CN102142675A - 智能数字继电保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能数字继电保护装置，电流互感器感应取能与测量线圈还与信号调理单元的输入端、低能量聚集与高能量泄放调控单元的输入端连接；低能量聚集与高能量泄放调控单元的输出端分别与信号调理单元、超低功耗信号处理单元、低电压脱扣器供能单元、无线通信单元、故障指示单元和参数设置与整定单元连接；信号调理单元的输出端与超低功耗信号处理单元的输入端连接；超低功耗信号处理单元的输入输出端口还分别与低电压脱扣器供能单元、无线通信单元、故障指示单元和参数整定单元连接。该装置的安全性好、成本低且具有故障提示信息。

Description

智能数字继电保护装置
技术领域
本发明涉及35V及以下(主要应用在10V)配电网电力系统的继电保护装置，具体讲是一种安装在柱上开关或环网柜上的智能数字继电保护装置。
背景技术
随着智能电网技术的规划和应用发展，智能配电网智能设备和相关技术需求不断增加。继电保护技术发展先后经历了电磁式保护、晶体管式保护、集成电路保护以及微机保护技术等，继电保护装置研究是继电保护技术研究和应用的重要课题。目前继电保护装置大多数从电压互感器二次侧或独立电源(如直流屏)取得能量作为工作电源，对于35kV及以下电压等级无操作电源的变电站、架空线路柱上开关以及带开关的电缆分接箱等特殊应用场合，没有外加的辅助电源、直流屏等设备，因此限制了现有继电保护装置的应用。当电流过流时，继电处理装置跳掉，从而对电力系统进行保护。上述结构的继电保护装置在实际的使用过程中存在以下缺陷：1、由于电压互感器取电需要加装电压互感器和相应的蓄电池储能，以及需要采用专门的绝缘措施，且一旦绝缘被击穿极易影响设备安全，因此采用电源互感器取电的继电保护装置的安全性较差。另外，由于采用电压互感器取电的结构较为复杂，因此导致模拟继电保护装置的成本增加。2、在不具备直接可用电源的场合，上述结构的继电保护装置的应用受到限制。3、现有技术的继电保护装置被触发时，由于不具有足够的提示信息，因此会造成电力工作人员无法准确判断故障地点，进而导致电力工作人员的工作量增加以及故障处理时间的增长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺陷，提供一种安全性好、成本低且具有故障提示信息的智能数字继电保护装置。
本发明的技术方案是，提供一种智能数字继电保护装置，包括与电力母线连接的电流互感器感应取能与测量线圈、低能量聚集与高能量泄放调控单元、超低功耗信号处理单元、与低电压脱扣器连接的低电压脱扣器供能单元、无线通信单元、故障指示单元、参数设置与整定单元和信号调理单元，所述电流互感器感应取能与测量线圈还与信号调理单元的输入端、低能量聚集与高能量泄放调控单元的输入端连接；所述的低能量聚集与高能量泄放调控单元的输出端分别与信号调理单元、超低功耗信号处理单元、低电压脱扣器供能单元、无线通信单元、故障指示单元和参数设置与整定单元连接，为它们提供工作电源；所述的信号调理单元的输出端与超低功耗信号处理单元的输入端连接，为超低功耗信号处理单元提供分析信号；所述超低功耗信号处理单元的输入输出端口还分别与低电压脱扣器供能单元、无线通信单元、故障指示单元和参数整定单元连接，为超低功耗信号处理单元提供信号的输入及输出。
所述的电流互感器感应取能与测量线圈包括设在同一壳体内的取能铁芯、测量铁芯、取能线圈和测量线圈，所述的取能铁芯嵌入在取能线圈内；所述的测量铁芯嵌入在测量线圈内。
设在同一壳体内的铁芯、取能线圈和测量线圈，所述的铁芯为两块，所述的两块铁芯分别嵌入在取能线圈和测量线圈内。
所述的低能量聚集与高能量泄放调控单元包括低能量聚集与高能量泄放控制单元和电容器储能与蓄电池浮充单元，所述的低能量聚集与高能量泄放控制单元与电容器储能与蓄电池浮充单元连接；所述的电容器储能与蓄电池浮充单元上设有多个电源输出端口。
所述的无线通信单元为基于Zigbee的无线通信单元或基于CAN总线的无线通信单元。可以灵活组网进行信息交互，可以远程进行装置的参数和保护类型设置与整定，可以监控自具电源的智能数字保护装置所在线路状态、装置自身状况参数，智能组建监控系统，实现智能配网自动化应用。
以与电力母线连接的电流互感器感应取能与测量线圈的A、B、C 3相电流由超低功耗信号处理单元分析计算得到零序电流，进而具有实现小电流接地故障检测功能。
所述的参数设置与整定单元为拨码开关式参数设置与整定单元或USB式参数设置与整定单元或者CAN总线式参数设置与整定单元。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明智能数字继电保护装置电流互感器感应取能与测量线圈基于电流互感器电磁感应原理，可灵活调整结构参数可以方便的改变输出特性，每一相配置1个感应取能线圈和1个测量线圈并浇注在同一个壳体内，采用穿心式设计与母线本体没有任何电气联系，安全隔离性能好；通过采集的A、B、C 3相电流由超低功耗信号处理单元计算零序电流，从而可以实现小电流接地故障检测功能。因此，使得本发明智能数字继电保护装置的安全性非常好。同时，由于结构简单，因此成本非常低。2、由于本发明可通过电流互感器感应取能与测量线圈取电，因此能够使用在不具备直接可用电源的场合，其适用范围较广。3、本发明智能数字继电保护装置设有故障指示单元，可以为电力工作人员提供准确判断故障地点给出一个提示，进而使得电力工作人员的工作量得以降低并同时减少故障处理时间。
本发明智能数字继电保护装置的突出优点是设有低能量聚集与高能量泄放调控单元，该单元可感应一次线路的工作电流，当电流较小和额定负荷电流情况下，该单元收集感应能量全部转换为系统工作的电源能量，此时起到能量聚积的作用；当线路发生故障电流达到一定值或者短路电流的情况下，该单元电路负责泄放掉一部分能量，对取能电路和后续处理器单元起到保护作用。
作为改进，本发明智能数字继电保护装置设有参数设置与整定单元，该单元可通过数字保护装置的参数设置与整定功能，可以选择装置的动作启动电流、保护类型、整定曲线的设置。使得本发明智能数字继电保护装置设置起来非常地方便。
作为进一步改进，本发明智能数字继电保护装置可通过信号调理单元8对测量线圈12输出电流的变换、滤波、积分、A/D采样，然后送超低功耗信号处理单元3进行分析处理。
作为更进一步改进，本发明智能数字继电保护装置可通过基于Zigbee的无线通信单元或基于CAN总线的无线通信单元来构建成一个系统，从而使得数据通讯更加地方便，使得能够准确判断故障地点，进而进一步使得电力工作人员的工作量得以降低并同时减少故障处理时间。
附图说明
图1是本发明智能数字继电保护装置的总体结构示意框图。
图2是本发明智能数字继电保护装置中低能量聚集与高能量泄放调控单元的功能结构框图。
图3是本发明智能数字继电保护装置中超低功耗处理单元的功能结构框图。
图4是本发明智能数字继电保护装置组网的具体实施例结构框图。
图5是本发明智能数字继电保护装置中电流互感器感应取能与测量线圈的结构示意图。
图中所示1、电流互感器感应取能与测量线圈，2、低能量聚集与高能量泄放调控单元，3、超低功耗信号处理单元，4、低电压脱扣器供能单元，5、无线通信单元，6、故障指示单元，7、参数设置与整定单元，8、信号调理单元，9、低能量聚集与高能量泄放控制单元，10、电容器储能与蓄电池浮充单元，101、取能铁芯，102、测量铁芯，103、取能线圈，104、测量线圈，105、壳体，106、测量线圈二次引出端，107、取能线圈二次引出端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明一种智能数字继电保护装置，包括与电力母线连接的电流互感器感应取能与测量线圈1、低能量聚集与高能量泄放调控单元2、超低功耗信号处理单元3、与低电压脱扣器连接的低电压脱扣器供能单元4、无线通信单元5、故障指示单元6、参数设置与整定单元7和信号调理单元8，其中电流互感器感应取能与测量线圈1采用穿心式布置，其输出分别接智能数字继电保护装置的低能量聚集与高能量泄放调控单元2(由低能量聚集与高能量泄放调控单元2进行供给电源能量变换和调控)和超低功耗信号处理单元3(测量线圈104输出，作为测量和保护信号的依据，当电流超过设定值时根据设定方式保护系统动作)；低能量聚集与高能量泄放调控单元2：感应一次线路的工作电流，当电流较小和额定负荷电流情况下，该单元收集感应能量全部转换为系统工作的电源能量，此时起到能量聚积的作用；当线路发生故障电流达到一定值或者短路电流的情况下，该单元电路负责泄放掉一部分能量，对取能电路和后续处理器单元起到保护作用；超低功耗信号处理单元3：作为装置的处理核心，负责能量调控和平衡控制、信号分析与处理、低电压脱扣器启动触发、接收参数整定数据、故障显示与通信等功能；低电压脱扣器供能单元4：该单元负责故障情况下为柱上断路器(环网柜)的低能量脱扣电机提供触发脱扣能量；无线通信单元5(可选CAN总线接口)，该单元为数字化保护装置的通信接口单元，用来构建智能配电自动化系统，实现数据通信；故障指示单元6，负责故障和状态信息的显示，以LED形式实现故障状态报警和显示；参数设置与整定单元7，该单元负责数字保护装置参数设置与整定功能，可以选择装置的动作启动电流、保护类型、整定曲线的设置，硬件实现上可采用拨码开关编码实现或者采用CAN通信或USB与监控主机通信；信号调理单元8，该单元负责对测量线圈12输出电流的变换、滤波、积分、A/D采样，然后送超低功耗信号处理单元3进行分析处理。
所述电流互感器感应取能与测量线圈1与信号调理单元8的输入端、低能量聚集与高能量泄放调控单元2的输入端连接；所述的低能量聚集与高能量泄放调控单元2的输出端分别与信号调理单元8、超低功耗信号处理单元3、低电压脱扣器供能单元4、无线通信单元5、故障指示单元6和参数设置与整定单元7连接，为它们提供工作电源；所述的信号调理单元8的输出端与超低功耗信号处理单元3的输入端连接，为超低功耗信号处理单元3提供分析信号；所述超低功耗信号处理单元3的输入输出端口还分别与低电压脱扣器供能单元4、无线通信单元5、故障指示单元6和参数整定单元7连接，为超低功耗信号处理单元3提供信号的输入及输出。
所述的电流互感器感应取能与测量线圈1包括设在同一壳体105内的取能铁芯101、测量铁芯102、取能线圈103和测量线圈104，所述的取能铁芯101嵌入在取能线圈103内；所述的测量铁芯102嵌入在测量线圈104内。106为测量线圈二次引出端；107为取能线圈二次引出端。取能铁芯101的铁芯材料为微晶合金；测量铁芯102的铁芯材料为硅钢片；10为采用环氧树脂浇注区。
所述的低能量聚集与高能量泄放调控单元2包括低能量聚集与高能量泄放控制单元9和电容器储能与蓄电池浮充单元10，所述的低能量聚集与高能量泄放控制单元9与电容器储能与蓄电池浮充单元10连接；所述的电容器储能与蓄电池浮充单元10上设有多个电源输出端口。低能量聚集与高能量泄放调控单元采用自适应智能控制，在小电流和负荷电流条件采取开源措施，感应取能线圈输出能量全部转换为工作电源能量；在短路电流情况采用能量泄放电路，消耗和放掉适当能量平衡和稳定感应线圈的供给后续单元的工作能量，从小电流到短路电流在母线电流大范围变化的情况下全程稳定整个装置的能量供给和工作稳定性。
所述的无线通信单元5为基于Zigbee的无线通信单元或基于CAN总线的无线通信单元。可以灵活组网进行信息交互，可以远程进行装置的参数和保护类型设置与整定，可以监控自具电源的智能数字保护装置所在线路状态、装置自身状况参数，智能组建监控系统，实现智能配网自动化应用。在本实施例中，采用Zigbee通信协议，方便组网监测和控制开关状态，实现智能应用。
所述的参数设置与整定单元7为拨码开关式参数设置与整定单元或USB式参数设置与整定单元或者CAN总线式参数设置与整定单元。可设置参数与整定单元采用拨码开关和通信总线接口2种方式进行参数设置与整定操作。拨码开关根据一定的编码形式灵活设定整定电流、启动时间、保护类型等参数；通信总线接口采用CAN总线或者USB与微机相连，通过配套软件对工作参数进行设定。
以与电力母线连接的电流互感器感应取能与测量线圈(1)的A、B、C 3相电流由超低功耗信号处理单元(3)分析计算得到零序电流，进而具有实现小电流接地故障检测功能。
可以采用USB总线(备选CAN总线接口)通过参数编程终端将设置参数和整定类型数据发送给超低功耗信号处理单元。
本发明装置智能数字继电保护装置的工作原理：根据装置安装地点、负荷特征和采用的通信组网方式，首先对保护启动电流和保护类型曲线进行参数设置和整定；当装置投入运行以后，检测线路的运行状态，主要是检测是否有短路故障和接地故障出现以及对正常的线路负荷电流进行监测，所有的采集信息送超低功耗信号处理单元3进行分析处理(包括计算零序电流，3相电流，以及判断是否越限)，处理单元3根据分析结果执行相应动作，比如通过网络发送故障类型(接地还是短路)、故障相别、故障电流数值、低电压脱扣器供能单元4的脱扣触发指令，故障指示单元6的指示和报警等；当故障得到处理以后该装置能够实现按整定参数的复位操作。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，其具体结构允许有变化。但凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种智能数字继电保护装置，其特征在于：包括与电力母线连接的电流互感器感应取能与测量线圈(1)、低能量聚集与高能量泄放调控单元(2)、超低功耗信号处理单元(3)、与低电压脱扣器连接的低电压脱扣器供能单元(4)、无线通信单元(5)、故障指示单元(6)、参数设置与整定单元(7)和信号调理单元(8)，所述电流互感器感应取能与测量线圈(1)还与信号调理单元(8)的输入端、低能量聚集与高能量泄放调控单元(2)的输入端连接；所述的低能量聚集与高能量泄放调控单元(2)的输出端分别与信号调理单元(8)、超低功耗信号处理单元(3)、低电压脱扣器供能单元(4)、无线通信单元(5)、故障指示单元(6)和参数设置与整定单元(7)连接，为它们提供工作电源；所述的信号调理单元(8)的输出端与超低功耗信号处理单元(3)的输入端连接，为超低功耗信号处理单元(3)提供分析信号；所述超低功耗信号处理单元(3)的输入输出端口还分别与低电压脱扣器供能单元(4)、无线通信单元(5)、故障指示单元(6)和参数整定单元(7)连接，为超低功耗信号处理单元(3)提供信号的输入及输出。
2.根据权利要求1所述的智能数字继电保护装置，其特征在于：所述的电流互感器感应取能与测量线圈(1)包括设在同一壳体(105)内的取能铁芯(101)、测量铁芯(102)、取能线圈(103)和测量线圈(104)，所述的取能铁芯(101)嵌入在取能线圈(103)内；所述的测量铁芯(102)嵌入在测量线圈(104)内。
3.根据权利要求1所述的智能数字继电保护装置，其特征在于：所述的低能量聚集与高能量泄放调控单元(2)包括低能量聚集与高能量泄放控制单元(9)和电容器储能与蓄电池浮充单元(10)，所述的低能量聚集与高能量泄放控制单元(9)与电容器储能与蓄电池浮充单元(10)连接；所述的电容器储能与蓄电池浮充单元(10)上设有多个电源输出端口。
4.根据权利要求1所述的智能数字继电保护装置，其特征在于：所述的无线通信单元(5)为基于Zigbee的无线通信单元或基于CAN总线的无线通信单元。可以灵活组网进行信息交互，可以远程进行装置的参数和保护类型设置与整定，可以监控自具电源的智能数字保护装置所在线路状态、装置自身状况参数，智能组建监控系统，实现智能配网自动化应用。
5.根据权利要求1所述的智能数字继电保护装置，其特征在于：以与电力母线连接的电流互感器感应取能与测量线圈(1)的A、B、C 3相电流由超低功耗信号处理单元(3)分析计算得到零序电流，进而具有实现小电流接地故障检测功能。
6.根据权利要求1所述的智能数字继电保护装置，其特征在于：所述的参数设置与整定单元(7)为拨码开关式参数设置与整定单元或USB式参数设置与整定单元或者CAN总线式参数设置与整定单元。
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