第 1 章 緒論

1.1 引言
智能電力電網(wǎng)的安全性成為當代電力電網(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)保護器和電力參數(shù)檢測裝置，很多電子式的保護器都處在研發(fā)階段，不同的廠家的不同的保護器的測試參數(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，具有強大的保護功能，門限電流以及脫扣時間可以自由設定，適合電網(wǎng)系統(tǒng)中交流電氣裝置的保護；此外，保護裝置單元還提供了多功能 LED 指示，而且 PR121/P 還可以實現(xiàn)與外部設備之間的連接，如遠程信號和監(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)絡中的不同要求，實現(xiàn)信號檢測、故障信號指示和線路故障保護等多種功能。圖1.1所示的是基本型的PR121系列電子過流保護器的結(jié)構(gòu)圖，電子過流保護器中的各個參數(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作用。斷路器是電力電網(wǎng)系統(tǒng)中主要的開關(guān)保護設備之一，用于供電網(wǎng)絡和配電系統(tǒng)之間的接通、斷開和對線路中的故障保護等。脫扣器主要用于線路中電參數(shù)的檢測，根據(jù)實時監(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)濟運行起重要作用。隨著單片機等智能控制技術(shù)的發(fā)展和應用，保護器經(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計，其精度更為準確、動作及時，取代了舊的保護器，，已廣泛地應用在電力系統(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，在自動化領域和半導體電子產(chǎn)品領域，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今電子產(chǎn)品研究的主流方向。由于電器設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)的準確測量在電力電網(wǎng)中保護電路安全的起到重要的作用。電力電流保護問題的多樣化和復雜化導致電路保護元件的高速發(fā)展, 如今的保護器件已發(fā)展成為一個品類繁多的新興電子元件領域[3]。斷路器是配電系統(tǒng)中主要的電氣設備，形成具有短路、過載、接地故障、失壓及欠電壓保護等功能完善的保護設備。脫扣器作為其中最主要的部分，通過與斷路器操作機構(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)的保護功能。
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第 2 章 測試系統(tǒng)的總體方案設計

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與單片機通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信號通道的切換以及接收上位機確認信息等；上位機與數(shù)字萬用表通訊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信號的校正功能和實時控制信號發(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)中的保護裝置，電路電壓電流過大都會對整個網(wǎng)絡構(gòu)成危害，智能型電子脫扣器作為整個智能電網(wǎng)的保護電器，但是可靠性比較低是主要的問題之一，導致這樣原因的因素很多，實質(zhì)性的特點就是工業(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裝置實際值大于計算值，使電網(wǎng)中斷路保護器的動作出現(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)準確性的主要因素，信號精度低、誤差大會導致過流保護器不能及時做出判斷。由于電子脫扣器構(gòu)成的斷路保護器裝置在實現(xiàn)第一次及二次配電中具有重要的作用，其選擇性保護是在出現(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)負載線路和電源線路中不同的額定脫扣電流而實現(xiàn)自動選擇保護功能，也可以通過設置短路電流脫扣值的不同實現(xiàn)選擇性保護，這種保護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計 .... 18
3.4 多通道數(shù)據(jù)采集模塊的設計 ........ 30
3.5 電源模塊的設計 ........ 32
3.6 本章小結(jié) ........ 34
第 4 章 過流保護器參數(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)采集中的應用......... 59
5.1 時間序列分析方法 .... 59
5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡的預測分析 ......58
5.3 時間序列模型分析 .... 62
5.4 神經(jīng)網(wǎng)絡的時間序列預測實例分析 ...... 63
5.5 本章小結(jié) .... 70

第 6 章 測試系統(tǒng)試驗結(jié)果與分析

6.1 過流保護參數(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。本文中研究設計的全智能型電力過流保護器參數(shù)測試系統(tǒng)是由上位機軟件測試系統(tǒng)和下位機信號提供電路、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，而且還可以實現(xiàn)對不同種產(chǎn)品的過電壓、過電流等參數(shù)的測試，實現(xiàn)了產(chǎn)品測試通用型系統(tǒng)的設計。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，而且設計多繼電器控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號切換和數(shù)據(jù)通道切換，實現(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)準確性的關(guān)鍵。因此在測試系統(tǒng)工作前，當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)絡中的過電壓、過電流和短路等嚴重影響著人身財產(chǎn)的安全，電子產(chǎn)品的參數(shù)測量準確性成為研究的主要目標。本文通過對國外某大型公司的電流保護器的參數(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器的參數(shù)測試系統(tǒng)，從自動化、模塊化和集成化程度進行考慮，結(jié)合當前電力網(wǎng)絡的智能化、網(wǎng)絡化等優(yōu)點，結(jié)合電力參數(shù)測量的快速性和準確性，采用單片機控制技術(shù)和 VisualBasic 軟件設計能夠?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行研究：
(1) 根據(jù)項目的需求以及國外某公司一系列的過流保護器的參數(shù)功能分析，查閱國內(nèi)外關(guān)于其他類型的過流保護器的參數(shù)測試系統(tǒng)以及該系列過流保護的文件資料，在了解國內(nèi)外研究技術(shù)的基礎上，分析設計出針對該系列過流保護器的參數(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。
(2) 根據(jù)該系列過流保護器的測試參數(shù)的功能分析，確定了以 VisualBasic語言為主要的上位機測試系統(tǒng)。系統(tǒng)以模塊化為原則，設計出數(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) 為了保證過流保護器參數(shù)測試的快速性和準確性，設計多個通訊模塊來實現(xiàn)上位機與下位機之間利用不同協(xié)議的通信，針對軟件測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集精度和速度進行分析研究，設計出 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行監(jiān)測分析，通過實驗分析尋找最優(yōu)的方法進行數(shù)據(jù)采集，提出運用神經(jīng)網(wǎng)絡和預測控制理論對三種定時器在預測數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，以保證數(shù)據(jù)采集的準確性，并將建立的 ARMA 模型運用到軟件測試系統(tǒng)中，使產(chǎn)品的故障提前預報，達到高效的目的。
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參考文獻（略）