CN102593784B - 一种继电保护装置的分布式供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种继电保护装置的分布式供电系统。所述供电系统中，初级电源模块设计了两路相互隔离的24VDC电压输出，一路输出用于内部供电，一路输出用于外部供电。用于内部供电的一路电压通过电源总线输出到各功能插件(模块)，而后由二级电源转换模块将内部24VDC转换为功能模块所需的电压等级。本发明有效的解决了集中式供电电源存在的一些问题，不仅简化了初级电源模块的设计难度、提高了电源的可靠性和设计复用性，而且节省了继电保护装置的背板资源，缩短了产品的开发周期。

Description

一种继电保护装置的分布式供电系统

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种全新的继电保护装置供电系统，可广泛应用于电力系统的各种继电保护装置，也可拓展为电力系统领域其他设备类型的供电方案。

背景技术

在电力系统继电保护装置中，目前均采用集中供电的方式；即采用一个独立的电源插件(或模块)，将外部48VDC、110VDC、220VDC甚至交流电等转换为装置内部使用的5V、±12(15)V和24V，再通过背板总线或电源线将这些输出电源引致各个功能插件(模块)上使用。在各个功能插件上，只有使用上述几个电压等级之外的电源时，比如3.3V，才采用DC/DC模块转换的模式。

现行的集中供电方式，存在以下技术问题：

1.电源的输出路数和电压等级多，各路输出电压之间需要隔离，设计实现复杂，电源的总体可靠性下降。

2.电源的输出路数多，内部的固有功率损耗居高不下，电源插件部位热量集中，工作温升高。

3.电源的输出电压路数多、电压等级多、设计复用性差、定制开发频率高，产品的开发周期长。

4.电源的各输出电压之间需要有时序配合，否则在电源上下电和外部故障时容易造成保护装置误出口。

5.各功能插件之间电源部分直接相连，当某个电源发生故障时，有可能导致所有插件工作异常，严重时可能导致装置工作异常，甚至误动作。比如双CPU插件时，模拟回路的供电系统发生问题，则双插件的采样部分都会受到影响，采样异常。

6.随着装置功能的增多，特别是智能站中要求的光纤通信接口数量非常大，对装置5V数字部分电源功率的要求越来越高，峰值功率有的已经超过50W。这样超过10A的电流要在背板电源总线上进行传输，电源总线上的电压降和接触电阻影响不得不考虑，整个系统的设计效率低下；

7.由于电源输出路数较多，部分回路的电源功率较大，电源部分所占背板总线针数较多，影响装置整体设计，同时易受干扰。

发明内容

为了解决集中式供电方式存在的问题，本发明提供了一种继电保护装置分布式供电系统，本发明具体采用以下技术方案：

一种继电保护装置分布式供电系统；其特征在于：

所述分布式供电系统安装在继电保护装置内部，该分布式供电系统包括初级电源模块、电源总线，继电保护装置内部各个功能插件中的电源转换模块；

所述初级电源模块输入端外接外部电源，其内部设计了两路相互隔离的电源输出，所述两路相互隔离的电源输出均为24VDC；其中，第一路输出引入到电源总线，用于继电保护装置内部各功能插件的供电；第二路输出引入到继电保护装置外部接口连接器，通过连接外部接口连接器将第二路输出用于继电保护装置外部低压开入回路的供电；

继电保护装置内部各个功能插件中的电源转换模块的输入端连接至所述电源总线，所述电源转换模块采用隔离型或非隔离型的电源芯片，将24VDC电源转换为相应功能插件所需的电压等级，包括5V、±12V、3.3V、2.5V、1.8V等。

本发明将输出电压减少为2路24VDC，取消了原来的5V和±12V；相比原来的集中式供电方式，具有以下技术优势：

1.内部功能插件统一使用24V供电，解决了原5V、24V间的时序配合问题；

2.各功能插件均由独立的电源芯片供电，可有效避免某一插件的异常故障扩大到其他功能插件。

3.在输出相同功率的情况下，24VDC输出的电流只有原5V输出时供电电流的1/5左右，不仅降低了电源插件的固有功耗、提高了初级电源的效率、降低初级电源模块的设计温升，而且有效的解决了背部总线压降、接触电阻等问题，还为系统设计节省了连接器资源。

所述初级电源模块的输入可以是直流电压，如DC220V、DC110V或DC48V等，也可以是交流输入。设计时，两路电源输出可以共用1套开关变换和电压输出回路；也可由2套完全独立的回路分别实现。在开关电源模块内部，输入电压经过EMI滤波、整流、开关变换、变压器隔离降压、整流滤波等环节，借助控制回路的反馈控制而得到所需要输出电压。

所述初级电源模块的第一路输出(24VDC)用作保护装置内部的供电电源，通过电源总线、板间桥接或电源线等方式输送到各功能插件(模块)单元。

所述电源总线用于将初级电源模块输出的内部24VDC引入到各个功能插件(模块)，电源总线可以是背板电源总线、插件(模块)板间桥接、电源线等连接器方式中的一种或多种，继电保护装置中使用最多的是背板电源总线的方式。继电保护装置中，初级电源模块通过接口连接器将内部使用的1路24VDC电源输送到装置的背板电源总线，各功能插件(模块)从电源总线上获取24VDC，并将该电压引入到功能插件(模块)内部。

所述电源转换模块，可以是隔离型的DC/DC，也可以是非隔离型的电源器件，这类电压模块均已很成熟，具有通行性好、电源转换效率高、模块小型化、采购周期短等优势，借助合适的模块，可以分别在各功能插件(模块)内部灵活的将24VDC转换为所需电压等级，如5V、±12V、3.3V、2.5V、1.8V等。由于电源转换是在各功能插件上分别实现，可以实现功耗的均衡分布，合理的解决了集中式供电中热量集中的缺陷。

采用这种分布式供电系统，可以有效解决集中式供电存在的问题，降低了电源的设计难度、缩短了产品的开发周期，提高了电源产品的可靠性和设计复用性。

附图说明

图1为本发明用于继电保护装置的分布式供电系统的结构框图；

图2为本发明初级电源模块的原理框图1；

图3为本发明初级电源模块的原理框图2；

图4为本发明各功能模块的供电示意框图。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明公开了一种继电保护装置分布式供电系统，该供电系统包括初级电源模块、电源总线、电源转换模块，系统构成如图1所示。

所述初级电源模块实现将外部的输入电压转换为装置内部所需的供电电源；为了提高电源转换效率，将初级电源模块设计为开关型，其输入电压可以是DC220V、DC110V、DC48V等直流电压，也可以是交流电压。该模块的输入端外接外部电源，内部设计了两路相互隔离的电源输出，两路电源输出均为24VDC；其中，第一路输出引入到电源总线，通过电源总线输出到各功能插件(模块)，用于继电保护装置内部各功能插件的供电；第二路输出引入到继电保护装置外部接口连接器，通过外部接口连接器将第二路输出用于继电保护装置外部低压开入回路的供电，如压板开入、对时开入等。

所述电源总线用于将初级电源模块提供的第一路24VDC电源输出到各个功能插件(模块)，可以采用背板电源总线、插件(模件)板间桥接、电源连接器导线等多种实现方式，本发明以继电保护装置中最常用的背板电源总线方式进行叙述，其他连接方式与此方式原理相同，仅实现方式有所区别。继电保护装置中，初级电源模块、各功能插件均通过接口连接器安装到装置背板，接口连接器可以是欧式连接器、高速连接器或者其他类型的连接器。所述电源总线将包括初级电源模块在内的各插件相互连接，初级电源模块将内部使用的1路24VDC电源输送到装置的背板电源总线后，各功能插件(模块)从电源总线上获取24VDC，并将该电压引入到功能插件(模块)内部。

继电保护装置内部的各个功能插件通过各自接口连接器从电源总线获取24VDC电源后，在插件内部通过电源转换模块将24VDC电源转换为所需的电压等级，如5V、±12V、3.3V、2.5V、1.8V等；根据设计需求的不同，所用电源转换模块可以是隔离型的DC/DC，也可以是非隔离型的电源器件，如LDO等；上述这些电源转换模块均有十分成熟的产品选用。

初级电源模块是分布式供电系统的核心，装置所需的各级电源均由其直接或间接提供。设计时可以采用两种不同的电源结构：两路电源输出共用1套开关变换和电压输出回路，如图2；由2套完全独立的回路分别实现，如图3。图3所述的电源结构，其电源特性更好，但设计成本也更高，设计时，可根据不同的设计需求、成本因素确定采取哪种方案。以下仅对图3的电源结构进行描述。

图3所述的该电源结构中，2路24V分别由独立的开关变换、电压输出回路各自输出，由于输出回路独立，两路24V之间会具备良好的隔离特性，相互之间不会受到负载变化的影响，输出电压的稳定度会很好。

初级电源模块主要由输入电路、开关变换电路、控制电路、输出电路、保护回路等构成。

输入电路可分为EMI滤波回路、整流回路，主要由滤波电感、抑制电容、保护器件、整流器件等组成，用于实现电源的EMI滤波、电压整流等功能。输入回路对输入的直流或交流电压进行滤波、整流处理，使其成为比较干净、理想的直流电压，抑制由外部引入的各类电压扰动，保护后级的回路器件不受损伤。

变换电路包括开关回路、隔离变压回路，由开关功率管、储能电感、隔离变压器等器件组成，实现开关斩波、隔离变压、电源储能等功能；在控制回路的反馈控制下，开关功率管将直流电压斩波成方波脉冲后，方波电压通过储能电感、隔离变压器传递到输出回路。

控制回路主要由脉冲调制器、采样器、比较器、基准电压源等构成，是开关电源的核心控制部分，实现方波电压的脉宽调制、输出电压的输出控制等功能；采样器对输出电压进行采样监视并将该采样信号反馈给比较器，比较器将获得的采样信号与提供精确基准电压的基准电压源进行比较后产生误差信号，脉冲调制器根据该误差信号对变换回路产生的方波脉冲进行调制，并实现对输出电压的控制。

输出电路分为整流回路、滤波回路，主要由整流二极管、滤波电容等器件组成，实现电源的整流、滤波等功能；整流二极管把输出电压整流成方波脉冲后，滤波电容将该方波电压平滑成低纹波直流电压。

所述电源转换模块的工作原理图在图4中进行了描述。根据设计需要，可以选用隔离型的DC/DC电源模块或其他非隔离型的电源器件。在各个功能插件单元内部，根据所需的工作电压要求，分别通过DC24V转±12V(15V)、DC24V转5V两种电压隔离型DC/DC模块，将24VDC转换为±12V(15V)和5VDC；±12V(15V)用作模拟电源使用，5V用作5V器件的工作电源。同时，通过LDO芯片，还可以将5V转换为所需的3.3V、2.5V、1.8V或其他电压等级。由于各功能插件分别由不同的电源转换模块供电，相互间的供电系统是相对独立的，当某个插件工作异常时，不会影响其他插件的正常工作。

Claims (5)

1.一种继电保护装置分布式供电系统；其特征在于：

所述分布式供电系统安装在继电保护装置内部，该分布式供电系统包括初级电源模块、电源总线，以及继电保护装置内部各个功能插件中的电源转换模块；

所述初级电源模块输入端外接外部电源，其内部设计了两路相互隔离的电源输出，所述两路相互隔离的电源输出均为24VDC；其中，第一路输出引入到电源总线，用于继电保护装置内部各功能插件的供电；第二路输出引入到继电保护装置外部接口连接器，通过连接外部接口连接器将第二路输出用于继电保护装置外部低压开入回路的供电；

继电保护装置内部各个功能插件中的电源转换模块的输入端连接至所述电源总线，所述电源转换模块采用隔离型或非隔离型的电源芯片，将24VDC电源转换为相应功能插件所需的电压等级，所述电压等级包括5V、±12V、3.3V、2.5V、1.8V，各功能插件分别由不同的电源转换模块供电，相互间的供电系统是相对独立的，当某个插件工作异常时，不影响其他插件的正常工作。

2.根据权利要求1所述的继电保护装置分布式供电系统，其特征在于：所述电源总线采用背板电源总线、插件板间桥接或电源连接器导线的方式。

3.根据权利要求1所述的继电保护装置分布式供电系统，其特征在于：所述初级电源模块设计为开关型电源，其输入端外接的外部电源可以是直流电压，也可以是交流电压。

4.根据权利要求3所述的继电保护装置分布式供电系统，其特征在于：所述两路相互隔离的电源输出共用1套开关变换和电压输出回路，或者所述两路相互隔离的电源输出通过2套完全独立的回路分别实现。

5.根据权利要求4所述的继电保护装置分布式供电系统，其特征在于：初级电源模块的主体包括顺次连接的输入电路、变换电路、输出电路和控制回路；

其中所述输入电路包括顺次连接的滤波回路和整流回路，实现电源的EMI滤波、整流；

变换电路包括顺次连接的开关回路、隔离变压回路，实现直流电源的开关斩波、隔离变压；

输出电路包括顺次连接的整流回路、滤波回路，实现电源输出的整流、滤波功能，把输出电压整流、滤波成低纹波直流电压；

控制电路主要由脉冲调制器、采样器、比较器、基准电压源构成，实现电压的脉宽调制、输出控制功能。