低压断路器群组智能控制器的研究

论文摘要

船舶电力系统在运行过程中，由于各种原因导致故障发生，特别是短路故障，要求实现船舶电力系统短路选择性保护。以前更多的是采用时间原则或电流原则来实现选择性保护，两者都有各自的不足。因此，研究区域选择性联锁来实现船舶电力系统选择性保护。配电系统分为多个区域，在这一区域内根据设定好的断路器之间的协同关系，同时把时间原则和电流原则考虑进去，能够减小故障波及范围，缩短总的故障时间，为船舶电力系统选择性保护提供更为可靠地保证。实现区域选择性联锁一个重要的前提是断路器的智能化，因此设计了一种新型智能控制器，即用于船舶低压配电系统的断路器群组控制的智能控制器，其改进之处是，将断路器的信号采集单元和动作执行元件安装在断路器本体之中，而智能控制器则与断路器本体相分离开来，单独设计成一个智能控制器装置，断路器本体和智能控制器之间通过信号电缆连接，智能控制器能够控制单个或多个断路器实现故障保护。文章首先阐述了船舶电力系统选择性保护以及船用断路器存在的一些问题，回顾了国内外在这些领域的研究现状，接着较为详细的分析了区域选择性联锁在船舶电力系统当中的应用，以及相关理论算法在智能控制器当中实现，然后主要讨论了群组控制器的硬件设计和软件设计，最后通过实验来验证系统，获得测试结果。硬件设计部分包括DSP最小系统电路、信号调理电路、脱扣电路、电源供电电路和数据通信电路等。信号调理电路和脱扣电路是设计的重点，在信号调理电路中针对互感器采集电流范围较广，设计了两路放大电路，一路放大倍数较大，用来放大小电流时的信号；另一路刚好相反，用于大电流的信号调理。脱扣电路设计了数字脱扣电路，同时增加模拟脱扣电路作为后备保护，提高断路器动作的可靠性。软件部分，DSP程序设计主要完成三段电流保护功能，并完成电压和电流等有效值的测量、谐波分析、区域连锁等功能，还需要操作指令、显示、通信和事件记录等请求做出及时响应，DSP处理的工作量大，实时性又要求高，采用前后台操作的模块化编程模式很难完成软件的开发。因此，将嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ移植到DSP当中，进行控制器软件开发。实验表明，本文所研制的低压断路器群组智能控制器基本上达到了预期的设计效果，为今后新型智能断路器在船舶电力系统上的应用提供了思想方法和设计依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 相关领域概述及研究现状
• 1.3 课题的主要研究任务
• 第2章 船舶电力系统的短路选择性保护
• 2.1 船舶电力系统的概述
• 2.2 船舶电力系统的短路选择性保护
• 2.2.1 时间原则整定
• 2.2.2 电流原则整定
• 2.3 区域选择性联锁保护
• 2.3.1 区域选择性联锁工作原理
• 2.3.2 区域选择性联锁解决方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 群组智能控制器的理论研究
• 3.1 船舶电力系统短路研究
• 3.1.1 三相短路电流分析
• 3.1.2 三相短路电流仿真
• 3.2 控制器算法与保护功能的实现原理
• 3.2.1 数字滤波算法研究
• 3.2.2 参数测量算法研究
• 3.2.3 三段电流保护的原理及实现
• 3.3 电力谐波分析与研究
• 3.3.1 电网谐波参数分析
• 3.3.2 电力谐波算法研究与仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 群组智能控制器的硬件设计
• 4.1 硬件总体设计
• 4.2 DSP 最小系统设计
• 4.2.1 DSP 电源设计
• 4.2.2 外扩存储器
• 4.3 信号调理电路设计
• 4.4 脱扣电路设计
• 4.4.1 数字脱扣电路
• 4.4.2 模拟脱扣电路
• 4.4.3 可切换参考电平电路
• 4.5 电源模块设计
• 4.6 键盘与显示模块设计
• 4.6.1 键盘接口设计
• 4.6.2 LCD 接口设计
• 4.7 CAN 通信模块设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 群组智能控制器的软件设计
• 5.1 实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ 概述
• 5.1.1 μC/OS-Ⅱ 简介
• 5.1.2 μC/OS-Ⅱ 在 DSP 上的移植
• 5.2 用户应用程序总体设计
• 5.2.1 任务划分与优先级设计
• 5.2.2 软件程序总体设计
• 5.2.3 数据采集程序设计
• 5.2.4 短路保护功能程序设计
• 5.2.5 数据处理程序设计
• 5.2.6 按键与显示程序设计
• 5.2.7 CAN 通信程序设计
• 5.3 上位机软件软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 实验结果与系统分析
• 6.1 实验结果与分析
• 6.1.1 测量实验与分析
• 6.1.2 三段电流保护实验与分析
• 6.1.3 谐波检测实验与分析
• 6.2 系统误差分析
• 6.3 系统抗干扰分析
• 6.4 本章小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢