CN103915890A - 直流电源快速切换装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种直流电源快速切换装置和方法，涉及直流电源的快速切换系统及方法。直流电源快速切换装置，包括同步采集单元（1）、逻辑控制单元（2）、数据管理单元（3）、直流开关（4）；同步采集单元（1），对直流电源的电压、电流进行信号转换，并对信号进行同步采集，将采集的数据汇总后放在数据总线上，供逻辑控制单元（2）读取；逻辑控制单元（2），接收同步采集单元汇总的数据，进行运算，控制直流开关（4）的动作；数据管理单元（3），通过网口与逻辑控制单元（2）通信，对两条直流馈线电压信号和开入信号的实时监测；直流开关（4），执行逻辑控制单元（2）发出的跳闸和合闸命令，对工作电源和备用电源的切换。本发明具备切换速度快，可靠性高的特点。

Description

直流电源快速切换装置和方法

技术领域

本发明涉及电力系统监控切换设备及方法，特别涉及直流电源的快速切换系统及方法。

背景技术

目前国家电网220KV以上电压等级保护小室中，每套保护有两路直流供电电源，但是这两路直流电源的切换采用手动串联切换方式，切换完成后利用机械连锁闭锁非供电回路，这样在进行两路直流切换过程中，该小室的保护、测控装置必须停电，等切换过程完成后才能上电，这样就会造成保护、测控设备的短时停电，而且加大了工作强度和误操作机会，降低了二次设备供电可靠性。另外，电源切换屏还存在直流切换开关只能手动就地操作，不能远方操作，直流母线和直流电源的电压、电流、工作位置不能上传等诸多问题未得到解决。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种可进行自由组态的直流电源快速切换装置。

本发明的目的之二在于提供一种可进行自由组态的直流电源快速切换方法。

本发明的目的之一可以这样实现，设计一种直流电源快速切换装置，包括同步采集单元、逻辑控制单元、数据管理单元、直流开关，

同步采集单元，对直流电源的电压、电流进行信号转换，并在电气上和输入模拟信号隔离，然后对模拟信号进行同步采集，将采集的数据汇总后放在数据总线上，供逻辑控制单元读取；

逻辑控制单元，通过数据总线访问同步采集单元，接收同步采集单元汇总的数据，进行逻辑运算，如果满足切换条件就发出控制命令，控制直流开关的动作；

数据管理单元，通过网口与逻辑控制单元通信，完成对两条直流馈线电压信号和开入信号的实时监测，以及装置运行过程中的事件记录、自检、参数配置和对外通信；

直流开关，执行逻辑控制单元发出的跳闸和合闸命令，实现工作电源和备用电源的切换。

进一步地，同步采集单元包括传感器输入模块、差分输入信号处理模块，

传感器输入模块对电气量进行信号转换，并在电气上和输入模拟信号信号隔离，传感器输入模块包括隔离放大器、精密分流器，对直流电压、电流信号进行隔离转换和滤波处理；

差分输入信号处理模块接收模拟输入信号后，由逻辑控制单元的DSP控制每个通道的模拟/数字采样模块进行同步采样，将每一路模拟信号转换为数字信号，并将采集数据汇总后放在数据总线上，供逻辑控制单元读取采样数据。

进一步地，所述逻辑控制单元包括数字信号处理器、SRAM、EEPROM、网口，数字信号处理器控制模拟数据采集并计算采集到的直流电压、电流信号，结合开入信号进行逻辑判断，控制直流开关完成直流电源的快速切换，负责切换过程的数据记录以及与数据管理单元的通信。

进一步地，所述数据管理单元包括微处理器、芯片组、LVDS接口、CF卡接口、USB接口、DDR内存、GPIO接口，数据管理单元通过网口访问逻辑控制单元，接收逻辑控制单元传来的数据放入数据缓冲区，完成录波数据保存、分析及导出，输入信号量实时监测，并通过LVDS接口实现人机界面交互。

进一步地，逻辑控制单元设置三种切换模式，自动切换、半自动切换和手动切换。

进一步地，数据管理单元内设置对外通信模块，对外通信模块通过网口进行远方通信，实现远方对直流馈线状态监测、开关状态监测，远方手动切换以及下发配置参数。

本发明的目的之二可以这样实现，一种直流电源快速切换的方法，包括下述步骤：

A、设置同步采集单元、逻辑控制单元、数据管理单元、直流开关，直流开关安装在直流电源线上，同步采集单元采集直流电源的电压、电流数据；

B、逻辑控制单元根据采集数据计算各通道的有效值并做出判断，预设定值选择切换模式，发出控制命令；并将所有数据传送至数据管理单元保存；

C、直流开关依据控制命令进行相应的动作。

本发明实现了两路直流电源的快速自动切换，可保证切换过程中保护及测控设备不误动、不停电运行，并可远方监测直流供电系统的状态和远方控制，提高了二次设备直流供电可靠性。本发明具备切换速度快，可靠性高的特点，适用于变电站、发电厂、以及对供电可靠性的要求高的工业企业。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的框架结构示意图；

图2是本发明较佳实施例和直流供电系统的电气接线图；

图3是本发明较佳实施例同步采集单元的组成方框图；

图4是本发明较佳实施例逻辑控制单元的组成方框图；

图5是本发明较佳实施例数据管理单元的组成方框图；

图6是本发明较佳实施例逻辑控制单元的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的描述。

如图1、图2所示，一种直流电源快速切换装置，包括同步采集单元1、逻辑控制单元2、数据管理单元3、直流开关4；其中

如图3所示，同步采集单元1，对直流电源的电压、电流进行信号转换，并在电气上和输入模拟信号隔离，然后对模拟信号进行同步采集，将采集的数据汇总后放在XINTF数据总线上，供逻辑控制单元2读取；同步采集单元1包括传感器输入模块101、差分输入信号处理模块102、模拟/数字采样模块103以及电源模块104，传感器输入模块101对电气量进行信号转换，并在电气上和输入模拟信号信号隔离，传感器输入模块101包括隔离放大器、精密分流器，对直流电压、电流信号进行隔离转换和滤波处理；差分输入信号处理模块102接收模拟输入信号后，由逻辑控制单元的DSP控制每个通道的模拟/数字采样模块进行同步采样，将每一路模拟信号转换为数字信号，并将采集数据汇总后放在XINTF数据总线上，供逻辑控制单元读取采样数据。

如图4所示，逻辑控制单元2，通过XINTF数据总线访问同步采集单元1，接收同步采集单元汇总的数据，进行逻辑运算，如果满足切换条件就发出控制命令，控制直流开关4的动作；所述逻辑控制单元2包括数字信号处理器201、SRAM202、EEPROM203、网口204，数字信号处理器201控制模拟数据采集并计算采集到的直流电压、电流信号，结合开入信号进行逻辑判断，控制直流开关完成直流电源的快速切换，负责切换过程的数据记录以及与数据管理单元的通信。逻辑控制单元2设置三种切换模式，自动切换、半自动切换和手动切换。

如图5所示，数据管理单元3，通过网口与逻辑控制单元2通信，完成对两条直流馈线电压信号和开入信号的实时监测，以及装置运行过程中的事件记录、自检、参数配置和对外通信；所述数据管理单元3包括微处理器301、芯片组302、LVDS接口303、CF卡接口304、USB接口305、DDR内存307、GPIO接口306，数据管理单元3通过网口访问逻辑控制单元2，接收逻辑控制单元2传来的数据放入数据缓冲区，完成录波数据保存、分析及导出，输入信号量实时监测，并通过LVDS接口实现人机界面交互。数据管理单元3内设置对外通信模块，对外通信模块通过网口进行远方通信，实现远方对直流馈线状态监测、开关状态监测，远方手动切换以及下发配置参数。

直流开关4，执行逻辑控制单元2发出的跳闸和合闸命令，实现工作电源和备用电源的切换。

本发明还设置了触摸显示屏5。本实施例中，触摸显示屏5采用彩色触摸屏，可实现人机交互，界面丰富，使用方便。

本实施例中，数据总线为XINTF数据总线。

本实施例中，当直流电源Ⅰ正常，直流电源Ⅱ异常时，由直流电源Ⅰ给母线供电，直流开关4中QF1闭合、QF2断开；当直流电源Ⅱ正常，直流电源Ⅰ异常时，由直流电源Ⅱ给母线供电，直流开关4中QF1断开、QF2闭合；当直流电源Ⅰ和直流电源Ⅱ都正常时，由于两个直流电源不能并列运行，默认由直流电源Ⅰ给母线供电，直流开关4中QF1闭合、QF2断开。

在直流电源Ⅰ给母线供电时，若出现失电、欠压或过压时，则检查直流电源Ⅱ是否在正常范围，如果直流电源Ⅱ正常，自动跳开直流开关4中QF1，QF1完全断开后，闭合直流开关4中QF2，由直流电源Ⅱ供电；在直流电源Ⅱ给母线供电时，若出现失电、欠压或过压时，则检查直流电源Ⅰ是否在正常范围，如果直流电源Ⅰ正常，自动跳开直流开关4中QF2，QF2完全断开后，闭合直流开关4中QF1，由直流电源Ⅰ供电。也可手动控制直流开关4中QF1（或QF2）的分合，进行供电电源支路的切换。

本实施例中，传感器输入单元的直流电压回路采用AD公司的隔离放大器AD210实现线性隔离，它不仅体积小（1.00"×2.10"×0.350"），重量轻，而且具备较高的精度（±0.012%）。精密分流器采用FlukeA40B，测量电流范围从0.1mA至50A，电压输出标称值为0.8V，它的频率响应非常平坦，电阻值非常稳定、准确，而且信噪比高。

同步采集单元1的差分输入信号处理模块包括差分输入信号处理、16路模拟量10KHz/每通道的采样、采样信号的保持、采样信号通道切换、模拟信号的AD转换以及电源模块等；所述差分输入信号处理模块接收模拟输入信号后，由CPLD控制采样保持电路，AD进行同步采样，将每一路模拟信号转换为数字信号，并将采集数据汇总后放在XINTF数据总线上，供逻辑控制单元读取采样数据。

逻辑控制单元2，包括DSP（数字信号处理器）、片外SRAM、EEPROM、XINTF数据总线和一个50Mbps以太网口。DSP选用TI公司的产品TMS320F28335，它具有150MHz的工作频率，其片内集成浮点运算器、6路直接存储器存取（DMA）模块、88个通用I／O口（GPIO）等丰富的资源。DSP通过XINTF数据总线读取同步采集单元汇总的数据，每5毫秒计算一次每个通道的有效值，将计算结果保存在预定义结构中。DSP根据计算结果进行逻辑判断，如需要进行开关切换，则根据预设定值选择切换模式，发控制命令。逻辑控制单元还负责生成切换录波数据，与数据管理单元通信，以及面板灯信号的控制。逻辑控制单元2，具备自动切换、半自动切换和手动切换三种切换模式，自动切换模式下装置实时检测两路供电电源的状态，如果符合自动切换条件，则马上启动自动切换；半自动切换是由操作员手动操作，选择切换方向（Ⅰ母→Ⅱ母或Ⅱ母→Ⅰ母）后，自动进行串联切换，在检测到远方切换命令时，也采用半自动切换方式；手动切换就是由操作员就地对接触器手动合操作及分操作，这种切换模式不经过装置软件判断，由单独的电气回路执行。在自动切换模式下工作电源出现问题时，可以快速切换到备用直流电源供电，切换速度在50毫秒以下，可保证切换过程中保护及测控设备不停电运行，提高二次设备直流供电可靠性。

数据管理单元3包括微处理器301、芯片组302、LVDS接口（Low-VoltageDifferential Signaling）303、CF卡接口（Compact Flash）304、USB接口（UniversalSerial BUS）305、GPIO接口（General Purpose Input Output）306、DDR内存307、IDE接口308和两个50Mbps以太网口309。数据管理单元3通过网口309访问逻辑控制单元2，接收逻辑控制单元2传来的数据放入数据缓冲区，完成录波数据保存、分析及导出，直流电压、电流信号实时监测，切换模式选择及参数配置，事件记录，并具有远方通信功能，可以远方实现对直流馈线状态监测、开关状态监测，远方手动切换以及下发配置参数等功能。本单元还具备触摸屏5，通过LVDS接口303实现人机界面交互。数据管理单元3内设置实时监测模块、事件记录模块、自检模块、参数配置和对外通信模块。还设置电子盘6，存储数据。

录波模块读取逻辑控制单元发送的采样数据，读到数据缓冲区，然后对每周波数据进行数学运算，计算出有效值，比较是否满足事先设定的计算量（定值），则发出跳闸或分闸命令，同时开始录波，录波时间范围为500ms-5000ms，录波时间由故障前和故障后两部分组成，可分别设置时间长度，录波结束后自动生成故障报告，同时将录波数据转换成标准COMTRADE格式，保存在电子盘中。

事件记录模块对各种事件，包括：遥信事件、遥控事件、自检事件、操作事件、保护事件、录波事件，记录事件发生时间、事件内容、事件类别；用户可通过设置事件的动作时间、事件名称来查询记录信息。

自检模块对装置硬件和软件进行动态监控，如果异常通过告警继电器输出报警，同时面板告警灯亮。自检模块对软件配置参数、主要元器件、电气回路进行自检，比如采集回路、主板、存储介质等。告警信号分为面板灯告警信号和输出告警节点信号，对外输出采用硬接点方式，输出告警信号包括：装置失电、装置异常、切换动作、直流异常、开关拒动。

对外通信模块实现装置通过网口进行远方通信，可以远方实现对直流馈线状态监测、开关状态监测，远方手动切换以及下发配置参数等功能。通信协议支持新一代变电站通讯标准IEC61850，通讯协议符合IEC61850-8；同时支持电力行业通讯标准DL/T667-1999（IEC60870-5-103）。

数据分析模块可以分析录波文件，数据分析模块采用跨平台界面设计方法，可运行于Windows或Linux操作系统平台，具有强大的在线帮助系统便于用户操作；具有编辑和漫游功能，提供波形的显示、迭加、组合、比较、剪辑和添加标注等分析工具，可选择性打印和打印预览；具有有效值、功率分析，阻抗图分析，并显示阻抗变化轨迹等功能。

本实施例中，直流开关4为磁保持直流继电器，该继电器由直流脉冲电压驱动，通以反向脉冲电压则转换开关状态，在保持开关状态不变时，靠磁钢磁力，线圈不耗电，因此该产品触点接触压力大，接触电阻小，耐振动耐冲击，动作电压范围宽，灵敏可靠，可长时间大负载工作。该继电器主触点额定电压DC400V，额定负载电流300A，主触点断开和闭合时间均小于20ms。

一种直流电源快速切换的方法，包括下述步骤：

A、设置同步采集单元1、逻辑控制单元2、数据管理单元3、直流开关4，直流开关4安装在直流电源线上，同步采集单元1采集直流电源的电压、电流数据；

B、逻辑控制单元2根据采集数据计算各通道的有效值并做出判断，预设定值选择切换模式，发出控制命令；并将所有数据传送至数据管理单元3保存；

C、直流开关4依据控制命令进行相应的动作。

如图6所示，逻辑控制单元2启动后开机自检，检测各个模块是否正常，将结果形成数据发送到通讯接口；实时分析采集的模拟量和数字量，判断是否输出开关动作命令，将结果和录波所需的数据形成数据包发送到通讯接口。看门狗保证整个程序运行不会出现程序跑飞。数据管理单元3实时监测逻辑控制单元2运行是否正常，出现异常进行响应的异常处理。

本发明采用双CPU架构，工业级嵌入式主板作为数据管理单元，以DSP作为数据同步采集和处理的CPU，二者通过网口通信，共同完成数据采集、切换逻辑处理、切换录波、事件记录、自检、输入信号的实时监测和远方通信。主板除了完成通信和数据分析处理外，还负责人机交互，告警指示，外部按键信号处理，以及USB接口管理等工作。

本发明可用于电网保护小室两路直流供电电源，当其中一路出现失电、欠压或过压时，快速切换到另外一路直流供电，切换速度控制在50毫秒以下，可以实现保护及测控设备不误动、不停电运行，并且采用IEC61850标准进行远方监控，解决了直流电源切换时设备停运和容易误操作的问题，提高了二次设备直流供电可靠性以及智能化水平。本发明可以实现直流电源运行状态的全面监控、数据记录、智能快速切换、远方操作，支持IEC61850，提高了二次设备直流供电可靠性及智能化水平，适应于无人值守、远方监控模式的新一代智能变电站。

Claims (8)

1.一种直流电源快速切换装置，其特征在于：包括同步采集单元（1）、逻辑控制单元（2）、数据管理单元（3）、直流开关（4），

同步采集单元（1），对直流电源的电压、电流进行信号转换，并在电气上和输入模拟信号隔离，然后对模拟信号进行同步采集，将采集的数据汇总后放在数据总线上，供逻辑控制单元（2）读取；

逻辑控制单元（2），通过数据总线访问同步采集单元（1），接收同步采集单元汇总的数据，进行逻辑运算，如果满足切换条件就发出控制命令，控制直流开关（4）的动作；

数据管理单元（3），通过网口与逻辑控制单元（2）通信，完成对两条直流馈线电压信号和开入信号的实时监测，以及装置运行过程中的事件记录、自检、参数配置和对外通信；

直流开关（4），执行逻辑控制单元（2）发出的跳闸和合闸命令，实现工作电源和备用电源的切换。

2.根据权利要求1所述的直流电源快速切换装置，其特征在于：同步采集单元（1）包括传感器输入模块（101）、差分输入信号处理模块（102），

传感器输入模块（101）对电气量进行信号转换，并在电气上和输入模拟信号信号隔离，传感器输入模块（101）包括隔离放大器、精密分流器，对直流电压、电流信号进行隔离转换和滤波处理；

差分输入信号处理模块（102）接收模拟输入信号后，由逻辑控制单元的DSP控制每个通道的模拟/数字采样模块进行同步采样，将每一路模拟信号转换为数字信号，并将采集数据汇总后放在数据总线上，供逻辑控制单元读取采样数据。

3.根据权利要求1所述的直流电源快速切换装置，其特征在于：所述逻辑控制单元（2）包括数字信号处理器（201）、SRAM（202）、EEPROM（203）、网口（204），数字信号处理器（201）控制模拟数据采集并计算采集到的直流电压、电流信号，结合开入信号进行逻辑判断，控制直流开关完成直流电源的快速切换，负责切换过程的数据记录以及与数据管理单元的通信。

4.根据权利要求1所述的直流电源快速切换装置，其特征在于：所述数据管理单元（3）包括微处理器（301）、芯片组（302）、LVDS接口（303）、CF卡接口（304）、USB接口（305）、DDR内存（307）、GPIO接口（306），通过网口访问逻辑控制单元（2），接收逻辑控制单元（2）传来的数据放入数据缓冲区，完成录波数据保存、分析及导出，输入信号量实时监测，并通过LVDS接口实现人机界面交互。

5.根据权利要求1所述的直流电源快速切换装置，其特征在于：逻辑控制单元（2）设置三种切换模式，自动切换、半自动切换和手动切换。

6.根据权利要求1所述的直流电源快速切换装置，其特征在于：数据管理单元（3）内设置对外通信模块，对外通信模块通过网口进行远方通信，实现远方对直流馈线状态监测、开关状态监测，远方手动切换以及下发配置参数。

7.一种直流电源快速切换的方法，其特征在于，包括下述步骤：

A、设置同步采集单元（1）、逻辑控制单元（2）、数据管理单元（3）、直流开关（4），直流开关（4）安装在直流电源线上，同步采集单元（1）采集直流电源的电压、电流数据；

B、逻辑控制单元（2）根据采集数据计算各通道的有效值并做出判断，预设定值选择切换模式，发出控制命令；并将所有数据传送至数据管理单元（3）保存；

C、直流开关（4）依据控制命令进行相应的动作。

8.根据权利要求7所述的直流电源快速切换的方法，其特征在于：切换模式包括自动切换、半自动切换和手动切换三种切换模式；自动切换模式下，实时检测两路供电电源的状态，如果符合自动切换条件，则马上启动自动切换；半自动切换是由操作员手动操作，选择切换方向后或在检测到远方切换命令时，自动进行串联切换；手动切换就是由操作员就地对接触器手动合操作及分操作。