第 1 章 緒論

1.1 引言
智能電力電網(wǎng)的安全性成為當(dāng)代電力電網(wǎng)研究的主要課題之一，為了確保電力傳輸?shù)陌踩娏?shù)成為主要的研究對象，以確保電子產(chǎn)品的可靠性。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力參數(shù)的多樣性對檢測裝置提出了更高的要求[1]，現(xiàn)存的各種各樣的電子參數(shù)保護(hù)器和電力參數(shù)檢測裝置，很多電子式的保護(hù)器都處在研發(fā)階段，不同的廠家的不同的保護(hù)器的測試參數(shù)要求存在著差異。本文主要的研究對象是國外某公司系列的電子脫扣器，Emax 系列的斷路器提供 PR121/P、PR122/P 以及 PR123/P 三種電子脫扣器，它們主要適用于交流系統(tǒng)： PR121/P 是該系列功能完善型的脫扣器，具有強(qiáng)大的保護(hù)功能，門限電流以及脫扣時間可以自由設(shè)定，適合電網(wǎng)系統(tǒng)中交流電氣裝置的保護(hù)；此外，保護(hù)裝置單元還提供了多功能 LED 指示，而且 PR121/P 還可以實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備之間的連接，如遠(yuǎn)程信號和監(jiān)控或遙控管理顯示；PR122/P 和 PR123/P 采用了模塊化結(jié)構(gòu)概念，根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)中的不同要求，實(shí)現(xiàn)信號檢測、故障信號指示和線路故障保護(hù)等多種功能。圖1.1所示的是基本型的PR121系列電子過流保護(hù)器的結(jié)構(gòu)圖，電子過流保護(hù)器中的各個參數(shù)具有不同的作用，通過該系列脫扣器的結(jié)構(gòu)來說明幾代脫扣器的在電網(wǎng)中主要的保護(hù)功能。其他系列如PR23X系列以及PR33X系列的電子脫扣器，這構(gòu)成了多代電子保護(hù)器，為電力電網(wǎng)的安全提供重要的保證。在三代、四代的脫扣器中，電力參數(shù)主要有電壓、電流以及頻率的檢測，這類過流保護(hù)器用在智能電網(wǎng)中需要極其高的可靠性，由它們構(gòu)成的斷路器對電路起保護(hù)作用。斷路器是電力電網(wǎng)系統(tǒng)中主要的開關(guān)保護(hù)設(shè)備之一，用于供電網(wǎng)絡(luò)和配電系統(tǒng)之間的接通、斷開和對線路中的故障保護(hù)等。脫扣器主要用于線路中電參數(shù)的檢測，根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的結(jié)果使斷路器動作。作為斷路器的核心部件，它的性能很大程度上決定了斷路器的性能，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起重要作用。隨著單片機(jī)等智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，保護(hù)器經(jīng)歷了電子式和電磁式，并向智能式發(fā)展。智能式脫扣器采用智能化控制器設(shè)計，其精度更為準(zhǔn)確、動作及時，取代了舊的保護(hù)器，，已廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)，因此對各類脫扣器的電力參數(shù)測量的精確度和準(zhǔn)確性至關(guān)重要[2]。
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1.2 課題研究背景及研究意義
近年來，隨著電力電網(wǎng)的不斷發(fā)展和電力工業(yè)參數(shù)的要求不斷提高，在自動化領(lǐng)域和半導(dǎo)體電子產(chǎn)品領(lǐng)域，取代以往智能化程度較低產(chǎn)品成為主要的方向。在電力電網(wǎng)中，電子產(chǎn)品的參數(shù)測量關(guān)系著電力電網(wǎng)的安全，因此電子產(chǎn)品的可靠性和安全性成為當(dāng)今電子產(chǎn)品研究的主流方向。由于電器設(shè)備短路或者漏電等原因使電網(wǎng)的安全性和人身財產(chǎn)的安全受到威脅，電子產(chǎn)品的電參數(shù)的準(zhǔn)確測量在電力電網(wǎng)中保護(hù)電路安全的起到重要的作用。電力電流保護(hù)問題的多樣化和復(fù)雜化導(dǎo)致電路保護(hù)元件的高速發(fā)展, 如今的保護(hù)器件已發(fā)展成為一個品類繁多的新興電子元件領(lǐng)域[3]。斷路器是配電系統(tǒng)中主要的電氣設(shè)備，形成具有短路、過載、接地故障、失壓及欠電壓保護(hù)等功能完善的保護(hù)設(shè)備。脫扣器作為其中最主要的部分，通過與斷路器操作機(jī)構(gòu)相連的欠電壓脫扣器、分勵脫器來控制斷路器，用來完成電網(wǎng)的保護(hù)功能。
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第 2 章 測試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)和不足，本文研制的測試系統(tǒng)在測試速度以及信號精度上進(jìn)行研究分析，測試系統(tǒng)的總體框架圖如圖 2.1 所示：測試系統(tǒng)軟件是利用 VisualBasic 編寫的上位機(jī)界面，主要包括對產(chǎn)品種類的選擇，測試模式的選擇，測試步驟的選取以及信號數(shù)據(jù)校正等部分。數(shù)據(jù)通訊模塊包括上位機(jī)與單片機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信號通道的切換以及接收上位機(jī)確認(rèn)信息等；上位機(jī)與數(shù)字萬用表通訊，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信號的校正功能和實(shí)時控制信號發(fā)生器的電壓電流的幅值以及頻率等；以及通過 RS485 和 TTL 接口傳送報文等；信號發(fā)生器模塊提供產(chǎn)品測試的不同種類的電壓電流等信號，通過與上位機(jī)通訊利用數(shù)字萬用表及時校正信號源信號；多繼電器控制模塊和數(shù)據(jù)信號反饋模塊主要是利用信號源的信號切換測試產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集的通道以及數(shù)據(jù)反饋的通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸。

2.2 系統(tǒng)的性能需求分析
作為工業(yè)電網(wǎng)中的保護(hù)裝置，電路電壓電流過大都會對整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成危害，智能型電子脫扣器作為整個智能電網(wǎng)的保護(hù)電器，但是可靠性比較低是主要的問題之一，導(dǎo)致這樣原因的因素很多，實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)就是工業(yè)電網(wǎng)中的電壓、電流等計算出現(xiàn)偏差與智能型斷路器保護(hù)裝置實(shí)際值大于計算值，使電網(wǎng)中斷路保護(hù)器的動作出現(xiàn)異常[19]：其中電網(wǎng)電壓電流的波動性、檢測電壓電流的可靠性較低和斷路器動作誤差成為幾個主要的因素。本文研究的全智能型電力過流保護(hù)器參數(shù)測試系統(tǒng)主要是克服以往系統(tǒng)中存在的精度和速度等問題，完成產(chǎn)品參數(shù)準(zhǔn)確性測試的功能。在測試系統(tǒng)中，給定的電壓電流信號失真成為影響系統(tǒng)準(zhǔn)確性的主要因素，信號精度低、誤差大會導(dǎo)致過流保護(hù)器不能及時做出判斷。由于電子脫扣器構(gòu)成的斷路保護(hù)器裝置在實(shí)現(xiàn)第一次及二次配電中具有重要的作用，其選擇性保護(hù)是在出現(xiàn)過電流、過電壓時，將支路線路和工業(yè)供電系統(tǒng)中的故障分離，確保只有最靠近故障點(diǎn)供電側(cè)的斷路器立即分閘，而不影響其他區(qū)域的供電，確保其它部分供電的連續(xù)性[21]。根據(jù)負(fù)載線路和電源線路中不同的額定脫扣電流而實(shí)現(xiàn)自動選擇保護(hù)功能，也可以通過設(shè)置短路電流脫扣值的不同實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，這種保護(hù)功能要求電子脫扣器對電壓、電流值的判斷比較敏感，要求測試系統(tǒng)的輸入信號具有較高的精度。
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第 3 章 過流保護(hù)器參數(shù)測試系統(tǒng)的硬件開發(fā)........ 17
3.1 智能型斷路器的工作原理 .... 17
3.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) ........ 17
3.3 功能模塊的硬件電路設(shè)計 .... 18
3.4 多通道數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計 ........ 30
3.5 電源模塊的設(shè)計 ........ 32
3.6 本章小結(jié) ........ 34
第 4 章 過流保護(hù)器參數(shù)測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)........ 35
4.1 參數(shù)測試軟件總體設(shè)計 ........ 35
4.2 測試系統(tǒng)的軟件介紹 ...... 36
4.3 參數(shù)測試的軟件模塊的設(shè)計 ........ 39
4.4 本章小結(jié) .... 57
第 5 章 時間序列模型在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用......... 59
5.1 時間序列分析方法 .... 59
5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測分析 ......58
5.3 時間序列模型分析 .... 62
5.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時間序列預(yù)測實(shí)例分析 ...... 63
5.5 本章小結(jié) .... 70

第 6 章 測試系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.1 過流保護(hù)參數(shù)測試系統(tǒng)的測試流程
參數(shù)測試系統(tǒng)測試流程圖如圖 6.1 所示。本文中研究設(shè)計的全智能型電力過流保護(hù)器參數(shù)測試系統(tǒng)是由上位機(jī)軟件測試系統(tǒng)和下位機(jī)信號提供電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及通信模塊、數(shù)據(jù)校正模塊和裝置溫度控制系統(tǒng)組成。該測試系統(tǒng)不僅包括對同種類型一系列產(chǎn)品的測試，而且還可以實(shí)現(xiàn)對不同種產(chǎn)品的過電壓、過電流等參數(shù)的測試，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品測試通用型系統(tǒng)的設(shè)計。在測試模式中，產(chǎn)品的測試模式不僅包含原有系統(tǒng)的手動模式，而且設(shè)計多繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號切換和數(shù)據(jù)通道切換，實(shí)現(xiàn)從手動模式向自動模式方向的轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)具有高度集成化、模塊化和自動化水平。全智能型電力過流保護(hù)器參數(shù)測試系統(tǒng)的現(xiàn)場測試圖如圖 6.2 所示，由于測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度要求較高，電子元器件的發(fā)熱等會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，而且 PA90 功率運(yùn)算放大器組成的電信號放大模塊容易受到溫度、濕度等外界環(huán)境的影響，因此測試前的數(shù)據(jù)信號的誤差校正是測試系統(tǒng)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。因此在測試系統(tǒng)工作前，當(dāng)天的溫度以及測試室的溫度和濕度成為主要的考慮因素，將系統(tǒng)維持在恒溫的環(huán)境中可以保證數(shù)據(jù)的高精度。
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總結(jié)

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)中的過電壓、過電流和短路等嚴(yán)重影響著人身財產(chǎn)的安全，電子產(chǎn)品的參數(shù)測量準(zhǔn)確性成為研究的主要目標(biāo)。本文通過對國外某大型公司的電流保護(hù)器的參數(shù)的功能分析，研發(fā)出一套針對該公司的全智能型電力過流保護(hù)器的參數(shù)測試系統(tǒng)，從自動化、模塊化和集成化程度進(jìn)行考慮，結(jié)合當(dāng)前電力網(wǎng)絡(luò)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合電力參數(shù)測量的快速性和準(zhǔn)確性，采用單片機(jī)控制技術(shù)和 VisualBasic 軟件設(shè)計能夠?qū)崟r在線檢測產(chǎn)品，確保產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。本文在以下幾個方面進(jìn)行研究：
(1) 根據(jù)項(xiàng)目的需求以及國外某公司一系列的過流保護(hù)器的參數(shù)功能分析，查閱國內(nèi)外關(guān)于其他類型的過流保護(hù)器的參數(shù)測試系統(tǒng)以及該系列過流保護(hù)的文件資料，在了解國內(nèi)外研究技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析設(shè)計出針對該系列過流保護(hù)器的參數(shù)測試系統(tǒng)，克服原有系統(tǒng)的單一型，集成化程度低等缺點(diǎn)。
(2) 根據(jù)該系列過流保護(hù)器的測試參數(shù)的功能分析，確定了以 VisualBasic語言為主要的上位機(jī)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)以模塊化為原則，設(shè)計出數(shù)據(jù)通信模塊、電源模塊(信號源模塊)、多繼電器控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、功率放大模塊和數(shù)據(jù)校正模塊等。
(3) 針對該系列過流保護(hù)器的信號誤差要在 3‰范圍內(nèi)，電信號以及數(shù)據(jù)采集的精度和速度要求較高，設(shè)計數(shù)據(jù)校正模塊和高保真低紋波的信號功率放大電路，使輸出信號不失真、不漂移，提高信號源的驅(qū)動能力以及精度和穩(wěn)定性。
(4) 為了保證過流保護(hù)器參數(shù)測試的快速性和準(zhǔn)確性，設(shè)計多個通訊模塊來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間利用不同協(xié)議的通信，針對軟件測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集精度和速度進(jìn)行分析研究，設(shè)計出 Timer 控件、多媒體計時器以及高精度計時器三種方法對信號源的輸出信號進(jìn)行監(jiān)測分析，通過實(shí)驗(yàn)分析尋找最優(yōu)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提出運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和預(yù)測控制理論對三種定時器在預(yù)測數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，以保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，并將建立的 ARMA 模型運(yùn)用到軟件測試系統(tǒng)中，使產(chǎn)品的故障提前預(yù)報，達(dá)到高效的目的。
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參考文獻(xiàn)（略）