CN102288854B

CN102288854B - 开关柜故障电流采集装置

Info

Publication number: CN102288854B
Application number: CN201110119789.9A
Authority: CN
Inventors: 崔静; 于龙
Original assignee: SHANDONG LUYITONG INTELLIGENT ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: Shenghui Intelligent Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: CN102288854A

Abstract

本发明提供一种开关柜故障电流采集装置，包括：故障电流采集及调理电路；常态稳态电流采集及调理电路；与所述故障电流采集及调理电路相连的高速采样电路；与所述常态稳态电流采集及调理电路相连的故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块；连接在所述常态稳态电流采集及调理电路与所述故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块之间的单片机；以及连接在所述高速采样电路与所述单片机之间、并连接所述单片机的总线及其控制模块。通过本发明的上述装置，根据当前常态电流值实时设定故障电流阀值的方式，更准确有效地采集故障电流数据，解决了开关柜故障电流采集中低速率、数据采集不完整不准确问题，实现了故障电流高速、精确采集。

Description

开关柜故障电流采集装置

技术领域

本发明涉及智能输电电网的故障检测装置，具体涉及一种开关柜故障电流采集装置。

背景技术

开关柜故障检测技术经过多年的研究和发展，已取得相当大进展。其中通过采集故障电流波形从而对开关柜故障进行分析检测是较为新颖而实用的方法，但其以采集到的开关柜故障电流数据为基础，因此开关柜故障电流采集装置是开关柜故障分析检测的关键。

但目前的故障电流采集方法采用传统的电流互感器存在磁饱和问题，难以实现大范围电流测量，互感器传感头由铁心构成，测量带宽不够且衰减不能有效的采集故障电流；故障电流采样速率不够，使得故障电流采集不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关柜故障电流采集装置，以解决目前的故障电流采集中存在的难以实现大范围电流测量、测量带宽不够、故障电流采样速率不够的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种开关柜故障电流采集装置，包括：故障电流采集及调理电路；常态稳态电流采集及调理电路；与所述故障电流采集及调理电路相连的高速采样电路，用以对故障电流进行高速采样，得到故障电流采样数据；与所述常态稳态电流采集及调理电路相连的故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块，用以动态设定故障电流采集启动阀值并判断是否启动故障电流采集；连接在所述常态稳态电流采集及调理电路与所述故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块之间的单片机；以及连接在所述高速采样电路与所述单片机之间、并连接所述单片机的总线及其控制模块。

通过本发明的上述开关柜故障电流采集装置，根据当前常态电流值实时设定故障电流阀值的方式取代传统故障电流阀值为固定值，更准确有效地采集故障电流数据，解决了开关柜故障电流采集中低速率、数据采集不完整不准确问题，实现了故障电流高速、精确采集。

附图说明

图1是本发明的故障电流采集装置的电路方框图；

图2a-2b是本发明的信号调理模块及高速采样驱动的电路原理图；其中图2a是常态电流信号调理电路，图2b是故障电流信号调理电路和高速采样驱动电路；

图3是本发明的障暂态电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块的电路原理图；

图4是本发明的高速采样模块的电路原理图；

图5是本发明的总线控制模块的电路原理图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及其附图对本发明进一步详细描述。

如图1所示，本发明的故障电流采集装置包括：常态稳态电流采集罗科夫斯基线圈1、故障电流采集罗科夫斯基线圈2、信号调理及高速采样驱动模块3、单片机ARM LPC2292模块4、故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块5、高速采样模块6、大容量数据存储模块7、总线及其控制模块8，常态稳态电流采集罗科夫斯基线圈1与故障电流采集罗科夫斯基线圈2分别套在开关柜导线上；常态稳态电流采集罗科夫斯基线圈1与信号调理电路及高速采样驱动模块3中的常态电流调理电路相连，常态电流信号调理电路与故障电流采集启动判断模块5相连，同时经单片机ARM LPC2292模块4与故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块5相连；故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块5依次连接总线及其控制模块8、高速采样模块6，并通过总线及其控制模块8的地址总线和数据总线连接大容量数据存储模块7；故障电流采集罗科夫斯基线圈2经信号调理电路3中的故障电流调理电路与高速采样模块6相连；高速采样模块6经数据总线与总线及其控制模块8相连，大容量数据存储模块7经数据总线与地址总线与总线及其控制模块8相连，单片机ARM LPC2292模块4经数据总线和地址总线与总线及其控制模块8相连。

罗科夫斯基线圈罗氏线圈具有测量频带宽(几Hz到几MHz)；测量范围广(数安至数百千安)；结构轻小，安装方便，不破坏导体；与被测回路没有直接的电连接，对原边电流信号影响小；不含铁磁性材料，不会发生饱和现象，线性度好等优点，很好解决了传感器问题。所述电流采集模块包括用于常态电流采集的罗科夫斯基线圈以及用于故障电流采集的罗科夫斯基线圈。所述用于常态电流采集的罗科夫斯基线圈参数为：测量范围为0～2KA；测量频率范围为0.1Hz～1MHz；测量精度为0.1％～1％。所述用于故障电流采集的罗科夫斯基线圈参数为：测量范围为0～50kA；测量频率范围为0.1Hz～2MHz；测量精度为0.1％～1％；隔离耐压为3500VA。

如图2a-2b所示，所述信号调理及高速采样驱动模块3包括常态电流信号调理电路、故障电流信号调理电路、高速采样驱动电路。

所述常态电流信号调理电路包括一两脚接口J1、一稳压二极管D4、一运算放大电路、一滤波电容C3、一电压偏置积分电路、一输出电压保护二极管D1、一滤波电容C5。所述运算放大电路包括运算放大器U2A，电阻R1、R8、R9，其中电阻R1一端接U2A正输入引脚一端接地。所述电压偏置积分电路包括运算放大器U2B，电阻R2、R12、R13，电容C4，其中电阻R13与电容C4并联接于U2B的负输入引脚与输出引脚间构成积分，电阻R2一端接U2B正输入引脚一端接参考电压。常态电流采集罗科夫斯基线圈输出信号经调理电路放大、偏置、积分处理后进入单片机运算。

所述故障电流信号调理电路包括一两脚接口J6、一稳压二极管D9、无感电阻R18及R19、一电压跟随器、一滤波电容C8。所述电压跟随器由高速运算放大器U3以及电阻R20、R21构成。

所述高速采样驱动电路包括驱动芯片U4，二极管D5、D6，电阻R24、R25、R26、R27、R28、R29、R30。所述二极管D5、D6反向连接构成驱动芯片输入保护。所述驱动芯片Vcom引脚为参考电压输入，由高速A/D提供；Vin+引脚、Vin-脚分别为差分输入的正输入、负输入；VO+引脚、VO-引脚分别为差分输出的正输出、负输出。故障电流采集罗科夫斯基线圈输出信号经调理电路及高速采样驱动电路处理得到差分信号送入高速A/D进行采样。

如图3所示，所述故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块5包括D/A芯片U203、两电压跟随器、两阻容滤波、一窗口比较器。所述D/A芯片U203的SPI_DATAIN引脚、SPI_CLK引脚、SPI_nCS引脚为SPI总线通讯，依次与单片机SPI总线数据收发引脚、SPI总线时钟信号引脚、SPI片选信号引脚相连；OUTA引脚、OUTB脚分别为U203两通道模拟输出，其中OUTA引脚输出窗口比较器阀值上限，OUTB引脚输出窗口比较器阀值下限。所述两电压跟随器分别由运算放大器U204A、U204B构成。所述两阻容滤波分别由电容C209、电阻R210以及电容C210、电阻R211构成。所述窗口比较器包括运算放大器U205A及U205B、电阻R212、电容C211；所述U205B的负输入引脚与U205A的正输入引脚相连构成窗口比较器输入，并连接常态电流信号调理电路输出；所述U205B的输出引脚与U205A的输出引脚相连构成窗口比较器输出，并给出故障电流采集是否启动信号；所述电阻R212接于U205A的输出引脚与电源引脚之间，电源引脚同时连接3.3V电源；所述电容C211接于U205A的输出引脚和接地引脚之间，接地引脚同时接地，起滤波作用。单片机根据实时常态电流值计算得到窗口比较器上下限阀值，通过SPI总线传送给所述D/A芯片U203，经所述阻容滤波后送入所述窗口比较器，实现故障电流阀值动态设定；所述常态电流调理电路输出送入窗口比较器，实现故障电流采集启动判断。D/A芯片可考虑采用TLV5638。

如图4所示，所述高速采样模块包括运算放大器U202、高速A/D芯片U200、总线收发控制器U201。所述运算放大器设计成电压跟随器，输入为所述U200的参考电压输出，输出与高速采样驱动芯片U4的Vcom引脚相连。所述高速A/D芯片U200的VIN+引脚、VIN-引脚为差分输入端，分别与所述高速采样驱动输出相连；DO引脚至D11引脚为12位转换数据输出，与所述总线收发控制器U201的B口相连；CLK引脚为转换高速A/D外部输入转换时钟，与总线及其控制模块8中CPLD的GCK1引脚连接；PDWN引脚为所述所述高速A/D片选，连接总线及其控制模块8中CPLD的数字输出引脚。所述总线收发控制器U201的B端口与高速A/D输出相连，A端口与大容量数据存储模块7相连；所述U201的1DIR引脚、2DIR引脚为总线数据方向控制，同时接地，数据只从B端口向A端口传送；所述U201的/1OE引脚、/2OE引脚为片选，与总线及其控制模块8中CPLD的数字输出引脚相连。故障电流采集启动信号CurrHPTrigr为低时，故障电流采集启动，总线及其控制模块8中CPLD向所述高速A/D芯CLK引脚输入20MHz时钟信号并通过数字输出引脚输出低电平选通总线收发控制器U201，所述高速A/D芯片U200输出转换结果通过数据总线存入大容量数据存储模块。高速A/D转换可考虑采用AD9235，其最高采样频率为65MHz，分辨率为12位，输入端为差分式采样保持放大电路，差分输入的峰峰值范围为1～2V。12位的采样精度，使得A/D电路的输入动态范围达到了66dB。输出端为多级差分流水线结构，并配有差错校正逻辑，保证了65MHz采样数据的准确性。输出数据可以配置为标准二进制或二进制补码格式。采用差分ADC驱动芯片AD8138将单端输入信号变为差分信号输入AD9235，达到更精确反映故障暂态行波中的高频分量的效果。其他高采样频率、具有较高精度的高速A/D芯片均可。

如图5所示，所述总线及其控制模块包括复杂可编程逻辑器件CPLDU200、数据总线、地址总线以及总线收发控制器U301、U302、U303、U304。所述总线收发控制器U301、U302为16位，U303、U304为8位。所述U301的1DIR引脚、2DIR引脚为方向控制位，接U200的数字输出引脚，由CPLD控制数据总线传输方向；/1OE引脚、/2OE引脚为片选信号，接U200的数字输出引脚，由CPLD控制数据总线使用分配。所述U302的1DIR引脚、2DIR引脚为方向控制位，接高电平，地址数据仅从A端口到B端口；/1OE引脚、/2OE引脚为片选信号，接U200的数字输出引脚，由其控制地址总线使用分配。所述U303的DIR引脚为方向控制位，接高电平，地址数据仅从A端口到B端口，与U302一起控制地址总线；/E引脚为片选信号，接U200的数字输出引脚，由其控制地址总线使用分配。所述U304的DIR脚为方向控制位，接高电平，总线数据仅从A端口到B端口；/E脚为片选信号，接低电平，U304一直处于选通状态。

本发明的上述实施例的常态电流罗科夫斯基线圈1从开关柜导线上采集常态电流后经常态电流信号调理电路后进入单片机模块，单片机将根据其计算得出的窗口比较器上下限值通过SPI总线传输给故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块5；同时，经常态电流调理电路后的信号送入故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块5的窗口比较器，单片机LPC2292根据图2A中u2的输出(常态电流值)的大小动态设定图3中DA转换器U203的输出值，从而改变窗口比较器U205的阀值，实现动态设定阀值。当图2的输出值大于阀值时，窗口比较器输出触发信号(即故障电流采集启动信号)触发高速AD采样。开关柜发生故障，故障电流采集启动后，故障电流罗科夫斯基线圈2从开关柜导线上采集故障电流后经故障电流信号调理电路后与高速采样驱动电路相连，得到高速采样模块的差分输入。总线及其控制模块8中CPLD为高速采样模块提供20MHz采样频率信号，将数据总线交由高速采样模块使用，并通过地址总线对大容量数据存储模块7的地址进行操作，将高速采样得到数据存入大容量数据存储模块7中。

通过本发明的上述装置，解决了开关柜故障电流采集中低速率、数据采集不完整不准确问题，实现了故障电流高速、精确采集。本发明采用罗柯夫斯基线圈代替传统电流互感器作为电流采集传感器；采用窗口比较器实现故障电流采集的硬件触发，并由系统根据当前常态电流值实时设定故障电流阀值的设计取代传统故障电流阀值固定的方式；采用ARM+CPLD的总线复用系统作为高速数据采集、高速A/D转换与快速存储之间协调控制的基础，实现故障电流数据高速采集存储和低速读取。本发明可应用于开关柜故障电流采集装置及各类需要采集故障电流的智能电力设备，具有非常广泛应用性。

Claims

1.一种开关柜故障电流采集装置，其特征在于，包括：

故障电流采集及调理电路；

常态稳态电流采集及调理电路；

与所述故障电流采集及调理电路相连的高速采样电路，用以对故障电流进行高速采样，得到故障电流采样数据；

与所述常态稳态电流采集及调理电路相连的故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块，用以动态设定故障电流采集启动阀值并判断是否启动故障电流采集；

连接在所述常态稳态电流采集及调理电路与所述故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块之间的单片机；以及

连接在所述高速采样电路与所述单片机之间、并连接所述单片机的总线及其控制模块。

2.如权利要求1所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述故障电流采集及调理电路包括套在开关柜导线上的故障电流采集用的罗科夫斯基线圈。

3.如权利要求2所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述故障电流采集用的罗科夫斯基线圈的测量范围为0～50kA；测量频率范围为0.1Hz～2MHz；测量精度为0.1%～1%；隔离耐压为3500VA。

4.如权利要求1所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述常态稳态电流采集及调理电路包括套在开关柜导线上的常态稳态电流采集用的罗科夫斯基线圈。

5.如权利要求4所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述常态稳态电流采集用的罗科夫斯基线圈的测量范围为0～2KA；测量频率范围为0.1Hz～1MHz；测量精度为0.1%～1%。

6.如权利要求1所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述高速采样电路包括高速采样驱动模块和高速采样模块；所述高速采样模块通过高速采样驱动模块连接所述故障电流采集及调理电路。

7.如权利要求6所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述高速采样模块包括高速A/D芯片、数据线和数据线收发控制器；所述高速A/D芯片包括正、负差分信号输入端、参考电压信号输出端和采样数据输出端，该采样数据输出端通过数据线连接数据线收发控制器。

8.如权利要求7所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述高速采样驱动模块包括稳压电路和驱动芯片；所述驱动芯片包括：

输入端，与所述故障电流采集及调理电路的输出相连；

参考电压输入引脚，与所述高速采样模块的参考电压信号输出端相连；

正、负差分信号输出端，分别与所述高速A/D芯片的正、负差分信号输入端相连。

9.如权利要求1所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述总线及其控制模块包括复杂可编程逻辑器件、数据总线、地址总线和总线收发控制器，所述复杂可编程逻辑器件连接到所述地址总线；所述单片机分别连接到所述数据总线和地址总线；所述高速采样电路连接到所述数据总线。

10.如权利要求9所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述总线收发控制器包括两个16位的第一、第二控制器以及两个8位的第三、第四控制器；所述第一、第二、第三控制器连接所述复杂可编程逻辑器件的数字输出引脚；所述第四控制器一直处于选通状态。

11.如权利要求10所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述第一控制器具有方向控制引脚，该方向控制引脚连接所述复杂可编程逻辑器件的数字输出引脚以控制数据总线传输方向。

12.如权利要求10所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述第一控制器具有片选信号引脚，该片选信号引脚连接所述复杂可编程逻辑器件的数字输出引脚以控制数据总线使用分配。

13.如权利要求10所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述第二、第三控制器具有接高电平的方向控制引脚用以控制地址总线。

14.如权利要求10所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述第二控制器具有片选信号引脚，该片选信号引脚连接所述复杂可编程逻辑器件的数字输出引脚以控制数据总线使用分配。

15.如权利要求10所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述第四控制器具有接高电平的方向控制引脚。

16.如权利要求10所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述第四控制器具有接低电平的片选信号引脚。

17.如权利要求9至16中任一权利要求所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，该开关柜故障电流采集装置包括用以存储高速采样电路得到的大容量故障电流数据的数据存储模块，该数据存储模块包括分别连接到所述数据总线和地址总线的静态随机存储器以及分别连接到所述数据总线和地址总线的Flash存储器。

18.如权利要求1所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述故障电流阀值动态设定及故障电流采集启动判断模块包括：

双通道D/A芯片，其输入连接所述单片机；

第一、第二电压跟随器，每个电压跟随器的正输入端连接所述双通道D/A芯片的输出，每个电压跟随器的负输入端连接该电压跟随器的输出；

包括第一运算放大器和第二运算放大器的窗口比较器，所述第一运算放大器的负输入与第二运算放大器的正输入相连并连接所述常态稳态电流采集及调理电路中的常态电流信号调理电路的输出；所述第一、第二运算放大器的输出相连并输出故障电流采集是否启动的信号至总线及其控制模块；所述第一运算放大器的正输入连接第一电压跟随器的输出，所述第二运算放大器的负输入连接第二电压跟随器的输出。

19.如权利要求18所述的开关柜故障电流采集装置，其特征在于，所述第一运算放大器的正输入与第一电压跟随器的输出之间设有滤波电路；所述第二运算放大器的负输入与第二电压跟随器的输出之间设有滤波电路。