CN102510058A - 智能电网控制器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能电网控制器，包括：程控放大器、电流传感器、中央控制单元；该程控放大器的电流放大信号输出端与中央控制单元相连；中央控制单元中存储有一条作为基线的反时限过流保护曲线，该基线对应的时间整定系数为Tp₀；选择的与电流传感器所在的被测线路对应的时间整定系数为Tp₁；中央控制单元控制程控放大器的放大倍数为Tp₀/Tp₁的值，然后根据程控放大器输出的电流放大信号的大小在基线上查得相应的保护动作时限T₀；然后计算得实际的保护动作时限T₁=（Tp₁/Tp₀）T₀；最后，中央控制单元根据实际的保护动作时限T₁，通过与中央控制单元相连的驱动电路执行保护动作，以切断电流传感器所在的被测线路。

Description

智能电网控制器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种智能电网控制器及其工作方法。

背景技术

电力系统在运行中可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见且最危险的故障是发生各种形式的短路。短路故障能破坏电力系统的稳定性，并使整个系统崩溃，引起大面积的停电，对国民经济造成的损失往往较大。因此，自动、迅速、有选择性地将故障线路从电力系统中切除，保证其他无故障部分的正常运行，是本领域的技术要求。

现有技术中，通过采样被保护线路中的负载过流电流和图1所示的电流-时间特性曲线的曲线族，得出电网控制器的保护动作时限。当负载过流电流较大时，保护动作的时限较短，而当负载过流电流较小时，保护动作的时限较长；常规的反时限过流保护曲线为一电流-时间特性曲线，其公式（也即数学模型）为

，式中，Ib为最小启动电流,它是用来设置反时限的电流门限，在这里假设为恒定值；Tp为时间整定系数，i为实时的运行电流。用户根据实际被测线路的要求，选择相应的Tp值；图1中的11条反时限过流保护曲线，对应的Tp值分别为0.05、0.1、0.2、0. 4、0.5、0.625、1.0、1.25、2.0、2.5、5.0。当短路电流值相同时，Tp越小，过流动作时间T就越短。Tp值的选择是用户根据实际被测线路的具体要求选择的。不同的运行线路可以根据线路实际运行的情况选择对应不同Tp值。

在现有的智能电网控制器中，如果根据上述数学模型在单片机中进行运算，由于要进行三相电流的计算，且有根号运算及除法运算，其运算量非常大；假如做成表格把上述曲线离散化并储存于单片机的ROM中，则信息量将非常大，相应的成本较高；因此如何解决上述问题，是本领域的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低廉且适于迅速获取保护动作时限的智能电网控制器及其工作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种智能电网控制器，其包括：程控放大器、与该程控放大器的电流检测输入端相连的电流传感器、与该程控放大器的控制输入端相连的用于控制该程控放大器的放大倍数的中央控制单元；该程控放大器的电流放大信号输出端与该中央控制单元的电流放大信号检测输入端相连。

所述中央控制单元中存储有一条作为基线的反时限过流保护曲线，该基线对应的时间整定系数为Tp₀；选择的与所述电流传感器所在的被测线路对应的时间整定系数为Tp₁；所述中央控制单元控制所述程控放大器的放大倍数为Tp₀ /Tp₁的值，然后根据所述程控放大器输出的电流放大信号的大小在所述基线上查得相应的保护动作时限T₀；然后计算得实际的保护动作时限T₁= （Tp₁ /Tp₀）T₀；最后，所述中央控制单元根据所述实际的保护动作时限T₁，通过与中央控制单元相连的驱动电路执行保护动作，以切断所述电流传感器所在的被测线路。

所述中央控制单元连接有用于设置所述Tp₁的接口电路，计算机或控制面板经该接口电路所述Tp₁。该接口电路为RS-232或USB接口电路。

所述中央控制单元包括用于按时间值离散存储所述基线的ROM。

所述程控放大器包括：由与所述电流传感器相连的第一运放A1构成的跟随器、与该跟随器的信号输出端相连的D/A转换器、与该D/A转换器的信号输出端相连的由第二运放A2构成的除法器、与该除法器的信号输出端相连的反相放大器、以及与该反相放大器的信号输出端相连的绝对值电路；所述中央控制单元包括单片机，所述绝对值电路的信号输出端与该单片机的A/D端相连；该单片机的数据输出端与所述D/A转换器的控制输入端相连。

所述绝对值电路包括：一端与所述第二运放A2的输出端相连的第一、第二电阻R1、R2，第一电阻R1的另一端与第四、第五电阻R4、R5的一端以及第五运放A5的反相输入端相连，第五运放A5的同相输入端串接第十一电阻R11后接地；第二电阻R2的另一端与第三、第七电阻R3、R7的一端以及第四运放A4的反相输入端相连，第四运放A4的同相输入端串接第六电阻R6后接地；第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的另一端和第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极和所述第五运放A5的输出端相连，第二二极管D2的阴极与所述第五电阻R5的另一端相连；所述第七电阻R7的另一端与所述第四运放A4的输出端和第八电阻R8的一端相连，第八电阻R8的另一端与第六运放A6的同相输入端相连，第六运放A6的反相输入端串接第九电阻R9后接地；第六运放A6的反相输入端和输出端之间设有第十电阻R10；所述第四运放A4、第六运放A6的输出端AIN1、AIN2为所述绝对值电路的信号输出端。在第四运放A4的输出端AIN1输出的信号较强时，单片机根据第四运放A4的输出端AIN1输出的信号得出所述电流放大信号；在第四运放A4的输出端AIN1输出的信号较弱时，第六运放A6对所述输出端AIN1输出的信号作了进一步的放大，单片机根据第六运放A6的输出端AIN2输出的信号得出所述电流放大信号，以提高单片机的检测精度。

 

所述D/A转换器采用型号为AD7524或DAC0808或DAC0832或DAC1408A8Q的8位D/A转换器，也可采用型号为AD9146、DAC0800、AD5433、AD5405等的D/A转换器。

本发明提供的智能电网控制器的工作方法，包括如下步骤： 

A、在中央控制单元中存储有一条作为基线的反时限过流保护曲线，该基线对应的时间整定系数为Tp₀； 

B、选择与电流传感器所在的被测线路对应的时间整定系数为Tp₁；

C、所述中央控制单元控制一程控放大器的放大倍数为Tp₀ /Tp₁，该程控放大器将所述电流传感器输出的电流信号放大Tp₀ /Tp₁倍后送入所述中央控制单元的A/D端，中央控制单元根据所述程控放大器输出的电流放大信号的大小在所述基线上查得相应的保护动作时限T₀；然后计算得实际的保护动作时限T₁= （Tp₁ /Tp₀）T₀； 

D、所述中央控制单元根据所述实际的保护动作时限T1，通过与中央控制单元相连的驱动电路执行保护动作，以切断所述电流传感器所在的被测线路。

 

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）见本发明的图1，用MBLAB软件仿真，整个反时限过流保护曲线的曲线族中的每条曲线都可以沿纵向轴上下移动并可以重合至一起，即曲线的任意一点，其电流的比值不变，对应不同的曲线，时间（即保护动作时限）发生了变化，根据这个特性，该曲线族可以通过沿纵向轴上下平移重合成一条特定的曲线，即基线（可选择Tp=5的做基线），这就是信号归一概念。具体实施时，将基线（时间值）离散存储于ROM中，利用单片机（MCU）、D/A转换器和第一至第三运放构成一个可以用二进制量化的程控放大器，以根据电流传感器测得的电流信号大小平移相应的曲线至基线，单片机对ROM中的基线表格查找，最后根据程控放大器的控制量（即放大倍数）得出实际的反时限过流保护曲线，从而快速得出实际的保护动作时限。因此，本发明的智能电网控制器具有结构简单、成本低廉且适于迅速获取保护动作时限的特点，进而实现了自动、迅速、有选择性的将故障线路从电力系统中切除、保证其他无故障部分正常运行的目的。

（2）本发明的程控放大电路与常规程控放大器相比，电路相对简单。本发明的程控放大电路采用了“并串行”结构，大大提高了转换速度。同时采用了两级保护，使得程控放大器与单片机、A/D转换器能够并行工作，当单片机的A/D模块进行一个采样时，程控放大器已经在进行下一个采样点的放大。因此，整个系统并不因为增加了一个程控放大器而降低速度。

（3）本发明的绝对值电路即全被整流电路，若用普通的二极管作检波电路时，由于手二极管的正向压降、非线性伏安特性和温度特性的影响，误差将很大，不利于本电路的应用；本发明把二极管接在运算放大器的反馈回路中，利用运算放大器的优异性能，就能得到理想的二极管检波特性，图3的电路可以确保输入在毫伏级的小信号作用下能够达到设计要求。图3的电路是用来将双极性的输入信号Vout变成单极性的输出信号AIN1，该信号送入单片机的A/D单元，输出信号AIN1正比于输入信号Vout的幅度，而与输入信号Vout的极性无关，即输入信号Vout的极性改变时，输出信号AIN1的极性不变。该电路由半波整流电路和加法电路构成，其中运放A5构成半波整流电路，运放A4构成反相加法器。运放A6构成二级放大电路，当Vout为正半周波时（Vout>0），半波整流电路A5输出为0，因此加法器A4的输出为AIN1=R7/R2Vout，当Vout为负半周波时（Vout<0）, A5输出为-（R4/R1）Vout,此时第四运放A4的输出为AIN1=(R7/R2-R4*R7/R3*R2)Vout，选R1=R2=R4=R7=2R3,则得到：

当Vout为正半周波时 AIN1= Vout；

当Vout为负半周波时 AIN1= -Vout；

即实现了全被整流，输入范围为0-5V。

（4）本发明利用上述的程控放大原理，以实现信号归一的构思，本智能电网控制器的实质是通过单片机控制模拟输入信号保持在恒定的值，单片机输出相应的8位阶码，即放大倍数，决定基线平移的矢量，这样只要把基线做成表格并离散化存于ROM中，放大倍数决定基线平移的矢量大小，大大的减少了单片机的运算量和储存空间，极大的降低了成本。

 

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为实施例中的常规的反时限过流保护曲线；

图2为实施例中的智能电网控制器的电路原理图；

图3为实施例中的绝对值电路（也即全波整流电路）的电路原理图；

图4为实施例中的中央控制单元的电路原理图；

图5为型号为AD7524的D/A转换器的内部原理图；

图6、图7、图8和图9为其他实施方式中的绝对值电路的电路原理图。

具体实施方式

（实施例1）

见图1，本实施例的智能电网控制器包括：程控放大器、与该程控放大器的电流检测输入端相连的电流传感器、与该程控放大器的控制输入端相连的用于控制该程控放大器的放大倍数的中央控制单元；该程控放大器的电流放大信号输出端与该中央控制单元的电流放大信号检测输入端相连。

所述中央控制单元中存储有一条作为基线的反时限过流保护曲线，该基线对应的时间整定系数为Tp₀；选择的与所述电流传感器所在的被测线路对应的时间整定系数为Tp₁。

所述中央控制单元控制所述程控放大器的放大倍数为Tp₀ /Tp₁的值，然后根据所述程控放大器输出的电流放大信号的大小在所述基线上查得相应的保护动作时限T₀；然后计算得实际的保护动作时限T₁=（Tp₁ /Tp₀）T₀；最后，所述中央控制单元根据所述实际的保护动作时限T₁，通过与中央控制单元相连的驱动电路执行保护动作，以切断所述电流传感器所在的被测线路。

所述中央控制单元连接有用于设置所述Tp₁的接口电路，计算机或控制面板经该接口电路所述Tp₁。该接口电路为RS-232或USB接口电路。

所述中央控制单元包括用于按时间值离散存储所述基线的ROM。

所述程控放大器包括：由与所述电流传感器相连的第一运放A1构成的跟随器、与该跟随器的信号输出端相连的D/A转换器、与该D/A转换器的信号输出端相连的由第二运放A2构成的除法器、与该除法器的信号输出端相连的反相放大器、以及与该反相放大器的信号输出端相连的绝对值电路；所述中央控制单元包括单片机，所述绝对值电路的信号输出端与该单片机的A/D端相连；该单片机的数据输出端与所述D/A转换器的控制输入端相连。

见图3，所述绝对值电路包括：一端与所述第二运放A2的输出端相连的第一、第二电阻R1、R2，第一电阻R1的另一端与第四、第五电阻R4、R5的一端以及第五运放A5的反相输入端相连，第五运放A5的同相输入端串接第十一电阻R11后接地；第二电阻R2的另一端与第三、第七电阻R3、R7的一端以及第四运放A4的反相输入端相连，第四运放A4的同相输入端串接第六电阻R6后接地；第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的另一端和第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阳极和所述第五运放A5的输出端相连，第二二极管D2的阴极与所述第五电阻R5的另一端相连；所述第七电阻R7的另一端与所述第四运放A4的输出端和第八电阻R8的一端相连，第八电阻R8的另一端与第六运放A6的同相输入端相连，第六运放A6的反相输入端串接第九电阻R9后接地；第六运放A6的反相输入端和输出端之间设有第十电阻R10；所述第四运放A4、第六运放A6的输出端AIN1、AIN2为所述绝对值电路的信号输出端。在第四运放A4的输出端AIN1输出的信号较强时，单片机根据第四运放A4的输出端AIN1输出的信号得出所述电流放大信号；在第四运放A4的输出端AIN1输出的信号较弱时，第六运放A6对所述输出端AIN1输出的信号作了进一步的放大，单片机根据第六运放A6的输出端AIN2输出的信号得出所述电流放大信号，以提高单片机的检测精度。

在其他实施方式中，所述绝对值电路可采用如图6-9中的电路实现。

所述D/A转换器采用型号为AD7524。

在一个带有程控放大器的数据采集系统中，若A/D的转换位数为N，程控放大器放大倍数K的范围为K0<K1<K2<K3……<Kn，其中Kn为程控放大器的最大增益，则这个带程控放大器的数据采集系统的分辨率为：

1/(Ki(2^N-1))。

通常K=2，则此时的测量范围DR可以由下式计算：

                     DR=20LG2^L+N=6.02(L+N)db

式中的L为程控放大器的等效位数（级数）。如果取L=8,N=16,则可得到测量范围为DR=6.02×（8+16）=144 dB，这相当于24位A/D的量化效果。

采用程控放大器，能保证进入单片机中的A/D器件的模拟信号幅度几乎总是处于半量程与满量程之间，因而量化的信噪比将近似保持一致。

如图5，AD7524是一个电流输出型8位D/A转换器，它内部具有已调整好的R-2R型网络。电流传感器的输入信号Ui（频率为50Hz的正弦交流信号），经过第一运放A1构成的跟随器，进入Vref作为D/A转换器的模拟信号输入端；AD7524内部包含一个R-2R的精密电阻网络，以及8通道的电流开关（S-1…S-8），A3与AD7524形成一个除法电路，设A3为理想的运算放大器，那么A3的输入点5与地同电位，即A3的输入点5为虚地，AD7524内部包含的R-2R的精密电阻网络，由8通道的电流开关（S-1…S-8）控制，由于A3的输入电流极其微小，所以可以或略为零，所以对于8位的D/A其除法输出电压 V=-VREF*(Rfb/Ri)，其中Rfb=10K。

Ri=10K(2⁷D7+2⁶D6+…+2D1+D0)为R-2R的AD7524内部包含的R-2R的精密电阻网络的等效电阻，8通道的电流开关（S-1…S-8）控制，通过AD7524的4-11以二进制的形式输入，故其放大倍数为： KV=-D/256，式中：D=2⁷D7+2⁶D6+…+2D1+D0 ,(0<D<256)；反相放大电路的放大倍数为：K=-304/14，整个程控放大器电路推导出如下关系式：

           Uout=Uin*KV*K= Uin* D/256*304/14，

      式中：D=2⁷D7+2⁶D6+…+2D1+D0 ，(0<D<256) ；D1…D7为AD7524的数据输入端，由整个产品的单片机（MCU）控制。

图4中的U1为单片机，U3为ROM，选用的型号是27C256，其容量为256K 位。基线离散化以后储存于U3中，单片机根据AIN1（单片机2脚）的采样值对U3进行基线曲线查表，得到的值再根据瞬时放大器的放大倍数作基线的矢量平移，这样就反应了电流传感器输入信号Ui（频率为50Hz的正弦交流信号）的实际情况，并进行智能判断，产品使用了该方案后，成本和性能都得到了最大的综合提升。

 

（实施例2）

基于上述实施例1的智能电网控制器的工作方法，包括如下步骤： 

A、在中央控制单元中存储有一条作为基线的反时限过流保护曲线，该基线对应的时间整定系数为Tp₀； 

B、选择与电流传感器所在的被测线路对应的时间整定系数为Tp₁；

C、所述中央控制单元控制一程控放大器的放大倍数为Tp₀ /Tp₁，该程控放大器将所述电流传感器输出的电流信号放大Tp₀ /Tp₁倍后送入所述中央控制单元的A/D端，中央控制单元根据所述程控放大器输出的电流放大信号的大小在所述基线上查得相应的保护动作时限T₀；然后计算得实际的保护动作时限T₁= （Tp₁ /Tp₀）T₀； 

D、中央控制单元根据所述实际的保护动作时限T1，通过与中央控制单元相连的驱动电路执行保护动作，以切断所述电流传感器所在的被测线路。

256阶瞬时程控放大器的工作过程为：信号经第一阶跟随后，依次经除法运算、放大和取绝对值后，然后送给单片机的A/D模块进行12位高速采样，单片机输出所需要的8位阶码，也即对于与程控放大器的放大倍数。具体算法是把基线设为TP=5.0的曲线，则单片机控制AD7524的八位数据设为D=2。若选择TP=0.05的曲线，则TP=0.05的曲线应放大5.0/0.05=100倍，即单片机控制AD7524的八位数据设为D=2*100=200，这样单片机A/D的值就比真实值放大了100倍，与基线设为TP=5.0的曲线完全吻合，根据A/D的值查表可以得到基线上的相应的延时时间，最后缩小100倍，就可以取得相对于TP=0.05的曲线的实际时间。

举例说明：如果电网上实际的电流与最小启动电流比值（i/Ib）为2，则查基线为TP=5.0的曲线的时间（Y值）50秒，除100倍，得到0.5秒，与 TP=0.05的曲线一致。依次类推TP=0.1时D=50；TP=0.2时D=25；TP=0.4时D=25；TP=0.5时D=20；TP=0.625时D=16；TP=1.0时D=10；TP=1.25时D=8；TP=2时D=5；TP=2.5时D=4。它直接送给8位D/A转换器AD7524，等AD7524的输出稳定后，在送给单片机A/D进行A/D转换器，其输出幅度将在A/D转换器的半量程与满量程之间。可见，该瞬时程控放大器具有8位阶码，既有256阶，大大提高了其线性度。整个系统相当于24位的A/D，但其相应时间相当快。在此电路中，要求除法器的分母不能为零。故要保证AD7524的输入不能为零。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种智能电网控制器，其特征在于包括：程控放大器、与该程控放大器的电流检测输入端相连的电流传感器、与该程控放大器的控制输入端相连的用于控制该程控放大器的放大倍数的中央控制单元；该程控放大器的电流放大信号输出端与该中央控制单元的电流放大信号检测输入端相连；

所述中央控制单元中存储有一条作为基线的反时限过流保护曲线，该基线对应的时间整定系数为Tp₀；选择的与所述电流传感器所在的被测线路对应的时间整定系数为Tp₁；

所述中央控制单元控制所述程控放大器的放大倍数为Tp₀ /Tp₁的值，然后根据所述程控放大器输出的电流放大信号的大小在所述基线上查得相应的保护动作时限T₀；然后计算得实际的保护动作时限T₁= （Tp₁ /Tp₀）T₀；

最后，所述中央控制单元根据所述实际的保护动作时限T₁，通过与中央控制单元相连的驱动电路执行保护动作，以切断所述电流传感器所在的被测线路。

2.根据权利要求1所述的智能电网控制器，其特征在于：所述中央控制单元连接有用于设置所述Tp₁的接口电路，计算机或控制面板经该接口电路所述Tp₁。

3.根据权利要求1所述的智能电网控制器，其特征在于：所述中央控制单元包括用于按时间值离散存储所述基线的ROM。

4.根据权利要求1所述的智能电网控制器，其特征在于：所述程控放大器包括：由与所述电流传感器相连的第一运放（A1）构成的跟随器、与该跟随器的信号输出端相连的D/A转换器、与该D/A转换器的信号输出端相连的由第二运放（A2）构成的除法器、与该除法器的信号输出端相连的反相放大器、以及与该反相放大器的信号输出端相连的绝对值电路；

所述中央控制单元包括一单片机，所述绝对值电路的信号输出端与该单片机的A/D端相连；该单片机的数据输出端与所述D/A转换器的控制输入端相连。

5.根据权利要求4所述的智能电网控制器，其特征在于：所述绝对值电路包括：一端与所述第二运放（A2）的输出端相连的第一、第二电阻（R1、R2），第一电阻（R1）的另一端与第四、第五电阻（R4、R5）的一端以及第五运放（A5）的反相输入端相连，第五运放（A5）的同相输入端串接第十一电阻（R11）后接地；第二电阻（R2）的另一端与第三、第七电阻（R3、R7）的一端以及第四运放（A4）的反相输入端相连，第四运放（A4）的同相输入端串接第六电阻（R6）后接地；第三电阻（R3）的另一端与第四电阻（R4）的另一端和第一二极管（D1）的阳极相连，第一二极管（D1）的阴极与第二二极管（D2）的阳极和所述第五运放（A5）的输出端相连，第二二极管（D2）的阴极与所述第五电阻（R5）的另一端相连；所述第七电阻（R7）的另一端与所述第四运放（A4）的输出端相连，该第四运放（A4）、的输出端（AIN1）为所述绝对值电路的信号输出端。

6.一种智能电网控制器的工作方法，其特征在于包括如下步骤： 

A、在中央控制单元中存储有一条作为基线的反时限过流保护曲线，该基线对应的时间整定系数为Tp₀； 

B、选择与电流传感器所在的被测线路对应的时间整定系数为Tp₁；

C、所述中央控制单元控制一程控放大器的放大倍数为Tp₀ /Tp₁，该程控放大器将所述电流传感器输出的电流信号放大Tp₀ /Tp₁倍后送入所述中央控制单元的A/D端，中央控制单元根据所述程控放大器输出的电流放大信号的大小在所述基线上查得相应的保护动作时限T₀；然后计算得实际的保护动作时限T₁= （Tp₁ /Tp₀）T₀； 

D、所述中央控制单元根据所述实际的保护动作时限T1，通过与中央控制单元相连的驱动电路执行保护动作，以切断所述电流传感器所在的被测线路。

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