CN101976884B

CN101976884B - 用于输配电线路的自供电保护装置

Info

Publication number: CN101976884B
Application number: CN201010514723A
Authority: CN
Inventors: 何永波; 张焕粉; 宫保华
Original assignee: Beijing Qingchang Power Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Qingchang Power Technology Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: CN101976884A

Abstract

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，包括CT交流电流源、钳位、整流、PWM管理模块、宽范围PWM模式开关电源模块、电压变换储能单元、电脉冲控制单元、CPU模块和脱扣装置。CT交流电流源与钳位、整流、PWM管理模块、宽范围PWM模式开关电源模块、电压变换储能单元、电脉冲控制单元和脱扣装置依次相连，CPU模块与电源检测单元和电脉冲控制单元分别相连，CPU模块控制电压变换储能单元将储存的电能释放到脱扣装置。本发明用于输配电线路的自供电保护装置的优点是：实现了CT交流电能的提取和变换，当保护动作时，CPU控制储能以脉冲方式释放到脱扣装置，使其脱扣动作，实现了在没有电源柜的应用场合提供输配电线路的低成本、高效的全数字供电保护。

Description

用于输配电线路的自供电保护装置

技术领域

本发明涉及输配电线路保护装置，特别涉及一种用于输配电线路的自供电保护装置。

背景技术

传统的微机保护装置通常在有电源的场合下才能工作，为此，配电柜需要配置PT、电源模块、直流屏等单元用于提供电压源，成本高，体积大。保护装置在外部没有电源柜的应用场合，无法获取电压源时，则无法提供供电线路的供电保护。自供电、低成本、高集成度、智能化的全数字供电保护装置现在还未有见。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种用于输配电线路的自供电保护装置，可以在没有电源柜单元的应用场合提供对输配电线路的低成本、小体积的高效全数字保护。

为达到上述目的，本发明提供的用于输配电线路的自供电保护装置，包括分别安装在电网电路上的CT交流电流源和脱扣装置，还包括第一电源模块、第二电源模块和CPU模块，其中：所述第一电源模块包括钳位、整流、PWM管理模块，所述第二电源模块包括宽范围PWM模式开关电源模块、电压变换储能单元、电脉冲控制单元和电源检测单元，所述CPU模块包括有后备电池，所述CT交流电流源与所述钳位、整流、PWM管理模块、宽范围PWM模式开关电源模块、电压变换储能单元、电脉冲控制单元和脱扣装置依次相连，所述CPU模块与所述电源检测单元和电脉冲控制单元分别相连，所述CT交流电流源将电网电路中的大电流按照一定比例变换成小电流，该小电流经所述第一电源模块处理后形成一浮动电压源，所述第二电源模块将该浮动电压源的浮动直流电变换成稳定输出的直流低压电压源并供电给所述电压变换储能单元，所述CPU模块控制所述电压变换储能单元将储存的电能释放到脱扣装置。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，其中所述宽范围PWM模式开关电源模块包括依次相连的滤波器、第一级PWM开关电源、第二级PWM隔离开关电源和脉冲变压器，所述钳位、整流、PWM管理模块的输出接至所述滤波器，所述脉冲变压器的第一次级输出接至所述电压变换储能单元，所述脉冲变压器的第二次级输出接至所述电源检测单元，其中：

所述第一级PWM开关电源包括第一电子开关、第一光耦、第一误差放大器和反馈取样单元，所述反馈取样单元由第一电阻和第二电阻自所述第一电子开关的输出取得分压并接至所述第一误差放大器的输入端，所述第一误差放大器的输出端经所述第一光耦反馈接至所述第一电子开关的控制端；

所述第二级PWM隔离开关电源包括第二电子开关、第二光耦、第二误差放大器和电压比较器，所述脉冲变压器的第二次级输出接至所述电压比较器的输入端，所述电压比较器的输出端经所述第二光耦反馈接至所述第二电子开关的控制端。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，其中所述电压变换储能单元设有储能电容和一与所述储能电容相连的倍压电路，所述电脉冲控制单元为一继电器控制电路，所述倍压电路的储能输出经所述继电器控制电路的输出接点与所述脱扣装置相连，所述继电器控制电路的继电器由CPU输出的控制脉冲控制。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，其中所述第一电源模块还包括隔离、变压、整流模块，所述隔离、变压、整流模块连接在外部220V交流电压源与所述宽范围PWM模式开关电源模块之间。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，其中所述第二电源模块还包括电源检测单元和电源管理单元，所述电源检测单元和电源管理单元连接在所述宽范围PWM模式开关电源模块与所述CPU模块之间，所述后备电池经所述电源管理单元与所述CPU相连。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，其中所述CPU模块采用型号为STM32F103V8的具有超低待机功耗的32位ARM微控制器。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，其中所述脱扣装置具有单稳态线圈或双稳态线圈。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置的优点和积极效果在于：由于设置了CT交流电流源、第一电源模块、第二电源模块、CPU模块和脱扣装置，可以由CT供电实现CT交流电能的提取和变换。当保护动作时，CPU控制电路的储能以脉冲方式释放到脱扣装置，使其脱扣动作，实现了在没有电源柜的应用场合提供对输配电线路的低成本、高效的全数字保护。

另外，进一步设置了电源检测单元和电源管理单元，通过电路的低功耗设计和对电源的检测管理实现了低功耗模式运行。进一步设置了外部220V交流电压源，满足了有电源的场合和测试的需要，也方便了用户的使用，如操作参数浏览等等。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明用于输配电线路的自供电保护装置的方框图；

图2是宽范围PWM模式开关电源模块的方框图；

图3是钳位、整流、PWM管理模块的电路原理图；

图4是宽范围PWM模式开关电源模块和电源管理单元的电路原理图；

图5是电压变换储能单元和电脉冲控制单元的电路原理图；

图6是CPU模块的电路原理图。

具体实施方式

参照图1，本发明用于输配电线路的自供电保护装置由安装在电网电路上的CT交流电流源、第一电源模块11、第二电源模块22、CPU模块3和脱扣装置4构成。

第一电源模块1包括钳位、整流、PWM管理模块11和隔离、变压、整流模块12。第二电源模块22包括宽范围PWM模式开关电源模块21、电压变换储能单元22、电脉冲控制单元23、电源检测单元24和电源管理单元25。CT交流电流源与钳位、整流、PWM管理模块11、宽范围PWM模式开关电源模块21、电压变换储能单元22、电脉冲控制单元23和脱扣装置4依次相连，CPU模块3与电源检测单元24和电脉冲控制单元23分别相连。

宽范围PWM模式开关电源模块21包括依次相连的滤波器210、第一级PWM开关电源211、第二级PWM隔离开关电源212和脉冲变压器TR1，钳位、整流、PWM管理模块11的输出接至滤波器210，脉冲变压器TR1的第一次级输出VCC3接至电压变换储能单元22，脉冲变压器TR1的第二次级输出VCC6接至电源检测单元24。其中，第一级PWM开关电源211包括第一电子开关M6、第一光耦OP3、第一误差放大器U7和反馈取样单元211，反馈取样单元211由第一电阻R63和第二电阻R75自第一电子开关M6的输出取得分压并接至第一误差放大器U7的输入端，第一误差放大器U7的输出端经第一光耦OP3反馈接至第一电子开关M6的控制端。第二级PWM隔离开关电源212包括第二电子开关M7、第二光耦OP6、第二误差放大器U6和电压比较器U4，脉冲变压器TR1的第二次级输出VCC6接至电压比较器U4的输入端，电压比较器U4的输出端经第二光耦OP6反馈接至第二电子开关M7的控制端。

电压变换储能单元22设有储能电容C54和一与储能电容C54相连的倍压电路，电脉冲控制单元23为一继电器控制电路，倍压电路的储能输出经继电器控制电路的输出接点与脱扣装置4相连，继电器控制电路的继电器由CPU输出的控制脉冲控制。

为满足有电源的场合和测试的需要，本发明用于输配电线路的自供电保护装置同时设有外部220V交流电压源，支持外电源供电和后备电池供电两种供电模式，可以采用外电源供电模式，而在无外电源供电情况下采用后备电池供电，方便用户实现参数浏览、整定设定功能，并保持实时时钟的运行。

参照图1，隔离、变压、整流模块12连接在外部220V交流电压源与宽范围PWM模式开关电源模块21之间。

由于CT取电是一种宽范围动态变化的取能方式，为保证宽动态范围内的工作稳定性，要求被供电电路具备小功耗，另外，为满足后备电池的长寿命供电需求，更需要整个电路全面的低功耗设计，因此，本发明用于输配电线路的自供电保护装置采取电路系统的低功耗设计和电源检测管理。为保证装置10年待机能力，后备电池31供电时需要自动关断外围电路的供电，同时CPU进入待机模式实现极低功耗。在外电源供电时，则自动唤醒并投入各部分外围电路。因此，通过供电模式自动识别，进行不同模式下的电源管理。参照图1，电源检测单元24和电源管理单元25连接在宽范围PWM模式开关电源模块21与CPU模块3之间，后备电池31经电源管理单元25与CPU相连。

下面结合附图详细说明本发明用于输配电线路的自供电保护装置的工作原理。

CT交流电流源将电网电路中的大电流按照一定比例变换成小电流，该小电流经第一电源模块1中钳位、整流、PWM管理模块11处理后形成一浮动电压源，完成交流电流源到直流电压源的第一步变换。该电压源随CT二次电流的变化会有较大浮动，因此需进一步变换才能转化成CPU测量系统所需的稳定低压电压源。第二电源模块22中宽范围PWM模式开关电源21将该浮动电压源的浮动直流电变换成稳定输出的直流低压电压源并供电给电压变换储能单元22。

CPU模块3采集电源检测单元24的信号并控制电压变换储能单元22将储存的电能释放到脱扣装置4。具体说明如下：

1.钳位、整流、PWM管理模块11

参见图3，J1端子为CT交流电流源的输入端子，其三相交流电流输入后，连接到各自的整流桥进行整流，整流前三相独立，整流后并联成统一的直流输出，形成浮动变化的脉动直流电压源。该电压源会随供电CT的电流变化产生较大的变化，为保证后续电路工作稳定可靠，对该电压源进行PWM处理，保证处理后的电压限定在安全的范围内。其中，PWM调制的开关器件为Q1，当电压低于120V时，光耦IC1发光二极管不激发，次级侧截止，Q1在Z3的钳位电压驱动下导通，这样上述整流后形成的脉动电压源就加载到J3的1脚和2脚上，即传递给后续宽范围PWM模式开关电源21。当电压高于120V时，光耦IC1发光二极管激发，次级侧导通，Q1驱动拉低截止，脉动电压源就加载到Q1的2脚和3脚，避免了向后续电路传递。Q1的导通时间和截止时间随着脉动直流电压的浮动大小自动动态调整，形成PWM模式，保证后续输出电压的幅值。为防范短路电流的较大冲击，增加了压敏电阻VR1，VR2，VR3和R7，对过电压冲击进行能量泄放和电压钳位，保证电路安全。

2.宽范围PWM模式开关电源21

参见图4，J9的1脚，2脚和图3中J3的1脚和2脚相连，该电压限定在120V以内。宽范围PWM模式开关电源21可以接受24V到120V的电压输入。电路原理描述如下：C1，RT3，LF1，C55和C46构成滤波器210，输入电压经滤波后传递给PWM模式降压开关电源211。M6为开关器件MOSFET，PWM调制控制由误差放大器U7实现，U7三脚为参考输入端，2脚为反馈输入端，反馈取样单元211的第一电阻R63和第二电阻R75对VCC1分压得到反馈输入，经与参考输入比较，由1脚输出PWM控制信号。该信号经光耦OP3实现对M3的驱动控制，对输入电压斩波降压，形成电源VCC1、GND1输出，该电压约为17V。

第二级PWM隔离开关电源212的输入电源为VCC1，开关器件为M7，PWM控制由U6实现，TR1为脉冲变压器，脉冲变压器次级有三组输出，其中第二次级输出VCC6为主绕组，闭环控制反馈量取自VCC6，经带参考电压比较器U4比较后的输出驱动光耦OP6，再反馈到U6的反馈端，实现开关电源的闭环控制。TR1输入输出间电隔离，反馈信号经OP6隔离，从而实现低压电源侧和供电侧完全电隔离。第一次级输出VCC3接至电压变换储能单元22，第二次级输出VCC6接至电源检测单元24，第三次级输出VCC2给开入量电路供电，第四次级输出VCC5为CPU模块供电，均为稳定的低压侧电源。

3.脱扣装置4

脱扣装置4实质上是一电磁线圈，分为双稳态线圈和单稳态线圈两种类型，其原理都是线圈得电产生励磁，活动端在磁场作用下产生运动，驱动后续联动装置动作。双稳态线圈中内嵌永磁体，需要较小的脱扣能量，单稳态线圈完全需要电磁力驱动，需要较大脱扣能量。因此，内部储能装置要能存储足够的能量确保驱动脱扣线圈，又能方便的调整能量大小以适应不同的脱扣线圈。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置采用电容储能，由储能公式1/2·CU²可知，电容容值和电压决定着储能大小。参看图5，该电路是由二极管和储能电容构成，实现倍压功能，其电能来自于脉冲变压器TR1的低压侧绕组，该绕组输出高频交流，但电源幅值较低，因此由倍压电路倍压后产生储能电压。来自脉冲变压器TR1的交流脉冲电能经D70、D71、D72、C60、C71、C72三级整流倍压形成60V的直流储能电压，该直流电压经二极管D30对储能电容C54充电，将电能存储在储能电容C54中，储能大小通过调整储能C54的容值实现。在没有保护动作时，C54保持充满状态，并不再从TR1吸取电能，即使掉电，C54在二极管D30作用下也能保持电能，充满电的C54处于待令状态。电脉冲控制单元23为一继电器控制电路，倍压电路的储能输出经继电器控制电路的输出接点REL1C与脱扣装置4相连，继电器控制电路的继电器REL1A由CPU输出的控制脉冲控制。

继电器线圈电源来自电容C41储能，C41电能来自于图1中J3-2、J3-3。由于J3-2、J3-3电压对继电器24V线圈而言偏高且飘动过大，因此，经电阻R1、TVS管Z2构成的电路处理后，在C41上得到稳定的30V电压。当保护动作时，CPU的脉冲控制信号输出至光MOS继电器U1(AQW210)，经光电隔离后驱动继电器REL1A，使其按照CPU的时序动作，将C54储能以电脉冲形式输出到脱扣装置，使脱扣装置动作，实现保护功能。U1输入输出都采用双路并行是为了冗余设计，保证关键信号的可靠性。

本发明用于输配电线路的自供电保护装置，系统的低功耗依是依靠硬件方面的器件选型设计和电源供电方面的节能管理控制两方面来实现的。

参见图6，在本发明用于输配电线路的自供电保护装置中，CPU模块3采用型号为STM32F103V8的具有超低待机功耗的32位ARM微控制器，其最低待机电流达到5μA，完全能实现后备电池31供电情况下的超长时间待机能力。参考电压芯片Z1选用微功耗器件ZXRE1004实现，工作电流4μA。A/D采样参考电压芯片T2选用MAX6003，其静态工作电流274μA。实时时钟芯片IC3选用DS1302，时间保持电流0.3μA。

电源管理是另一个重要方面。外电源供电模式下，CPU模块各部分电路都供电，处在工作状态，相对是一种较大能耗状态。参见图4，电源检测单元24的检测信号T3-3接至CPU模块3，当CPU模块3控制转为后备电池31供电时，在电源管理单元25中，由CPU先关断Q1，VCC失电。由VCC供电的放大器电路、参考电压电路、液晶等等均被断电，只保留CPU和实时时钟的供电，延时30S后，CPU也进入待机模式，实现系统极低功耗。CPU通过电源检测端信号判断出电池供电状态，在等待30S后进入待机模式，实现CPU自身的极低功耗状态。

参见图6，在待机模式下，CPU有两种方式可以唤醒，一是外电源上电，上电后J1-3信号跳变，唤醒CPU；另一种方式是唤醒按键SW8按下唤醒CPU。前一种方式唤醒后CPU进入完全工作状态，后一种方式为用户操作唤醒，方便参数浏览设定功能。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims

1.一种用于输配电线路的自供电保护装置，包括分别安装在电网电路上的CT交流电流源和脱扣装置(4)，其特征在于：还包括第一电源模块(1)、第二电源模块(2)和CPU模块(3)，其中：所述第一电源模块(1)包括钳位、整流、PWM管理模块(11)，所述第二电源模块(2)包括宽范围PWM模式开关电源模块(21)、电压变换储能单元(22)、电脉冲控制单元(23)和电源检测单元(24)，所述CPU模块(3)包括有后备电池(31)，所述CT交流电流源与所述钳位、整流、PWM管理模块(11)、宽范围PWM模式开关电源模块(21)、电压变换储能单元(22)、电脉冲控制单元(23)和脱扣装置(4)依次相连，所述CPU模块(3)与所述电源检测单元(24)和电脉冲控制单元(23)分别相连，所述CT交流电流源将电网电路中的大电流按照一定比例变换成小电流，该小电流经所述第一电源模块(1)处理后形成一浮动电压源，所述第二电源模块(2)将该浮动电压源的浮动直流电变换成稳定输出的直流低压电压源并供电给所述电压变换储能单元(22)，所述CPU模块(3)控制所述电压变换储能单元(22)将储存的电能释放到脱扣装置(4)。

2.根据权利要求1所述的用于输配电线路的自供电保护装置，其特征在于：其中所述宽范围PWM模式开关电源模块(21)包括依次相连的滤波器(210)、第一级PWM开关电源(211)、第二级PWM隔离开关电源(212)和脉冲变压器(TR1)，所述钳位、整流、PWM管理模块(11)的输出接至所述滤波器(210)，所述脉冲变压器(TR1)的第一次级输出(VCC3)接至所述电压变换储能单元(22)，所述脉冲变压器(TR1)的第二次级输出(VCC6)接至所述电源检测单元(24)，其中：

所述第一级PWM开关电源(211)包括第一电子开关(M6)、第一光耦(OP3)、第一误差放大器(U7)和反馈取样单元(211)，所述反馈取样单元(211)由第一电阻(R63)和第二电阻(R75)自所述第一电子开关(M6)的输出取得分压并接至所述第一误差放大器(U7)的输入端，所述第一误差放大器(U7)的输出端经所述第一光耦(OP3)反馈接至所述第一电子开关(M6)的控制端；

所述第二级PWM隔离开关电源(212)包括第二电子开关(M7)、第二光耦(OP6)、第二误差放大器(U6)和电压比较器(U4)，所述脉冲变压器(TR1)的第二次级输出(VCC6)接至所述电压比较器(U4)的输入端，所述电压比较器(U4)的输出端经所述第二光耦(OP6)反馈接至第二误差放大器(U6)的反馈端，所述第二误差放大器(U6)输出的控制信号接至所述第二电子开关(M7)的控制端。

3.根据权利要求1或2所述的用于输配电线路的自供电保护装置，其特征在于：其中所述电压变换储能单元(22)设有储能电容(C54)和一与所述储能电容(C54)相连的倍压电路，所述电脉冲控制单元(23)为一继电器控制电路，所述倍压电路的储能输出经所述继电器控制电路的输出接点与所述脱扣装置(4)相连，所述继电器控制电路的继电器由CPU输出的控制脉冲控制。

4.根据权利要求3所述的用于输配电线路的自供电保护装置，其特征在于：其中所述第一电源模块(1)还包括隔离、变压、整流模块(12)，所述隔离、变压、整流模块(12)连接在外部220V交流电压源与所述宽范围PWM模式开关电源模块(21)之间。

5.根据权利要求4所述的用于输配电线路的自供电保护装置，其特征在于：其中所述第二电源模块(2)还包括电源检测单元(24)和电源管理单元(25)，所述电源检测单元(24)和电源管理单元(25)分别连接在所述宽范围PWM模式开关电源模块(21)与所述CPU模块(3)之间，所述后备电池(31)经所述电源管理单元(25)与所述CPU相连。

6.根据权利要求5所述的用于输配电线路的自供电保护装置，其特征在于：其中所述CPU模块(3)采用型号为STM32F103V8的具有超低待机功耗的32位ARM微控制器。

7.根据权利要求6所述的用于输配电线路的自供电保护装置，其特征在于：其中所述脱扣装置(4)具有单稳态线圈或双稳态线圈。