低壓配電系統(tǒng)中智能電器的研究

李偉雄

【摘要】智能電網(wǎng)是一個涵蓋現(xiàn)代化發(fā)電、輸電、配電、調(diào)控和用電的完整的信息架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施體系，具有安全性、可靠性、經(jīng)濟性和環(huán)保性等特點。文章針對低壓配電系統(tǒng)中的智能電器進行了闡述。

【關(guān)鍵詞】低配電系統(tǒng) 智能電器 現(xiàn)場總線

隨著全球?qū)﹄娋W(wǎng)容量、安全性、可靠性、低碳、再生能源的并網(wǎng)等需求的不斷上升，智能電網(wǎng)已成為國內(nèi)外企業(yè)和機構(gòu)研究的核心。為了適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，對構(gòu)成智能電網(wǎng)特別是用戶端的物質(zhì)基礎(chǔ)－低壓智能電器的研究已經(jīng)成為相關(guān)元件廠家的核心工作。智能電網(wǎng)的互動、自愈、安全、優(yōu)化、集成、兼容等特征將在新一代智能電器中體現(xiàn)出來。

1智能電器

隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，以16、32.位微處理芯片（MCU）、數(shù)字信號處理芯片（DSP）、通信協(xié)議芯片和各種功能的專用芯片、電壓、電流傳感器和功率電子器件等組合而成的電子部件嵌入到低壓電器中，成為智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化、高可靠、節(jié)能、環(huán)保和安全的新一代電器。

1.1電流采樣及換算

電流采樣用線性度很好的空芯互感器，輸出毫伏至伏級信號，對In（額定電流）＝400A～800A，互感器電流比為630A/100mV，In＝1000A～2000A，互感器電流比為1000A/100mV，In＝2000A～4000A，互感器電流比為1500A/100mV，In＝4000A～6300A，互感器電流比為2000.A/100mV，因電流測量動態(tài)范圍很大，從幾十安到150kA，放大器需用二級，1.5In以下用放大，15In～150kA用縮小。以提高測量精度。放大器可用低通、帶通、差動或反相放大。若控制器要測量功率、功率因數(shù)等參數(shù)時，因空芯互感器是感性的，電流輸出相移較大，因而放大器需用積分型差動放大，以補償空芯互感器的相移，也可用軟件補償。采樣信號換算成顯示參數(shù)，有三種方法：

1.1.1最大值法

計算機采樣一個周期（20ms）中的最大值，除以根號2.即為有效值。Irms＝Imax/，即為電流有效值。這種方法適用于波形失真較小，且諧波含量不大的場合。

1.1.2方均根法（亦稱真有效值法）

1.1.3查表法

查表法常用的有平方根法和二分查表法兩種，用查表法求數(shù)值的平方根（即實現(xiàn)開方運算）可以降低計算機的運算量，但需用較多的存儲單元。

目前常用的是方均根法。

1.2電壓采樣及換算

電壓采樣使用2mA/2mA.的電壓型電流互感器，如圖1所示。

圖1中R可取150kΩ，2W，1%精度（AC300V滿量程，測量相電壓）或250kΩ，2W，1%.精度（AC500V滿量程，測量線電壓）或500kΩ，2W，1%精度（AC1000V滿量程，測量AC690V）。換算方法與電流相同。

1.3控制器的保護特性

（1）過載長延時反時限保護。DW45.中過載保護有6條特性，常用的是與電流平方成反比特性T1＝（1.5IR/I）2tR＝2.25tR/N2

式中T1—斷路器過載時實際脫扣動作時間（s）；

tR—斷路器保護整定時間（15s、30s、60s、120s、240s和480s）；

IR—斷路器過載保護整定電流（0.4～1.0）In（額定電流）；

N—過載倍數(shù)N＝I/IR；I—采樣電流有效值。

（2）短延時反時限及定時限保護特性。當(dāng)I.≥.Isd，且I.≤.8IR.時，為反時限保護

T2＝（8IR/I）2tsd＝64tsd/N2

式中T2—短延時保護實際動作時間（s）；

tsd—短延時保護整定時間，為0.1.s、0.2.s、0.3.s和0.4.s；

Isd—短延時保護整定電流，一般為（1.5～15）IR；

IR—長延時保護整定電流，為（0.4～1.0）In；

I—采樣電流有效值；

N—過載倍數(shù)n＝I/IR。當(dāng)I≥Isd，且I＞8IR時，為定時限保護，tsd為0.1s、0.2s、0.3s和0.4s。

（3）短路瞬時保護。瞬時保護采用瞬時電流采樣值，當(dāng)線路中連續(xù)2ms的采樣瞬時電流均超過瞬時保護電流閾值時即發(fā)出脫扣命令，因雷擊波的最大寬度為700μs，因而用2ms寬度來判別是雷擊波還是短路電流波。

2現(xiàn)場總線局域網(wǎng)

智能電器中，只要有通信能力的控制器，大多數(shù)均有RS485.接口，Modbus—RTU通信協(xié)議，因目前的單片機中多數(shù)均有一個以上的USART（異步串行接口），個別MCU含有CAN或EtherNET（以太網(wǎng)口），因而國內(nèi)低壓智能電器中95%以上是RS485.接口，Modbus—RTU協(xié)議。如用戶需要高速分層通信，可增加協(xié)議轉(zhuǎn)換接口，提高通信速率。

RS485.接口，Modbus—RTU.協(xié)議的通信速率為2.4kbit/s、4.8kbit/s、9.6kbit/s、19.2kbit/s和38.4kbit/s。如9.6kbit/s速率，約1ms傳送一個字節(jié)。

Profibus—DP：最高通信速率為12Mbit/s，是西門子和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

CAM：最高通信速率為1Mbit/s，德國寶馬汽車最早使用。

DeviceNET：基于CAN，最高速率可分125kbit/s、250kbit/s、500kbit/s。

Lonworks：最高通信速750kbit/s。

工業(yè)以太網(wǎng)（EtherNET）：10～100Mbit/s。

2.1Modbus.—.RTU.通信協(xié)議

該協(xié)議以點到多點，主—從應(yīng)答，輪詢方式通信，Modbus協(xié)議在操作系統(tǒng)七層協(xié)議中占了三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

（1）物理層

1）傳輸方式：RS485.差動傳送。

2）通信地址：1～247號，0號為廣播地址，248～255為保留地址。

3）通信波特率：2.4kbit/s、4.8kbit/s、9.6kbit/s、19.2kbit/s和38.4kbit/s。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層

1）傳輸方式。主—從、異步、半雙工、應(yīng)答方式和輪流式通信。一個主站最多可與247個從站間做應(yīng)答式通信，同一時刻，主站只能與尋址到的唯一一個從站應(yīng)答通信，而不允許獨立的從站之間交換信息。

2）數(shù)據(jù)格式。①1位起始位，低電平有效，串口自動生成，8.位數(shù)據(jù)。②2位停止位，高電平。

3）地址域（ADDRES）。地址域在幀的開始部分，由8位（0～255）組成，0號作廣播地址，有效地址為1～247，每個從站設(shè)備都有一個唯一的地址。只有被錄址到的一個從站才能與主站作應(yīng)答通信。

4）功能域（FUNCTION）。功能域代碼表示被尋址到的從站執(zhí)行何種功能，Modbus協(xié)議有多種功能，智能電器中常用03H、06H多參數(shù)修改命令較少使用。

5）數(shù)據(jù)域（DATA）。數(shù)據(jù)域中包括一個或多個數(shù)據(jù)，如運行參數(shù)、報警參數(shù)、故障參數(shù)、整定參數(shù)、電能質(zhì)量分析參數(shù)、概要參數(shù)和控制命令等。

6）校驗域（CRC.Check）。Modbus—RTU.模式采用16位CRC校驗。

（3）應(yīng)用層

03H：主站向從站讀取數(shù)據(jù)。

06H：主站向從站寫單個整定參數(shù)或發(fā)控制“分合”閘命令。

2.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

RS485接口，Modbus—RTU.通信協(xié)議。

RS485接口，Modbus—RTU.協(xié)議單層結(jié)構(gòu)。主站一般為工業(yè)PC.機、觸摸屏工作站或PLC重要場合常用雙機容錯方式工作，動態(tài)熱備份。從站為各種類型的可通信智能電器，以嵌入式CPU或DSP的USART串口輸出，經(jīng)RS485轉(zhuǎn)換，并經(jīng)光電或磁電隔離，驅(qū)動后掛總線，這類總線速率較低（最高38.4kbit/s），但因電路簡單成本較低，因而國內(nèi)生產(chǎn)的智能電器多數(shù)采用這種總線。

RS485接口加以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。底層（現(xiàn)場級）用RS485接口，Modbus—RTU.協(xié)議，中間加了一層以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換接口，這種協(xié)議轉(zhuǎn)換接口對下層用RS485接口，Modbus—RTU.協(xié)議，便于與現(xiàn)場級的智能電器聯(lián)接，一個轉(zhuǎn)換接口可下掛8、16或32個RS485接口。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換接口與從站（智能電器）之間是主—從關(guān)系。以太網(wǎng)接口實時掃描讀取各從站的信息。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換接口與上層（主站）采用雙以太網(wǎng)接口，以提高系統(tǒng)的快速性和可靠性。上層可以用10～100Mbit/s。主站與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換接口之間也是主—從關(guān)系。

根據(jù)用戶配置系統(tǒng)的大小和對傳輸速率的要求，協(xié)議轉(zhuǎn)換接口也可以用Profibus—DP、CAN和DeviceNET等，層數(shù)也可分為二層或三層。

3結(jié)語

總之，要實現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的智能化，也必須發(fā)展智能配電系統(tǒng)，包括智能配電裝備系統(tǒng)和智能配電管理系統(tǒng)。目前國內(nèi)智能電器已得到各類用戶的大量使用，而智能成套開關(guān)柜尚趨于樣板工程中使用，其實，這類技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可通信的智能電器中，均有RS485接口、Modbus—RTU協(xié)議輸出，各類協(xié)議轉(zhuǎn)換接口市場上均有售，上位機（主站）軟件可用組合軟件改造。

參考文獻：

[1]周志敏.智能電器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]；大眾用電；2004年01期.