CN101257201B

CN101257201B - 一种直流保护测控系统

Info

Publication number: CN101257201B
Application number: CN2007103002808A
Authority: CN
Inventors: 宋金川; 李高翎; 张忠杰; 王术合; 金轶鹏; 朱德敏; 武玉明
Original assignee: Tianjin Dongfang Kaifa Electrical Automation Technology Co Ltd; TIANJIN KEYVIA ELECTRIC CO Ltd; China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co Ltd
Current assignee: Tianjin Dongfang Kaifa Electrical Automation Technology Co Ltd; TIANJIN KEYVIA ELECTRIC CO Ltd; China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: CN101257201A

Abstract

一种直流保护测控系统，其特征在于该系统包括直流分压单元、隔离放大器单元、保护测控单元、通讯管理单元、安装有维护分析软件的中央处理单元及通讯介质六部分；其优越性在于：①可靠性、安全性、快速性、灵敏性、易维护性、抗干扰性好；②采样精度高可达76uv/1LSB，动态输入范围达0-250mv，具有硬软件配合的零漂和增益自动处理功能，保证城市轨道交通供电线路在各种负荷条件下的采样数据的准确性；③可以保证供电馈线电流电压量的高精度采集和可靠传输，以及高压线路与微机继电保护装置有安全的绝缘距离；④具备可靠保护的同时具备测量和控制功能，实现了保护测控一体化；⑤机箱全密闭性好，且防护等级高，抗干扰能力强。

Description

一种直流保护测控系统

(一)技术领域：

本发明所涉及的是一种应用于城市轨道交通领域、地铁或轻轨牵引供电直流保护测控系统。

(二)背景技术：

根据国家发展与改革委员会与轻轨研究中心提供的规划资料，2020年中国将有超过550公里的地铁线，2050年轻轨和地铁线路将达到2000公里。但是到目前为止我国轨道交通的直流系统的保护和控制系统仍然全部采用进口设备，国内相关行业在这一领域仍然处于空白。直流保护测控装置是城市轨道交通应用中继电保护的关键设备，其难点在于在高压线路上直接采集微弱信号，既要保证微弱电信号(＜＝76uv)的采集精度，又要保证与一次电缆有关的回路间在电气上高达6KV的电气绝缘，同时还要求保护算法精确可靠，保护动作速度快。目前我国市场上主要采用德国西门子和瑞士赛雪龙的技术装备，但是由于国外技术垄断，设备售价过高，且由于国内外在应用环境和运行方式上的差别，现在采样零漂超标准和设备维护手段缺乏等问题没有得到有效的解决，而设备的国产化能够解决这些问题。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种直流保护测控系统，它可以弥补国内相关行业的空白，且可以有效解决零漂超标准及设备维护难的问题，是一种数据采集精度高、保护动作速度快的保护测控系统。

本发明的技术方案：一种直流保护测控系统，其特征在于该系统包括直流分压单元、隔离放大器单元、保护测控单元、通讯管理单元、安装有维护分析软件的中央处理单元及通讯介质六部分；其中，直流分压单元的输入端与牵引网连接，其输出端与用于电气隔离和电压测量的直流隔离放大器输入端连接；隔离放大器输入端一端与直流分压器连接，另一端与供电系统的分流器连接，隔离放大器输出端通过光纤与直流保护测控单元连接。

上述所说的直流分压单元由高精度高耐压电阻构成。

上述所说的隔离放大器单元是由A/D输入电路模块、光纤通信电路模块、母线板和机箱组成；A/D输入电路模块、光纤通信电路模块和母线板安装在机箱内，且A/D输入电路模块的输入端与直流分压单元的输出端和外部供电系统连接，其输出端通过母线板与光纤通信电路模块的输入端连接；光纤通信电路模块与直流保护测控单元连接。

上述所说的保护测控单元由保护测控CPU模块、出口控制模块、开关电源模块、母线板、人机接口面板、箱体及人机接口通信电缆构成；其中保护测控CPU模块、出口控制模块、开关电源模块和母线板安装于箱体内，保护测控CPU模块、出口控制模块和开关电源模块与母线板连接，通信接口模块连接在电源模块上，保护测控CPU模块通过人机接口通信电缆与人机接口模块连接。

上述所说的通信介质采用单模光纤，且采用大规模可编程逻辑器件FPGA作为光纤传输控制器。

上述所说的保护测控CPU模块由CPU小系统及外围驱动部分、模拟输入及信号处理部分、通信扩展部分、电源及模拟量扩展部分、通信接口、控制输出接口、和电缆组成；其中电源及模拟量扩展部分、通信接口、控制输出接口分别通过电缆和母线板与、出口控制模块、开关电源模块和人机接口模块连接。

上述所说的保护测控CPU模块CPU小系统及外围驱动部分以MOTOROLA的32位单片机芯片MC68332ACFC25作为该模块的主芯片，外围驱动单元是由芯片EPM7128STC100、MAX791ESE、STC62WV51216EI、AM29F400BT-55SI、74HC245DW、RS5C348B、93LC86及不少于一个的功率放大器件D23、稳压管AMS431、二极管LL4148和不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的模拟输入及信号处理部分是由芯片MAX125CEAX、74HC245DW、LM78L05、6N136及不少于一个的功率放大器件D23、不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的通信扩展部分是由高性能通讯芯片和可编程逻辑控制芯片PT7A6525J、ST16C2552、74HC245DW、EPM7128STC100-5、MAX202ID、SN74HC08D及不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的通信接口是由快速光耦器件TLP521-1，WEOS4-50/58A和不少于一个的分压电阻、分流电阻、电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的控制输出接口是由不少于一组的快速光耦与NPN器件和不少于一个的二极管LL4148及稳压管AMS431组成，其中快速光耦采用TLP521-1器件，其连接为常规连接。

上述所说的电源及模拟量扩展部分是由不少于一个的低通滤波加运放回路组成，每一个低通滤波加运放回路都是由功率放大器件D29和不少于一个的电阻、电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的人机接口面板线路是由芯片EPM7128STC100、74HC245DW、MAX202、ICL7660、X9511WS及不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

本发明的工作原理与工作过程为：①直流分压单元将供电系统电压分压，分出0-±2.5V的小电压信号；②直流隔离放大器单元采集供电系统分流器的电流信号和直流分压器的电压信号，通过AD输入电路模块转换位数字量，然后由光纤通信电路模块将数字信息通过光纤传送给保护测控单元；③保护测控单元接收直流隔离放大器数字信号后，经过数字滤波和保护算法的计算处理，通过出口控制模块实现对直流牵引供电系统馈线的保护控制，通过人机接口模块将控制信息和供电系统信息进行直观的显示；通过通信接口将各种信息传送到安装有维护分析软件的中央处理单元。

本发明的优越性在于：①该发明在吸收国外先进技术的同时，在可靠性、安全性、快速性、灵敏性、易维护性、抗干扰性等方面采用创新设计，更好地满足了国内城市轨道交通的发展需要；②采样精度高可达76uv/1LSB，动态输入范围大可达0-250mv，具有硬软件配合的零漂和增益自动处理功能，保证城市轨道交通供电线路应用于各种负荷条件下的采样数据的准确性；③可以保证供电馈线电流电压量的高精度采集和可靠传输，以及高压线路与微机继电保护装置有安全的绝缘距离；④具备可靠保护的同时具备测量和控制功能，实现了保护测控一体化；⑤机箱全密闭性好，且防护等级高，抗干扰能力强，尤其满足了国内城市轨道交通的发展需要。

(四)附图说明：

图1是本发明所涉一种直流保护测控系统的总体结构框图；

图2是本发明所涉一种直流保护测控系统中保护测控单元的连接方框图；

图3是本发明所涉一种直流保护测控系统中保护测控CPU模块的结构框图；

图4是本发明所涉一种直流保护测控系统中直流分压器线路连接图；

图5是本发明所涉一种直流保护测控系统中隔离放大器的结构框图；

图6是本发明所涉一种直流保护测控系统的保护测控CPU模块的外围驱动模块的线路连接示意图；

图7是本发明所涉一种直流保护测控系统的模拟输入及信号处理单元的线路连接示意图；

图8是本发明所涉一种直流保护测控系统的通信扩展接口的线路连接示意图；

图9是本发明所涉一种直流保护测控系统的通信接口的线路连接示意图；

图10是本发明所涉一种直流保护测控系统的控制输出接口的线路连接示意图；

图11是本发明所涉一种直流保护测控系统的电源及模拟量扩展单元的线路连接示意图；

图12是本发明所涉一种直流保护测控系统的人机接口面板线路连接示意图。

其中，1为直流分压单元，2为隔离放大器单元，3为保护测控单元，4为通讯管理单元，5为光纤通信电路模块，6为保护测控CPU模块，7为出口控制模块，8为母线板，9为开关电源插件，10为人机接口通信电缆，11为信号电缆，12为人机接口通信电缆，13为箱体，14为模拟输入及信号处理单元，15为通信采集接口，16为外围驱动单元，17为通信扩展接口。

(五)具体实施方式：

实施例：一种直流保护测控系统(见图1)，其特征在于它是由直流分压单元1、直流隔离放大器单元2、保护测控单元3、通讯管理单元4、安装有维护分析软件的中央处理单元及通讯介质五部分组成；其中，直流分压单元1的输入端与外部供电系统线路连接，其输出端与用于电气隔离和电压测量的直流隔离放大器及光纤通信控制单元2的输入端连接；隔离放大器及光纤通信控制单元2的输出端依通讯介质与直流保护测控单元3连接；直流保护测控单元3的输出端分别与通讯接口4和安装有维护分析软件的中央处理单元的输入端连接。

上述所说的直流分压器由由高精度耐压电阻构成(见图4)。

上述所说的直流隔离放大器单元(见图5)是由电流D/A模块1、电压D/A模块2、光纤通信模块3、电流A/D模块4、电压A/D模块5、测试电流模块6、电源模块7、母线板8和机箱9组成；电流D/A模块1、电压D/A模块2、光纤通信模块3、电流A/D模块4、电压A/D模块5、测试电流模块6、电源模块7、母线板8安装在机箱9内，且电压A/D模块的输入端与直流分压单元的输出端连接，其输出通过母线板8与光纤通信模块3的输入端连接；光纤通信模块3的输出与直流保护测控单元连接。

上述所说的保护测控单元3(见图2)由保护测控CPU模块6、出口控制模块7、开关电源插件9、母线板8、人机接口面板、箱体13及人机接口通信电缆10构成；其中保护测控CPU模块6、出口控制模块7、开关电源插件9和母线板8安装于箱体内，且保护测控CPU模块6、出口控制模块7和开关电源插件9与母线板8连接，通信接口模块连接在母线板8上，保护测控CPU模块6通过人机接口通信电缆10与人机接口面板连接。

上述所说的通信介质采用通讯单模光纤，且采用大规模可编程逻辑器件FPGA作为光纤传输控制器。

上述所说的保护测控CPU模块6(见图3)由模拟输入及信号处理单元14、电源及模拟量扩展单元、外围驱动单元16、通信采集接口15、控制输出接口、通信扩展接口17和电缆组成；其中通信采集接口15、控制输出接口和通信扩展接口17分别通过电缆与保护测控CPU模块6、电源及模拟量扩展单元及外围驱动模块16连接。

上述所说的保护测控CPU模块6(见图6)以MOTOROLA的32位单片机芯片MC68332ACFC25作为该模块的主芯片，外围驱动单元16是由芯片EPM7128STC100、MAX791ESE、STC62WV51216EI、AM29F400BT-55SI、74HC245DW、RS5C348B、93LC86及不少于一个的功率放大器件D23、稳压管AMS431、二极管LL4148和不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的模拟输入及信号处理单元14(见图7)是由芯片MAX125CEAX、74HC245DW、LM78L05、6N136及不少于一个的功率放大器件D23、不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的通信扩展接口17(见图8)是由高性能通讯芯片和可编程逻辑控制芯片PT7A6525J、ST16C2552、74HC245DW、EPM7128STC100-5、MAX202ID、SN74HC08D及不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的通信采集接口15(见图9)是由快速光耦器件TLP521-1，WEOS4-50/58A和不少于一个的分压电阻、分流电阻、电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的控制输出接口(见图10)是由不少于一组的快速光耦与NPN器件和不少于一个的二极管LL4148及稳压管AMS431组成，其中快速光耦采用TLP521-1器件，其连接为常规连接。电源及模拟量扩展单元(见图11)是由不少于一个的低通滤波加运放回路组成，每一个低通滤波加运放回路都是由功率放大器件D29和不少于一个的电阻、电容组成，其连接为常规连接。

上述所说的人机接口面板线路(见图12)是由芯片EPM7128STC100、74HC245DW、MAX202、ICL7660、X9511WS及不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容组成，其连接为常规连接。

Claims

1.一种直流保护测控系统，包括直流分压单元、隔离放大器单元、保护测控单元、通讯管理单元、安装有维护分析软件的中央处理单元及通讯介质六部分；其中，直流分压单元的输入端与牵引网连接，其输出端与用于电气隔离和电压测量的隔离放大器单元的输入端连接；隔离放大器单元的输入端一端与直流分压单元连接，另一端与供电系统的分流器连接，隔离放大器单元的输出端通过光纤与保护测控单元连接，其特征在于：保护测控单元由保护测控CPU模块、出口控制模块、开关电源模块、母线板、人机接口面板、箱体、通信接口模块及人机接口通信电缆构成；其中保护测控CPU模块、出口控制模块、开关电源模块和母线板安装于箱体内，保护测控CPU模块、出口控制模块和开关电源模块与母线板连接，通信接口模块连接在母线板上，保护测控CPU模块通过人机接口通信电缆与人机接口面板连接。

2.根据权利要求1中所述的一种直流保护测控系统，其特征在于所说的直流分压单元由高精度高耐压电阻构成。

3.根据权利要求1中所述的一种直流保护测控系统，其特征在于所说的隔离放大器单元是由A/D输入电路模块、光纤通信电路模块、母线板和机箱组成；A/D输入电路模块、光纤通信电路模块和母线板安装在机箱内，且A/D输入电路模块的输入端与直流分压单元的输出端和外部供电系统连接，其输出端通过母线板与光纤通信电路模块的

输入端连接；光纤通信电路模块与直流保护测控单元连接。

4.根据权利要求1中所述的一种直流保护测控系统，其特征在于所说的通讯介质采用单模光纤，且采用大规模可编程逻辑器件FPGA作为光纤传输控制器。

5.根据权利要求1中所述的一种直流保护测控系统，其特征在于所说的保护测控CPU模块由CPU小系统及外围驱动部分、模拟输入及信号处理部分、通信扩展部分、电源及模拟量扩展部分、通信接口、控制输出接口、和电缆组成；其中电源及模拟量扩展部分、通信接口、控制输出接口分别通过电缆和母线板与出口控制模块、开关电源模块和人机接口面板连接。

6.根据权利要求5中所述的一种直流保护测控系统，其特征在于所说的保护测控CPU模块CPU小系统及外围驱动部分以MOTOROLA的32位单片机芯片MC68332ACFC25作为该模块的主芯片，外围驱动单元包括芯片EPM7128STC100、MAX791ESE、STC62WV51216EI、AM29F400BT-55SI、74HC245DW、RS5C348B、93LC86及不少于一个的功率放大器件D23、稳压管AMS431、二极管LL4148和不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容。

7.根据权利要求5中所述的一种直流保护测控系统，其特征在于所说的模拟输入及信号处理部分包括芯片MAX125CEAX、74HC245DW、LM78L05、6N136及不少于一个的功率放大器件D23、不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容。

8.根据权利要求5中所述的一种直流保护测控系统，其特征在于所说的通信扩展部分包括高性能通讯芯片和可编程逻辑控制芯片PT7A6525J、ST16C2552、74HC245DW、EPM7128STC100-5、MAX202ID、SN74HC08D及不少于一个的限流电阻、分流电阻、分压电阻和电容；所说的通信接口包括快速光耦器件TLP521-1，WEOS4-50/58A和不少于一个的分压电阻、分流电阻、电容；所说的控制输出接口包括不少于一组的快速光耦与NPN器件和不少于一个的二极管LL4148及稳压管AMS431，其中快速光耦采用TLP521-1器件。