CN107742880A - 一种智能直流保护装置及保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能直流保护装置，包括核心微机单元和CPLD芯片，CPLD芯片上还连接有CAN接口、RS485接口、光纤口、继电器和输入电路；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，同时处理主回路电压信号并进行运算，在主回路满足故障动作条件时计算后得到的动作信号输出；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；本发明还公开了一种智能直流保护装置的保护方法；本发明用一片CPLD芯片实现仲裁电路，这样能简化硬件设计，提高整个电路的可靠性。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微机***中，如船用直流电力***。
Description
技术领域
本发明属于电气技术领域，是一种电力***微机保护装置，具体涉及一种智能直流保护装置，以及其保护方法。
背景技术
直流断路器是直流电力***中一种重要的电气开关。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，它是通过故障检测、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。目前直流电力***保护主要是电流保护，电流结合电压的综合保护尚未得到应用。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种智能直流保护装置及保护方法。本发明公开的智能直流保护装置功能强大、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，本发明公开的保护方法先进、可靠性高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能直流保护装置，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，同时处理主回路电压信号并进行运算，在主回路满足故障动作条件时计算后得到的动作信号输出；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；继电器和光纤口：CPLD芯片发出的控制信号经继电器接通分励脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；CPLD芯片发出的控制信号经光纤口接通快速脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；CAN接口和RS485接口：通过CAN总线与上位机通信，通过RS485总线和触摸屏通信；所述的核心微机单元与CPLD芯片连接，所述的CPLD芯片上还连接有CAN接口、RS485接口、光纤口、继电器和输入电路；所述的核心微机单元包括分别连接在CPLD芯片上的第一DSP处理器和第二DSP处理器，所述的第一DSP处理器和第二DSP处理器上分别对应连接有第一AD采样模块和第二AD采样模块以及用于存放断路器参数的第一EEPROM存储器和第二EEPROM存储器，所述的第一AD采样模块和第二AD采样模块均与隔离变送器相连接；所述的第一DSP处理器和第二DSP处理器均使用SPI接口扩展串行第一EEPROM存储器和第二EEPROM存储器；所述的第一DSP处理器和第二DSP处理器对连接的第一AD采样模块和第二AD采样模块以及第一EEPROM存储器和第二EEPROM存储器进行自检，输出自检信号ERR。
所述的CPLD芯片包括与门电路、监控电路、逻辑控制电路以及与第一DSP处理器和第二DSP处理器对应连接的第一选择开关K1和第二选择开关K2；所述的监控电路接收DSP处理器发送的心跳信号HTI，输出信号HTO给逻辑控制电路；所述的逻辑控制电路接收DSP处理器向它发送的自检信号ERR、监控电路输出信号HTO和MANUAL信号，输出信号控制第一选择开关K1和第二选择开关K2动作、输出复位信号RSTN给DSP处理器或者发出报警信号ALARM；第一选择开关K1和第二选择开关K2的输出连接到与门电路的输入，与门电路的输出直接作为装置输出。
本发明还公开了一种智能直流保护装置的保护方法，包括以下步骤：
步骤1，分流器采样的主回路电流信号和直流母线电压信号分别经过隔离变送器输出给第一AD采样模块和第二AD采样模块，然后送到对应的第一DSP处理器和第二DSP处理器进行运算、处理；
步骤2，当主回路电流大于短延时电流整定值并且持续时间大于短延时时间整定值时启动电压保护判断，此时若主回路电压小于电压整定值并且持续时间大于时间整定值，第一DSP处理器和第二DSP处理器输出动作信号，经CPLD芯片输出给光纤口接通快速脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；当主回路电流大于长延时电流整定值并且持续时间大于长延时时间整定值第一DSP处理器和第二DSP处理器输出动作信号，经CPLD芯片输出给继电器接通分励脱扣器回路，使断路器动作，分断主回路。
所述的监控电路包括分频电路、计数定时电路、复位定时电路和连接在复位定时电路上的反向器，所述的计数定时电路包括分别与第一DSP处理器和第二DSP处理器对应连接的两个计数器；一个外部时钟信号CLKIN输入分频电路，分频后的方波再输入到计数定时电路中进行计数，同时与设置好的计数时间常数相比较，当在指定的时间内没有DSP处理器发送的心跳信号HTI来将对应的计数器清零，计数定时电路将产生一个低电平HTO信号，同时触发复位定时电路产生保持一定时间的稳定高电平，并在延时结束后将所有计数器清零，该高电平经过反向器将产生一个低电平复位信号RSTN复位DSP处理器。
所述的逻辑控制电路使用三态门做选择切换开关来控制输出通道，当某一DSP处理器对应的监控电路产生低电平HDO信号或自检信号ERR出现故障时，对应的选择开关断开；当任何一个DSP处理器故障时发出报警信号ALARM，设置测试模式，对每路DSP处理器分别进行检测；当设置端口均为低电平时对第一DSP处理器进行检测，当设置端口均为高电平时对第二DSP处理器进行检测。
本发明的有益效果是：
本发明用一片CPLD芯片实现仲裁电路，这样能简化硬件设计，提高整个电路的可靠性。本发明具有良好的抗电磁干扰性能、可靠性高，特别适合应用在船用直流电力***。
附图说明
图1是本发明智能直流保护装置的电路原理示意图；
图2是本发明智能直流保护装置的双机热备原理示意图；
图3是本发明智能直流保护装置的监控电路图；
图4是本发明智能直流保护装置的逻辑控制电路图。
各附图标记为：1—第一DSP处理器，2—第二DSP处理器，3—第一AD采样模块，4—第二AD采样模块，5—第一EEPROM存储器，6—第二EEPROM存储器，7—CPLD芯片，8—CAN接口，9—RS485接口，10—光纤口，11—继电器，12—输入电路，13—分频电路，14—计数定时电路，15—复位定时电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，本发明公开了一种智能直流保护装置，包括核心微机单元和与核心微机单元相连接的CPLD芯片7，所述的CPLD芯片7上还连接有CAN接口8、RS485接口9、光纤口10、继电器11和输入电路12。
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，同时处理主回路电压信号并进行运算，在主回路满足故障动作条件时计算后得到的动作信号输出。
CPLD芯片7：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。
继电器11和光纤口10：CPLD芯片7发出的控制信号经继电器11接通分励脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；CPLD芯片7发出的控制信号经光纤口10接通快速脱扣器回路使断路器动作，分断主回路。
CAN接口8和RS485接口9：通过CAN总线与上位机通信；通过RS485总线和触摸屏通信。
所述的核心微机单元包括分别连接在CPLD芯片7上的第一DSP处理器1和第二DSP处理器2，所述的第一DSP处理器1和第二DSP处理器2上分别对应连接有第一AD采样模块3和第二AD采样模块4以及用于存放断路器参数的第一EEPROM存储器5和第二EEPROM存储器6，所述的第一AD采样模块3和第二AD采样模块4均与隔离变送器相连接；所述的第一DSP处理器1和第二DSP处理器2均使用SPI接口扩展串行第一EEPROM存储器5和第二EEPROM存储器6；所述的第一DSP处理器1和第二DSP处理器2对连接的第一AD采样模块3和第二AD采样模块4以及第一EEPROM存储器5和第二EEPROM存储器6进行自检，输出自检信号ERR。
参考图2所示，所述的CPLD芯片7包括与门电路、监控电路、逻辑控制电路以及与第一DSP处理器1和第二DSP处理器2对应连接的第一选择开关K1和第二选择开关K2；所述的监控电路接收DSP处理器发送的心跳信号HTI，输出信号HTO给逻辑控制电路；所述的逻辑控制电路接收DSP处理器向它发送的自检信号ERR、监控电路输出信号HTO和MANUAL信号，输出信号控制第一选择开关K1和第二选择开关K2动作、输出复位信号RSTN给DSP处理器或者发出报警信号ALARM；第一选择开关K1和第二选择开关K2的输出连接到与门电路的输入，与门电路的输出直接作为装置输出。
本发明还公开了一种智能直流保护装置的保护方法，包括以下步骤：
步骤1，分流器采样的主回路电流信号和直流母线电压信号分别经过隔离变送器输出给第一AD采样模块3和第二AD采样模块4，然后送到对应的第一DSP处理器1和第二DSP处理器2进行运算、处理；
步骤2，当主回路电流大于短延时电流整定值并且持续时间大于短延时时间整定值时启动电压保护判断，此时若主回路电压小于电压整定值并且持续时间大于时间整定值，第一DSP处理器1和第二DSP处理器2输出动作信号，经CPLD芯片7输出给光纤口10接通快速脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；当主回路电流大于长延时电流整定值并且持续时间大于长延时时间整定值第一DSP处理器1和第二DSP处理器2输出动作信号，经CPLD芯片7输出给继电器11接通分励脱扣器回路，使断路器动作，分断主回路。
参照图3所示，所述的监控电路包括分频电路13、计数定时电路14、复位定时电路15和连接在复位定时电路15上的反向器，所述的计数定时电路14包括分别与第一DSP处理器1和第二DSP处理器2对应连接的两个计数器；一个外部时钟信号CLKIN输入分频电路13，分频后的方波再输入到计数定时电路14中进行计数，同时与设置好的计数时间常数相比较，当在指定的时间内没有DSP处理器发送的心跳信号HTI来将对应的计数器清零，计数定时电路14将产生一个低电平HTO信号，同时触发复位定时电路15产生保持一定时间的稳定高电平，并在延时结束后产生一个高电平将所有宏单元计数器清零，该高电平经过反向器将产生一个低电平复位信号RSTN复位DSP处理器。
参照图4所示，所述的逻辑控制电路使用三态门做选择切换开关来控制输出通道，当某一DSP处理器对应的监控电路产生低电平HDO信号或自检信号ERR出现故障时，对应的选择开关断开；当任何一个DSP处理器故障时发出报警信号ALARM，设置测试模式，对每路DSP处理器分别进行检测；当设置端口SET1、SET2均为低电平时对第一DSP处理器1进行检测，当设置端口SET1、SET2均为高电平时对第二DSP处理器2进行检测。
工作时，智能直流保护装置从分流器采样的主回路电流信号和直流母线电压信号分别经过隔离变送器输出给第一AD采样模块3和第二AD采样模块4，然后送到第一DSP处理器一1和第二DSP处理器二2进行运算、处理，当主回路电流大于短延时电流整定值并且持续时间大于短延时时间整定值时启动电压保护判断，若主回路电压小于电压整定值并且持续时间大于时间整定值，第一DSP处理器1和第二DSP处理器2输出动作信号，经CPLD芯片7输出给光纤口10接通快速脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；当主回路电流大于长延时电流整定值并且持续时间大于长延时时间整定值，第一DSP处理器1和第二DSP处理器2输出动作信号，经CPLD芯片7输出给驱动继电器11接通分励脱扣器回路，使断路器动作，分断主回路。本装置使用DSP处理器片内的存储器存放程序，使用SPI接口扩展一片串行EEPROM存储器用于存放断路器的相关参数。本装置使用DSP处理器片内的CAN控制器，通过CAN接口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。本装置使用DSP处理器片内的RS485控制器，通过RS485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。本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。
智能直流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。
本发明用一片CPLD芯片7实现仲裁电路，这样能简化硬件设计，提高整个电路的可靠性。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微机***中，如船用直流电力***。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种智能直流保护装置，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，同时处理主回路电压信号并进行运算，在主回路满足故障动作条件时计算后得到的动作信号输出；
CPLD芯片（7），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；
继电器（11）和光纤口（10），CPLD芯片（7）发出的控制信号经继电器（11）接通分励脱扣器回路使断路器动作，分断主回路，CPLD芯片（7）发出的控制信号经光纤口（10）接通快速脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；
CAN接口（8）和RS485接口（9），通过CAN总线与上位机通信，通过RS485总线和触摸屏通信；
所述的核心微机单元与CPLD芯片（7）连接，所述的CPLD芯片（7）上还连接有CAN接口（8）、RS485接口（9）、光纤口（10）、继电器（11）和输入电路（12）；
所述的核心微机单元包括分别连接在CPLD芯片（7）上的第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2），所述的第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）上分别对应连接有第一AD采样模块（3）和第二AD采样模块（4）以及用于存放断路器参数的第一EEPROM存储器（5）和第二EEPROM存储器（6），所述的第一AD采样模块（3）和第二AD采样模块（4）均与隔离变送器相连接；所述的第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）均使用SPI接口扩展串行第一EEPROM存储器（5）和第二EEPROM存储器（6）；所述的第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）对连接的第一AD采样模块（3）和第二AD采样模块（4）以及第一EEPROM存储器（5）和第二EEPROM存储器（6）进行自检，输出自检信号ERR。
2.根据权利要求1所述的一种智能直流保护装置，其特征在于，所述的CPLD芯片（7）包括与门电路、监控电路、逻辑控制电路以及与第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）对应连接的第一选择开关K1和第二选择开关K2；所述的监控电路接收DSP处理器发送的心跳信号HTI，输出信号HTO给逻辑控制电路；所述的逻辑控制电路接收DSP处理器向它发送的自检信号ERR、监控电路输出信号HTO和MANUAL信号，输出信号控制第一选择开关K1和第二选择开关K2动作、输出复位信号RSTN给DSP处理器或者发出报警信号ALARM；第一选择开关K1和第二选择开关K2的输出连接到与门电路的输入，与门电路的输出直接作为装置输出。
3.一种如权利要求1所述的智能直流保护装置的保护方法，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和直流母线电压信号分别经过隔离变送器输出给第一AD采样模块（3）和第二AD采样模块（4），然后送到对应的第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）进行运算、处理；
步骤2，当主回路电流大于短延时电流整定值并且持续时间大于短延时时间整定值时启动电压保护判断，此时若主回路电压小于电压整定值并且持续时间大于时间整定值，第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）输出动作信号，经CPLD芯片（7）输出给光纤口（10）接通快速脱扣器回路使断路器动作，分断主回路；当主回路电流大于长延时电流整定值并且持续时间大于长延时时间整定值第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）输出动作信号，经CPLD芯片（7）输出给继电器（11）接通分励脱扣器回路，使断路器动作，分断主回路。
4.根据权利要求3所述的一种智能直流保护装置的保护方法，其特征在于，所述的监控电路包括分频电路（13）、计数定时电路（14）、复位定时电路（15）和连接在复位定时电路（15）上的反向器，所述的计数定时电路（14）包括分别与第一DSP处理器（1）和第二DSP处理器（2）对应连接的两个计数器；一个外部时钟信号CLKIN输入分频电路（13），分频后的方波再输入到计数定时电路（14）中进行计数，同时与设置好的计数时间常数相比较，当在指定的时间内没有DSP处理器发送的心跳信号HTI来将对应的计数器清零，计数定时电路（14）将产生一个低电平HDO信号，同时触发复位定时电路（15）产生保持一定时间的稳定高电平，并在延时结束后将所有计数器清零，该高电平经过反向器将产生一个低电平复位信号RSTN复位DSP处理器。
5.根据权利要求3所述的一种智能直流保护装置的保护方法，其特征在于，所述的逻辑控制电路使用三态门做选择切换开关来控制输出通道，当某一DSP处理器对应的监控电路产生低电平HDO信号或自检信号ERR出现故障时，对应的选择开关断开；当任何一个DSP处理器故障时发出报警信号ALARM，设置测试模式，对每路DSP处理器分别进行检测；当设置端口均为低电平时对第一DSP处理器（1）进行检测，当设置端口均为高电平时对第二DSP处理器（2）进行检测。
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