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基于单片机的智能化断路器设计
Design of Intelligent Circuit Breaker Based
on MCU
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目 录
摘 要………………………………………………………………………………………
I
ABSTRACT
…………………………………………………………………………………
II
第
1
章绪论
1
1.1
课题背景
1
1.2
国外现状和发展趋势
1
1.2.1
发展现状
1
1.2.2
发展趋势
2
1.3
智能断路器的基本原理
2
1.4
本文的主要容
3
第
2
章控制器的硬件设计
4
2.1
单片机系统
4
2.2
电压、电流互感器
6
2.3 AD
转换模块
6
2.3
人机交互模块
7
2.4
温度检测与时钟电路
8
2.5
通信模块
9
2.6
本章小结
9
第
3
章控制器的软件设计
10
3.1
主程序
10
3.2
保护模块软件设计
11
3.2.1
三段电流保护软件设计
11
3.2.2
接地故障保护软件设计
13
3.2.3
过电压、欠电压保护设计
14
3.3
通信模块软件设计
14
3.4
本章小结
15
第
4
章控制器的仿真与分析
16
4.1
基于
Proteus
的保护仿真模块
16
4.2
过载长延时保护性能测试
19
4.3
短路延时保护性能测试
19
4.3
单相接地保护性能测试
20
4.3
过压保护性能测试
20
4.4
本章小结
21
2 / 27
结论
22
参考文献
23
致
25
摘 要
低压断路器是供配电系统中的一种控制与安保装置，对供电系统起着举足轻重的作
用。本文在断路器智能功能实现的基本原理上，对主控制单元进行了硬件和软件的研究
与设计，从而实现断路器的智能保护功能。
在学习和总结国外文献和资料的基础上，设计了以 Atmel 公司的 AT89C51 芯片作
为系统的控制核心，对现场的状态信息进行实时读取和判断，以实现故障判断与保护功
能。硬件设计主要包括：CPU 系统、数据采集模块、AD 转换模块、人机交互模块、通
信模块、温度检测与时钟电路；软件设计包括：三段电流保护、接地保护、过电压和欠
电压保护、通信模块等软件的设计。最后，为了验控制器的智能保护效果，在 proteus
仿真环境下搭建了仿真模型，并对仿真结果进行了分析，数据表明控制器达到了设计要
求。
关键词：断路器；智能控制；单片机；proteus
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ABSTRACT
Low voltagecircuit breakers is a distribution network control and protection devices for
safe and reliable operation of the entire power grid plays a vital role. In this paper, the basic
principle of intelligent circuit breaker, intelligent control unit hardware and software design,
intelligent circuit breaker protection.
On the basis of studying abroad and summary information on the design with Atmel's
microcontroller AT89C51 bit control core, on-site data collection and real-time judge, in
order to achieve fault protection. Hardware design includes: CPU system, data acquisition
module, AD converter module, human-computer interaction module, communication module,
temperature detection and clock circuit; software design includes: three sections designed
current protection, ground fault protection design, overvoltage and undervoltage voltage
protection design, communication module software design. Finally, in order to verify that the
protective effect of the controller in proteus simulation software to build a simulation model,
and the simulation results are analyzed, the data indicate that the function controllers meet the
design requirements.
Key words:Breaker；Intelligent control；MCU；proteus
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第
1
章
绪论
第
1
章
1.1
课题背景
随着现代科技的飞速发展、经济的迅猛增长，各种高精度电子设备得到了广泛的应
用，对电网的供电质量提出了严重的挑战，这就要求电力行业不断更新完善供电技术，
使整个电网安全、经济、可靠、高效的运行
[1]
。
断路器是保护电网和负载发生故障的低压开关设备，对整个供电系统起到至关重要
的保护作用。传统断路器的保护功能是通过电磁部件实现的，其保护精度差，抗干扰能
力低，可靠性不高，若器件故障，容易引起误动作
[2]
。随着自动化和智能化水平的逐渐
提升，早期的断路器已不能满足现代技术发展的要求。在电力电子技术、微处理器技术
以与传感器的发展推动下，提出了可智能化的断路器使，使其在性能上得到了质的飞跃
和发展。
智能断路器采用高性能的微处理器为主控制芯片，可对电压、电流、频率、温度等
各种现场信息进行实时采样、显示和处理，其部具有电流保护、接地保护、过电压与欠
电压等保护功能
[3]
。此外，用户可以根据实际情况来设置整定值，通常具有故障诊断、
故障信息查询、报警与实验等功能。本文主要是基于单片机的智能断路器的控制与研究。
第2章 1.2 国外现状和发展趋势
1.2.1
发展现状
国外对电力自动化保护的研究起步相对较早，在
60
年代中期，由英美等发达国家
率先提出使用计算机来实现电力自动化保护的概念，但受到当时微处理技术的制约，该
概念在实验初期就搁置了
[4]
。在
80
年代初期，随着集成电路技术的不断成熟，使功能较
完备的断路器得以实现。到上世纪末期，电力系统自动化保
护技
术得到了快速的发展，
已经在全世
界范
围逐渐推广。目前，在国外产
品中
具有代表性的主要有施耐德公司的
Masterpact MT
系列、
ABB
公司的
F
系列、梅兰日兰的
M
系列、三菱公司的
AE
系列、
西门子公司的
3WN
系列。
国对于这方面的研究起步较晚，可追
溯到
上世纪七、八十年代。目前国的产
品可
分为三代：第一代以
DW10
、
DZ10
等系列产品为代表，由于当时的技术功能不完善，
所以没有在市场上得到推广。第二代主要包括自开发产品和引进产品两种系列，自开发
系列以
DW15
、
DZ20
为代表，引进技术系列主要以
ME
、
TO
、
TG
、
3TB
、
B
系列为
代表，其性能较第一代产品得到了相对的提升
[5]
。第三代产品则以
DW45
、
S
等系列为
主，其性能与国外
90
年代产品类似。目前，智能化的断路器在国得到
了广
泛的使用，
并提出了可通信的智能功能，其主要是在智能化的基础上加入了
CAN
总线通信功能，
