智能化电器的设计
0引言开关电器在电力系统中起着控制和保护等重要作用。随着电力系统自动化水平的不断提高，要求开关电器与变电站综合自动化、配电自动化的发展相适应和配套。于是，自20世纪90年代以来，智能化电器应运而生[1,2]。
智能化电器是在传统开关设备中引入计算机技术、数字处理技术和网络通信技术而发展起来的新一代开关电器。在智能化电器中，实现微机测量、保护和控制，部分或全部取代传统开关设备的二次系统；引入网络通信功能，实现电器之间和电器与电力自动化系统之间的信息交换及信息共享；利用现代传感器技术对开关电器的运行状态进行在线监测。
目前，无论是高压电器或低压电器，电器元件或成套开关设备，都在向智能化发展，出现了智能型低压断路器、智能型接触器、智能型开关柜、智能型预装式变电站等一系列产品，并开始在供配电系统中得到应用。
本文作者根据近年来对智能型开关柜研究开发的体会，探讨智能化电器的功能及其实现方法，介绍硬件与软件的设计方案。
1智能化电器的功能要求与实现
智能化电器是在传统开关电器的本体上安装一个以单片机为核心的智能单元。这一单元集测量、保护、控制、通信和电器本身状态的在线监测功能于一体。由于智能单元是安装在开关设备本体内的小间隔中或开关柜的仪表门上，要求体积比较小。运行环境处于强电磁干扰和强振动的条件下，可靠性要求很高。
a．测量。智能化电器应具有各电量的测量以及电能计量功能，并能通过LCD显示出来，完全取代传统的测量和计量仪表。一般用单片机实现。
b．保护。用微机保护代替传统的继电保护。
c．操作控制。从安全性、可靠性、操作习惯以及成本来考虑，在智能化电器中宜采用现有的操作控制电路对断路器进行分、合闸操作，而不宜采用键盘按键方式代替现有的操作控制开关。
随着智能化电器研究的深入，国外一些公司在一些低压电器中运用了智能控制技术，以提高电器的通断性能[1]。
d．在线监测[2，3]。高、中压电器的状态监测项目较多，例如机械性能、温度、凝露、电气绝缘性能等，可通过选择合适的传感器（如数字温度传感器）予以实现。
开关设备的机械性能在线监测实现起来难度较大，要使用大量的传感器。实际上，对于普通的开关设备，一方面发生机械和绝缘故障的概率较小，难度和成本很大，实际效果也并不理想，笔者认为没有必要考虑这方面的在线监测功能。而预装式变电站、C-GIS等特殊电器在运行中因凝露、温度过高、内部电弧故障而导致绝缘故障的可能性比较大，应配置相应的监测和抑制装置。
对于普通的中压开关设备，其状态监测可考虑以下几项：①断路器操作次数统计，监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修的次数；②开断电流加权值，间接监测断路器触头的电磨损；③母线连接处温度。前两项只需根据电流采样值和软件处理就可做到。
e．通信。智能化电器的通信功能用于电器与变电站自动化系统或变电站微机监控系统中的系统机或配电自动化系统中的RTU设备之间进行双向信息传输，智能化电器向系统机或RTU设备传送被控对象的运行参数、保护整定值、故障信息以及电器本身的状态信息，系统机向智能化电器发出操作指令，改变和调节整定值。通信功能可利用单片机的串行通信接口实现。如果电力自动化系统采用现场总线，则智能化电器也应相应地采用现场总线技术。
2硬件结构与工作原理
智能化电器的智能单元由单片机系统、模拟量输入、开关量输入／输出、串行通信接口、硬件时钟与自复位、人机对话以及电源等功能电路组成，其原理框图如图1所示。各功能模块采用插件式结构，CPU总线不引出CPU插件。智能单元外壳采用金属封闭结构，并要安装机械振动缓冲装置。
单片微机系统可采用8位或16位的单CPU结构，用E2PROM存放保护定值和装置运行控制字等信息，以便就地或远方调整修改。
模拟量包括电流和电压，通道数较多，并要求采样频率高，因此要选用12位高速A／D转换器芯片。
模拟量要经过隔离变换和电压形成环节才能送入A／D转换器。一般采用各种中间变换器来实现。微型互感器小巧轻便，能直接焊接在印刷电路板上；全树脂密封，隔离度高。本例设计对于电流量的隔离变换与电压形成采用了GYA—7型微型电流互感器，其输入电流范围为0～60A，输出电流范围为0～60mA。与常见的方式不同，这里不是在电流互感器的二次侧直接并联一个电阻来实现电流量到电压量的变换，而是在电流互感器的二次侧加一级运算放大器（OP07型）将电流量变换成电压量，可以通过调节运算放大器的反馈电阻尺的值在输出端得到所要求的电压输出，其原理电路如图2所示。
开关量输入／输出包含反映设备状态（如断路器、隔离开关）的接点和智能化装置本身．的输出控制接点。微机保护装置、微机监控装置或其他微机型的自动装置与监控系统之间的通信，大多数通过RS-485接口相连。RS-485为半双工通信，其zui大通信距离为1200m，此时数据传输速率为100kbit／s。如果通信距离为120m，则数据传输速率可达到1Mbit／s。所以，采用RS—485作为智能化电器与系统机或RTU设备之间的串行通信。
人机对话单元接受操作人员的干预，例如保护整定值的输入、工作方式的变更、对智能单元运行状态的检查等。液晶显示屏、信号灯、声音告警等则用于显示系统运行参数或状态。
实时时钟功能用于日历、计时和事件记录（记录故障发生时间、断路器开合时间等），并要求智能单元不工作时也能继续计时。为此，设置了一个硬件时钟电路。它采用一片专用时钟芯片MCl46818构成。硬件时钟芯片同时还用于硬件自复位电路，当程序进入死循环时对装置自动复位。
3算法
3．1测量算法
电压、电流的测量算法采用均方根法，将连续函数离散化后求得电压、电流有效值：
半周积分算法的运算量非常小，而且算法本身具有一定的高频分量滤波能力。通过采用模拟低通滤波和数字滤波措施后，这种算法适合于中、低压系统的电流保护。
4结语
智能化电器的研究与开发应与电力系统自动化的发展相适应，要有与电力自动化系统相配套的通信功能。电器本身状态的在线监测功能要根据需要来设置，要避免“大而全”而造成成本过高的倾向。
本文介绍的智能化电器设计方案具有易于实现和成本低的特点。
