CN103915816A - 双机冗余保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气领域，是一种船用直流电力***微机保护装置，尤其是涉及双机冗余保护装置及保护方法。包括：核心微机单元：处理从分流器采样的主回路电流信号并进行运算，并在主回路满足故障动作条件时将计算后得到的动作信号输出；一个CPLD芯片：接收核心微机单元输出的动作信号，并根据动作信号发出控制信号；依次连接的继电器和光耦隔离器：所述光耦隔离器和CPLD芯片连接，CPLD芯片发出的控制信号经光藕隔离后驱动继电器接通脱扣器线圈使断路器动作,分断主回路。本发明具有良好的抗电磁干扰性能、可靠性高，特别适合应用在可靠性要求高的船用直流电力***中。

Description

双机冗余保护装置及保护方法

技术领域

本发明属于电气领域，是一种船用直流电力***微机保护装置，尤其是涉及双机冗余保护装置及保护方法。

背景技术

直流断路器是直流电力***中的一种重要的电器开关。当回路出现过流、短路等故障时，它能自动断开回路，对回路及设备起到保护作用。

通常直流电力***中控制断路器用保护装置主要是单CPU为核心的方案。随着电力***可靠性要求越来越高，特别是在船用电力***这种使用环境又很恶劣的重要场合，对可靠性指标要求就非常高，常规直流断路器保护装置已无法满足需要。硬件冗余主要用在高可靠性场合，分为被动硬件冗余和主动硬件冗余。被动硬件冗余又称为静态硬件冗余。它应用了故障掩蔽的概念， 即是指冗余结构并不随故障情况变化的冗余形式。通常采用的结构是三模冗余和二模冗余结构。主动硬件冗余又称为动态硬件冗余， 主要采用重组技术。它通过故障检测、故障定位及故障恢复来达到容错的一种技术。主动硬件冗余的形式有双机比较、备用替换和成对备用。

发明内容

本发明的目的是，提供双机冗余保护装置及保护方法，所述装置明具有良好的抗电磁干扰性能、可靠性高，特别适合应用在可靠性要求高的船用直流电力***中。保护方法可靠性高。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种双机冗余保护装置，包括：

核心微机单元：处理从分流器采样的主回路电流信号并进行运算，并在主回路满足故障动作条件时将计算后得到的动作信号输出；

一个CPLD芯片：接收核心微机单元输出的动作信号，并根据动作信号发出控制信号；

依次连接的继电器和光耦隔离器：所述光耦隔离器和CPLD芯片连接，CPLD芯片发出的控制信号经光藕隔离后驱动继电器接通脱扣器线圈使断路器动作,分断主回路。

作为优选，所述核心微机单元包括两个DSP处理器，即DSP处理器一和DSP处理器二，每个DSP处理器上均连接有AD采样模块和用于存放断路器的参数的EEPROM存储器；所述DSP处理器一和DSP处理器二与CPLD芯片连接；两个DSP处理器上的AD采样模块均与分流器连接；DSP处理器均使用SPI接口扩展串行EEPROM存储器。

作为优选，所述CPLD芯片包括一个仲裁模块、三态开关K1和三态开关K2，该仲裁模块根据DSP处理器周期向仲裁模块发送的自检信号来判断核心微机单元内两个DSP处理器的运行的状况，并控制三态开关K1和三态开关K2切换输出的信号或者发出警报。

一种双机冗余保护方法，包括以下步骤：

步骤1，分流器采样的主回路电流信号分别经过两个AD采样模块后送到DSP处理器一和DSP处理器二进行运算、处理；

步骤2，当主回路满足故障动作条件时DSP处理器一、DSP处理器二输出动作信号,经CPLD芯片输出给光耦隔离器驱动继电器接通脱扣器线圈使断路器动作,分断主回路。

作为优选，还包括一个通信显示步骤：即通过DSP处理器一和DSP处理器二内的CAN控制器，经CAN接口电路和***中的其它设备通信；并通过CAN总线将断路器本身的状态和***的电流等参数实时传输到上位机，同时上位机可以对断路器的参数进行整定；通过DSP处理器一和DSP处理器二的RS485控制器，经RS485接口电路和触摸屏通信，通过触摸屏设置和显示断路器的参数。

作为优选，还包括一个判断选择步骤，在步骤2之前完成，即：所述DSP处理器一和DSP处理器二在工作时，默认将DSP处理器一作为输出，DSP处理器二作为热备机使用，CPLD芯片内的仲裁模块根据DSP处理器一和DSP处理器二周期向它发送的自检信号来判断主、备机运行的状况，并控制切换输出的信号，并根据DSP处理器一和DSP处理器二的运行的状况进行选择：

判断选择一：如果DSP处理器一和DSP处理器二均正常运行，则将DSP处理器一的运行结果作为装置输出；

判断选择二：如果DSP处理器一故障，DSP处理器二正常，则将DSP处理器二的运行结果作为***输出； 

判断选择三：如果DSP处理器一和DSP处理器二均故障，则由仲裁模块发出报警信号，表明装置不可用。

因此，本发明具有如下优点具有良好的抗电磁干扰性能、可靠性高，特别适合应用在船用直流电力***。

附图说明

附图1为本发明电路原理示意图。

附图2 双机热备原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如说明书附图1所示：装置由、DSP处理器一1、DSP处理器二2、AD采样模块一3、AD采样模块二4、EEPROM芯片一5、EEPROM芯片二6、CAN接口8、RS485接口9、光藕隔离10和继电器11组成。

如说明书附图2所示：装置具有双DSP冗余的核心微机单元，一个DSP处理器一为主机，另一个DSP处理器二为热备机，双机同步运行。两机配置相同,各有独自的AD采样模块和DSP***。装置启动时默认将DSP处理器一作为输出，DSP处理器二作为热备机使用，即三态开关K1闭合、三态开关K2断开。仲裁电路根据DSP处理器一与DSP处理器二周期向它发送的自检信号来判断主、备机运行的状况，并控制切换输出的信号。如果DSP处理器一与DSP处理器二均正常运行，则将DSP处理器一的运行结果作为装置输出；如果DSP处理器一故障，DSP处理器二正常，则将DSP处理器二的运行结果作为***输出， 如果DSP处理器一与DSP处理器二均故障，则由仲裁电路发出报警信号，表明装置不可用。仲裁电路和三态开关K1、K2由现场可编程门阵列CPLD7实现，这样能简化电路提高装置可靠性。

装置从分流器采样的主回路电流信号分别经过AD采样模块一3、AD采样模块二4后送到DSP处理器一1、DSP处理器二2进行运算、处理,当主回路满足故障动作条件时DSP处理器一1、DSP处理器二2输出动作信号,经CPLD7输出给光藕隔离10驱动继电器11接通脱扣器线圈使断路器动作,分断主回路。装置使用DSP片内的存储器存放程序,使用SPI接口扩展一片串行EEPROM芯片用于存放断路器的相关参数。装置使用DSP片内的CAN控制器，通过CAN接口电路8和***中的其它设备通信。通过CAN总线可以将断路器本身的状态和***的电流等参数实时传输到上位机；同时上位机可以对断路器相关参数进行整定。装置使用DSP片内的RS485控制器，通过RS485接口电路8和触摸屏通信，通过触摸屏设置和显示断路器相关参数。装置本身的状态能通过指示灯显示，通过按钮可对装置进行检测，本装置同时具有自诊断功能。

保护装置运行于直流电网这个极为复杂的电磁环境中，要保证其能高稳定性和高可靠性运行，必须对其进行电磁兼容设计，在设计过程中从以下几方面进行考虑：

第一、装置模拟信号用共模抑制比高的隔离放大器隔离，使用低通滤波电路进行滤波；装置的开关量信号采用光电耦合隔离措施，同时使用低通滤波电路进行滤波。

第二、为使装置免受浪涌的侵袭，在电源输入端并接浪涌吸收器－瞬态电压抑制器，同时电源线采用高品质的无源滤波器，最大限度的将干扰信号阻隔在装置的外部。装置电源采用隔离开关电源模块。

第三、装置的信号传输电缆选用屏蔽的双绞线，并将屏蔽层单端接地，同时信号线要单独敷设；电源传输电缆也应选用屏蔽线；CAN通信电缆应选用屏蔽的双绞线，并将屏蔽层单端接地。

第四、保护装置的外壳采用优质钢板整体焊接而成，能保证装置整体的导电连续性和密封性，具有良好的电磁屏蔽性能。对外接线通过圆形电连接器引出，并用电磁密封衬垫密封。

第五、在装置的软件设计中充分运用数字滤波、指令冗余、软件陷阱、“看门狗”技术、输入口信号重复检测、输出端口重复输出等措施提高装置抗干扰能力。

第六、印制板电路在布局时, 按功能单元布置，将弱电部分和强电部分合理地分开。电源和地线单独引出，各集成器件的电源线和地线间分别接入去藕电容。PCB布线时,信号线要用短线，导线间距离尽量加大。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种双机冗余保护装置，其特征在于，包括：

核心微机单元：处理从分流器采样的主回路电流信号并进行运算，并在主回路满足故障动作条件时将计算后得到的动作信号输出；

一个CPLD芯片：接收核心微机单元输出的动作信号，并根据动作信号发出控制信号；

依次连接的继电器和光耦隔离器：所述光耦隔离器和CPLD芯片连接，CPLD芯片发出的控制信号经光藕隔离后驱动继电器接通脱扣器线圈使断路器动作,分断主回路。

2.根据权利要求1所述的双机冗余保护装置，其特征在于，所述核心微机单元包括两个DSP处理器，即DSP处理器一和DSP处理器二，每个DSP处理器上均连接有AD采样模块和用于存放断路器的参数的EEPROM存储器；所述DSP处理器一和DSP处理器二与CPLD芯片连接；两个DSP处理器上的AD采样模块均与分流器连接；DSP处理器均使用SPI接口扩展串行EEPROM存储器。

3.根据权利要求1所述的双机冗余保护装置，其特征在于，所述CPLD芯片包括一个仲裁模块、三态开关K1和三态开关K2，仲裁模块根据DSP处理器周期向仲裁模块发送的自检信号来判断核心微机单元内两个DSP处理器的运行的状况，并控制三态开关K1和三态开关K2切换输出的信号或者发出警报。

4.一种用权利要求1保护装置进行双机冗余保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，分流器采样的主回路电流信号分别经过两个AD采样模块后送到DSP处理器一和DSP处理器二进行运算、处理；

步骤2，当主回路满足故障动作条件时DSP处理器一、DSP处理器二输出动作信号,经CPLD芯片输出给光耦隔离器驱动继电器接通脱扣器线圈使断路器动作,分断主回路。

5.根据权利要求4所述的双机冗余保护方法，其特征在于，还包括一个通信显示步骤：即通过DSP处理器一和DSP处理器二内的CAN控制器，经CAN接口电路和***中的其它设备通信；并通过CAN总线将断路器本身的状态和***的电流等参数实时传输到上位机，同时上位机可以对断路器的参数进行整定；通过DSP处理器一和DSP处理器二的RS485控制器，经RS485接口电路和触摸屏通信，通过触摸屏设置和显示断路器的参数。

6.根据权利要求4所述的双机冗余保护方法，其特征在于，还包括一个判断选择步骤，在步骤2之前完成，即：所述DSP处理器一和DSP处理器二在工作时，默认将DSP处理器一作为输出，DSP处理器二作为热备机使用，CPLD芯片内的仲裁模块根据DSP处理器一和DSP处理器二周期向它发送的自检信号来判断主、备机运行的状况，并控制切换输出的信号，并根据DSP处理器一和DSP处理器二的运行的状况进行选择：

判断选择一：如果DSP处理器一和DSP处理器二均正常运行，则将DSP处理器一的运行结果作为装置输出；

判断选择二：如果DSP处理器一故障，DSP处理器二正常，则将DSP处理器二的运行结果作为***输出； 

判断选择三：如果DSP处理器一和DSP处理器二均故障，则由仲裁模块发出报警信号，表明装置不可用。