直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計帶任務書+開題報告+外文翻譯】,直流電動機,轉(zhuǎn)速,控制系統(tǒng),設(shè)計,優(yōu)秀,優(yōu)良,畢業(yè),課程設(shè)計,任務書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯 1 大功率無刷直流電機的儀器與控制在小型車輛 上 的應用 要： 對于小功率車輛上電動機的選擇來說，無刷直流電動機正變得越來越受歡迎，例如輕便摩托車、助力自行車、代步車和本文報道的機動山板。隨著技術(shù)上的飛速發(fā)展，因為鋰化學電池優(yōu)越的充電率和輕重量，像鋰離子聚合物這樣高比能量蓄電池變得更實惠也更適合于車輛。一 些低功率車輛的內(nèi)燃機功率要求高 達 7 無刷直流電動機結(jié)合了大功率、重量輕、低成本的優(yōu)點導致它正成為一種十分有利的解決方案?，F(xiàn)在有一種無刷直流電動控制器，是專門為機動山板應用而設(shè)計的，這個無刷直流電動機控制器帶有位置傳感器，需要霍爾效應傳感器的輸入來確定轉(zhuǎn)子位置的，許多其他的傳感器是用來監(jiān)視電動機操作的關(guān)鍵變量，例如電機相電流、電池電壓、電機溫度和晶體管溫度。報告系統(tǒng)被 一些額外的特征，例如液晶屏幕的輸出，反饋制動，時間 提前，巡航和軟件啟動等進一步增強。這些功能將在下文進行簡要闡述。 關(guān)鍵詞： 位置傳感器的 無刷直流電機控制器 ； 再生制動 ； 時間 提 前 ； 電動滑板 ； 霍爾傳感器。 1 介紹 機動山板能幫助使用者進行極限登山運動，一般限于下坡，到平坦地區(qū)和上坡面。這給用戶更廣泛的登山位置選擇。 一種外轉(zhuǎn)子 經(jīng)被投入應用。這種電機因其低速（ 130），高轉(zhuǎn)矩特性，同時減少了傳動裝置而被青睞，一個比例為 1 的傳動裝置被用來直鏈驅(qū)動。裝置配備功率為 80100機，該電機足夠用來驅(qū)動速度大約在 70km/而，由于驅(qū)動裝置和電池電壓的原因使得登山車的速度限制 在50km/h 的水平。所以，增大了的輪動轉(zhuǎn)矩足夠保證裝置爬上險峻的山脈。 無霍爾傳感器的電機要求產(chǎn)生可測量的反電動勢傳遞給電機控制器，以便能夠確定轉(zhuǎn)子位置的，但因此不能提供換向平穩(wěn)啟動和低速。相反，一個裝有位置傳感器的 夠在任何速度下確定轉(zhuǎn)子位置。同時，在啟動過程中，可以順利換相。專用裝有傳感器的 此而產(chǎn)生的。 2 2 電氣系統(tǒng)綜述 司的 合信號現(xiàn)場可編程微控制器，已被用來根據(jù)來自不同傳感器的輸入信號控制驅(qū)動電路的。該控制器運行用 C 語 言環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動機控制器的運行。圖 1 顯示功能塊的電機控制器。 圖 1 電機控制器主要部件的概述 該電動機控制器使用一個三相 H 橋驅(qū)動電機。 這種電路被選中 ,是因為它允許電動機的四象限運行 ,以及滑行 。如圖 2 所示三相 H 橋的原理圖。 圖 2 驅(qū)動無刷直流電機的三相 H 橋電路 電機控制器應滿足電機的特殊要求，能夠供給連續(xù) 5830能夠連續(xù)提供至少 40A 的電流。 溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管（ ）。它們的優(yōu)勢在于低成本及在兩個 聯(lián)條件下的電流導通能力 [1]。為獲得 130A 的目標電流，兩個 并聯(lián)使用組成六個開關(guān)的三相 H 橋。 3 在微控制器和 間使用柵極驅(qū)動器 原因有三： 自單片機的邏輯信號轉(zhuǎn)換為低側(cè)晶體管 12V 信號，使得 和。 于驅(qū)動高側(cè)柵極 電壓到 12V 以上，使得 橋提供直通可編程死區(qū)時間保護。 柵極驅(qū)動器 柵極之間柵極電阻是用來減緩晶體管的開關(guān)時間。這是為了減少通過 電機繞組 [2]的電流變化率（ ）。當晶體管接通或關(guān)斷時電機繞組會產(chǎn)生感應電勢（自感），電勢的大小和通過繞組的電流變化率成正比。這個感應電壓可能會導致晶體管體承受電壓超過 級，導致它們損壞。設(shè)計這些柵極電阻和并聯(lián)的晶體管在某種意義上 [3]可以減少電路振蕩問題。圖 3 為一個在半橋路中能夠減小振蕩的柵極電阻電路的原理圖。如果需要更多的晶體管并聯(lián)，電路可以進行擴展。 圖 3 柵極電阻的電路圖，以盡量減少 極振蕩 對于保護晶體管，僅僅減緩晶體管的開關(guān)時間是不夠的；母線電容器也被用于吸 收尖峰電壓 [2]。由于存在非常高的電壓尖峰的頻率（約 50 低等效串聯(lián)電阻（ 容是必需的。標準的電解電容的速度難以實現(xiàn)吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓。 電機控制器的電路采用了霍爾效應電流傳感器來測量電機的相電流。如果相電流超過設(shè)定的限制，電機控制器切斷電機電源，以防止電機繞組和晶體管由于電流超過最大額定值而被損毀?；魻栃娏鱾鞲衅鞯妮敵鍪且粋€模擬信號，它和流過導線的電流大小成比例。本應用中還裝有一個雙向電流傳感器，以測量再生制動的電流。 電機控制器還使用電壓傳感器電路以測量電池的電壓。如果電壓低于 規(guī)定的最小電池電壓，電機控制器將切斷電機電源。它的作用非常重要，因為可以防止過分使鋰離子4 聚合物電池組放電，永久地降低電池的容量 [4]。由于寬范圍的工作電壓，電動機控制器能夠在（從 16V 到 70V）電壓范圍內(nèi)運行。使用一個簡單的分壓器電路和一個低通 溫度傳感器安裝在電機和晶體管的散熱片上，如果任一溫度超過預設(shè)值，電機控制器切斷電機電源。主板上的溫度傳感器也可用于監(jiān)測微控制器的溫度。同樣，如果微控制器過熱，電機控制器將切斷電源。 電機控制器集成了一個簡單的再生制 動功能。在平面或上坡過程中的再生能量很少。然而，由于再生制動是唯一一種能夠防止把動能簡單地轉(zhuǎn)換成熱能，使得晶體管散熱片和電機溫度升高的制動方法，所以被本設(shè)計采納。 反電勢的實現(xiàn)，是借用一個升壓轉(zhuǎn)換電路將電機的反電動勢提高到一個比電池電壓更高的水平。圖 4 給出一個基本的升壓轉(zhuǎn)換電路 [5]。 圖 4 壓轉(zhuǎn)換電路 該電路無需任何額外的硬件實現(xiàn)。使用三相 H 橋低側(cè)晶體管作為開關(guān)裝置、電機繞組作為電感，而高側(cè)反激二極管作為升壓轉(zhuǎn)換電路中的二極管。三條電路投入使用，每條對應其中一相。 通過改變低側(cè)晶體管的 空比來改變該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。隨著輸出電壓的增大，充電電流增加，導致增加的制動力。因此，通過讀取制動桿的位置并相應地調(diào)整占空比來控制制動力。 充電電流必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，以防損壞電池組。本應用中使用的鋰離子聚合物電池組，最大充電電流為 20A。通過計算 20A 的充電電流能夠提供足夠的制動力， 30 公里 /小時降到 0。 定時超前在有刷與無刷直流電機 [6]中均有應用。有刷直流電機中，是通過機械地移5 動電刷相對于電機繞組的位置來實現(xiàn)。 機中，是利用電子整流控制電機使得它比 正常運行時提前。 在理想的情況下，定時提前量（用電動旋轉(zhuǎn)的角度表示）可以從零速時 0°連續(xù)變化到最大速度下的電角度數(shù)。這是可以通過微控制器做到的，但它需要大量的處理過程，并需要專用的微控制器 [7]。大量的處理是必需的，因為微控制器必須通過電機的速度預測轉(zhuǎn)子的下一個位置時，然后計算最后一個電機位置換相和下一個換相提前角之間的延時。有了這些信息，微控制器在上一個過渡后一個計算好的時間觸發(fā)。 此應用中，已采取了一種簡單的定時超前，兩套霍爾效應傳感器已被安裝在電機內(nèi)部。一組定位為中性定時，而另一組 則位于 30°（電機旋轉(zhuǎn)）偏離中性時間設(shè)定。第二組的霍爾傳感器產(chǎn)生的信號 30°超前或者 30°滯后。通過電機在 件下的最佳超前時間來確定超前電機角度， 行環(huán)境在 42V 電壓下的最高速。此外，因為電機有一個 12 極定子，每極間隔相差 30°。這意味著無論是中性定時，還是超前定時的霍爾傳感器，可以很方便地安裝在定子磁極之間的間隙中。圖 5 分別示出中性和30°超前電機位置傳感器的信號波形。前三個波形來自中性定時，后三個來自超前定時設(shè)置的電機位置傳感器。這顯示了超前定時超前中性定時 30°電角。 圖 5 中性和 30°超前電機位置傳感器的信號波形 有了這個超前定時角度，它也可以從第二組霍爾傳感器反向產(chǎn)生超前 30°的信號。這是因為超前 30°和延遲 30°在相移 60°（這是電機的位置轉(zhuǎn)換之間的間距）條件下等價。這將導致 30°延遲信號位置一直滯后于超前 30°信號。通過產(chǎn)生這第三個信號，機動板很可能在正、反方向都使用 30°超前定時。微控制器能夠更具電機速度在中性定時和超前定時間進行切換。該軟件利用遲滯，設(shè)定超前定時時，轉(zhuǎn)速 4800 轉(zhuǎn)；中性定時時，轉(zhuǎn)速 4700 轉(zhuǎn)。 6 3 軟件設(shè)計 單片機使用定制軟件進行編程，以允許這種電機 控制器擁有唯一的附加功能。該軟件主要是基于中斷的，以提高計算效率和可靠性。 每次微控制器讀取一個模擬輸入信號，總共 8 個連續(xù)的讀數(shù)，并計算和使用這些讀數(shù)的平均值來設(shè)置新的變量被讀取。這有助于進一步減少來自各種傳感器的模擬信號噪聲的影響。 距離測量是通過計算新的電機位置的數(shù)量。對于這個特殊的馬達，在一個電氣旋轉(zhuǎn)周期轉(zhuǎn)子有 6 種不同位置方式和一個物理周期內(nèi) 7 次換相。 通過車輪直徑 200傳動比為 ，可以計算當電機位置達到 254 時，山板將前進 1 米。當“新位置”計數(shù)器達到 254，距離計數(shù)器就增加 1，“新位置 ”計數(shù)器復位到零。 速度測量是通過使用一個山板上的定時器測量連續(xù)兩個電機的時間間隔。一個位置增量移動的距離是已知的，因此可以計算出速度。在高速行駛時，平均每 8 轉(zhuǎn)讀取一次以提高精度。圖 6 示出了電機控制器的軟件的基本流程圖。 圖 6 微機程序的基本流程圖 7 A．軟啟動 軟啟動功能的目的是為了保護電機和電機驅(qū)動電路在啟動過程被沖擊電流損壞。這是必需的，因為當電機在低速或靜止的，幾乎沒有反電動勢。反電動勢阻止電壓施加到電機端子。因此，電源電壓和反電動勢電壓時，電機兩端承受的電壓有很大區(qū)別。沒有反電動勢，電機承受很大 的電壓。電路中唯一的電阻是導通晶體管電阻（ 2），[9]，電機繞組（ 2），還有非常低的導線電阻。因此，當電機處于靜止或以低速運行，電流可以達到相當大的水平。 當電機運行時，軟啟動功能限制電動機兩端的電壓，可以用作速度控制。這是通過設(shè)置在零速時允許的最大占空比為 5％，而在 1900 加到 100％。這個功能的實現(xiàn)的程序在主循環(huán)中，因此不會影響基于中斷操作的功能。 B．巡航 巡航控制功能采用 制，使得速度保持 設(shè)定上。設(shè)定點取為激活手持遙控巡航開關(guān)那瞬間的速 度。 制器的 空比的變化，以確保當小車爬山時，隨著負荷的變化，速度固定在設(shè)定點。當用戶應用剎車，巡航控制功能被禁用。當用戶停止使用制動器時，新的速度作為設(shè)定點。比例系數(shù)和積分系數(shù)通過實驗獲取。 4 手持控制器 機動山板的用戶界面是一種手持式控制器。此手持控制器中使用的無線遙控汽車發(fā)射器的外殼為基礎(chǔ)。這個外殼被修改，剝出的電路板，切斷電池槽，安裝一個 塊到它里面。觸發(fā)機制被保留，作為油門和剎車控制（拉回到觸發(fā)加速，推動制動）。這里利用了兩個可變電阻器（旋轉(zhuǎn)式電位器），一個是用來設(shè)置控制器的最大 占空比。這個可以限制 最大速的功能是非常有用的，尤其是第一次用這個設(shè)備。其他可變電阻是用來循環(huán)各種顯示在 塊上的數(shù)據(jù)。電動機控制器所使用的有兩個開關(guān)，一個用來打開控制器開啟和關(guān)閉，另一種是用來作為巡航控制通 /斷開關(guān)。手持控制器成品圖如圖 7 所示。 液晶屏只有足夠大能夠顯示兩行 16 個字符。為了顯示更多的數(shù)據(jù)，手持設(shè)備上的一個可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇，這里有六個數(shù)據(jù)顯示： 顯示當前速度，行駛距離，電池電壓和瞬時功率輸。 2．溫度畫面： 顯 示晶體管，電動機的溫度微控制器，以及環(huán)境溫度。 3．最大值屏幕： 8 顯示的最大速度達到最大電流消耗 在運行過程中，最大輸出功率。 4．二級數(shù)據(jù)畫面： 顯示當前轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速和瞬時。 5．程序的 I / O 畫面： 顯示用戶設(shè)置的最大占空比，錯誤代碼，并從電機控制器程序故障代碼。 6．調(diào)試畫面： 顯示瞬時占空比，轉(zhuǎn)把輸出值（用于設(shè)置 空比的值），并且將晶閘管切換到當前狀態(tài)。 圖 7 手持控制器 五 實驗結(jié)果 實驗結(jié)果表明：用卷尺測量時，該板的距離測量對測量精確到 ? 這種測量的分辨率使軟件測量分辨率低至 4 毫米。然而，在測量中，通過在引入不確定性直徑的車輪。因此，直徑、氣壓的變化、和騎手的質(zhì)量都是不確定因素。 實驗證明在 400 米田徑跑道繞場一圈存在 1 米的誤差。 也進行了實驗測試主板上的速度測量的準確性。把速度設(shè)定在 液晶屏上的 17 公里 /小時，并在這樣的速度舉行。然后緊緊粘貼 5 米卷尺。錄像被檢測，以確定行駛 5 米的距離所花費的時間。據(jù)計算，實際的運行速度為 里 /小時。重復試驗設(shè)定速度為 25 公里 /小時。此運行計算的實際 速度為 里 /小時。這些設(shè)定結(jié)果比實際速度稍低，但它在 25 公里 /小時的速度下誤差在 1 公里 /小時以內(nèi)。 9 六 結(jié)論和發(fā)展 作為一個原型，還有很大提升空間。其中一個領(lǐng)域就是基于位置傳感器讀數(shù)電機換向。目前這是通過在 30 千赫的頻率下讀取電機位置的進行檢測。 以更有效地完成基于中斷的觸發(fā)換向功能。它有 4 個外部中斷引腳，可以任意配置是上升沿或下降沿。因此六個外部中斷引腳將需要以觸發(fā)中斷為電機提供位置換相。所以需要改用不同的微控制器，允許電機換向完全基于 中斷的。這將提高換相準確度，并顯著地減少所需的計算資源。 10 繼電保護裝置的電力系統(tǒng)監(jiān)測與控制 S M 要： 現(xiàn)在可以考慮將電力系統(tǒng)保護系統(tǒng)的功能與本地及遠程數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的功能集成起來。結(jié)構(gòu)化的集成方法是必要的。然而，如果要實現(xiàn)所有的效益，一個可以解決先前與這個集成有關(guān)的許多問題的辦法將與它將來將會如何應用于典型的變電站的實例一起被提出來。 關(guān)鍵詞： 數(shù)字通訊 ，集成 1 引言 電力系統(tǒng)輸配電環(huán)境目前的做法是單獨的局部控制，保護與監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能區(qū)分開來。原因之一是技術(shù)上約束限制了可以被確實地實現(xiàn)的集成的數(shù)量。包括硬板在內(nèi)的本地控制設(shè)施，占用了太多的控制室空間。 控制邏輯由硬連線的觸點或者可編程的邏輯控制器構(gòu)成。直到最近，許多設(shè)備的保護（包括模擬設(shè)備），又占用了很多空間。大多數(shù)使用電子和微處理器技術(shù)的現(xiàn)代保護裝置迄今仍集中在減少實現(xiàn)傳統(tǒng)保護功能時所占用的空間。 一般來說，監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)增加了許多，并提供了他們自己的傳感器，接口單元和接線 。這些都與局部控制和保護系統(tǒng)并行增長，盡管這往往導致在許多功能的重復。涉及保護操作的信息已被源于次要的方式的 統(tǒng)所必需。例如，保護的輸出流回 統(tǒng)的數(shù)字輸入單元。 最近的技術(shù)進步已經(jīng)使人們認識到這種重疊度越來越?jīng)]有必要的。由于無限的計算能力可以說履行保護職能的必要的信息都可用的或可使其在 絡(luò)上可用?？梢韵胂竦侥菚r的 統(tǒng)可以通過控制網(wǎng)絡(luò)完成它自己的保護的算法并發(fā)出跳閘信號。在實踐中的可靠性要求和快速故障清除的需要限制了一些像長時間熱過載保護等的專門的實例的實現(xiàn)。一個更可行的辦法是使繼電器內(nèi)信息和控制設(shè)備能夠訪問 果這個實現(xiàn)了，與 統(tǒng)的模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換輸入 /輸出系統(tǒng)的成本將會降低。此外，如果保護設(shè)備提供的控制設(shè)施利用被利用，中央 變電所計算機也可以被用來取代大部分本地控制系統(tǒng)。 在一個全面控制包內(nèi)集成保護功能失敗的原因之一是巨量的處理需要?，F(xiàn)代數(shù)字保護繼電器用目前最先進的微處理器提供復雜的保護功能。很顯然，當這些中很多都是圍11 繞一個變電站展開，在一個中心點中，囊括他們的功能的所有處理能力是強大的。另一方面，用于 統(tǒng)的模擬和數(shù)字傳感器和數(shù)字輸出單元一樣都是相對簡單的設(shè)備。他們的同等設(shè)備已經(jīng)存在于保護中，并使得他們訪問 統(tǒng)時僅僅需要增加一些通訊設(shè)施。 該保護裝置取代大多數(shù)本地控制和 I / O 系統(tǒng)的能力取決 于其以有組織的和確定性的方式進行通訊的能力。使保護性能不受損害，同時還滿足當?shù)氐目刂坪徒y(tǒng)的要求是至關(guān)重要的。從本地控制和 統(tǒng)的觀點來看，最主要的要求就是為模擬輸入測量和記錄數(shù)據(jù)，為信號器和報警器提供數(shù)字輸入數(shù)據(jù)，以及控制設(shè)備的數(shù)字輸出。對于一般指示而言，大多數(shù)測量數(shù)據(jù)只要超過 5％的精度就足夠了。用于可視化顯示的模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)需要每秒鐘掃描一次，事件記錄順序的相對精度要求超過全系統(tǒng)比絕對精度要重要。通常需要達到 ± 1分辨率?？刂祈憫獣r間應在 200毫秒左右。 2 繼電保護通訊 訊哲學 保護繼電器的首要職能仍然是電力系統(tǒng)的保護。因此，至關(guān)重要的是繼電器的保護性能不受數(shù)據(jù)的監(jiān)測和控制的要求妥協(xié)。正是由于這個原因，提供分離于任何繼電保護通訊系統(tǒng)的要求的監(jiān)視和控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)被認為是必須的。例如在一個封閉的體制下，阻塞信號將會通過他們自身的保護傳輸?shù)男盘栨溌啡缭嚲€驗，而不是在監(jiān)視和控制通信鏈接。通過這種方式保護的決定性的行為被維持下來。 此外，仍然存在著這樣的用戶，他們不需要部分或所有可用的功能。對這些用戶來說，繼電器的操作不依賴于通信鏈路監(jiān)測和控制，而全面的保護功能當這樣的鏈 接尚未安裝時仍可以實現(xiàn)是非常重要的。 如果它們能在所有的公用事業(yè)的電力系統(tǒng)的相關(guān)要點安裝，繼電通信的所有好處才能實現(xiàn)。這不會在一夜之間發(fā)生的，因此，當它變成必需的的時候，任何被選擇的系統(tǒng)可以在整個系統(tǒng)零碎的基礎(chǔ)上安裝是非常重要的。 影響一個中繼通信注冊的采取的主要因素之一是用戶成本。這個成本不僅包括繼電器硬件上的額外成本，還包括布線成本，設(shè)置和配置成本和持續(xù)運營成本。因此，采取措施來控制這些地區(qū)的所有費用是重要的。減少這些成本應該是通過 統(tǒng)及從系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)業(yè)務的運行儲蓄增加來實現(xiàn)的。 信拓撲 使用大量的不同的通信拓撲來連接到 統(tǒng)和保護繼電器是可能的。拓撲12 結(jié)構(gòu)的選擇是非常重要的，因為它和系統(tǒng)的通信效率有直接的關(guān)系。 圖 1 簡單的保護 / 統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu) 一個簡單的連接形式是單獨連接每個中繼遠程終端單元（ ）的數(shù)字通信裝置的設(shè)施。這些 次連接到 絡(luò) —— 見圖 1。這些 作為網(wǎng)絡(luò)交換機的行為，主要的 統(tǒng)負責真實的信息輪詢。在這種拓撲結(jié)構(gòu)的保護繼電器實際上變成了智能傳感器。有一個依據(jù)被取代的傳感器的對 統(tǒng)的節(jié)省，但是這可能是 被更復雜的 抵消。即使在這個簡單的水平上，從繼電器獲得的額外數(shù)據(jù)量仍對 統(tǒng)有好處。遺憾的是，正是由于同樣的數(shù)據(jù)量的增強最終限制了這種系統(tǒng)的性能。 圖 2 多點連接的使用 13 改善的通訊拓撲結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。幾個繼電器連接到一個 單一通信的一種鞭策。這依賴于保護繼電器的與通信鏈路多點連接的能力。這個方案中的 要負責所有連接的單元的輪詢。信息可以通過這種方式進行預處理，并且所有的數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少。這需要一個更復雜的 單一的 可以處理更多的繼電器，因此可能需要更低的布線復 雜度。這一原理在理論上可以擴展到整個變電站，只用一個所有保護繼電器進行通信。在實踐中，出于數(shù)據(jù)速率的考慮，并且從可靠性角度來看這是不可能的。單一通道上可以連續(xù)檢測到的設(shè)備的數(shù)量，取決于波特速率和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。 圖 3 變電站中央計算機的使用 一個更復雜的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。該拓撲結(jié)構(gòu)采用 C 作為一個變電站計算機兼容的計算機?？煽啃员徽J為是一個難題時次要從動計算機與第一計算機并行添加。該變電站的計算機取代了上述的 給用戶提供了許多便利。首先，現(xiàn)在除了絡(luò)遠程控制設(shè)備之外，在 變電站內(nèi)還有個本地控制點?？梢圆扇∧M圖表方案的形式，用面板計量，報警器等完成，假若需要的話，可以釋放的本地控制系統(tǒng)面板的大部分空間。該變電站計算機負責所有連接設(shè)備的連續(xù)監(jiān)測工作，并且對主要的統(tǒng)的制定出大量的預處理數(shù)據(jù)。特別是在下列的故障情況下電腦立即執(zhí)行本地數(shù)據(jù)記錄到自己的磁盤，減輕了 統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)處理負擔。隨后，根據(jù)需要，此數(shù)據(jù)不論是在變電站本地計算機還是 統(tǒng)的遠程終端都是可用的。在所有繼電器的調(diào)試時期，該變電站計算機也可以用來作為一個接入點。 獨立的通訊激勵可能被用于的 每一個變電站地區(qū)，每一個都具有可以支持 32 個繼電器的能力。單一的計算機可以提供多達八個端腳，理論上提供 256 個繼電器的容量。在這樣的系統(tǒng)中，一個現(xiàn)代計算機仍有可能從每個繼電器中以高于每秒一次的速率獲得14 數(shù)據(jù)。 萬一這種繼電器的數(shù)量不夠，變電站計算機可能進一步增加。這些可能被單獨連接到 統(tǒng)中。另外，一個可選的額外層次的變電站計算機的相同控制設(shè)施可以如圖 4 添加。注意：現(xiàn)在，每個變電站計算機可能物理上是遠程的。不值得一提的是這最后的拓撲結(jié)構(gòu)實際上已經(jīng)以自己的方式成為一個小型的 統(tǒng)。對許多更小的單元來說，這一解決方案可提供所需的所有遠程設(shè)施。 圖 4 多層次的拓撲結(jié)構(gòu) 信硬件 數(shù)字通信的硬件可以采取多種形式，其中大部分是不適合在電力系統(tǒng)環(huán)境中使用的。首先要在平行和串行系統(tǒng)中作出選擇。同時并行系統(tǒng)涉及了幾個（通常是八或十六）單獨電線若干位的信息傳輸。這樣的系統(tǒng)比串行系統(tǒng)提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，但涉及到更高的布線成本?；谶@個原因，他們不適用于作為電力系統(tǒng)的監(jiān)視和控制的通用解決方案。 串行通信涉及一個比特的數(shù)據(jù)流在一單對電線上一次一比特的數(shù)據(jù)流的實時傳輸。顯然，布線成本減低了按比例降低的整體 數(shù)據(jù)傳輸速率。用于監(jiān)測和控制應用的速度較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率仍然保持可以接受的和幾乎專用的串聯(lián)式通訊。 目前被普遍用于保護繼電器的通訊硬件遵守美國電子工業(yè)聯(lián)合會的 準，這采用所熟悉的 9 路或 25 路“ D”類連接器。這通常被用來將繼電器連接到私人電腦（有時直接，或通過調(diào)制解調(diào)器），使得繼電器被設(shè)置，并允許將故障信息后被提取。 由于他們幾乎通用的實用性， 連接非常方便。 接也有它的局限性使他們使用的監(jiān)測和控制應用軟件數(shù)量較少。其中最嚴15 重的是， 為點對點系統(tǒng)而設(shè)計。一個單一的設(shè)備 只能通過給定的鏈接與一個其他的設(shè)備進行通訊。如果需要與其他的設(shè)備進行通訊，，如果他們是用于對變電站內(nèi)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和控制，必須提供單獨的鏈接。另外，多路轉(zhuǎn)接器或代碼開關(guān)可以被添加，盡管這將普遍增加一些關(guān)于這些鏈接是如何實現(xiàn)的限制的種類。 增加剛剛超過 15，最大數(shù)據(jù)速率是 波特的通訊鏈接的物理長度的限制。這也可以克服，但是又需要額外的設(shè)備。最后的 提供任何有效地絕緣水平。光隔離的 口可以被制造出來，但這些都很昂貴。 更合適的通信標準是 使得單一總線可以連接 一個多達 32 個節(jié)點的多點連接系統(tǒng)，足以連接至少一個海灣的繼電器 最大傳輸距離是 1200 米，超過這個距離的最大數(shù)據(jù)傳輸速率超過 波特，明顯地比 快更進一步。它采用比用于 以地為參考的不平衡驅(qū)動器更少受到干擾影響的平衡驅(qū)動器和差分信號。 要一個成本低且易于終止的鎧裝的雙絞線電纜。在電力工業(yè)中通常典型地采用與用于 相同的用 25 路或 9 路“ D”類連接器終止，在變電站環(huán)境中，這些連接器并不真正適合，而傳統(tǒng)終端才是首選。 對大多數(shù)用戶來說，光纖在直接連接兩個繼電 器之間的使用仍然是昂貴的。尤其是在配壓水平。然而光纖適用于連接距離超過 1200 米或者受干擾的風險很高的繼電器的本地網(wǎng)絡(luò)到遠程主站。在這種情況下調(diào)制解調(diào)器被用于將一組繼電器連接到光纖上。對于電氣通信，有狠多不同的解決方案可供選擇。對于長達四，五公里的距離， 850多模光纖是相當適用，并提供相對低的復雜性。對于更長的可達 25 公里左右距離的，1300單模光纖都可以使用。這些都需要更復雜的發(fā)射器和接收器，然而他們在電信業(yè)界的廣泛使用意味著甚至在短距離內(nèi)很可能比 850纖維更經(jīng)濟。 串行數(shù)據(jù)通信可分為 異步或同步的。 信繼電器的端口總是異步的。在異步系統(tǒng)中，定時或同步信息傳輸每個字符一起傳輸。在同步系統(tǒng)中的一種獨立的時鐘被發(fā)送，或者接收器從數(shù)據(jù)本身中獲取時鐘信息。同步系統(tǒng)比異步系統(tǒng)更復雜，但大約可提高 20％的效率。更重要的是字符間的同步系統(tǒng)之間的差是固定的。這使得調(diào)頻（ 編碼方法可用，從而導致信號中沒有直流分量。因此， 統(tǒng)的隔離問題，可以用簡單的隔離變壓器很容易地克服。調(diào)頻編碼的第二個好處是，這兩個信號線都是非極化的，可以自由地在整個系統(tǒng)互換?，F(xiàn)代串行控制芯片使得在不增加成本的 吸收的情況下增加同步傳輸系統(tǒng)額外的復雜性。 總之，一般的通信接口，使用調(diào)頻編碼的某種形式的多點同步 輸是目前在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的測量和控制應用中最適合使用的。這可以為電力電子干擾免疫系統(tǒng)環(huán)境提供足夠、快速的經(jīng)濟交流。 16 信語言 成功的數(shù)字通信不僅僅取決于兼容的通信硬件，也取決于所用的通訊語言和協(xié)議。傳統(tǒng)的繼電器制造商（與在其他領(lǐng)域的相同）已經(jīng)開發(fā)出自己的語言。當沒有必要將繼電器整合到控制系統(tǒng)時，這已經(jīng)變得不那么重要。當繼電器已經(jīng)被整合，定制的解決方案對每個不同的繼電器的定制的項目是必須 的。他的成本對大多數(shù)的用戶來說是不經(jīng)濟的。 到現(xiàn)在為止，還沒有提出適用于所有的護繼電器的語言。大多數(shù)語言的主要缺點是，他們假設(shè)主站必須對繼電器都了如指掌。如果需要一個特定的數(shù)據(jù)塊，則要求使用的繼電器的內(nèi)存位置或一些設(shè)備的特定代碼。這個地址必須明確編碼到主站軟件。此外，該繼電器典型地響應未格式化的數(shù)據(jù)。主站必須假定響應的范圍并相應地進行轉(zhuǎn)換。大量數(shù)據(jù)必須從提取的繼電器一系列的問題中提取出來，并進一步整合。即使在通訊是基于一對一，如果主站軟件版本與那個繼電器的不匹配，錯誤仍然會發(fā)生。 這里介紹的語言克服了這些問 題。它適用于所有繼電器和其他的 I / O 設(shè)備，而且它并不要求主站對每個繼電器類型都了如指掌。這一語言設(shè)計用于存儲于每一個個別的繼電器的數(shù)據(jù)庫。繼電器使用該數(shù)據(jù)庫來存儲所有數(shù)據(jù)和設(shè)置。該數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容繼而可以通過通信鏈路訪問。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)非常類似于一個電子表格，由行和列組成的單元格構(gòu)成。一個單元格是在數(shù)據(jù)庫中可以訪問的最小單位，因此可以只包含一個數(shù)據(jù)項。該系統(tǒng)與以前的系統(tǒng)不同，因為現(xiàn)在整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫分布在各個獨立的繼電器，而不是集中在主站。這樣做的好處是，繼電器特定的信息嵌入在繼電器中，而不是在一些專門的主站 軟件中。此外，該通訊語言可以被減少為在分布式數(shù)據(jù)庫上執(zhí)行特定操作的一系列通用的命令。 圖 5 數(shù)據(jù)庫布局和單元格類型 該數(shù)據(jù)庫包括了三個不同類型的單元格，每一個都是以前的超集。見圖 5。三種單元格類型是標題單元格、值單元格和設(shè)置 /控制單元格。標題單元格包含一個簡單的文本17 塊。這些都是作為分割標簽將數(shù)據(jù)庫分成不同的領(lǐng)域。。最常見的標題單元格是數(shù)據(jù)庫列標題單元格。值單元格包含一段文字來描述他們的內(nèi)容以及一項可讀的值。這個值最本質(zhì)的是一個指導主站如何進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型。典型的值單元格是測量的值如：相電流，如型號等 的設(shè)備信息，波形記錄等。設(shè)置 /控制單元格與值單元格非常相似，但它們的內(nèi)容可以被改變。此外，這些單元格額外地包含單元格和有效的步驟的最大最小值的信息。典型設(shè)置控制單元格是如電流閾值、如斷路器控制系統(tǒng)的控制單元格等的繼電保護的設(shè)置。 單個單元格組合在一起成為相關(guān)信息的列。每一列中第一行的單元格是描述列內(nèi)容的標題單元格。這一組織結(jié)構(gòu)在所有繼電器中是不變的。因此，任何繼電器的內(nèi)容可以以同樣的方式閱讀。首先列標題被提取并以菜單的形式呈現(xiàn)給用戶。從這個菜單中，用戶可以選擇一個特定的列。在選定列中的每個單元格的文本和數(shù) 值被提取并再次以菜單的形式呈現(xiàn)給用戶。單元格可以被選定來進行進一步的操作。通常情況下這可以改變設(shè)置，在模擬顯示中分配測量值，記錄到光盤或?qū)崟r繪圖。 實際上，所有的繼電器類型都包含一定量的公共信息。這包括繼電器類型，型號和序列號，位置以及通訊地址等。這通常是繼電器首次被連接時主站所需的信息。一個特殊的命令可以用來提取這些數(shù)據(jù)，但是一個更好的解決辦法是把所有的數(shù)據(jù)組成一組放在保留的列。列的格式是固定的，但數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以和所有其他數(shù)據(jù)一樣用同樣的方式提取出來。 所描述的訪問方法可以用簡單，直觀，無需用戶手動訪問特 定的數(shù)據(jù)塊的方法來執(zhí)行。此外，該方法在任何數(shù)量的繼電器時都是始終如一的，如果進一步添加繼電器到系統(tǒng)中也無需升級。 從主站的觀點來看，訪問數(shù)據(jù)庫所用的命令是非常少的。最常見的有： 獲取列標題 獲取列中的文本 獲取列值 獲取單元格文本 獲取單元格數(shù)據(jù) 獲取單元格范圍 預加載新設(shè)置 執(zhí)行設(shè)置 中止設(shè)置 依據(jù)需要，更復雜的序列將會根據(jù)這些簡單的命令建立起來。 18 間序列和事件序列記錄 現(xiàn)存的 統(tǒng)的最重要職能之一就是事件的記錄次序。這給系統(tǒng)工程師根據(jù)系統(tǒng)中事件發(fā)生的先后順序提出了寶貴的見解。舊 系統(tǒng)的精度為± 10個功能是目前是由采用數(shù)字輸入監(jiān)控系統(tǒng)事件的 統(tǒng)的遠方終端單元來運行的。這些事件通常是使用分布在變電站周圍的系統(tǒng)同步脈沖進行實時追蹤的。通常比事件的絕對時間更為重要的是系統(tǒng)中與其他事件相關(guān)的時間。 新一代的保護繼電器的現(xiàn)在包括他們自己的事件次序記錄設(shè)備。此外，這些設(shè)施可以使用備用繼電器輸入通道進行擴展，覆蓋時間的獨立的 I/ O 模塊并不與事件有明確的關(guān)系，為了實現(xiàn)這一目標，已想出時間同步的新方法，不再需要獨立的時鐘同步布線。而不是試圖在每個單獨的繼電器內(nèi)實現(xiàn)時鐘同步，繼電器的 時鐘允許自由運行。每個繼電器內(nèi)的事件都是實時追蹤自由運行的時鐘。這是來自于微處理器的時鐘和± 1 毫秒的分辨率是了以獲得的。 顯然，當這些事件記錄被傳輸?shù)阶冸娬居嬎銠C，不同繼電器的事件將會失步。這個問題可以通過也傳輸繼電器時鐘的當前值來解決。這將與變電站計算機時鐘進行比較，差值將被用來計算事件的精確時間。 3 結(jié)論 最初，隨著數(shù)字技術(shù)引入到保護繼電器，其目的是模仿原機電設(shè)備的運行。最近，隨著數(shù)字技術(shù)的進步，保護性能和操作界面也進行了改進。最新一代的基于微處理器的繼電器將遠遠超過他們的前輩的性能的設(shè)備。尤其是將有 可能將本地和遠程控制系統(tǒng)的保護系統(tǒng)整合起來。這種整合的結(jié)果將是降低成本，并增加在電力系統(tǒng)中獲得的可用數(shù)據(jù)。 如果要實現(xiàn)充分利用這種集成，一個結(jié)構(gòu)化的方法是必需的，以用來驅(qū)動系統(tǒng)那么大的解決方案。一個分層的通過變電站計算機連接到變電站網(wǎng)絡(luò)的遠程控制系統(tǒng)已經(jīng)被提出。此外，變電站計算機可以取代大多數(shù)的本地控制系統(tǒng)。 對于這樣一個廣泛用于分配和傳輸層面的系統(tǒng)來說，與系統(tǒng)相關(guān)的安裝成本的降低時非常重要的。這是通過使用一個低成本的通信網(wǎng)絡(luò)和支持分布式數(shù)據(jù)庫的設(shè)備信息的語言來實現(xiàn)的。即設(shè)備特定的信息存儲在個別繼電器，而不 是硬編碼到主站。 這些在整個電力系統(tǒng)可用的信息包括每相的儀表值，報警，設(shè)備狀態(tài)，事件記錄次序，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和干擾波形記錄。 所有這一切都可以用在本地變電站，并且遠程上不增加 統(tǒng)額外的處理負擔。