第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.1.1智能脱扣器的基本功能和设计要求
（2）人机交互功能
由于断路器为操作面板的安装面积、脱扣器本身的
电源负载能力及成本等因素，这种人机交互功能一般：
◆用PID开关或拨码开关完成现场设置；
◆通过发光二极管指示当前选择的脱扣器保护特性、
脱扣器工作是否正常及故障时的故障类型。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.1.1智能脱扣器的基本功能和设计要求
（3）脱扣器工作电源要求
一般塑壳断路器的智能脱扣器电源模块都采用电流
互感器作为交流供电电源。
本例设计的脱扣器需要两种直流电源：
◆+5V为脱扣器中央处理与控制模块和人机交互模块电路
供电；
◆+12V为断路器脱扣的磁通变换器提供能量，并作为+5V
电源的输入。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.1.2智能脱扣器的硬件设计
本例设计的智能脱扣器硬件包括4个模块：
●
●
●
●
电流信号检测调理模块
中央处理与控制模块
人机交互模块
输出驱动模块和电源模块
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.1.2智能脱扣器的硬件设计
智能脱扣器的总体结构图：
整
定
值
状
态
Ia
电
输
入
单
元
指
示
灯
人
机
交
互
模
块
Ib
Ic
流
互
感
器
电流信号
检测调理
模块
中
央
控
制
模
中央处理单元
低电压检
测单元
输出驱动
模块
块
电源模块
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8.1.2智能脱扣器的硬件设计
（1）电流信号检测调理模块
电流信号检测调理模块包括信号调理电路和采样环
节。
信号调理电路把电流互感器的二次输出电流变为与
采样环节模拟输入端兼容的电压信号，由采样电阻、阻
容滤波电路和比例放大器。
采样环节采用中央处理与控制模块选用的处理器内
置器件。
第8章智能电器及其应用系统
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8.1.2智能脱扣器的硬件设计
（1）电流信号检测调理模块
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.1.2智能脱扣器的硬件设计
（2）电源模块
电源能量直接取自一次电路中的电流互感器，脱扣
器电源模块需要提供+5V和+12V两种电源。
稳压
电流互感器
DZ2
M1
R1
R2
R4
U1
C2
电路
输出
C3
C1
DZ1
R3
第8章智能电器及其应用系统
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8.1.2智能脱扣器的硬件设计
（3）中央处理控制模块
中央处理控制模块是脱扣器完成数据处理、控制与
保护及其他功能的核心，其电路结构设计和处理器件的
选择是脱扣器硬件设计的关键。
本例设计中，中央处理与控制模块选择单处理器单
芯片结构，处理器件选用了Microchip公司的PIC16F87A
增强型Flash微控制器。
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设计实例
8.1.2智能脱扣器的硬件设计
（4）输出驱动模块
输出驱动执行元件为MOSFET，脱扣器操作部件是磁
通变换器。
第8章智能电器及其应用系统
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8.1.2智能脱扣器的硬件设计
（5）人机交互模块
人机交互面板只配置保护动作阈值的整定输入和脱
扣器工作状态指示。
保护动作阈值整定输入采用拨码开关，其编码形式
为“8、4、2、1”编制，可以表示从0～9的数字，对应
不同的动作电流倍数和动作时间。
脱扣器工作状态指示采用3个LED，分别指示正常工
作状态、过载长延时和短路短延时故障预警状态。
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设计实例
8.1.3智能脱扣器的程序设计
程序主要功能模块包括以下4个：
●
●
●
●
初始化模块
采样定时中断处理模块
采样值处理模块
故障处理模块
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.1.3智能脱扣器的程序设计
程
序
流
程
图
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.1.3智能脱扣器的程序设计
（1）初始化模块
完成对整个硬件系统的初始化工作，包括对PIC单片
机各输入/输出端口的配置和定时器工作的设置。
（2）采样定时中断处理模块
该模块的中断源是PIC单片机的定时器，完成电流采
样、采样值存储和瞬动保护功能。
第8章智能电器及其应用系统
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8.1.3智能脱扣器的程序设计
（3）采样值处理模块
计算并存储一个电源周期中各采样点值的平方，为
故障判断与处理程序模块提供需要的数据。
（4）故障处理模块
完成过载长延时和短路短延时故障处理，采用累计
热效应的处理方法。
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8.2电能质量在线监测器
随着工业化进程的高速发展，越来越多的大功率、
超大功率非线性负载和各类不同功率的电子设备投入使
用，造成电力系统的严重污染，影响到电力用户的用电
质量和用电安全。
近年来，配电网中的电能质量在线监测受到越来越
多的关注，也成为智能电器研究的一个新课题。
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设计实例
8.2.1电能质量在线监测器的设计要求
1.基本功能
根据有关电能质量的概念，电能质量在线监测器应
当具有如下6个功能：
（1）三相电压、电流的实时监测
（2）实现事件记录、故障报警和故障波形跟踪记忆功能
（3）分析监测结果，提取电能质量评估信息，为用户提
供决策
（4）具有开关输入/输出能力，实现各种开关控制功能
（5）通过通信网络传送监测到的工作现场电能质量信息
（6）就地实时显示监测和分析结果
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.2.1电能质量在线监测器的设计要求
2.监测器的技术要求
本例中的监测器主要技术要求如下：
（1）为满足实时性需求，必须具备高速的运行速度
（2）为支持大计算量和复杂算法，必须具备较强大的数
字信号处理能力
（3）装置功能覆盖了从底层任务执行到高层应用，需要
足够的硬件资源
（4）具备远程通信能力
（5）具有键盘输入和信息显示能力
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计
1.监测器硬件的结构设计
硬件的整体结构采用按功能划分模块，各模块相对
独立的设计原则。
监测器硬件分为：
●
●
●
●
●
●
模拟量输入通道
数据处理与控制
开关量输出
人机交互（含液晶显示与键盘）
通信
电源
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设计实例
8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计
监测器硬件结构图：
TMS320LF2407
SCI
RS422
硬件倍
频模块
DSP最小系统
ADC
通信接口
系统
模块
电
源
3.3V
开关量
输出
液晶显示
（128x64）
I
/
O
SARAM
DARAM
FLASH
&ROM
DSP
核
外部
总线
PLL
晶振
RAM
串行
EEPROM
24C16
键盘
（3x3）
模拟量
通道
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8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计
2.各模块的功能和设计
（1）数据处理与控制模块
用于完成对各种模拟量的采集控制、计算、显示和
通信等功能。
处理器件选用高速数字信号处理器TMS320
LF2407A。
（2）模拟量输入通道
实现电能质量监测器的电压和电流信号的采集功能。
这里选择MAX1258路14位A/D转换器。
（3）开关量输入输出模块
主要通过DSP的I/O实现。
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8.2.2电能质量在线监测器的硬件设计
2.各模块的功能和设计
（4）通信模块
本例设计的监测器用于配电系统，要求具备RS-422
接口，通信协议暂时采用自定义协议。
（5）人机交互模块
显示器采用128×64的图形点阵式LCD，键盘为3×3
布置，通过软件实现菜单式的人机交互模式。
（6）其他硬件资源配置
包括系统监控复位、实时时钟、非易失性RAM或可在
线读/写的串行EEPROM，以及32×16KB以上的ROM和
32×16KB以上的RAM。
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设计实例
8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
本例选择了嵌入式系统软件的设计模式，即基于实
时多任务操作系统的设计思想进行软件开发。
考虑到本例中监测器的硬件配置、使用的处理器件
性能及设计成本等因素，选择源代码开放的μC/OS-Ⅱ作
为电能质量监测器软件的开发和运行平台。
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8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
1.实时多任务操作系统的设计
（1）裁减
裁减的目的是在满足功能要求的前提下，减少
μC/OS-Ⅱ占用的CPU和存储资源。
①删除μC/OS-Ⅱ源码中监测器不用的变量和函数，已经
相关函数中不用的语句。
②减少任务切换的状态数目。
③减少μC/OS-Ⅱ的程序、数据和堆栈占用的内存空间，
将其可调度的任务数压缩到16个，以便节省μC/OS-Ⅱ
自身运行时占用的硬件资源。
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8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
1.实时多任务操作系统的设计
（2）移植
移植就是使μC/OS-Ⅱ的实时内核能在某个微处理器
或微控制器上运行。
本例中的电能质量监测器选用了DSPTMS320LF2407
芯片，支持定时中断，支持C语言、C语言和汇编语言混
合编程，有将堆栈指针和其他寄存器读出和存储到堆栈
或内存中的指令，具有移植条件。
TI公司的C语言编译器
CC2000支持产生可重入代码，并且可在C语言中嵌入开/
关中断命令，可以进行代码移植。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
2.任务的划分与优先级的确定
任务是RTOS调度的单位。
在应用RTOS作为操作平台
的软件中，必须按软件完成的功能将程序划分为相应的
模块，每个功能模块作为一个任务。
在本例的软件设计中，根据程序实现的功能划分了8
个任务。
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8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
2.任务的划分与优先级的确定
任务
优先级
执行方式
功能
采样
中断启动
定时器中断，每周期采样64个点，
0.3125ms
原始数据采集，数据预处理，
有效值计算
1
每20ms由采样任务触发一次
各种电量的有效值计算以及除谐波
分析之外的电能质量分析
谐波分析
2
每500ms由有效值计算任务触发一次
进行电能质量的谐波分析
显示
中断启动
每隔2.5s执行一次，周期性任务
各种计算和分析结果的显示；
按键处理
4
每隔50ms扫描一次按键，判断是否
有键按下，如有则启动按键处理任务
操作人员输入操作指令，以便切换
显示设定，调整系统参数
存储记忆
5
每隔1s执行一次，周期性任务
存储电能质量事件
通信任务
中断启动
通信中断触发，非周期性任务
接收来自上位机的指令和数据
通信处理
任务触发
由操作系统触发，非周期性任务
接收整理数据，发送数据
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
3.软件整体结构
本例中的电能质量监测器软件由结构任务程序、
μC/OS-Ⅱ系统程序和硬件驱动程序组成。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
3.软件整体结构
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8.2.3电能质量在线监测器的软件设计
3.软件整体结构
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设计实例
8.3分布式变电站自动化系统
现代变电站自动化系统中大量应用智能电器及开关
设备，通过其监控器使得原来需要在后台管理系统中集
中完成的任务，分散在底层的智能电器中直接处理，极
大的提高了执行效率。
具有上述特征的变电站自动化系
统称为分布式变电站自动化系统。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.1分布式变电站自动化系统概述
在传统的自动化变电站中，设备占地面积大、系统
接线复杂、可靠性低、维护十分困难、二次设备间的信
息交换和通信能力差，不能与上级管理系统直接交换信
息。
分布式变电站自动化系统采用各种不同功能的智能
电器作为现场设备，将传统变电站的功能配置到基层间
隔或现场设备。
其功能包括了现场监测与控制、继电保
护、远动控制和数据通信等多个方面。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.1分布式变电站自动化系统概述
本节以一个实际的分布式变电站自动化系统的设计
为例，说明其功能要求和整体结构设计，着重讨论后台
管理系统软件的功能划分、数据管理、组态功能、双机
冗余等关键性问题。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.2系统功能的分析及整体设计
1.系统功能需求分析
根据应用要求，所设计的变电站自动化系统应当具
有以下几种功能：
（1）现场数据的采集与处理
（2）实时数据维护与存储
（3）监控画面设计、数据统计分析及报表
（4）通信和网络功能
（5）五防闭锁及操作票功能
（6）电网电压和功率因数的自动调节
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设计实例
8.3.2系统功能的分析及整体设计
2.设计目标的主要性能指标
性能指标
参数要求
每通道连接的智能电器监控器数量
≤32台
遥控/遥调指令下达时间
<1.5s
遥信状态量更新时间
<1s（CAN），<2s（MODBUS）
遥测模拟量更新时间
<2s
报警显示时间
<1.5s
画面数据刷新时间
<1.5s
SOE时间分辨率
<1ms
主机与备用机切换时间
<10s
GPS校时精度
±1ms
历史数据保存时间
>2年
无故障时间MTBF
>30000小时
通信网网络负载率
<25%（正常情况下），<50%（电力系统故障时）
数据服务器负载率
<25%（正常情况下），<60%（电力系统故障时）
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.2系统功能的分析及整体设计
3.总体结构设计
通过对所设计的目标系统的功能要求和主要性能指
标的分析，其整体结构确定采用分层、分布式的设计方
案。
本例中设计的变电站自动化系统整体结构分为：
◆管理层
◆通信层
◆现场层（或间隔层）
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.2系统功能的分析及整体设计
3.总体结构设计
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.3系统后台管理软件的设计
1.软件的功能划分
（1）基于组件技术的分布式结构
分布式组件对象模型是微软公司推出的分布式组件
技术，具有很高的通信和运行效率。
本例中，设计目标的后台管理软件采用DCOM作为各
模块之间的接口规范；集成了多种变电站业务功能，各
功能由对应的工作站来完成。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.3系统后台管理软件的设计
1.软件的功能划分
（2）软件功能模块的划分
按照程序功能及其部署上可独立的原则，本例设计
目标的后台管理软件可划分为一下8个模块：
①操作功能模块
③远动功能模块
⑤Web浏览功能模块
⑦数据库服务器功能模块
②五防功能模块
④继电保护功能模块
⑥Web服务器功能模块
⑧前置机功能模块
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.3系统后台管理软件的设计
2.实时数据管理
变电站自动化系统中通常监测大量的现场运行参
量，需要处理的数据类型是多种多样的。
首先，需要对这些数据进行抽象、归类和整理；
另一方面，需要利用专门的数据库管理系统来维护
大量的各种数据。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.3系统后台管理软件的设计
2.实时数据管理
（1）数据抽象与类型定义
所设计系统的主要任务是完成四遥功能：
遥测、遥
信、遥调、遥控，可将数据对象分为：
遥信量（CVarDigital）
遥测量模拟量（CVarAnalog）
累计量（CVarAccumulate）
遥控量（COperate）
遥调量（CVarSimpleFloat）
{
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.3系统后台管理软件的设计
2.实时数据管理
（1）数据抽象与类型定义
第8章智能电器及其应用系统
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8.3.3系统后台管理软件的设计
2.实时数据管理
（2）实时数据管理组件
实时数据库系统（Real-TimeDataBaseManagement
System，RTDBMS）是其事务和数据都具有定时的特性或
显示的定时限制的数据库系统。
本例后台管理软件借鉴RTDBMS的设计思想，在前置
机模块中实现了一个驻留内存的实时数据管理组件，以
满足变电站自动化系统的高速数据访问和并发控制的要
求。
该组件分为三个部分：
数据管理、事务管理和应用
程序接口。
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.3系统后台管理软件的设计
2.实时数据管理
（2）实时数据管理组件
图8.14
第8章智能电器及其应用系统
设计实例
8.3.3系统后台管理软件的设计
3.组态功能
在变电站自动化后台管理软件中，应提供软件组态
功能，使系统具有更好的灵活性。
本例系统中的组态功能分为三个方面：
（1）图形组态
（2）协议组态
（3）虚拟量组态
第8章智能电器及其应用系统
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8.3.3系统后台管理软件的设计
4.双机冗余互备
可靠性是衡量变电站自动化系统的重要指标。
为了
升级会员 