低压配电系统中智能电器的研究

李伟雄

【摘要】智能电网是一个涵盖现代化发电、输电、配电、调控和用电的完整的信息架构和基础设施体系，具有安全性、可靠性、经济性和环保性等特点。文章针对低压配电系统中的智能电器进行了阐述。

【关键词】低配电系统 智能电器 现场总线

随着全球对电网容量、安全性、可靠性、低碳、再生能源的并网等需求的不断上升，智能电网已成为国内外企业和机构研究的核心。为了适应智能电网发展的需要，对构成智能电网特别是用户端的物质基础－低压智能电器的研究已经成为相关元件厂家的核心工作。智能电网的互动、自愈、安全、优化、集成、兼容等特征将在新一代智能电器中体现出来。

1智能电器

随着微电子技术的高速发展，以16、32.位微处理芯片（MCU）、数字信号处理芯片（DSP）、通信协议芯片和各种功能的专用芯片、电压、电流传感器和功率电子器件等组合而成的电子部件嵌入到低压电器中，成为智能化、网络化、小型化、高可靠、节能、环保和安全的新一代电器。

1.1电流采样及换算

电流采样用线性度很好的空芯互感器，输出毫伏至伏级信号，对In（额定电流）＝400A～800A，互感器电流比为630A/100mV，In＝1000A～2000A，互感器电流比为1000A/100mV，In＝2000A～4000A，互感器电流比为1500A/100mV，In＝4000A～6300A，互感器电流比为2000.A/100mV，因电流测量动态范围很大，从几十安到150kA，放大器需用二级，1.5In以下用放大，15In～150kA用缩小。以提高测量精度。放大器可用低通、带通、差动或反相放大。若控制器要测量功率、功率因数等参数时，因空芯互感器是感性的，电流输出相移较大，因而放大器需用积分型差动放大，以补偿空芯互感器的相移，也可用软件补偿。采样信号换算成显示参数，有三种方法：

1.1.1最大值法

计算机采样一个周期（20ms）中的最大值，除以根号2.即为有效值。Irms＝Imax/，即为电流有效值。这种方法适用于波形失真较小，且谐波含量不大的场合。

1.1.2方均根法（亦称真有效值法）

1.1.3查表法

查表法常用的有平方根法和二分查表法两种，用查表法求数值的平方根（即实现开方运算）可以降低计算机的运算量，但需用较多的存储单元。

目前常用的是方均根法。

1.2电压采样及换算

电压采样使用2mA/2mA.的电压型电流互感器，如图1所示。

图1中R可取150kΩ，2W，1%精度（AC300V满量程，测量相电压）或250kΩ，2W，1%.精度（AC500V满量程，测量线电压）或500kΩ，2W，1%精度（AC1000V满量程，测量AC690V）。换算方法与电流相同。

1.3控制器的保护特性

（1）过载长延时反时限保护。DW45.中过载保护有6条特性，常用的是与电流平方成反比特性T1＝（1.5IR/I）2tR＝2.25tR/N2

式中T1—断路器过载时实际脱扣动作时间（s）；

tR—断路器保护整定时间（15s、30s、60s、120s、240s和480s）；

IR—断路器过载保护整定电流（0.4～1.0）In（额定电流）；

N—过载倍数N＝I/IR；I—采样电流有效值。

（2）短延时反时限及定时限保护特性。当I.≥.Isd，且I.≤.8IR.时，为反时限保护

T2＝（8IR/I）2tsd＝64tsd/N2

式中T2—短延时保护实际动作时间（s）；

tsd—短延时保护整定时间，为0.1.s、0.2.s、0.3.s和0.4.s；

Isd—短延时保护整定电流，一般为（1.5～15）IR；

IR—长延时保护整定电流，为（0.4～1.0）In；

I—采样电流有效值；

N—过载倍数n＝I/IR。当I≥Isd，且I＞8IR时，为定时限保护，tsd为0.1s、0.2s、0.3s和0.4s。

（3）短路瞬时保护。瞬时保护采用瞬时电流采样值，当线路中连续2ms的采样瞬时电流均超过瞬时保护电流阈值时即发出脱扣命令，因雷击波的最大宽度为700μs，因而用2ms宽度来判别是雷击波还是短路电流波。

2现场总线局域网

智能电器中，只要有通信能力的控制器，大多数均有RS485.接口，Modbus—RTU通信协议，因目前的单片机中多数均有一个以上的USART（异步串行接口），个别MCU含有CAN或EtherNET（以太网口），因而国内低压智能电器中95%以上是RS485.接口，Modbus—RTU协议。如用户需要高速分层通信，可增加协议转换接口，提高通信速率。

RS485.接口，Modbus—RTU.协议的通信速率为2.4kbit/s、4.8kbit/s、9.6kbit/s、19.2kbit/s和38.4kbit/s。如9.6kbit/s速率，约1ms传送一个字节。

Profibus—DP：最高通信速率为12Mbit/s，是西门子和欧洲标准。

CAM：最高通信速率为1Mbit/s，德国宝马汽车最早使用。

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

Lonworks：最高通信速750kbit/s。

工业以太网（EtherNET）：10～100Mbit/s。

2.1Modbus.—.RTU.通信协议

该协议以点到多点，主—从应答，轮询方式通信，Modbus协议在操作系统七层协议中占了三层，即物理层、数据链路层和应用层。

（1）物理层

1）传输方式：RS485.差动传送。

2）通信地址：1～247号，0号为广播地址，248～255为保留地址。

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

（2）数据链路层

1）传输方式。主—从、异步、半双工、应答方式和轮流式通信。一个主站最多可与247个从站间做应答式通信，同一时刻，主站只能与寻址到的唯一一个从站应答通信，而不允许独立的从站之间交换信息。

2）数据格式。①1位起始位，低电平有效，串口自动生成，8.位数据。②2位停止位，高电平。

3）地址域（ADDRES）。地址域在帧的开始部分，由8位（0～255）组成，0号作广播地址，有效地址为1～247，每个从站设备都有一个唯一的地址。只有被录址到的一个从站才能与主站作应答通信。

4）功能域（FUNCTION）。功能域代码表示被寻址到的从站执行何种功能，Modbus协议有多种功能，智能电器中常用03H、06H多参数修改命令较少使用。

5）数据域（DATA）。数据域中包括一个或多个数据，如运行参数、报警参数、故障参数、整定参数、电能质量分析参数、概要参数和控制命令等。

6）校验域（CRC.Check）。Modbus—RTU.模式采用16位CRC校验。

（3）应用层

03H：主站向从站读取数据。

06H：主站向从站写单个整定参数或发控制“分合”闸命令。

2.2网络拓扑结构

RS485接口，Modbus—RTU.通信协议。

RS485接口，Modbus—RTU.协议单层结构。主站一般为工业PC.机、触摸屏工作站或PLC重要场合常用双机容错方式工作，动态热备份。从站为各种类型的可通信智能电器，以嵌入式CPU或DSP的USART串口输出，经RS485转换，并经光电或磁电隔离，驱动后挂总线，这类总线速率较低（最高38.4kbit/s），但因电路简单成本较低，因而国内生产的智能电器多数采用这种总线。

RS485接口加以太网协议转换。底层（现场级）用RS485接口，Modbus—RTU.协议，中间加了一层以太网协议转换接口，这种协议转换接口对下层用RS485接口，Modbus—RTU.协议，便于与现场级的智能电器联接，一个转换接口可下挂8、16或32个RS485接口。以太网转换接口与从站（智能电器）之间是主—从关系。以太网接口实时扫描读取各从站的信息。以太网转换接口与上层（主站）采用双以太网接口，以提高系统的快速性和可靠性。上层可以用10～100Mbit/s。主站与以太网转换接口之间也是主—从关系。

根据用户配置系统的大小和对传输速率的要求，协议转换接口也可以用Profibus—DP、CAN和DeviceNET等，层数也可分为二层或三层。

3结语

总之，要实现全网范围内的智能化，也必须发展智能配电系统，包括智能配电装备系统和智能配电管理系统。目前国内智能电器已得到各类用户的大量使用，而智能成套开关柜尚趋于样板工程中使用，其实，这类技术已经非常成熟，可通信的智能电器中，均有RS485接口、Modbus—RTU协议输出，各类协议转换接口市场上均有售，上位机（主站）软件可用组合软件改造。

参考文献：

[1]周志敏.智能电器的现状及发展趋势[J]；大众用电；2004年01期.