CN2717084Y - 高压真空断路器的智能化控制保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压真空断路器的智能化控制保护装置，其特征是：有CPU模块，CPU模块与CPLD模块相连接，CPLD模块接有模拟量采集模块和开入开出量模块，CPLD模块还接有液晶键盘接口模块，CPU模块接有通讯模块，CPU模块及CPLD模块还与数据存储器相连接，另有电源电路与上述各模块相连接。其有益效果为：具有自动检测开关位置量及故障闭锁功能；还具有三段保护加接地保护；保护动作时间延时在线整定可调；信号处理上传与现有国内通讯规约相同；体积小安装方便；具有良好的抗电磁干扰性能。

Description

高压真空断路器的智能化控制保护装置

技术领域：

本实用新型涉及供配电技术，是一种真空断路器的控制装置，具体地说，是一种高压真空断路器的智能化控制保护装置。

背景技术：

断路器是配电***中的重要电器元件，它的性能对电网的安全稳定运行至关重要，因此改进断路器性能，提高其智能化水平一直是人们关注的问题。传统的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械***的动作来实现的，体积较大，效果也不理想。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，有必要在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器。例如，具有短路保护、过流和过热保护、漏电保护、缺相保护等功能的断路器。

目前，国外已经开发出了系列化智能断路器。其性能大大优于传统的断路器产品。如德国西门子公司开发的3WN1型多功能断路器，有三种保护功能和七种调节方式。法国MG公司开发的额定电压660V、额定电流800-3200A的Masterpact系列框架式断路器，其优点是能测量电流、控制和测量所需能量，所有保护器都是无触点的。上个世纪九十年代初美国通用电器公司推出了带数字化固态脱扣器的Power Breaker系列塑壳断路器，它具有功能模块化、组装积木化、脱扣智能化、保护多样化、附件通用化等优点。我国在智能化低压断路器方面的产品开发已取得较大进展，有很多成熟的产品面世。常熟开关厂1999年开发了当时国内容量较大(5000A)，短路分断能力较高(120kA)的CW-15000智能型万能式断路器，在国家低压电器质量监督检测中心通过全项目的型式试验，各项性能指标满足设计要求。杭州之江开关厂开发制造的HS W1-3200系列断路器在中国电气设备检测所低压电器质量检测站已进行了全套型式认可试验，并通过了由浙江省科委组织的专家鉴定。还有国产的DW-40系列智能型万能式断路器，其技术性能和结构都达到国外九十年代的先进水平，它符合IEC-947.2标准。等等。然而，在高压智能化断路器的研发方面，我国尚处于起步阶段，有较多的理论和技术问题需要研究和探讨。及早开展高压真空断路器的智能化控制保护装置的研发工作，解决其设计与制造工艺的相关关键技术，对提高产品综合性能和市场竞争力具有十分重要的意义。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种具有自动检测开关位置量及故障闭锁功能；还具有三段保护加接地保护；保护动作时间延时在线整定可调；信号处理上传与现有国内通讯规约相同；体积小安装方便；具有良好的抗电磁干扰性能的高压真空断路器的智能化控制保护装置。

本实用新型的技术解决方案是：一种高压真空断路器的智能化控制保护装置，其特征是：有CPU模块，CPU模块与CPLD模块相连接，CPLD模块接有模拟量采集模块和开入开出量模块，CPLD模块还接有液晶键盘接口模块，CPU模块接有通讯模块，CPU模块及CPLD模块还与数据存储器相连接，另有电源电路与上述各模块相连接。

本实用新型中所述的模拟量采集模块中有模拟量信号输入电路，模拟量信号输入电路经数据采集模块与CPLD模块相连接。模拟量信号输入电路还经频率测量模块与CPU模块相连接。数据存储器中包括静态数据存储器和非易失性数据存储器。

本实用新型的有益效果为：具有自动检测开关位置量及故障闭锁功能；还具有三段保护加接地保护；保护动作时间延时在线整定可调；信号处理上传与现有国内通讯规约相同；体积小安装方便；具有良好的抗电磁干扰性能。

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明：

附图说明：

图1为本实用新型的一种高压真空断路器的智能化控制保护装置的原理框图；

图2为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的主程序模块流程图；

图3为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的CPU模块电路图；

图4为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的CPLD和数字IO口模块电路图；

图5为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的人机接口电路图；

图6为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的键盘接口电路图；

图7为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的液晶显示接口电路图；

图8为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的存储器扩展模块电路图；

图9为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的CAN通讯模块电路图；

图10为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的串行通讯模块电路图。

具体实施方式：

图1描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置的原理。在图中有有CPU(TM320F2407A)模块1，CPU模块1与CPLD(EPM7128SLC84)模块2相连接，CPLD2模块接有模拟量采集模块和开入开出量模块3，CPLD模块2还接有液晶键盘接口模块4，CPU模块1接有通讯模块5，CPU模块1及CPLD模块2还与数据存储器6、7相连接，另有电源电路与上述各模块相连接。所述的模拟量采集模块中有模拟量信号输入电路8，模拟量信号输入电路8经数据采集模块9与CPLD模块2相连接。模拟量信号输入电路8还经频率测量模块10与CPU模块1相连接。数据存储器中包括静态数据存储器6和非易失性数据存储器7。

图2描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的主程序模块流程。包括：上电或复位程序模块21、初始化程序模块22、自检程序模块23、有无故障判断程序模块24、数据处理程序模块25、动作判断程序模块26、动作或报警判断程序模块27、显示程序模块28、通讯程序模块29、报警程序模块30等。

图3描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的CPU模块电路。电路中除包括CPU(TM320F2407A)外，还包括集成电路JP1(JTAG-DSP)、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R20、R23、R24、电容C4、C17、C18、C19、C20、开关S3等元器件。

图4描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的CPLD和数字IO口模块电路。电路中包括CPLD(EPM7128SLC84)、集成电路JP2(JTAG-CPLD)、JP5(ADCIN)、JP6(IOPE-PF)、JP7(IOPA-PB)、JP10(CPLD-NET)、电阻R18、R19、电容CC5、C6、开关S2等元器件。

图5描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的人机接口电路。电路中包括：集成电路U4(LVC16245A)、电容C11等元器件。

图6描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的键盘接口电路。电路中包括：集成电路JP8(KEYBORDPORT)、电阻R13、R14、R15、R16、R17、电容C13等元器件。

图7描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的液晶显示接口电路。电路中包括：集成电路JP9(LCD PORT)、变阻器VR1、电容C14、C24等元器件。

图8描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的存储器扩展模块电路。电路中包括：集成电路U1(TPS7333)、JP3(CY7C1021)、JP4(CY7C1021)、R22(X25650)、电感器L1、L2、L3、L4、电阻R12、R21、电容C1、C2、C3、C7、C8、C9、C10、C12、C15、C16、C21、C22、C25、开关S1、二极管D1等元器件。

图9描述了本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的CAN通讯模块电路。电路中包括：集成电路J3(82C250)、光电耦合器U8、U9、电阻R3、R35、R36、R37、R26、电容C29、C30、C31等元器件。

图10为本实用新型的高压真空断路器的智能化控制保护装置中的串行通讯模块电路。电路中包括：集成电路U5(MAX232A)、U6(MAX485)、光电耦合器U11、U12、二极管D2、D3、电阻R47、R48、R52、R53、R60、R61、R63、R64、R68、R69、电容C32、C33、C34、C35、C40、C41、C42、C43等元器件。

一、本实用新型的技术路线：

1、实时的电流检测

采用不同的电流有效值的检测方法，对智能断路器的可靠性和精度的影响很大。通常，认为配电***是以正弦电流电路工作的，智能断路器中的微处理器对正弦电流采样数据的处理方法一般有两种：其一，用一个周期内采样数据的最大值(如果采样点足够多，可以认为最大值为峰值)乘0.707得到有效值；其二，以半周期内采样数据的平均值乘1.11得到有效值。但是，随着科技的发展，各种用电负载使电网发生了不容忽视的变化，从而导致电源质量开始变坏、波形畸变、谐波分量增大，配电***不再是纯正弦电路了。因此，如果采用以平均值求得有效值或以最大值求得有效值的数据处理方法，在波形畸变、谐波分量增大的非正弦情况下，误差大，这使智能断路器的显示精度及保护动作精度大为降低，甚至导致断路器的误动作。为此，在本智能断路器的设计中，采用电流均方根值(RMS)采样。

2、三段保护加接地保护的实现

当发生过载、短路时，三相线路中的电流变化大，很容易检测到，因此对于它们的保护易于实现。相对于三段保护，接地保护的实现要困难的多。在35KV***中，正常情况下，***三相电压对称平衡，三相对地电容相等，在各引出线路的零序电流互感器中无零序电流通过。当某一线路发生单相接地故障时，零序电压互感器开口三角绕组输出零序电压，***各线路的零序电流互感器原方均有零序电流通过，副方输出二次零序电流。35KV高压线路用零许电压作为启动判据，当零许电压大于整定值时启动接地保护，接着进行下面的判断。对于不接地***(不带消弧线圈补偿)，根据三相零序电流I0的无功功率法来判断接地相。对于经消弧线圈接地***，由于消弧线圈的补偿作用，接地线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位基本相同，超前零序电压约为90°，幅值也不一定比非故障线路的零序电流大，因此不能根据三相零序电流I0的方向和大小判断出接地线路，所以改为根据零序电流的5次谐波分量的方向和大小判断接地线路。

3、CPU的选择

本***要实现的功能多样，程序算法复杂，因而运算量很大。例如在求均方根值的过程中，要进行开平方运算，开平方运算是无法直接实现的，必须借助牛顿迭代法或其他数值处理方法来实现，但是要大大增加运算量。再比如在单相接地选线算法的实现过程中，要用到离散傅立叶变换，算法也是非常复杂。要实现复杂的算法和数值运算，提高实时运算速度，必须要选择高速度的CPU。目前，单片机的应用技术已经基本成熟，并且可选择的单片机型号多，价格便宜，因此很多智能化断路器都是选择单片机作为控制核心。但是单片机的运算速度相对较慢，难以完成本***的需求。本智能化断路器设计开发采用TMS320F240系列芯片作为核心控制芯片，该系列芯片的指令周期为12.5ns，可选择面广，且各型号间代码通用，因此能够满足智能断路器将来功能扩展和产品升级的需要。

4、断路器的开关位置量检测与故障闭锁

由于断路器在大多数运行时间内是不动作的，在此期间，本单元的任务是对断路器的工作状态不断地进行监测，同时它还应记录断路器每次开断情况，以便于事后进行事故分析及断路器的维护。同时，也可通过断路器累积开断电流的大小来表示断路器触头的烧蚀情况。

具体的检测和故障闭锁的实现应根据真空断路器的具体特性而定。

5、信号的处理与上传的实现

通讯采用标准的串行通讯方式，便于本***与上位机之间的通讯。

数据通信网络的结构：为一点对多点的由上位机主呼的主从网结构(现场总线型)。

通讯方式：广播应答方式，半双工类型。

硬件接口电路类型：RS-485接口电路。(具有瞬间保护或隔离型)

通讯线路：UTP双绞线，8芯(4对)，五类通讯线。(在干扰严重的工业环境或线路与电力线一同敷设时可选用屏蔽线STP)

上位机：中央处理器应为586以上。若上位机处于干扰严重的工业环境中，则应选用工控机机型。

能实现的通讯功能包括：通讯子站向上位机报送断路器现时的各项保护参数；通讯子站向上位机报送工作参数、故障参数，达到上位机对电力电网***遥测的目的；通讯子站接收上位机的遥调参数来改变断路器中的保护特性参数；通讯子站接收上位机的控制信号来实现电力电网计算机控制***的遥控功能。

6、电磁兼容问题的处理

电磁兼容在电力设备设计及应用中日益成为重要的要素，产品在进入市场之前必须先取得电磁兼容的合格证。电子电器的干扰来自各个方面，有电气干扰，环境温度变化以及气压、振动、时间等各种因素，其中电气干扰是各类干扰中的主要因素。干扰通过各种线路侵入微处理器***，也可以场的形式从空间侵入微机***，供电线路是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径。智能断路器工作环境恶劣，干扰因素多，它常常工作在高压大电流时，以场的形式入侵的干扰是其主要因素，它们可以通过静电感应等方式在微处理器***中形成干扰，引起断路器误动作，由此产生的经济损失可能是不可估量的。为了抵抗这些干扰，可以从线路间的电磁耦合、电磁屏蔽、布线间距、元件安装位置和使用EMC滤波器等方面去着手。在软件中，可以通过加设各种滤波算法来进一步降低电磁干扰对***的影响。

本装置硬件采用模块化设计，以提高其稳定性和可维护性，硬件的主要模块包括：CPU模块，CPLD模块，模拟量采集模块，开入开出量模块，液晶键盘接口模块，通讯模块等。

装置上电或复位后，***首先进行初始化，包括各个芯片及寄存器的初始化；然后对各个器件进行自检，如果发现故障装置会报警，若一切正常则进入主循环；

在主循环中进行如下工作：

(1)调用数据处理模块计算出各序基波分量的有效值；

(2)在动作判断模块中根据上一步的计算结果采取相应的措施；

(3)刷新液晶显示器和各指示灯的显示；

(4)通讯部分。

二、各模块的具体功能与实现方法如下：

1、初始化模块

主要完成对***堆栈指针、定时器的控制寄存器、通信端口的工作方式及通信波特率、处理器和CPLD的各个输入输出口、液晶显示器的工作方式和显示缓冲区、各个工作寄存器等部分的初始化。

2、自检模块

主要完成对处理器、时钟电路、开关量输入输出电路、模拟量输入及模数转换电路、整定值等的自检，这是保证装置正常运行的重要措施。在这里采用了动态自检，即将自检模块放在主循环中，确保装置在每一个循环都可以执行一次自检模块。如果发现异常，将自动在液晶显示器上显示出故障器件的相应信息，并根据不同的情况报警或闭锁出口，与电力***综合自动化配套使用时，还可将异常信息送往上位机。

3、数据处理模块

其作用是通过对采集到的数据进行转换，获得保护原理和判据所需要的各路模拟量的数值，将这些采样值按一定的格式存放在指定的RAM区域，以提供主程序模块对各监控、保护动作判据的计算。

4、动作判断模块

其功能是根据数据处理模块得到的结果以及频率测量模块得到的***频率，根据各种保护的原理及整定值进行判断，以决定是否动作或报警。在本装置中，动作判断模块是由瞬时电流速断保护、定时限过流保护、热过载反时限过流保护和单相接地短路保护组成。

动作判断模块是本算法的核心，下面介绍其实现思路。动作判断模块由启动环节和故障判定环节组成。

1)启动环节

为了提高控制***的稳定性，防止误动，在***中设置启动标志位KQD。正常情况时，KQD-0，出口动作继电器闭锁，保护不会误动。只有启动环节KQD＝1时，才进入故障判定模块。

2)故障判定

①电流速断保护

当启动判据中两种算法所计算出的值均大于速断保护动作整定电流值时，速断保护动作。设每周期采样64点，则动作时间为1.25ms+继电器固有动作时间+断路器跳闸时间，满足保护快速性的要求。

②短路短延时和长延时保护(或反时限保护)

启动环节动作一个周期后，采用全波傅氏算法计算电流有效值，能同时满足监控和保护的需要。傅氏算法不再假设输入的电压、电流量为纯正弦量，而是假设它们是由直流分量、基频和信频分量所组成。

③单相接地保护

在理想情况下，中性点不接地***由于对地容抗远大于线路阻抗，因此分析单相接地短路故障时，可以忽略线路阻抗，并认为全***零序电压相等。因此，如果线路很短，则分布电容很小，电容电流也很小。

35KV***一般采用中性点不接地或者经过消弧线圈接地，因此发生单相接地短路时，零序电流很小。故障时，接地点金属性接地和经过渡电阻接地，零序电流也有很大的不同。此外，由于三相对地电容的不同，***正常运行时，也会存在零序电流，而且，由于三相电流互感器磁特性的不一致性，必然也会带来测量误差。

由于影响单相接地短路时零序电流的因素很多，因此电力***中单相接地故障选线和定位一直是个大难题，到现在也没有很好的解决。

对于中性点不接地***，本算法采用故障相基波零序电流功率方向由线路指向母线来判定；对于中性点经笑弧线圈接地***，由于发生单相接地故障时，故障相基波零序电流被消弧线圈过补偿，无法通过基波零序电流功率方向来判定。

5、显示模块

主要由液晶显示器(LCD)构成的。在正常运行时，LCD需要显示实时时间、各路模拟量(包括各相电压、电流和***频率等)的当前值、各路开关量(主要是断路器)的状态，并且需要定时刷新。其中时间和模拟量是用字母和数字来表示的，而开关量是用图形来表示的，所以LCD采用了文本和图形合成的工作方式。

6、通讯模块

具有串行数据通信和CAN通讯网接口，可直接与电力***综合自动化配套，实现远方实时监测和控制、远方读取和修改整定值、远方投停保护等功能。

7、中断服务子程序模块

主要由数据采集模块、键盘处理模块和过零检测模块组成

1)数据采集模块。考虑到中断嵌套的可靠性和复杂性，数据采集和转换采用查询等待的方式实现。在定时器中断服务子程序里，启动数据采集和AD转换。

2)键盘处理模块。考虑到线路保护装置正常运行时键盘使用较少，所以键盘响应采用了中断的方式。当有键按下时，经过CPLD触发CPU的外部中断，进入键盘中断服务子程序。在中断服务程序中完成对键号的识别并执行相应的功能，主要有菜单的弹出、选择和执行；光标的移动；整定值的加减等。

3)过零检测模块。该模块的基本任务是记录模拟量过零点的时刻，从而求出两个过零点之间的时间差，并由此进一步计算出模拟量的频率或两路模拟量之间的相位差。过零检测是通过处理器F240的捕捉单元输入口CAP中断来进行的，其记录过零时刻的过程完全由硬件实现，无需软件和CPU的干预。这样可以提高中断响应的速度，有利于记录的精度，同时可以减小对CPU的占用。

微处理器引入断路器，与微电子技术、传感技术、控制通讯技术、电力电子技术等结合，一方面可以在同一台断路器上实现多种保护功能的多种动作特性，另一方面可使断路器实现与中央控制计算机双向通讯，构成智能化的监控、保护、信息网络***，使断路器从基本保护功能发展到智能化的保护功能。智能化已是中低压断路器的一个重要发展方向。

微机技术的发展为电气开关的智能化提供了条件。智能化的电气开关，不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能够实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)。各种保护功能的动作参数也可显示、设定和修改。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非易失存储器中以便查询分析。

1、微处理器最小***

这是控制单元的核心，最小***包括其复位电路，晶振电路和大容量存储器的扩展电路等。

2、电压电流量的测量模块

电压电流量的测量分别采用电压互感器和嗲六互感器来完成。

采样的电压和电流信号，先通过调理电路的处理，然后经A/D转换后变为DSP可以接受的数字信号，最后送入CPU作为供电线路故障诊断的依据。

3、保护参数的整定模块

本部分通过按钮或者上位机能实现对过载长延时、短路短延时、短路瞬时和接地延时故障的电流和截断时间的在线整定。

4、显示模块

供电线路处于正常工作状态时，显示最大相电压、最大相电流、功率因数等状态量；当供电线路出现过电压、过电流等异常情况时，显示警告标志，并显示故障量，用户根据实际工作需要可分断断路器或减轻负荷处理，使智能控制器回到正常工作状态。

5、通讯模块

按照通用的串行通信规约，设计标准的RS-485接口电路，可以与上位机进行数据交换，并且可以接受上位机的命令，由上位机进行遥测操作，也可由上位机对断路器的设备参数和保护整定电流和时间进行调整。当供电线路出现异常，控制单元可以根据主机的要求将断路器的电压电流量和开断记录传送至上位机进行保存和打印。

6、输入输出接口

输入输出接口采用光耦完成输入输出开关信号的隔离变换和传递，使CPU发出的控制信号与被控设备的控制信号相匹配，同时将控制单元从外部采集的开关信号变换为CPU可以接受的信号。

硬件***检测到所需的各种实时状态量后，CPU根据各种故障保护原理，用软件实现相应的各种保护功能。

Claims (4)

1、一种高压真空断路器的智能化控制保护装置，其特征是：有CPU模块，CPU模块与CPLD模块相连接，CPLD模块接有模拟量采集模块和开入开出量模块，CPLD模块还接有液晶键盘接口模块，CPU模块接有通讯模块，CPU模块及CPLD模块还与数据存储器相连接，另有电源电路与上述各模块相连接。

2、根据权利要求1所述的高压真空断路器的智能化控制保护装置，其特征是：模拟量采集模块中有模拟量信号输入电路，模拟量信号输入电路经数据采集模块与CPLD模块相连接。

3、根据权利要求2所述的高压真空断路器的智能化控制保护装置，其特征是：模拟量信号输入电路还经频率测量模块与CPU模块相连接。

4、根据权利要求1、2或3所述的高压真空断路器的智能化控制保护装置，其特征是：数据存储器中包括静态数据存储器和非易失性数据存储器。

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