CN218447752U - 一种新型孤岛保护断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型孤岛保护断路器，涉及电力技术领域，该新型孤岛保护断路器采用内置电流互感器，利用设计的计量模块、驱动模块、电流采样模块、温湿度采集模块和通讯模块等模块与控制模块的数据交互，实现电压电流等数据采集及电流波形数据的获取，当供电线路掉电或者发生故障时，此时光伏发电侧处于孤岛状态，控制模块通过对上述数据进行处理，利用驱动模块及时切断光伏发电侧与供电侧的连接并对外进行相应故障上报。

Description

一种新型孤岛保护断路器

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，尤其是一种新型孤岛保护断路器。

背景技术

随着新能源的逐步发展，为了保证电站的安全稳定可靠的运行，国家电网对于并网电站的要求越来越完善。

孤岛效应，即当电网由于某种故障原因造成失压时，该光伏电站可以保持对***一部分线路供电。孤岛现象分为计划性和非计划性。顾名思义，当出现非计划性时应该是电网内出现某个原因造成的，这样导致的结果可能会影响该站的正常运行、设备受损或人员安全。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种新型孤岛保护断路器。该断路器能够实现对电网供电侧的电压电流、剩余电流、温湿度等数据的检测及事件状态的上报。

本实用新型的技术方案如下：

一种新型孤岛保护断路器，设置在光伏发电侧与电网之间，该断路器包括开关电源模块、控制模块以及与控制模块相连的计量模块、驱动模块、电流采样模块、温湿度采集模块和通讯模块；开关电源模块用于给断路器的各个模块供电；计量模块包括计量芯片以及与其相连的电压、电流采样电路，计量芯片用于基于采集电网输电线路的电压电流数据，得到电流波形数据并传输给控制模块；驱动模块包括电机驱动电路、行程开关检测电路和脱扣器驱动电路，其中：电机驱动电路用于控制合闸电机的启停，合闸电机连接机械结构实现合闸控制；在机械结构的合闸位置处安装行程开关，行程开关检测电路连接行程开关的输出端，用于向控制模块反馈机械结构位置、实现分合闸状态检测；脱扣器驱动电路用于控制脱扣器弹开、实现分闸控制；电流采样模块包括保护电流采样电路和剩余电流采样电路，用于采集电流互感器上的电流信号并传输给控制模块进行处理，得到当前三相保护电流及输电线路上产生的剩余电流值；温湿度采集模块用于向控制模块反馈开关接线端子温湿度；通讯模块与外部终端实现信号交互。

其进一步的技术方案为，开关电源模块包括依次相连的防雷击电路、整流电路、电磁干扰滤波电路、变压器功率变换电路和输出滤波电路，以及线性稳压电路；线性稳压电路基于BL9198-33BAPRN芯片实现，用于断路器所需电压的转换；

变压器功率变换电路的输入端和电磁干扰滤波电路的输出端之间还连接有供电使能电路，供电使能电路基于PN8145交直流转换芯片实现，交直流转换芯片内部集成了脉宽调制控制器和MOSFET，且MOSFET作为供电使能电路的使能端。

其进一步的技术方案为，通讯模块包括蓝牙通讯电路和485本地通讯电路，蓝牙通讯电路基于BR2262E芯片实现，用于被动接收外部蓝牙设备发出的数据抄读指令或参数设置指令，并主动响应外部指令；485本地通讯电路基于MAX485芯片及IS3722LS隔离芯片实现，用于主动收发数据。

其进一步的技术方案为，控制模块包括单片机最小***，单片机最小***包括复位电路及单片机，且单片机连接复位电路；单片机基于STM32F401RCT6芯片实现。

其进一步的技术方案为，新型孤岛保护断路器还包括与控制模块相连的显示模块，包括运行、故障、通讯的LED显示及测量数据、事件记录、参数设置的LCD显示。

其进一步的技术方案为，新型孤岛保护断路器还包括与控制模块相连的按键模块，包括试跳按键电路、合闸按键电路、分闸按键电路、上翻按键电路、下翻按键电路、设置按键电路、确定按键电路和返回按键电路；试跳按键电路用于测试剩余电流跳闸保护运行机制；上翻按键电路、下翻按键电路用于显示界面翻页、上下换行、或者在修改参数时使用；设置按键电路用于进入参数设置界面；确定按键电路用于在修改密码或参数时的确认，在参数修改时还用于移动所需修改的对应数值位；返回按键电路用于在修改密码或参数后，使选定的密码或参数处于确认修改前的一个等待状态。

其进一步的技术方案为，试跳按键电路接通后向控制模块反馈脉冲信号，其余按键电路接通后向控制模块反馈高低电平信号。

其进一步的技术方案为，新型孤岛保护断路器还包括与控制模块相连的看门狗模块，基于SP706REN-L/TR看门狗芯片、SGM4157YC6/TR模拟开关芯片和LM321-TR比较器芯片实现，看门狗芯片的输入引脚用于接收控制模块发送的喂狗信号，看门狗芯片的复位引脚连接模拟开关芯片的公共引脚，模拟开关芯片的输入引脚用于接收控制模块发送的使能信号，模拟开关芯片的电源引脚和输入引脚连接比较器芯片的输出端，比较器芯片用于将基准电压与供电电压的比较输出作为模拟开关芯片的使能输入；当控制模块未及时喂狗时，模拟开关芯片的公共引脚接收相应电平，关闭控制模块的看门狗复位功能；当处于供电状态时，模拟开关芯片的输入引脚接收到有效使能信号，模拟开关芯片的输出引脚向控制模块的复位引脚输出相应电平，使控制模块复位。

其进一步的技术方案为，新型孤岛保护断路器还包括与控制模块相连的时钟模块和存储模块，时钟模块基于BM8563ESA芯片实现，用于读写时间数据；存储模块采用AT24LC512芯片存储参数及事件记录数据，采用W25Q16芯片存储冻结数据。

其进一步的技术方案为，计量芯片基于ATT7022EU芯片实现；温湿度采集模块包括相连的温湿度采样芯片和独立控制芯片，温湿度采样芯片采用SHT20芯片，独立控制芯片采用N76E003AT20与控制模块进行数据互动。

本实用新型的有益技术效果是：

利用计量模块、驱动模块、电流采样模块、温湿度采集模块和通讯模块等模块与控制模块的数据交互，实现电压电流等数据采集及电流波形数据的获取，当供电线路掉电或者发生故障时，此时光伏发电侧处于孤岛状态，控制模块通过对上述数据进行处理，利用驱动模块及时切断光伏发电侧与供电侧的连接并对外进行相应故障上报。

附图说明

图1是本申请提供的新型孤岛保护断路器的连接示意框图。

图2是本申请提供的控制模块的芯片引脚图。

图3是本申请提供的开关电源模块的电路图。

图4是本申请提供的计量模块的电路图。

图5是本申请提供的驱动模块的电路图，其中：(1)电机驱动电路图，(2)行程开关检测电路图，(3)脱扣器驱动电路图。

图6是本申请提供的电流采样模块的电路图，其中：(1)保护电流采样电路图，(2)剩余电流采样电路图。

图7是本申请提供的温湿度采集模块的电路图。

图8是本申请提供的通讯模块的电路图，其中：(1)蓝牙通讯电路的电路图，(2)485本地通讯电路的电路图。

图9是本申请提供的显示模块的电路图。

图10是本申请提供的按键模块的电路图。

图11是本申请提供的看门狗模块的电路图。

图12是本申请提供的时钟模块的电路图。

图13是本申请提供的存储模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种新型孤岛保护断路器，该新型孤岛保护断路器设置在光伏发电侧与电网之间，主要用于监测电网供电侧中配电***的电路状态及故障诊断。如图1所示，断路器包括开关电源模块、控制模块以及与控制模块相连的计量模块、驱动模块、电流采样模块、温湿度采集模块、通讯模块、显示模块、按键模块、看门狗模块、时钟模块和存储模块，下面对各个模块的内部设计和作用进行详细介绍说明。

控制模块是新型孤岛保护断路器的控制核心，包括单片机最小***，单片机最小***包括复位电路及单片机，且单片机连接复位电路。单片机基于STM32F401RCT6芯片实现，其引脚示意图请参考图2所示。

开关电源模块用于给断路器的各个模块供电。如图3所示，包括依次相连的防雷击电路a、整流电路b、电磁干扰滤波电路c、变压器功率变换电路d和输出滤波电路e，以及线性稳压电路f。其中，线性稳压电路f基于BL9198-33BAPRN芯片实现，在本实施例中，用于将供电电池的5.5V电压转换为3.3V电压。变压器功率变换电路d的输入端和电磁干扰滤波电路c的输出端之间还连接有供电使能电路g，供电使能电路g基于PN8145交直流转换芯片实现，交直流转换芯片内部集成了脉宽调制控制器和MOSFET功率管，且MOSFET作为供电使能电路的使能端。由于该模块的各个电路的具体连接关系是电子技术领域的常用电路，在此不做详细介绍。

如图4所示，计量模块包括计量芯片以及与其相连的电压、电流采样电路，电压采样电路采用电阻分压方式实现，电流采样电路采用差分方式实现。计量芯片基于ATT7022EU芯片实现，用于基于采集电网输电线路的电压电流数据，得到电流波形数据并通过SPI方式传输给控制模块的单片机。采集到测量数据通过显示模块的液晶屏幕显示出来，同时针对测量量的事件记录(过压、过流、缺相、过载)进行判定。

驱动模块包括电机驱动电路、行程开关检测电路和脱扣器驱动电路。如图5-(1)所示，电机驱动电路用于控制合闸电机的启停，合闸电机连接机械结构实现合闸控制。在机械结构的合闸位置处安装行程开关，行程开关检测电路连接行程开关的输出端，如图5-(2)所示，用于向控制模块反馈机械结构位置、实现分合闸状态检测。如图5-(3)所示，脱扣器驱动电路用于控制脱扣器弹开、实现分闸控制。控制模块的单片机使用IO口实现输入检测及输出控制，具体的：当单片机需要控制电机转动时，IO口(RELAY_A)输出高电平驱动继电器闭合，从而输出供给电机转动的交流电压使合闸电机转动；当电机转动机械结构导致触点闭合后，单片机检测到IO口的输入信号为低电平，判定当前为合闸状态，反之检测到输入信号为高电平，则为分闸状态；当单片机需要控制脱扣器弹开时，IO口(TRIP)输出高电平使三极管导通，使脱扣器得电弹开。

如图6-(1)、(2)所示，电流采样模块包括保护电流采样电路和剩余电流采样电路，用于采集电流互感器上的电流信号并传输给控制模块进行处理，得到当前三相保护电流及输电线路上产生的剩余电流值。在本实施例中，采样电路基于运算放大电路实现，将互感器电流信号输入至单片机的ADC检测模块。与计量模块的区别在于，电流采样模块主要用于瞬态电流保护和短延时电流保护。

温湿度采集模块用于向控制模块反馈开关接线端子温湿度。如图7所示，温湿度采集模块包括相连的温湿度采样芯片和独立控制芯片，温湿度采样芯片采用SHT20芯片，独立控制芯片采用N76E003AT20，通过I2C方式与控制模块进行数据互动。当控制模块的单片机检测到超过设定的温湿度阈值并且持续时间超过设定的判定延时时，根据设定的温度保护控制字，执行告警或者跳闸保护动作。

通讯模块与外部终端实现信号交互，包括蓝牙通讯电路和485本地通讯电路。如图8-(1)所示，蓝牙通讯电路基于BR2262E芯片实现，用于被动接收外部蓝牙设备(如：蓝牙掌机、手机等)发出的数据抄读指令或参数设置指令，并主动响应外部指令，比如：应答蓝牙设备发送过来的指令，或者回复蓝牙设备所需抄读数据或应答参数设置是否成功。如图8-(2)所示，485本地通讯电路基于MAX485芯片及IS3722LS隔离芯片实现，用于主动收发数据。在实际应用场景中，考虑外部设备的通讯载体选择相应的通讯电路，通常情况下，蓝牙通讯电路为无线通讯主要用于用户侧的观测，便于手机等蓝牙设备的操作，485本地通讯电路主要用于厂内相关测试和485设备的通讯连接。

如图9所示，显示模块包括运行、故障、通讯的LED显示及测量数据、事件记录、参数设置的LCD显示。

如图10所示，按键模块包括试跳按键电路、合闸按键电路、分闸按键电路、上翻按键电路、下翻按键电路、设置按键电路、确定按键电路和返回按键电路。其中：试跳按键电路用于测试剩余电流跳闸保护运行机制：当按键按下后，控制模块通过输入IO检测到有脉冲信号时，通过剩余电流采样电路得到剩余电流值并进行判定，若超过设定剩余电流阈值则控制脱扣器分闸。合闸按键按下后，若控制模块检测当前为分闸状态，则向电机驱动电路输出IO高电平，控制合闸电机转动；分闸按键按下后，若控制模块检测当前为合闸状态，则向脱扣器驱动电路输出高电平，控制脱扣器动作，使其分闸；如果脱扣器动作失败，则电机驱动端口RELAY_A输出高电平控制电机转动实现分闸。上翻按键电路、下翻按键电路用于显示界面翻页、上下换行、或者在修改参数时使用，如过压参数(230V)的调大或减小。设置按键电路用于在主机界面下通过按下该按键进入参数设置界面，主机界面包括参数设置界面进入窗口、设备维护进入窗口、历史记录进入窗口等。确定按键电路用于在修改密码或参数时的最终确认，在参数修改时还用于移动所需修改的对应数值位。返回按键电路用于在修改密码或参数后，使选定的密码或参数处于确认修改前的一个等待状态。正常运行下液晶屏会自动轮显所需观测数据，当需要长时间停留在一个界面时可通过上翻和下翻按键进行选定，当需要调整参数时可通过设置、确认、返回、上翻和下翻按键进行修改。可选的，在本实施例中，设置试跳按键电路接通后向控制模块反馈脉冲信号，其余按键电路接通后向控制模块反馈高低电平信号，比如：当相应按键按下时，单片机引脚接收为低电平，当相应按键弹起时，单片机引脚接收为高电平。

如图11所示，看门狗模块基于SP706REN-L/TR看门狗芯片、SGM4157YC6/TR模拟开关芯片和LM321-TR比较器芯片实现，看门狗芯片的输入引脚WDI用于接收控制模块发送的喂狗信号，看门狗芯片的复位引脚RESET连接模拟开关芯片的公共引脚COM，模拟开关芯片的输入引脚IN用于接收控制模块发送的使能信号EN_BT，模拟开关芯片的电源引脚V+和输入引脚IN连接比较器芯片的输出端OUT，比较器芯片用于将基准电压VREF与供电电压5V的比较输出作为模拟开关芯片的使能输入。当控制模块未及时喂狗时，模拟开关芯片的公共引脚COM接收低电平，关闭控制模块的看门狗复位功能；当处于供电状态时(也即供电电压大于基准电压)，模拟开关芯片的输入引脚IN接收到有效使能信号，模拟开关芯片的输出引脚NC向控制模块的复位引脚MRST输出低电平，使控制模块复位。当***掉电后利用看门狗模块自动关闭控制模块的看门狗复位功能，可减少开关功耗和防止掉电过程中的误动作。

如图12所示，时钟模块基于BM8563ESA芯片实现，采用I2C方式与单片机进行通讯，用于读写时间数据。

如图13所示，存储模块采用AT24LC512芯片存储参数(比如开关电量数据、参变量数据)及事件记录数据，采用W25Q16芯片存储空间占用大的分钟冻结数据及用于软件升级的程序代码文件。单片机使用I2C总线及SPI总线操作存储芯片。

新型孤岛保护断路器的整体工作原理为：

利用计量模块实现电压电流等数据采集及电流波形数据的获取，并通过显示模块观测测量数据、当前日期时间及事件历史记录；通过按键模块设置参数及模拟剩余电流保护动作流程；利用温湿度采集模块检测开关接线端子温度，实现温度超限告警/跳闸动作；通过看门狗模块防止运行过程中异常冲击造成程序运行卡死；当供电线路掉电或者发生故障，此时光伏发电侧处于孤岛状态，控制模块通过对电压幅值、频率及波形畸变率的处理判断，能够利用驱动模块及时切断光伏发电侧与供电侧的连接并对外进行相应故障上报；当检测到线路有大电流产生时，能够跳闸进行保护；断路器内设通讯模块支持无线蓝牙通讯及远程升级。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型孤岛保护断路器，其特征在于，设置在光伏发电侧与电网之间，所述断路器包括开关电源模块、控制模块以及与所述控制模块相连的计量模块、驱动模块、电流采样模块、温湿度采集模块和通讯模块；所述开关电源模块用于给所述断路器的各个模块供电；所述计量模块包括计量芯片以及与其相连的电压、电流采样电路，所述计量芯片用于基于采集电网输电线路的电压电流数据，得到电流波形数据并传输给所述控制模块；所述驱动模块包括电机驱动电路、行程开关检测电路和脱扣器驱动电路，其中：所述电机驱动电路用于控制合闸电机的启停，所述合闸电机连接机械结构实现合闸控制；在所述机械结构的合闸位置处安装行程开关，所述行程开关检测电路连接所述行程开关的输出端，用于向所述控制模块反馈机械结构位置、实现分合闸状态检测；所述脱扣器驱动电路用于控制脱扣器弹开、实现分闸控制；所述电流采样模块包括保护电流采样电路和剩余电流采样电路，用于采集电流互感器上的电流信号并传输给所述控制模块进行处理，得到当前三相保护电流及输电线路上产生的剩余电流值；所述温湿度采集模块用于向所述控制模块反馈开关接线端子温湿度；所述通讯模块与外部终端实现信号交互。

2.根据权利要求1所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述开关电源模块包括依次相连的防雷击电路、整流电路、电磁干扰滤波电路、变压器功率变换电路和输出滤波电路，以及线性稳压电路；所述线性稳压电路基于BL9198-33BAPRN芯片实现，用于断路器所需电压的转换；

所述变压器功率变换电路的输入端和电磁干扰滤波电路的输出端之间还连接有供电使能电路，所述供电使能电路基于PN8145交直流转换芯片实现，交直流转换芯片内部集成了脉宽调制控制器和MOSFET，且所述MOSFET作为所述供电使能电路的使能端。

3.根据权利要求1所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述通讯模块包括蓝牙通讯电路和485本地通讯电路，所述蓝牙通讯电路基于BR2262E芯片实现，用于被动接收外部蓝牙设备发出的数据抄读指令或参数设置指令，并主动响应外部指令；所述485本地通讯电路基于MAX485芯片及IS3722LS隔离芯片实现，用于主动收发数据。

4.根据权利要求1所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述控制模块包括单片机最小***，所述单片机最小***包括复位电路及单片机，且所述单片机连接所述复位电路；所述单片机基于STM32F401RCT6芯片实现。

5.根据权利要求1所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述新型孤岛保护断路器还包括与所述控制模块相连的显示模块，包括运行、故障、通讯的LED显示及测量数据、事件记录、参数设置的LCD显示。

6.根据权利要求5所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述新型孤岛保护断路器还包括与所述控制模块相连的按键模块，包括试跳按键电路、合闸按键电路、分闸按键电路、上翻按键电路、下翻按键电路、设置按键电路、确定按键电路和返回按键电路；所述试跳按键电路用于测试剩余电流跳闸保护运行机制；所述上翻按键电路、下翻按键电路用于显示界面翻页、上下换行、或者在修改参数时使用；所述设置按键电路用于进入参数设置界面；所述确定按键电路用于在修改密码或参数时的确认，在参数修改时还用于移动所需修改的对应数值位；所述返回按键电路用于在修改密码或参数后，使选定的密码或参数处于确认修改前的一个等待状态。

7.根据权利要求6所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述试跳按键电路接通后向所述控制模块反馈脉冲信号，其余按键电路接通后向所述控制模块反馈高低电平信号。

8.根据权利要求1所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述新型孤岛保护断路器还包括与所述控制模块相连的看门狗模块，基于SP706REN-L/TR看门狗芯片、SGM4157YC6/TR模拟开关芯片和LM321-TR比较器芯片实现，看门狗芯片的输入引脚用于接收所述控制模块发送的喂狗信号，所述看门狗芯片的复位引脚连接模拟开关芯片的公共引脚，所述模拟开关芯片的输入引脚用于接收所述控制模块发送的使能信号，所述模拟开关芯片的电源引脚和输入引脚连接比较器芯片的输出端，所述比较器芯片用于将基准电压与供电电压的比较输出作为模拟开关芯片的使能输入；当所述控制模块未及时喂狗时，所述模拟开关芯片的公共引脚接收相应电平，关闭所述控制模块的看门狗复位功能；当处于供电状态时，所述模拟开关芯片的输入引脚接收到有效使能信号，所述模拟开关芯片的输出引脚向所述控制模块的复位引脚输出相应电平，使所述控制模块复位。

9.根据权利要求1所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述新型孤岛保护断路器还包括与所述控制模块相连的时钟模块和存储模块，所述时钟模块基于BM8563ESA芯片实现，用于读写时间数据；所述存储模块采用AT24LC512芯片存储参数及事件记录数据，采用W25Q16芯片存储冻结数据。

10.根据权利要求1所述的新型孤岛保护断路器，其特征在于，所述计量芯片基于ATT7022EU芯片实现；所述温湿度采集模块包括相连的温湿度采样芯片和独立控制芯片，所述温湿度采样芯片采用SHT20芯片，所述独立控制芯片采用N76E003AT20与所述控制模块进行数据互动。

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