电器智能化原理及应用（第2版）.pdf

普通高等教育“十一五”国家级规划教材 电子信息与电气学科规划教材电气工程及其自动化专业 电器智能化原理及应用(第 2 版)王汝文 宋政湘 张国钢 编著 张培铭 邹积岩 主审 内 容 简 介 本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，全书系统、全面地讨论电器智能化的原理与应用，全书共分 8 章。第1章介绍智能电器及电器智能化的基本概念等内容。第 2 章讨论智能电器常用的一次设备及其控制特点，分析了其智能控制的可行性。第 3 章和第 4 章主要介绍智能电器元件与开关设备现场的各类运行参量及其测量电路的设计和常用电路元件，讨论现场模拟参量数字处理方法，分析测量误差。第 5 章着重讨论智能电器元件及开关设备监控器的结构组成及软、硬件的设计方法。第 6 章介绍了与智能电器电磁兼容性有关的基本知识、主要的干扰类型及抑制措施、相关的试验标准和方法。第 7 章讨论与电器智能化网络相关的基础知识，分析电器智能化网络的结构特点和设计方法。第 8 章给出具体智能电器和网络的设计实例，说明智能电器和电器智能化网络的设计过程。本书适合作为高等院校电气工程、自动化等相关专业本科生和工程硕士研究生的教材，也可作为电气工程领域各类电器方向研发进修班的培训教材，对从事电器智能化研发的科技人员也有很好的参考价值。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 电器智能化原理及应用/王汝文，宋政湘，张国钢编著2 版北京：电子工业出版社，2009.1 电子信息与电气学科规划教材电气工程及其自动化专业 ISBN 978-7-121-07674-9 电 王宋张 电器智能控制高等学校教材 TM5 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2008）第 169485 号 策划编辑：张 濮 责任编辑：李秦华 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：15.75 字数：434 千字 印 次：2009 年 1 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：25.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。III 前 言 作为普通高等教育“十五”国家级规划教材，电器智能化原理及应用自 2003 年 6 月出版至今，已经 5 年了。本教材的出版和使用，既为我国普通高等学校相关专业提供了一本比较系统、全面地阐述电器智能化理论及研发方法的教材，也为该领域的科技工作者提供了一本有益的参考书，受到了各方面的好评。但是在这短短的 5 年中，智能电器及电器智能化技术在国内外有了快速的发展，其应用领域更加广泛，设计技术大大提高，人们对它的认识也更加深入。特别是通过这 5 年的教学和科研实践，教材编著者深感第 1 版教材在对电器智能化的认识方面存在不足，而且不少内容已经不能反映当前该领域的最新技术，必须进行较全面地修改，删除已经过时的内容，充实并增加新的理论和方法，使教材能够更加全面地反映电器智能化领域的新理念、新技术和新方法。为此，在西安交通大学和电子工业出版社的大力推荐和支持下，编著者重新编写了电器智能化原理及应用第 2 版，并被教育部列入“十一五”国家级规划教材。本教材对上一版的内容做了较大的修改。一方面对原书各章的内容按照除旧增新的原则进行改编，另一方面对全书的结构进行了调整，将第 1 版的 6 章改为 8 章。在第 1 章“绪论”中，讨论了智能电器和电器智能化的基本概念、电器智能化的主要应用、国内外研究的发展现状和趋势，说明了本课程学习的内容和方法。在第 2 章“智能电器的一次设备”中，说明智能电器一次设备的分类和功能，分别介绍了各类开关元件操作控制方法，分析了实现其操作智能控制的条件和原理。在第 3 章“现场参量及其检测”中，重点讨论各类智能电器设备运行现场需要检测的工作参量类型和测量方法、常用测量通道的结构、电路形式和元件的选择，分析通道误差及其抑制措施。在第 4 章“被测模拟量的信号分析与处理”中，介绍了需要检测的各类现场模拟量信号常用的数字处理方法、测量和保护精度的概念及影响精度的主要因素，说明了数字处理方法引起的主要误差及减小误差的基本方法。在第 5 章“智能电器监控器的设计”中，从硬件和软件两方面介绍智能电器监控器设计的基本原理。硬件部分在讨论其整体结构和模块划分的基础上，分别阐述了中央处理与控制模块、开关量输出模块、通信模块、人机交互模块和电源模块常用电路结构、模块中的 IC 元件及其与处理器件的接口方法；软件部分给出了常用的设计模式及适用场合，重点分析了嵌入式系统软件设计模式中实时多任务调度操作系统基本概念和设计方法。在第 6 章“智能电器监控器的电磁兼容性设计”中，系统地说明了电磁兼容性的基本概念和电磁干扰的传播机制；从系统级和印制电路板级两个层面讨论智能电器电磁兼容性设计的原理和方法；给出了与智能电器电磁干扰相关的 IEC 标准和测试方法。在第 7 章“电器智能化网络”中，介绍与电器智能化网络有关的计算机通信网络和数字通信的基本知识，说明电器智能化网络的功能、结构和信息传输特点，在此基础上着重讨论了直接面向现场智能电器设备的智能化局域网的组成结构、运行方式和设计原理。在第 8 章“智能电器及其应用系统设计实例”中，通过低压断路器智能脱扣器、电能质量智能监控器和变电站综合自动化网络的设计实例，说明智能电器及电器智能化网络的设计过程。本教材由西安交通大学电器教研室组织编写，大连理工大学副校长、博士生导师邹积岩教 IV 授和福州大学电器教研室博士生导师张培铭教授主审。王汝文负责第 1 章、第 2 章、第 5 章、第 6 章的编写和全书统稿，并协助完成其余各章的编写工作。第 3 章、第 4 章和第 8 章中的8.1 节和 8.2 节由宋政湘执笔编写，第 7 章和第 8 章中的 8.3 节由张国钢执笔编写。西安交通大学电器教研室博士生导师马志瀛教授对本教材编写工作给了全面有益的指导和帮助，秦祖荫教授为电磁兼容性设计一章的编写提供了有用的素材。邹积岩教授和张培铭教授对全书进行了非常仔细的审阅，并对书中内容和部分章节的编写提出了积极中肯的建议。对以上同志为本教材所做的工作，编著者在此表示深深的感谢。需要特别说明的是，本教材是在总结西安交通大学电器教研室全体教师多年科研和教学工作的基础上编写完成的，是教研室全体教师辛勤工作的成果。同时，教材编写过程中还吸取了国内在这一领域中研发工作的宝贵经验。编著者也在此对从事电器智能化教学、科研和产品开发的全体同行专家致以崇高的敬意。编著者还要感谢电子工业出版社对本教材出版给予的关注、支持和帮助。本教材虽然是在第 1 版基础上改编的，但鉴于编著者对相关领域知识的了解深度和对电器智能化认识仍然存在局限，书中难免有不足和谬误之处，诚挚地希望广大读者给予批评和指正。编 著 者 V 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 电器智能化概述 1 1.1.1 电器智能化与智能电器 1 1.1.2 智能电器的基本特点 2 1.1.3 智能电器的一般组成结构 3 1.1.4 电器智能化网络的结构和特点 5 1.2 电器智能化技术的应用 6 1.2.1 电器智能化在电力系统自动化中应用 6 1.2.2 电器智能化在工业自动化中的应用 9 1.2.3 电器智能化在楼宇智能化管理中的应用 10 1.3 电器智能化技术的发展11 1.3.1 智能电器监控器功能的完善与开发11 1.3.2 监控器设计技术的现状与发展 12 1.3.3 电器元件工作机理的变革 17 1.3.4 电器智能化网络设计的现状与发展 18 1.4 本课程学习内容 19 1.5 本章小结 20 习题与思考题 20 第 2 章 智能电器的一次设备 21 2.1 智能电器一次设备的功能及分类 21 2.1.1 一次设备的基本功能 21 2.1.2 一次设备的分类 21 2.1.3 一次设备实现智能控制的基本要求 23 2.2 断路器及其智能控制 24 2.2.1 传统断路器操动机构的工作特点和控制要求 24 2.2.2 永磁操动机构的基本工作原理及其控制 24 2.2.3 断路器的选相分/合闸操作 27 2.2.4 智能断路器监控器的功能和要求 28 2.3 接触器及其智能控制 30 2.3.1 接触器的特点及应用 30 2.3.2 接触器智能控制的目标及基本方法 31 VI 2.4 其他一次开关元件 33 2.4.1 负荷开关 33 2.4.2 高压隔离开关 33 2.4.3 高压接地开关 34 2.5 成套开关设备 34 2.5.1 概述 34 2.5.2 常用成套开关设备及其智能控制 35 2.6 本章小结 38 习题及思考题 38 第 3 章 现场参量及其检测 39 3.1 智能电器现场参量类型及数字化测量方法 39 3.2 电量信号检测方法 40 3.2.1 基于电磁感应定律的电压、电流互感器 40 3.2.2 霍尔电流、电压传感器 47 3.2.3 光学电流、电压互感器 51 3.3 非电量信号检测方法 54 3.3.1 温度检测传感器及在智能电器中的应用 54 3.3.2 湿度检测传感器及应用 60 3.3.3 电器操动机构机械特性测量 61 3.4 被测量输入通道设计原理 63 3.4.1 输入通道的基本结构 63 3.4.2 模拟量输入通道中信号调理电路原理及常用芯片 65 3.4.3 多路模拟参量信号与 A/D 转换器的接口 70 3.4.4 模拟量采样环节设计原理及常用电路芯片 71 3.4.5 隔离概念及其措施 75 3.5 测量通道的误差分析 78 3.5.1 误差及其表示方法 78 3.5.2 智能电器监控器被测模拟量输入通道产生的误差 79 3.6 本章小结 81 习题与思考题 81 第 4 章 被测模拟量的信号分析与处理 82 4.1 被测模拟量的信号分类 82 4.2 被测模拟量的采样及采样速率的确定 83 4.2.1 采样速率对测量结果的影响分析 83 4.2.2 采样频率的选择 86 4.3 数字滤波 86 4.4 非线性传感器测量结果的数字化处理 88 VII 4.4.1 直接计算法 88 4.4.2 查表法 88 4.4.3 插值法 89 4.5 被测电参量的测量和保护算法 91 4.5.1 电压和电流信号的采样方法 91 4.5.2 常用的电量测量算法 92 4.5.3 基本保护算法 93 4.5.4 测量和保护计算的误差分析 98 4.5.5 常用提高计算结果精度的措施101 4.6 本章小结103 习题与思考题103 第 5 章 智能电器监控器的设计105 5.1 智能电器监控器的功能和硬件模块的划分105 5.1.1 监控器的基本功能105 5.1.2 监控器硬件功能模块的划分 106 5.2 中央处理与控制模块的一般结构和设计方法108 5.2.1 中央处理与控制模块结构设计步骤108 5.2.2 中央控制模块常用处理器件和外围电路芯片 113 5.3 其他功能模块的结构组成120 5.3.1 开关量输出模块的结构组成 120 5.3.2 通信模块的基本功能和设计原则123 5.3.3 人机交互模块的设计步骤 126 5.3.4 电源模块132 5.4 监控器的时序设计 134 5.5 监控器的软件设计 135 5.5.1 监控器软件设计的基本要求 135 5.5.2 监控器软件常用的设计模式与适用场合136 5.6 RTOS 概念及其在监控器软件中的实现138 5.6.1 任务调度的概念和实时任务操作系统的分类 138 5.6.2 智能监控器软件的数据格式 143 5.7 本章小结147 习题与思考题147 第 6 章 智能电器监控器的电磁兼容性设计149 6.1 电磁兼容概述149 6.1.1 电磁兼容基本概念14