现有线通信，又使用了网络编程和多线程编程技术，用于实现无线通信的功能。上位机还添加了数据库，用于存储漏电断路器的运行数据，利用断路器运行数据消除自动跟踪功能保护“死区”现象。

　　本系统使用了多种通信技术，智能化水平较高，基于模块化的设计使得系统的可扩展性较强，网络通信功能使系统的维护和监控方便。系统满足了现阶段的要求，并能适应未来“智能电网”建设对漏电断路器提出的要求。

　　关键词：PIC，漏电断路器，GPRS，智能电网

ABSTRACT

　　This paper clarifies the requirements of smart grid construction for leakage circuit breaker,determines that designing a leakage circuit breaker with GPRS conmmunicate function and a monitoring software. Paper firstly introduces the overall framework and structure of intelligent leakage circuit breaker system, next focuses on the hardware and software design principles and design methods of each module. Finally, tested and analyzed the test results of the leakage circuit breaker, GPRS module and monitoring software.

　　Intelligent leakage circuit breaker system is divided into three parts, leakage circuit breaker, GPRS module and monitoring software. Leakage circuit breaker is responsible to collect signal provide protections for line. This section described the sub-sampling method to simplify the process of curve fitting, described the regioselective linkage function of the classification protection, described the method to prevent sensitive circuit breaker recurrently cut the line by adding automatic tracking function to leakage circuit breaker. This paper presents to use GPRS technology in the design of leakage circuit breakers, provide long-range communication capabilities to leakage circuit breaker. Monitor software is MFC framework based development, and use to monitor the working consition of leakage circuit breaker. Monitor software used serial control to achieve wired communication, and used network programming and multi-threaded programming techniques to achieve wireless communication. By add database and storage operational data of leakage circuit breakers, the "dead zone" phenomenon of automatic tracking protection can be removed.

　　This system uses a variety of communications and network technologies that create a higher intelligence level. Strong-based modular design allows the system more scalability, also the network communication function convenient the Maintenance and monitoring of the system. This system meets the requirements at this stage, and can meet the requirements of future smart grid construction proposed for leakage breaker.

　　Keywords: PIC, leakage circuit breaker, GPRS, smart electricity grid

　　通常将输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成的整体称为电网。农村电网（以下简称“农网”）指的是为县级区域内的县城、村镇、农垦区及林牧区用户供电的 110kv 以下的配电网络，简称为“农网”[1]。

　　中国“农网”仍然存在许多问题。“农网”本身存在供电电压不稳、供电能力不足、配电网络布局不合理等问题。随着农村经济的发展，农村电力消费水平急剧上升，得不到便宜、可靠的电力资源制约着农村经济的发展[2]。现阶段仍有许多“农网”使用“自建自管”的“小水电”、“小火电”，并且农村地处偏远，电网结构薄弱、陈旧，设备老化，经常发生漏电等故障。这些电网往往价格也较高，导致农村居民用电难，用不起电。为了提高“农网”质量，改善农村居民生活条件，国家开始了改造“农网”之旅[3]。

　　1998 年，国务院下发文件启动“两改一同价”政策，确定农网改造为扩大内需的重要投资领域，标志着农网改造的开始。1998 年至 2003 年完成了第一期和第二期农网改造，对部分县的电网进行了升级。“十一五”和“十二五”期间，国家电网公司分别投入 3075 亿和 4200亿用于农网升级。2014 年 3 月 16 日， 国家电网公司提出，在 2020 年前，对全国农网进行改造升级，全面建成“安全可靠、技术先进、节能环保、管理规范”的新型农村电网[4]。当前进行的农村电网改造，实质上是以降损为宗旨的低压配电网的改造。其目的是降低用电成本、提高用电安全、促销电力市场、拉动市场经济[5]。电网改造的环节有，确定合适的导线经济截面与经济电流密度、配电网的经济供电半径、配电变压器的选型和升级以及断路器等设备的智能化。

　　断路器是用于关合、承载、断开正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置[6]。如果将电网比作水管，断路器就是阀门，不仅起着开关的作用，还能防止故障线路对电器和人身财产造成损害。断路器能够起到保护线路和监控线路状态的作用，要建成安全可靠、智能化的电网离不开断路器，因此断路器是“农网”改造中极其重要的环节。现阶段农网中使用的漏电断路器智能化水平有限，主要表现在：(1)漏电保护可靠性不高，经常出现误动作，导致大规模停电；(2)线路出现故障或断路器自身出现故障时，无法或较难获取故障信息，维修需要一级级排查各个断路器，比较不便。

　　基于上述漏电断路器存在的问题，有必要对如何提高漏电断路器的可靠性和可维护性做更深入的研究。德国在十九世纪二十年代发明了电压动作型漏电保护器，是漏电保护技术最早的应用。电压动作型漏电保护装置通过检测设备金属外壳与大地之间的电压，当电压达到预定的危险极限值时，电压线圈推动脱扣器脱扣，将线路切断。电压动作型漏电断路器无法用于人体直接接触保护，并且可靠性和精度较低，因此逐渐被电流动作型漏电断路器取代[7-8]。

　　电流动作型漏电保护装置采用零序互感器检测漏电电流，当出现漏电故障时，电流矢量和不为零，零序互感器的二次回路将有信号输出，驱动脱扣器脱扣，切断线路。电流动作型漏电保护装置动作较为可靠，可用于人体直接接触保护。因此，目前世界各国使用的漏电保护装置基本上都是电流动作型漏电保护装置，也叫剩余电流保护电器。

　　60 年代后期，我国第一台电流动作型电子式漏电断路器诞生。70 年代中后期，全国联合设计的新型电流动作型电磁式漏电断路器试制成功，其壳架电流有 40A、63A 两种，额定电流 6—63A，漏电动作电流有 30mA、50mA、75mA 和 100mA，漏电动作时间≤0.1s，断路器的短路分断能力为 380V，3kA 和 5kA。90 年代初天津梅兰日兰公司生产了 VigiC45EIE(电子式)、Vi 西 C45ELM(电磁式)、VigiNcl00 等漏电动作电流 I△n 为 30mA 的快速型漏电断路器[9-11]。

　　80 年代中期，嘉兴电控厂、遵义长征电器八厂又引进德国 F&G 公司的技术生产了 HN 和LS 型漏电断路器。HN 型漏电断路器不带过载和短路保护，额定电流 In 有 25A、40A、63A，额定漏电电流 I△n 有 30mA、100mA、300mA 和 500mA。LS 型漏电断路器带过载和短路保护，In 有 2A、4A、6A、10A、20A、25A、32A 等，I△n 有 30mA、50mA、100mA 和 300mA[12-16]。

　　OTT 集团于 1999 年开发试制了 S—L 系列剩余电流动作断路器，额定壳架电流有 100A、200A(额定电流 40、50、63、80、100A 和 100、125、160、200A)。漏电保护原理采用电子与电磁混合型，漏电动作电流有 30mA、100mA、300mA 三种，动作时间有快速型(≤0.2s)和延时型(最大 0.5s)，断路器还有过载和短路保护。极限短路分断能力达 40kA(400V 时)，另外还开发了只报警不脱扣型的漏电继电器，以满足不断电的要求。

　　对予只报警而不断电的漏电继电器，目前有 JDl 型(电磁式)、JD3(电子式)，在农村使用的LJM 型、LTS 型(均为电子式)，漏电继电器额定电流有 100A、250A，最大达 800A，额定漏电动作电流为 100mA、300mA、500mA 等多种，除了单独作漏电时声、光报警之用外，也可与接触器、断路器组合成漏电继路器[17-22]。“节能减排”推动了当前漏电断路器的发展，表现为出现了新的高性能、双断点断路器，提高了断路器分断能力。20 世纪 90 年代中期，施耐德公司推出 NS 系列旋转双断点塑壳断路器，由于其高分断能力而引起了国内外各家公司的重视。如 ABB 公司 Tmax、LS 公司的 TS、Moeller 公司的 NZM 等系列，分断能力在 380/415 V 条件下额定极限分断电流都可达到 150kA。特别是 Tmax 系列，更是达到了 200 kA。虽然双断点断路器开断能力高，但结构、工艺和检测手段都较单断点复杂，并且在较低短路电流开断过程中易产生触头回落现象，加上一般配电系统并不需要这样高的开断能力，因而提升单断点塑壳断路器的开断能力，满足大部分配电系统的需求，也是一种符合当前节能减排需要的合理做法[23-28]。

　　对电气类产品的智能化要求推动了漏电断路器的发展。为了减少漏电断路器误动作率，希望断路器能区分各种漏电情况的波形。我国目前已有厂家将人体“特波”技术融合到断路器产品中，将供电可靠和人身安全保护有效的兼容起来[29-32]。

　　网络化也是漏电断路器的发展趋势之一。表现为国家能源局出台了《剩余电流动作保护器通信规约》，用于规范漏电断路器通信数据的传输格式，各断路器厂商也纷纷设计适用于此协议的断路器，也有的厂商专门从事测试断路器是否符合《规约》的上位机的开发。同时断路器的通信方式也在发生变化，最近关于断路器的展会上也有基于 GPRS 无线通信模块的断路器出现。

　　智能漏电断路器系统设计功能测试：

过压故障值

断路器运行图

欠压故障值

断相输出

断相故障值

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　第一章 绪 论
　　　　1.1 论文研究目的和意义
　　　　1.2 漏电断路器的发展现状及趋势
　　　　　　1.2.1 国内外发展现状
　　　　　　1.2.2 国内外发展趋势
　　　　1.3 系统设计目标
　　　　　　1.3.1 国标对断路器功能的规定
　　　　　　1.3.2 本系统设计指标
　　　　1.4 论文主要内容和安排
　　第二章 系统方案设计
　　　　2.1 系统需求分析
　　　　　　2.1.1 系统设计原则
　　　　2.2 系统硬件需求分析
　　　　2.3 系统软件需求分析
　　　　2.4 系统架构
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 断路器控制器软硬件设计
　　　　3.1 断路器结构介绍
　　　　3.2 控制器硬件设计
　　　　　　3.2.1 线路故障时对断路器的影响
　　　　　　3.2.2 自生电电路
　　　　　　3.2.3 变压器功率问题
　　　　　　3.2.4 采样模块设计
　　　　　　3.2.5 分级保护原理
　　　　　　3.2.6 区域选择性联锁
　　　　　　3.2.7 漏电保护测试
　　　　　　3.2.8 数码管和液晶显示的比较
　　　　　　3.2.9 通信接口设计
　　　　　　3.2.10 主控制器
　　　　3.3 断路器程序设计
　　　　　　3.3.1 程序整体流程
　　　　　　3.3.2 最小二乘法的采样曲线拟合
　　　　　　3.3.3 分段法
　　　　　　3.3.4 漏电反时限保护
　　　　　　3.3.5 自动跟踪
　　　　　　3.3.6 电压保护功能设计
　　　　　　3.3.7 电流分段保护
　　　　　　3.3.8 区域选择性联锁程序设计
　　　　　　3.3.9 《剩余电流动作保护器通信规约》数据获取
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 无线通信模块软硬件设计
　　　　4.1 无线通信模块硬件设计
　　　　　　4.1.1 SIM900A 无线模块介绍
　　　　　　4.1.2 2A 供电电源设计
　　　　　　4.1.3 外围驱动电路
　　　　　　4.1.4 2 种串口电平转换电路
　　　　　　4.1.5 布板注意事项
　　　　4.2 无线通信模块驱动程序设计
　　　　　　4.2.1AT 命令
　　　　　　4.2.2 无线链路的链接
　　　　　　4.2.3 驱动程序
　　　　4.3 本章小结
　　第五章 断路器上位机软件设计
　　　　5.1 上位机架构
　　　　5.2 程序的前期处理
　　　　　　5.2.1 程序实体唯一
　　　　　　5.2.2 界面最大化
　　　　5.3 C/S 架构下设备连接过程
　　　　5.4 上位机通讯模块设计
　　　　　　5.4.1 串口控件接收数据
　　　　　　5.4.2 串口控件发送数据
　　　　　　5.4.3 串口多线程编程
　　　　　　5.4.4 网络编程
　　　　　　5.4.5 网络多线程编程
　　　　5.5 数据库应用
　　　　　　5.5.1 初始化 OLE 库
　　　　　　5.5.2 配置数据源
　　　　　　5.5.3 使用数据库
　　　　5.6 自动跟踪“死区”消除
　　　　5.7 本章小结
　　第六章 测试与验证
　　　　6.1 测试方法
　　　　6.2 过欠压保护测试
　　　　6.3 断相保护测试
　　　　6.4 漏电保护测试
　　　　6.5 电流保护测试
　　　　6.6 结果分析
　　　　6.7 GPRS 模块测试
　　　　6.8 监控软件展示
　　　　6.9 本章小结
　　第七章 总结与展望
　　　　7.1 总 结
　　　　7.2 展 望
　　致 谢
　　参考文献
　　附 录

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