CN104332960B - 一种智能弧光保护*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能弧光保护***，属于变电、配电及用电领域。本发明由弧光主控单元和弧光扩展单元组成。主控单元包括电源及开入量板、主板、通讯管理板、人机接口板、弧光主控板、模拟量板。扩展单元包括电源板、主板、显示板、弧光采集板以及现场的弧光采集探头。本发明提供的弧光保护***的动作时间较短；扩展单元可将弧光信号加上地址码主控单元根据弧光信号中的地址码对弧光通道进行识别，简化了接线过程，提高了现场施工的效率；保护***能够识别出异常的通道，降低错误报警率；保护关联的弧光和电流可灵活设值，通过合适的关联设置后可实现弧光保护的选择性跳闸功能。

Description

一种智能弧光保护***

技术领域

本发明涉及一种智能弧光保护***，属于变电、配电及用电领域。

背景技术

弧光短路是配电网中最严重的故障，尤其是发生在中、低压开关柜内部的情形。由于电弧电阻较大，短路电流往往达不到过流、速断整定值，因而不能快速动作而切断故障。电弧持续燃烧释放出巨大的能量，从而造成灾难性的后果，开关柜被严重烧毁。另外，开关柜的弧光短路故障，往往得不到及时清除，发展为中压母线故障，其危害是非常严重的。快速检测到事故发生时产生的弧光，通过对弧光判断分析，快速切除故障，是解决上述问题的最好方法。

近年来，针对中低压母线的弧光保护***应用的越来越多，其动作时间短(一般<7ms)，远低于传统保护，当母线发生弧光事件时，能够迅速有效地切除故障线路，保障线路安全、稳定地运行。然而，由于弧光通道数目较多，接线较为复杂，一般的弧光保护***只能保护一到两段母线，当***于多段母线运行时，需要多套保护***，而且弧光保护通常不具有选择性跳闸功能，往往会扩大故障范围，带来不必要的经济损失。一般的弧光保护***，安装于开关柜现场扩展模块都不带显示，调试的时候要在现场施加弧光信号，然后在远端主控单元上查看是否检测到弧光，需要多人配合，也给现场调试带来了诸多不便。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，为方便设计和现场施工，降低***成本，本发明提供了一套智能弧光保护***，包含两种单元，一种是弧光主控单元，另一种是弧光扩展单元。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种弧光保护***主控单元，智能识别通道序号、通过保护配置能够实现选择性跳闸，包括电源板、主板、通讯管理板、显示板、弧光主控板、开出板、模拟量板，本主控单元采用插接式结构，各个板件集成各项独立的功能，直接***机箱构成一套完整的主控单元。

上述主控单元，所述主板由MCU、FPGA、Flash、AD采样电路组成；所述通讯管理板由MCU、通讯电路组成；所述显示板包括LCD液晶和人机接口板(按键及接口电路)组成；所述弧光主控板由MCU和FPGA组成；所述开出板由各开出继电器组成；所述模拟量板由电压电流传感器组成；所述电源板由提供单元工作的电源模块和开入量输入模块组成。

主控单元各模块的功能作用及信号传输情况如下：

电网一次设备电压、电流经互感器转换后，电压和电流信号经主控单元的模拟量板变换成弱电信号，输入到主板，经运算放大器、A/D转换器转换为数字量，再通过FPGA进行处理、传输给MCU运算得到相应的电压电流值；

电源及开入量板的开入量输入模块接收外部开关量信号，开入信号经主板FPGA滤波处理后发送给主板MCU；

主板MCU采集各电气量和弧光信号，实现弧光保护的逻辑判断；

人机接口板的操作按键直接由主板FPGA和MCU进行控制，主板MCU根据所有采集来的信号进行逻辑运算，并输出LED指示信号，将各种信号的测量值、保护动作值、定值整定通过LCD显示出来；

通讯管理板通过光电隔离的通讯接口进行远方通讯，实现遥测、遥信、遥控、遥调，和/或实现定值的远方整定及查询、远方保护投退；

弧光主控板接收弧光信号，处理后输入主板，主板上的FPGA接收弧光信号，并对信号进行滤波处理后再传输给MCU。

所述的主控单元中弧光保护判据可以为弧光单判据或者弧光和电流双判据，后者能够增加保护动作的可靠性。为弧光单判据时，主控单元检测到有弧光信号时保护动作；为双判据时，主控单元检测到弧光信号的同时，判断模拟量板的电流信号是否有突变，如果两个条件都满足，保护动作。

所述的主控单元能够智能识别弧光通道序号，各块弧光采集板可以设置地址，无论后端接线如何，主控单元都能够按照设置好的地址将传输过来的弧光信号按照地址序号排列。

本发明的另一个目的，提供一种智能弧光保护***弧光保护***扩展单元，用于检测现场弧光信号，并将采集来的弧光信号处理后发送给主控单元，包括电源板、主板、显示板、弧光采集板以及现场的弧光探头。扩展单元采用插接式结构，各个板件集成各项独立的功能，直接***机箱构成一套完整的单元。

本发明同时公开了一种弧光保护***，包括弧光主控单元和弧光扩展单元。弧光扩展单元通过塑料光纤与弧光探头相连，采集现场弧光信号，对采集的弧光信号进行打码处理后，发送给弧光主控单元。弧光主控单元通过光纤连接弧光扩展单元，接收扩展单元处理后的弧光信号，并根据传输信息中的地址码对弧光信号进行重新编号，实现事件记录、保护逻辑处理等功能。

上述扩展单元，用户可以通过显示板对各个弧光通道单独设置编号，查看弧光信号状态等；弧光采集板通过弧光探头采集现场弧光信号，主板以总线方式读取弧光信号，进行打码处理，将打码后的弧光信号发送出去；电源板为各个板件提供工作电源。

该智能弧光保护***信号传递的主要过程如下：

弧光扩展单元通过塑料光纤与弧光探头相连，采集现场弧光信号，对采集的弧光信号进行打码处理后，发送给弧光主控单元。弧光主控单元通过光纤连接弧光扩展单元，接收扩展单元处理后的弧光信号，并根据传输信息中的地址码对弧光信号进行重新编号，实现事件记录、保护逻辑处理等功能。

上述扩展单元弧光探头直接安装在母排室，监测母排室的弧光状况，通过塑料光纤将采集信号发送给弧光采集板。采集板经过自带的MCU处理后对弧光信号增加地址码和校验，通过光纤接口发送到弧光主控板，主控单元能够智能识别弧光通道序号，无论后端接线如何，主控单元都能够按照设置好的地址将传输过来的弧光信号按照地址序号排列。同时采集板直接与扩展单元的主板进行交互，使弧光信号在扩展单元本地也可以通过显示模块查看到。

用户还可以通过显示模块和操作面板对弧光采集板进行地址配置，配置完后弧光采集板所发出的弧光信号即自带地址编号。所述的主控单元能够智能识别弧光通道序号，各块弧光采集板可以设置地址，无论后端接线如何，主控单元都能够按照设置好的地址将传输过来的弧光信号按照地址序号排列。

上述种智能弧光保护***中，扩展单元可以根据实际需要，灵活的增加或较少。

所述的主控单元弧光保护可以任意关联弧光通道和电流通道，可以任意设置保护出口；失灵保护可以任意关联弧光保护和电流通道，也可以任意设置保护出口，增加了保护的灵活性。合理的配置保护关联量可以实现选择性跳闸功能。

主控单元检测到光纤通道连接中断后，自行闭锁与该弧光信号相关联的弧光保护。扩展单元的弧光采集板每隔一个时间周期发送一次弧光信号，主控单元主板接收到该采集板的数据并判断正常后，通讯正常计数器加1，当通讯正常计数器连续几个时间周期不变，判断该采集通道通讯异常。主控单元的主板MCU从内存区中查找出与该通道弧光信号关联的弧光保护，立即闭锁保护功能。

上述扩展单元可以根据实际需要，灵活的增加或较少弧光采集板数目，并且板件位置可以任意配置。

上述扩展单元，中弧光采集板采集现场弧光信号，通过光纤接口与主控单元弧光主控板通讯。

上述扩展单元现场检测弧光信号的弧光探头与弧光采集板之间通过专用塑料光纤连接。

本发明提供另一种智能弧光保护***，以上所述的弧光主控单元中不使用弧光主控板，直接采用弧光采集板和弧光采集探头；探头采集到弧光信号后，通过塑料光纤将弧光信号传输给弧光采集板，经弧光采集板MCU处理后传输给主控单元主板。

扩展单元开关柜就地安装，主控单元可以就地安装也可以组屏安装，保障中低压母线的安全运行，是构成智能电网的理想元件。

本发明的有益效果：

本发明提供的弧光保护***的主控单元的弧光保护配置灵活，可以任意关联弧光通道和电流通道，可以任意设置保护出口，增加了保护的灵活性。合理的配置保护关联量可以同时保护多段母线，不要多套保护***，降低了***成本。也能够实现选择性跳闸功能，减少大面积跳闸带来的损失。

本发明提供的弧光保护***的扩展单元的弧光采集板可以自行设置地址码，当弧光通道数目较多时，省去了记录线号，并按照顺序对应着接线的烦恼，只需将弧光采集板的输出端口接入主控板的任一接收口，主控单元即可根据传输过来采集板的地址码对弧光通道进行顺序识别，简化了接线过程，提高了现场施工的效率。

本发明提供的弧光保护***的动作时间较短，当动作逻辑选为弧光时从弧光发生到保护出口能够控制在4ms内，迅速准确地切断故障母线，有效的防止事故扩散。

本发明提供的弧光保护***当传输弧光数据的光纤通道通讯异常时，保护***能够识别出异常的通道，发出告警同时闭锁与之相关联的保护，降低了错误报警的情况。

本发明提供的弧光保护***的主控单元可以与多台扩展单元配合使用，扩展单元与主控单元之间采用光纤通讯，有效通讯距离较长，且电气抗干扰性高。

本发明提供的弧光保护***的主控单元的弧光动作逻辑可设，可以选择为弧光条件满足时动作或者选择为弧光与电流条件均满足时动作，后者提高了弧光保护动作的可靠性。

本发明扩展单元开关柜就地安装，主控单元可以就地安装也可以组屏安装，保障中低压母线的安全运行，是构成智能电网的理想元件。

附图说明

图1为本发明中主控单元的结构框图。

图2为本发明中扩展单元的结构框图。

图3为本发明的保护***内部接线图。

图4为本发明的典型保护方案示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本发明所述的弧光保护***由一个主控单元和若干个扩展单元组成。

如图1所示，弧光保护***主控单元，包括电源及开入量板、主板、通讯管理板、人机接口板、弧光主控板、模拟量板。所述的主板是由MCU、FPGA、Flash、AD采样电路等组成；所述的通讯管理板是由MCU、通讯电路组成；所述的人机接口板由LCD液晶和按键及接口电路组成；所述的弧光主控板由MCU和FPGA组成；所述的模拟量板由电压电流传感器组成；电源及开入量板由提供单元工作的电源模块和开入量输入模块组成。

电网一次设备电压、电流经互感器转换后，电压和电流信号经主控单元的模拟量板变换成弱电信号，输入到主板，经运算放大器、A/D转换器转换为数字量，再通过FPGA进行处理、传输给MCU运算得到相应的电压电流值。

电源及开入量板的开入量输入模块接收外部开关量信号(如断路器状态)，开入信号经主板FPGA滤波处理后发送给主板MCU；主板MCU采集各电气量和弧光信号，实现弧光保护的逻辑判断。

人机接口板的操作按键直接由主板FPGA和MCU进行控制，主板MCU根据所有采集来的信号进行逻辑运算，并输出LED指示信号，将各种信号的测量值、保护动作值、定值整定通过LCD显示出来。

通讯管理板通过光电隔离的通讯接口可进行远方通讯，可实现遥测、遥信、遥控、遥调，并可实现定值的远方整定及查询、远方保护投退等功能。

弧光主控板接收来自弧光采集板传输过来的弧光数据，该数据采用光信号传输，抗干扰性强，弧光主控板自带MCU，接收到数据后能够识别该数据所对应的弧光序号，处理后直接输入主板。

如图2所示，弧光保护***扩展单元，包括电源板、主板、人机接口板、弧光采集板以及现场的弧光探头。

弧光探头直接安装在母排室，监测母排室的弧光状况，通过塑料光纤将采集信号发送给弧光采集板，弧光采集板经过自带的MCU处理后一方面对弧光信号增加地址码和校验，通过光纤接口发送到主控单元弧光主控板，另一方面直接与扩展单元的主板进行交互，使弧光信号在扩展单元本地也可以通过显示模块查看到。用户可以通过人机接口板对弧光采集板进行地址配置，配置完后弧光采集板所发出的弧光信号即自带地址编号。

弧光扩展单元能够对本装置上各个弧光采集板进行地址配置，配置完后地址数据固化在扩展单元主板的FLASH中，掉电不丢失。

弧光探头检测探头端面上的光强强度(单位为Lux)，当照射到该端面上的光强大于动作阈值时，弧光采集板认为该检测位置发生了弧光。

扩展单元弧光采集板使用塑料光纤与弧光探头相连接，实时监测弧光信号，板上的MCU对接收到的弧光信号进行滤波处理(滤波时间可设，一般为300～500us)后，加入本块采集板的地址和校验码，使用高速串行方式，以光信号将弧光信号发送到主控单元弧光主控板；同时，采集板MCU通过并行总线将弧光信号传输给弧光扩展单元的主板，通过显示模块在扩展单元本地显示出来并记录弧光信号事件。

主控单元弧光主控板接收采集板发送过来的光信号后，通过转换芯片转换成电信号传输给弧光主控板MCU，解析数据帧中的地址码和校验码，将主控板上6个端口共30个弧光信号重新按照地址码组合后传输给主控单元的主板，主板接收所有弧光主控板传输的弧光信号，再按照数据中的地址给弧光信号编号，就实现了弧光通道的智能识别。

本发明弧光保护***智能识别通道号实现过程：

弧光采集板可以设置地址编号，只需要将每个采集板上的5个采集探头按序接入到弧光采集板，然后在扩展单元上将该采集板的地址设置好；采集板的光纤口与主控板相连时只要接入任意一接口即可，不需要按实际编号接入。程序自动识别采集板传输过来的弧光信号地址，对弧光序号进行编号，省去了接线的麻烦。

通过保护配置实现多段母线弧光保护和选择性跳闸：

主控单元的弧光保护数目较多，具有8组弧光保护，每组保护逻辑独立，可以灵活配置关联的弧光信号和保护电流。弧光发生时，会伴随着电流的突然增加，所以本弧光保护***增加了一个电流突变的启动条件，以增强弧光保护的动作准确性。主控单元可以采集最多四条线路的三相电流，每组弧光保护均可以选择关联这四组电流中的任意一组或多组。本发明可以通过配置弧光保护的电流和弧光关联参数实现对多段母线的选择性跳闸。

正常工作中，主控单元能够检测弧光采集信号的光纤通道通断，检测到光纤通道连接中断后，自行闭锁与该弧光信号相关联的弧光保护。扩展单元的弧光采集板每100us发送一次弧光信号，主控单元主板接收到该采集板的数据并判断正常后，通讯正常计数器加1，当通讯正常计数器连续500us不变，即连续5次数据不正常，判断该采集通道通讯异常。主控单元的主板MCU从内存区中查找出与该通道弧光信号关联的弧光保护，立即闭锁保护功能。

本发明提供的弧光保护***检测到弧光信号后能够迅速的出口动作。扩展单元的弧光采集板的采集频率为1KHz，数据发送中断间隔为200us，自弧光发生到扩展单元检测到弧光信号，时间在300us以内；主控单元检测到弧光信号后，采用3取2的方式启动弧光保护，即3次采集的信号中有2次为合，即启动保护出口，主控单元的弧光保护判断中断为417us，启动出口延时为417*3＝1251us以内；本发明采用固态继电器，动作延时只需要2ms；所以，从弧光发生到驱动继电器出口的整个动作时间1251us+300us+2ms<4ms。

本发明保护***内部接线，如图3所示。

实施例2

本发明的典型保护方案，如图4所示。

主控单元采集DL1、DL2、DL5、DL6四条线路的电流和变压器低压侧三段母线上所有开关柜的弧光信号。保护配置设置如下：

弧光保护1关联Ⅰ段母线的所有弧光信号、关联DL1和DL5的电流，保护出口矩阵配置成跳DL1和跳DL5两个出口；

弧光保护2关联Ⅱ段母线的所有弧光信号、关联DL5和DL6的电流，保护出口矩阵配置成跳DL5和跳DL6两个出口；

弧光保护3关联Ⅲ段母线的所有弧光信号、关联DL2和DL6的电流，保护出口矩阵配置成跳DL2和跳DL6两个出口；

当Ⅰ段母线带Ⅱ段和Ⅲ段母线运行时，DL1、DL5、DL6合。如果Ⅲ段母线发生弧光，则弧光保护3动作，只跳开DL6，保障了Ⅰ段和Ⅱ段母线的正常运行。

当Ⅰ段母线带Ⅱ段运行，Ⅲ段独立运行时，DL1、DL5、DL2合。如果Ⅱ段母线发生弧光，则弧光保护2动作，只跳开DL5，保障了Ⅰ段和Ⅲ段母线的正常运行。

本发明通过上述对保护的关联配置方法实现弧光保护的选择性跳闸功能。

实施例3

主控单元还可以不使用弧光主控板，直接***弧光采集板，通过专用塑料光纤连接弧光采集探头，采集现场弧光信号，经过采集板内部的MCU处理后直接传输给主板，这样直接构成了一套完整的弧光保护***，中间节省了扩展单元的使用，节约了成本。此种方案在现场弧光点数较少，且相距距离较近的情况下选用。

虽然本发明以较佳实施例已公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (8)

1.一种弧光保护***主控单元，智能识别通道序号、通过保护配置能够实现选择性跳闸，其特征在于：包括电源板、主板、通讯管理板、显示板、弧光主控板、开出板、模拟量板，本单元采用插接式结构，各个板件集成各项独立的功能，直接***机箱构成一套完整的主控单元；

所述主板由MCU、FPGA、Flash、AD采样电路组成；所述通讯管理板由MCU、通讯电路组成；所述显示板由LCD液晶和人机接口板组成；所述弧光主控板由MCU和FPGA组成；所述开出板由各开出继电器组成；所述模拟量板由电压电流传感器组成；所述电源板由提供单元工作的电源模块和开入量输入模块组成；电网一次设备电压、电流经互感器转换后，电压和电流信号经所述模拟量板变换成弱电信号，输入到所述主板，经运算放大器、A/D转换器转换为数字量，再通过FPGA进行处理、传输给MCU运算得到相应的电压电流值；

所述电源板的开入量输入模块接收外部开关量信号，开入信号经所述主板的FPGA滤波处理后发送给所述主板的MCU；

所述主板的MCU采集各电气量和弧光信号，实现弧光保护的逻辑判断；

所述人机接口板的操作按键直接由所述主板的FPGA和MCU进行控制，所述主板的MCU根据所有采集来的弧光信号进行逻辑运算，并输出LED指示信号，将各种信号的测量值、保护动作值、定值整定通过所述LCD液晶显示出来；

所述通讯管理板通过光电隔离的通讯接口进行远方通讯，实现遥测、遥信、遥控、遥调，和/或实现定值的远方整定及查询、远方保护投退；

所述弧光主控板接收弧光信号，处理后输入所述主板，所述主板的FPGA接收弧光信号，并对弧光信号进行滤波处理后再传输给所述主板的MCU。

2.根据权利要求1所述的主控单元，其特征在于：所述弧光主控板能够按照设置好的地址将传输过来的弧光信号按照地址序号排列。

3.一种弧光保护***扩展单元，用于检测现场弧光信号，并将采集来的弧光信号发送出去，其特征在于：包括电源板、主板、显示板、弧光采集板以及现场的弧光采集探头，本单元采用插接式结构，各个板件集成各项独立的功能，直接***机箱构成一套完整的扩展单元；

所述弧光采集探头安装于母排室，通过塑料光纤将采集信号发送给所述弧光采集板，所述弧光采集板的MCU处理弧光信号，增加地址码和校验，通过光纤接口发送到主控单元的弧光主控板；所述弧光采集板的MCU直接与所述主板进行交互，将弧光信号传输到所述显示板。

4.根据权利要求3所述的扩展单元，其特征在于：所述弧光采集板自带地址识别码，并能够通过所述显示板自由配置。

5.一种智能弧光保护***，其特征在于：它由一个权利要求1或2所述的主控单元和若干个权利要求3或4所述的扩展单元组成，扩展单元通过塑料光纤与弧光探头相连，采集现场弧光信号，对采集的弧光信号进行打码处理后，发送给主控单元；主控单元通过光纤连接扩展单元，接收扩展单元处理后的弧光信号，并根据传输信息中的地址码对弧光信号进行重新编号，实现事件记录、保护逻辑处理。

6.根据权利要求5所述的智能弧光保护***，其特征在于：弧光保护任意关联弧光通道和电流通道，任意设置保护出口；失灵保护任意关联弧光保护和电流通道，任意设置保护出口；

主控单元检测弧光信号的光纤通道通断，检测到光纤通道连接中断后，自行闭锁与该弧光信号相关联的弧光保护；

弧光保护判据为弧光或者弧光和电流双判据。

7.根据权利要求6所述的弧光保护***，其特征在于：弧光信号由所述弧光采集板直接通过数据总线传输给主CPU；

或者，弧光信号由所述弧光采集板通过光纤传输给所述弧光主控板，然后再由所述弧光主控板通过数据总线传输给主CPU。

8.一种智能弧光保护***，其特征在于：它由一个权利要求1或2所述的主控单元和若干个权利要求3或4所述的扩展单元组成，所述主控单元中不使用弧光主控板，直接采用弧光采集板和弧光采集探头；探头采集到弧光信号后，通过塑料光纤将弧光信号传输给弧光采集板，经弧光采集板MCU处理后传输给主控单元主板。