全智能型电力过流保护器参数测试体系研发

第 1 章 绪论

1.1 引言
智能电力电网的安全性成为当代电力电网研究的主要课题之一，为了确保电力传输的安全，电力参数成为主要的研究对象，以确保电子产品的可靠性。随着电力工业的发展，电力参数的多样性对检测装置提出了更高的要求[1]，现存的各种各样的电子参数保护器和电力参数检测装置，很多电子式的保护器都处在研发阶段，不同的厂家的不同的保护器的测试参数要求存在着差异。本文主要的研究对象是国外某公司系列的电子脱扣器，Emax 系列的断路器提供 PR121/P、PR122/P 以及 PR123/P 三种电子脱扣器，它们主要适用于交流系统： PR121/P 是该系列功能完善型的脱扣器，具有强大的保护功能，门限电流以及脱扣时间可以自由设定，适合电网系统中交流电气装置的保护；此外，保护装置单元还提供了多功能 LED 指示，而且 PR121/P 还可以实现与外部设备之间的连接，如远程信号和监控或遥控管理显示；PR122/P 和 PR123/P 采用了模块化结构概念，根据电力网络中的不同要求，实现信号检测、故障信号指示和线路故障保护等多种功能。图1.1所示的是基本型的PR121系列电子过流保护器的结构图，电子过流保护器中的各个参数具有不同的作用，通过该系列脱扣器的结构来说明几代脱扣器的在电网中主要的保护功能。其他系列如PR23X系列以及PR33X系列的电子脱扣器，这构成了多代电子保护器，为电力电网的安全提供重要的保证。在三代、四代的脱扣器中，电力参数主要有电压、电流以及频率的检测，这类过流保护器用在智能电网中需要极其高的可靠性，由它们构成的断路器对电路起保护作用。断路器是电力电网系统中主要的开关保护设备之一，用于供电网络和配电系统之间的接通、断开和对线路中的故障保护等。脱扣器主要用于线路中电参数的检测，根据实时监测的结果使断路器动作。作为断路器的核心部件，它的性能很大程度上决定了断路器的性能，对电网的安全、稳定以及经济运行起重要作用。随着单片机等智能控制技术的发展和应用，保护器经历了电子式和电磁式，并向智能式发展。智能式脱扣器采用智能化控制器设计，其精度更为准确、动作及时，取代了旧的保护器，，已广泛地应用在电力系统，因此对各类脱扣器的电力参数测量的精确度和准确性至关重要[2]。
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1.2 课题研究背景及研究意义
近年来，随着电力电网的不断发展和电力工业参数的要求不断提高，在自动化领域和半导体电子产品领域，取代以往智能化程度较低产品成为主要的方向。在电力电网中，电子产品的参数测量关系着电力电网的安全，因此电子产品的可靠性和安全性成为当今电子产品研究的主流方向。由于电器设备短路或者漏电等原因使电网的安全性和人身财产的安全受到威胁，电子产品的电参数的准确测量在电力电网中保护电路安全的起到重要的作用。电力电流保护问题的多样化和复杂化导致电路保护元件的高速发展, 如今的保护器件已发展成为一个品类繁多的新兴电子元件领域[3]。断路器是配电系统中主要的电气设备，形成具有短路、过载、接地故障、失压及欠电压保护等功能完善的保护设备。脱扣器作为其中最主要的部分，通过与断路器操作机构相连的欠电压脱扣器、分励脱器来控制断路器，用来完成电网的保护功能。
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第 2 章 测试系统的总体方案设计

2.1 系统的总体结构
根据现有系统存在的缺点和不足，本文研制的测试系统在测试速度以及信号精度上进行研究分析，测试系统的总体框架图如图 2.1 所示：测试系统软件是利用 VisualBasic 编写的上位机界面，主要包括对产品种类的选择，测试模式的选择，测试步骤的选取以及信号数据校正等部分。数据通讯模块包括上位机与单片机通讯，实现数据采集信号通道的切换以及接收上位机确认信息等；上位机与数字万用表通讯，实现对数据信号的校正功能和实时控制信号发生器的电压电流的幅值以及频率等；以及通过 RS485 和 TTL 接口传送报文等；信号发生器模块提供产品测试的不同种类的电压电流等信号，通过与上位机通讯利用数字万用表及时校正信号源信号；多继电器控制模块和数据信号反馈模块主要是利用信号源的信号切换测试产品数据采集的通道以及数据反馈的通道，实现数据的正确传输。

2.2 系统的性能需求分析
作为工业电网中的保护装置，电路电压电流过大都会对整个网络构成危害，智能型电子脱扣器作为整个智能电网的保护电器，但是可靠性比较低是主要的问题之一，导致这样原因的因素很多，实质性的特点就是工业电网中的电压、电流等计算出现偏差与智能型断路器保护装置实际值大于计算值，使电网中断路保护器的动作出现异常[19]：其中电网电压电流的波动性、检测电压电流的可靠性较低和断路器动作误差成为几个主要的因素。本文研究的全智能型电力过流保护器参数测试系统主要是克服以往系统中存在的精度和速度等问题，完成产品参数准确性测试的功能。在测试系统中，给定的电压电流信号失真成为影响系统准确性的主要因素，信号精度低、误差大会导致过流保护器不能及时做出判断。由于电子脱扣器构成的断路保护器装置在实现第一次及二次配电中具有重要的作用，其选择性保护是在出现过电流、过电压时，将支路线路和工业供电系统中的故障分离，确保只有最靠近故障点供电侧的断路器立即分闸，而不影响其他区域的供电，确保其它部分供电的连续性[21]。根据负载线路和电源线路中不同的额定脱扣电流而实现自动选择保护功能，也可以通过设置短路电流脱扣值的不同实现选择性保护，这种保护功能要求电子脱扣器对电压、电流值的判断比较敏感，要求测试系统的输入信号具有较高的精度。
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第 3 章 过流保护器参数测试系统的硬件开发........ 17
3.1 智能型断路器的工作原理 .... 17
3.2 系统的硬件结构 ........ 17
3.3 功能模块的硬件电路设计 .... 18
3.4 多通道数据采集模块的设计 ........ 30
3.5 电源模块的设计 ........ 32
3.6 本章小结 ........ 34
第 4 章 过流保护器参数测试系统的软件开发........ 35
4.1 参数测试软件总体设计 ........ 35
4.2 测试系统的软件介绍 ...... 36
4.3 参数测试的软件模块的设计 ........ 39
4.4 本章小结 .... 57
第 5 章 时间序列模型在数据采集中的应用......... 59
5.1 时间序列分析方法 .... 59
5.2 神经网络的预测分析 ......58
5.3 时间序列模型分析 .... 62
5.4 神经网络的时间序列预测实例分析 ...... 63
5.5 本章小结 .... 70

第 6 章 测试系统试验结果与分析

6.1 过流保护参数测试系统的测试流程
参数测试系统测试流程图如图 6.1 所示。本文中研究设计的全智能型电力过流保护器参数测试系统是由上位机软件测试系统和下位机信号提供电路、数据转换电路、数据采集系统以及通信模块、数据校正模块和装置温度控制系统组成。该测试系统不仅包括对同种类型一系列产品的测试，而且还可以实现对不同种产品的过电压、过电流等参数的测试，实现了产品测试通用型系统的设计。在测试模式中，产品的测试模式不仅包含原有系统的手动模式，而且设计多继电器控制系统实现数据信号切换和数据通道切换，实现从手动模式向自动模式方向的转换，使系统具有高度集成化、模块化和自动化水平。全智能型电力过流保护器参数测试系统的现场测试图如图 6.2 所示，由于测试系统的数据精度要求较高，电子元器件的发热等会对系统产生一定的影响，而且 PA90 功率运算放大器组成的电信号放大模块容易受到温度、湿度等外界环境的影响，因此测试前的数据信号的误差校正是测试系统准确性的关键。因此在测试系统工作前，当天的温度以及测试室的温度和湿度成为主要的考虑因素，将系统维持在恒温的环境中可以保证数据的高精度。
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总结

随着电力行业的不断发展，电力网络中的过电压、过电流和短路等严重影响着人身财产的安全，电子产品的参数测量准确性成为研究的主要目标。本文通过对国外某大型公司的电流保护器的参数的功能分析，研发出一套针对该公司的全智能型电力过流保护器的参数测试系统，从自动化、模块化和集成化程度进行考虑，结合当前电力网络的智能化、网络化等优点，结合电力参数测量的快速性和准确性，采用单片机控制技术和 VisualBasic 软件设计能够实时在线检测产品，确保产品的出厂质量。本文在以下几个方面进行研究：
(1) 根据项目的需求以及国外某公司一系列的过流保护器的参数功能分析，查阅国内外关于其他类型的过流保护器的参数测试系统以及该系列过流保护的文件资料，在了解国内外研究技术的基础上，分析设计出针对该系列过流保护器的参数测试系统，克服原有系统的单一型，集成化程度低等缺点。
(2) 根据该系列过流保护器的测试参数的功能分析，确定了以 VisualBasic语言为主要的上位机测试系统。系统以模块化为原则，设计出数据通信模块、电源模块(信号源模块)、多继电器控制模块、数据采集模块、功率放大模块和数据校正模块等。
(3) 针对该系列过流保护器的信号误差要在 3‰范围内，电信号以及数据采集的精度和速度要求较高，设计数据校正模块和高保真低纹波的信号功率放大电路，使输出信号不失真、不漂移，提高信号源的驱动能力以及精度和稳定性。
(4) 为了保证过流保护器参数测试的快速性和准确性，设计多个通讯模块来实现上位机与下位机之间利用不同协议的通信，针对软件测试系统中的数据采集精度和速度进行分析研究，设计出 Timer 控件、多媒体计时器以及高精度计时器三种方法对信号源的输出信号进行监测分析，通过实验分析寻找最优的方法进行数据采集，提出运用神经网络和预测控制理论对三种定时器在预测数据以及数据采集的稳定性，以保证数据采集的准确性，并将建立的 ARMA 模型运用到软件测试系统中，使产品的故障提前预报，达到高效的目的。
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参考文献（略）