CN101409467B - 断路器控制器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种断路器控制器，包括：断路器操作管理装置，用于执行实时系统管理以及数据通信，该断路器操作管理装置包括第一DSP、用于进行数据通信的通信接口以及用于进行实时系统管理的界面装置；断路器操作执行装置，用于执行数据的采集、处理以及对于断路器的控制，该断路器操作执行装置包括第二DSP、用于执行数据采集的采集模块、用于执行环境检测的检测模块、用于执行数据处理的处理模块以及用于进行断路器控制的控制模块；电源装置，连接到断路器操作管理装置和断路器操作执行装置，提供电源；其中，断路器操作管理装置和断路器操作执行装置之间的通信采用带重传的确认模式。

Description

断路器控制器

技术领域

本发明涉及低压电器领域，更具体地说，涉及一种断路器控制器。

背景技术

目前国内在工业现场用作配电或电机保护的控制单元，基本达到了国际九十年代水平，可对各种信号进行实时处理，实现多种保护特性和众多的辅助功能；当控制单元发出动作指令时，能通过磁通变换器快速有效分断断路器。但是这已不能满足不断提高的配电系统要求：控制单元应能作到更清晰的现场断路器工作状况显示，实时与远端进行数据交换，而且带有一定的监控和区域选择性联锁能力。为此，如以单个MCU或DSP为核心的控制平台，由于既要完成复杂的谐波算法，还要执行实时三相电流、三相电压数据采集、控制信号输出、系统保护以及人机交互等一系列操作，无法有效地缩短控制和采样周期。

发明内容

本发明提供一种断路器控制器，采用双DSP的工作体系结构。

根据本发明的实施例，提供一种断路器控制器，包括：

断路器操作管理装置，用于执行实时系统管理以及数据通信，该断路器操作管理装置包括第一DSP、用于进行数据通信的通信接口以及用于进行实时系统管理的界面装置；

断路器操作执行装置，用于执行数据的采集、处理以及对于断路器的控制，该断路器操作执行装置包括第二DSP、用于执行数据采集的采集模块、用于执行环境检测的检测模块、用于执行数据处理的处理模块以及用于进行断路器控制的控制模块；

电源装置，连接到断路器操作管理装置和断路器操作执行装置，提供电源；

其中，断路器操作管理装置和断路器操作执行装置之间的通信采用带重传的确认模式，断路器操作管理装置向断路器操作执行装置传送参数设置、断路器操作执行装置向断路器操作管理装置传送采集的参数以及执行控制的结果。

根据一实施例，断路器操作管理装置包括：

第一DSP；

通信接口，通信接口包括内部总线模块和外部通信模块，内部总线模块和外部通信模块都与第一DSP进行双向的数据通信；

界面装置，包括显示模块、状态指示模块、输入模块、报警模块以及感应模块，其中，显示模块、状态指示模块、报警模块和感应模块单向地从第一DSP接收数据，而输入模块单向地向第一DSP发送数据。

根据一实施例，外部通信模块是现场总线接口，支持Modbus、DeviceNet、Profibus的现场总线。

根据一实施例，断路器操作执行装置包括：

第二DSP；

采集模块，采集电流及电压信号，并将采集的电流及电压信号提供给第二DSP；

检测模块，检测环境温度、脱扣位置以及输入电流的相位和频率，并将检测的结果提供给第二DSP；

处理模块，执行数据处理；

控制模块，连接到第二DSP，根据第二DSP的信号对断路器进行控制。

根据一实施例，采集模块包括：

分压电路，三相电流通过电流互感器输入电流信号，分压电路将输入的电流信号分成保护用电流采样处理信号和测量用电流采样处理信号两路；

保护用电流采样处理模块，接收保护用电流采样处理信号，保护用电流采样处理模块把输入的保护用电流采样处理信号进行缩小；

测量用电流采样处理模块，接收测量用电流采样处理信号，测量用电流采样处理模块把输入的测量用电流采样处理信号进行放大；

电流型电压互感器，三相电压通过电流型电压互感器后产生对应的电流信号；

电压采样模块，根据电流型电压互感器产生的电流信号进行电压采样；

基准电压发生器，为保护用电流采样处理模块、测量用电流采样处理模块和电压采样模块提供稳定的基准采样参考电压。

根据一实施例，检测模块包括：

环境温度检测模块，检测环境温度，第二DSP在测量中根据检测的环境温度进行温度补偿，并在温度超过正常范围时报警；

脱扣位置检测模块，检测断路器的脱扣位置；

相位和频率检测模块，检测输入电流的频率和相位，第二DSP根据所检测的频率和相位进行交流功率的精确计算。

根据一实施例，处理模块包括：

In等级处理模块，通过调整In等级处理参数和相对应In等级的电流互感器，使断路器控制器成为对应In等级的断路器控制器。

根据一实施例，控制模块包括：

磁通变换器，根据第二DSP发出的脱扣脉冲动作，切断三相电流；

继电输出模块，完成负载监控输出以及实时性控制输出；

区域选择性联锁模块，用于实现多极串联断路器之间短路短延时保护和接地故障保护的选择性配合。

根据一实施例，第一DSP和第二DSP由同一个压控振荡器提供工作频率。

根据一实施例，电源装置包括：

自生电源模块，由铁芯电流互感器中的磁饱和线圈产生；

外接直流24V电源模块；

交流电源模块；

其中，电源装置对三个模块择一使用。

采用本发明的技术方案，这种断路器控制单元不仅具有长延时、短延时、瞬动、接地保护、位置检测、监控和区域选择性联锁等传统相关功能，通过采集工业配电系统中某一条线路中的三相电流、三相电压等电量，根据功能设置进行相关计算，及时指令万能式断路器脱扣，起到保护整个工业配电及运行系统安全的作用。而且控制单元具有大屏幕彩色液晶显示及监控功能，包括电压、电流的31次谐波、电能、需用量等，可在液晶显示面板上直接显示相关数据以及三相电压、电流的波形显示。在通信方面，具有可内置通信模块。通信模块通过MODBUS、DeviceNet、Profibus接口接入相应网络，与远端进行数据交换；因此这些使得该控制单元具有很强的通信适配能力。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中，

图1揭示了根据本发明的一实施例的断路器控制器的电路结构图。

具体实施方式

参考图1所示，本发明揭示了一种断路器控制器，包括：

断路器操作管理装置100，用于执行实时系统管理以及数据通信，该断路器操作管理装置包括第一DSP、用于进行数据通信的通信接口以及用于进行实时系统管理的界面装置。

断路器操作执行装置200，用于执行数据的采集、处理以及对于断路器的控制，该断路器操作执行装置包括第二DSP、用于执行数据采集的采集模块、用于执行环境检测的检测模块、用于执行数据处理的处理模块以及用于进行断路器控制的控制模块。

电源装置300，连接到断路器操作管理装置和断路器操作执行装置，提供电源。

第一DSP 102和第二DSP 202由同一个压控振荡器400提供工作频率。

其中，断路器操作管理装置100和断路器操作执行装置200之间的通信采用带重传的确认模式，断路器操作管理装置向断路器操作执行装置传送参数设置、断路器操作执行装置向断路器操作管理装置传送采集的参数以及执行控制的结果。

综合而言，本发明是一种双DSP的工作体系结构，由两大部分组成，一是断路器操作管理装置，二是断路器操作执行装置，各自由DSP在程序的统一调控下完成工作。断路器操作管理装置主要执行实时系统管理、现场总线通信(Modbus、DeviceNet、Profibus)、内部总线通信、三相电压、电流波形和工作状态显示、参数设置、电参数运算和其它各种辅助功能的实现等。断路器操作执行装置主要执行低压电器数据的采集和基本处理、传统的保护功能、与外部断路器的区域选择性联锁、一些对实时性要求较高的控制，涉及三相电流输入，三相电压输入，频率与相位的处理，环境温度检测，脱扣位置检测以及磁通变换器的驱动等线路。

断路器操作管理部分和断路器操作执行部分通过内部通信，采用“带重传的肯定确认”技术来实现高速数据传输的可靠性。相互间协同工作，断路器操作管理装置的第一DSP把参数设置、技术要求送到断路器操作执行装置的第二DSP，而断路器操作执行装置的第二DSP把检测参数、执行结果传回给断路器操作管理装置的DSP，这样大大提高控制平台的性能。两部分程序相对独立，工作可靠。采用同一个压控振荡器同时提供双DSP的工作频率，辅以优良的电源模块保证了两大部分的顺利工作。

继续参考图1所示，断路器操作管理装置100具体包括：

第一DSP 102。

通信接口104，通信接口包括内部总线模块140和外部通信模块142，内部总线模块140和外部通信模块142都与第一DSP 102进行双向的数据通。

界面装置106，包括显示模块160、状态指示模块162、输入模块164、报警模块166以及感应模块168，其中，显示模块160、状态指示模块162、报警模块166和感应模块168单向地从第一DSP 102接收数据，而输入模块104单向地向第一DSP 102发送数据。

通过输入模块104，比如键盘和显示模块160，比如彩屏LCD，可以输入工作所需的必要参数。在工作过程中，显示模块160不断地将当前工作状态和接收到的数据直接显示或通过波形显示出来。在进行一系列的数据处理后，再显示相关的处理结果，如频率、谐波分析、功率以及电能消耗等。

通信接口部分分为内部总线模块和外部通信模块，而且该外部通信模块是内置在断路器控制单元内的，它为现场总线接口，可支持Modbus、DeviceNet、Profibus等。不管是内部总线模块，还是现场总线接口，都可根据需要而内置。通过通信接口部分，可实现内部总线管理，以及连接到计算机系统上的各种总线接口或以太网接口，以便计算机统计数据，及时对系统工作状态做出反应。

回到图1，断路器操作执行装置200包括：

第二DSP 202。

采集模块204，采集电流及电压信号，并将所采集的电流及电压信号提供给第二DSP 202。

检测模块206，检测环境温度、脱扣位置以及输入电流的相位和频率，并将检测的结果提供给第二DSP 202。

处理模块208，执行数据处理。

控制模块210，连接到第二DSP 202，根据第二DSP 202的信号对断路器进行控制。

其中的采集模块204包括：

分压电路240，三相电流通过电流互感器输入电流信号，分压电路将输入的电流信号分成保护用电流采样处理信号和测量用电流采样处理信号两路；电流互感器由空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器组成。

保护用电流采样处理模块242，接收保护用电流采样处理信号，保护用电流采样处理模块把输入的保护用电流采样处理信号进行缩小；

测量用电流采样处理模块244，接收测量用电流采样处理信号，测量用电流采样处理模块把输入的测量用电流采样处理信号进行放大；

电流型电压互感器246，三相电压通过电流型电压互感器后产生对应的电流信号；

电压采样模块248，根据电流型电压互感器产生的电流信号进行电压采样；

基准电压发生器249，为保护用电流采样处理模块、测量用电流采样处理模块和电压采样模块提供稳定的基准采样参考电压。

为了提高测量精度，三相电流通过电流互感器输入电流信号后，经分压电路分成保护用电流采样处理和测量用电流采样处理两路，再送到A/D(片内或片外)。保护用电流采样处理模块要求的电流测量范围较宽，所以保护用采样线路把输入信号缩小为较小的采样信号，以保证在输入大电流时，它仍在设备可以检测的范围内。而测量用电流采样处理模块由于只用于常态下的电流测量，范围相对保护小，所以电流信号经过测量用采样线路后被处理为较大的采样信号，这样精度得以较大地提高，测量用电流采样处理模块中对于超出AD测量范围的信号通过硬件加以屏蔽，并切换使用保护用电流采样处理模块的AD值计算电流值的大小。

三相电压检测使用了电流型电压互感器，可以让外部电路的高电压与内部电路隔离。该电流型电压互感器产生的实际上是电流信号，经过电压采样处理后，最后送到DSP芯片的A/D输入端。

断路器操作执行部分中的基准电压发生器为保护用电流采样处理、测量用电流采样处理和电压采样处理提供稳定可靠的基准采样参考电压。

其中的检测模块206包括：

环境温度检测模块260，检测环境温度，第二DSP在测量中根据检测的环境温度进行温度补偿，并在温度超过正常范围时报警；

脱扣位置检测模块262，检测断路器的脱扣位置；

相位和频率检测模块264，检测输入电流的频率和相位，第二DSP根据所检测的频率和相位进行交流功率的精确计算。

其中的处理模块208包括：

In等级处理模块，通过调整In等级处理参数和相对应In等级的电流互感器，使断路器控制器成为对应In等级的断路器控制器。只要更换In等级处理和相对应In等级的电流互感器，就能作为该In等级断路器控制单元。因此控制单元能很方便地实现各种In等级断路器的控制。

其中的控制模块210包括：

磁通变换器212，根据第二DSP发出的脱扣脉冲动作，使断路器切断三相电流；

继电输出模块214，完成负载监控输出以及实时性控制输出；

区域选择性联锁模块216，用于实现多极串联断路器之间短路短延时保护和接地故障保护的选择性配合。

磁通变换器是断路器实现保护功能的重要手段。当保护用电流采样处理模块的电流信号达到断路器断路保护要求时，第二DSP发出脱扣脉冲，使磁通变换器动作，从而使断路器切断各相电流。继电输出模块可完成负载监控输出或实现一些断路器断路保护时对实时性要求较高的控制输出。区域选择性联锁模块可实现多极串联断路器之间短路短延时保护和接地故障保护的选择性配合。通过下级断路器控制器的区域联锁输出端与上级断路器控制器的区域联锁输入端连接实现上下级断路器的区域联锁(区域选择性联锁可通过外部接线得到断路器间完整的配合)。

继续参考图1电源装置300包括：

自生电源模块302，由铁芯电流互感器中的磁饱和线圈产生。自生电源模块302由电流变送器中的磁饱和线圈产生，三路线圈每路产生约200mA电流，三路共计达到600mA，足够控制单元正常工作和磁通变换器脱扣力的需要。

外接直流24V电源模块304，许多工业系统中现场能保证有直流工作电源供给，所以可以直接用来供电。

交流电源模块306，在有计算机和通讯的场合，交流电源是最常用的选择。

其中，电源装置300对三个模块择一使用。

该电源装置300可提供系统+5V、-5V、+3.3V、液晶背光以及供磁通变换器脱扣用的+18V电源。该电源装置300的内部还提供下述的模块，配合上述三种电源的选择：

速饱和源处理模块310、稳压器312、整流器314以及变压器316。其中，稳压器312在任何一种电源使用时都需要使用，速饱和源处理模块310针对自生电源模块302，整流器314和变压器316针对交流电源模块306。

采用本发明的技术方案，这种断路器控制单元不仅具有长延时、短延时、瞬动、接地保护、位置检测、监控和区域性联锁等传统相关功能，通过采集工业配电系统中某一条线路中的三相电流、三相电压等电量，根据功能设置进行相关计算，及时指令万能式断路器脱扣，起到保护整个工业配电及运行系统安全的作用。而且控制单元具有大屏幕彩色液晶显示及监控功能，包括电压、电流的31次谐波、电能、需用量等，可在液晶显示面板上直接显示相关数据以及三相电压、电流的波形显示。在通信方面，具有可内置通信模块。通信模块通过MODBUS、DeviceNet、Profibus接口接入相应网络，与远端进行数据交换；因此这些使得该控制单元具有很强的通信适配能力。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种断路器控制器，其特征在于，包括：

断路器操作管理装置，用于执行实时系统管理以及数据通信，该断路器操作管理装置包括第一DSP、用于进行数据通信的通信接口以及用于进行实时系统管理的界面装置；

断路器操作执行装置，用于执行数据的采集、处理以及对于断路器的控制，该断路器操作执行装置包括第二DSP、用于执行数据采集的采集模块、用于执行环境检测的检测模块、用于执行数据处理的处理模块以及用于进行断路器控制的控制模块；

电源装置，连接到断路器操作管理装置和断路器操作执行装置，提供电源；

其中，所述断路器操作管理装置和断路器操作执行装置之间的通信采用带重传的确认模式，断路器操作管理装置向断路器操作执行装置传送参数设置、断路器操作执行装置向断路器操作管理装置传送采集的参数以及执行控制的结果。

2.如权利要求1所述的断路器控制器，其特征在于，所述断路器操作管理装置包括：

第一DSP；

通信接口，所述通信接口包括内部总线模块和外部通信模块，内部总线模块和外部通信模块都与所述第一DSP进行双向的数据通信；

界面装置，包括显示模块、状态指示模块、输入模块、报警模块以及感应模块，其中，所述显示模块、状态指示模块、报警模块和感应模块单向地从所述第一DSP接收数据，而所述输入模块单向地向所述第一DSP发送数据。

3.如权利要求2所述的断路器控制器，其特征在于，所述外部通信模块是现场总线接口，支持Modbus、DeviceNet、Profibus的现场总线。

4.如权利要求1所述的断路器控制器，其特征在于，所述断路器操作执行装置包括：

第二DSP；

采集模块，采集电流及电压信号，并将所采集的电流及电压信号提供给所述第二DSP；

检测模块，检测环境温度、脱扣位置以及输入电流的相位和频率，并将检测的结果提供给所述第二DSP；

处理模块，执行数据处理；

控制模块，连接到所述第二DSP，根据第二DSP的信号对断路器进行控制。

5.如权利要求4所述的断路器控制器，其特征在于，所述采集模块包括：

分压电路，三相电流通过电流互感器输入电流信号，所述分压电路将输入的电流信号分成保护用电流采样处理信号和测量用电流采样处理信号两路；

保护用电流采样处理模块，接收保护用电流采样处理信号，保护用电流采样处理模块把输入的保护用电流采样处理信号进行缩小；

测量用电流采样处理模块，接收测量用电流采样处理信号，测量用电流采样处理模块把输入的测量用电流采样处理信号进行放大；

电流型电压互感器，三相电压通过电流型电压互感器后产生对应的电流信号；

电压采样模块，根据电流型电压互感器产生的电流信号进行电压采样；

基准电压发生器，为保护用电流采样处理模块、测量用电流采样处理模块和电压采样模块提供稳定的基准采样参考电压。

6.如权利要求4所述的断路器控制器，其特征在于，所述检测模块包括：

环境温度检测模块，检测环境温度，所述第二DSP在测量中根据检测的环境温度进行温度补偿，并在温度超过正常范围时报警；

脱扣位置检测模块，检测断路器的脱扣位置；

相位和频率检测模块，检测输入电流的频率和相位，所述第二DSP根据所检测的频率和相位进行交流功率的精确计算。

7.如权利要求4所述的断路器控制器，其特征在于，所述处理模块包括：

In等级处理模块，通过调整In等级处理参数和相对应In等级的电流互感器，使所述断路器控制器成为对应In等级的断路器控制器。

8.如权利要求4所述的断路器控制器，其特征在于，所述控制模块包括：

磁通变换器，根据第二DSP发出的脱扣脉冲动作，使断路器切断三相电流；

继电输出模块，完成负载监控输出以及实时性控制输出；

区域选择性联锁模块，用于实现多极串联断路器之间短路短延时保护和接地故障保护的选择性配合。

9.如权利要求1所述的断路器控制器，其特征在于，所述第一DSP和第二DSP由同一个压控振荡器提供工作频率。

10.如权利要求1所述的断路器控制器，其特征在于所述电源装置包括：

自生电源模块，由铁芯电流互感器中的磁饱和线圈产生；

外接直流24V电源模块；

交流电源模块；

其中，所述电源装置对三个模块择一使用。

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