CN104617540B - 适于户外安装使用的小型继电保护装置 - Google Patents

Abstract

一种体积小、IP防护等级高且适于户外安装使用的小型继电保护装置。其包括外形长为24cm－40cm，宽为16cm－24cm，厚为9cm－11cm的机壳，在密闭结构的机壳内设有三块分离设置的电路板，分别为产生控制继电器动作指令的主控板卡、传递各种信号的IO板卡和与外电网相接的交流板卡，其中，交流板卡将外电网的高电压和大电流转换为低压模拟电压信号传至IO板卡；IO板卡将接收到的低压模拟电压信号传至主控制板卡，同时，将控制继电器动作的开关信号传至外设的继电器；主控板卡完成低压模拟电压信号的AD采集、IEC6185通信、光纤通信、开入采集、开出控制以及保护逻辑的运算与执行。其可直接悬挂于户外安装。

Description

适于户外安装使用的小型继电保护装置

技术领域

本发明涉及继电保护领域，特别涉及一种小型化且具有高防护功能的户外继电保护装置。

背景技术

在变电站，现有的继电保护装置是由一台或多台并列设置的立式屏柜构成，每台屏柜的长×宽×高约为226cm×60cm×80cm。所有屏柜安放在保护小室或主控室。保护小室和主控室一般都是钢筋混凝土所建的房子，能够为继电保护装置提供一个良好的运行环境。由于继电保护装置在室内运行，故其IP防护(中文概念：防水防尘，英文全称：IngressProtection)要求不高，通常按IP30标准设计，比户外运行的IP66标准要低。

继电保护装置一般都安装于屏柜上面，故其一般采用4U或者6U的标准机箱。采用背板加板卡的方式，背板安装于机箱上面，板卡插于背板上面，各板卡间通过背板实现信号交互。

现有技术中，安装于室内的继电保护装置存在以下弊端：

1)变电站接线复杂且需要使用大量的连接电缆或光纤用于传输相关信号。通常，室外的交流信号和开入信号(开入通常是指涉及弹簧未储能、压板投入、开关位置、闭锁开入等的各类输入信号，用于保护对当前外部设备运行状况的判断；开出通常是指开出的跳闸、合闸以及信号接点，用于输出至其他相关保护及测控装置)通过总线电缆或者光纤接入室内继电保护装置，该继电保护装置再将其控制信号通过总线电缆或者光纤输出至室外控制相关设备。

2)变电站占地过大、土建复杂、投资成本高。通常，需要在变电站辖区内加盖用于安放几十乃上百台所述屏柜的专用保护室，同时，还需在室内外修建铺设总线电缆和/或光纤的走线沟。

3)给变电站的改造、扩建或升级带来不便。由于数量和体积庞大的几十及至上百面屏柜，给日后变电站的改造、扩建或升级都造成困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、IP防护等级高且适于户外安装运行的小型继电保护装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明的适于户外安装使用的小型继电保护装置，包括铝合金铸造的由底壳和扣置在底壳上的顶盖构成的机壳，该机壳的外形长为24cm－40cm，宽为16cm－24cm，厚为9cm－11cm，在所述底壳的一侧设有若干个接线孔，在密闭结构的机壳内设有三块分离设置的电路板，分别为产生控制继电器动作指令的主控板卡、传递各种信号的IO板卡和与外电网相接的交流板卡，所述主控板卡、IO板卡和交流板卡以上下叠置方式固定在机壳内，所述IO板卡介于主控板卡与交流板卡之间，该IO板卡分别通过第一硬端子与交流板卡相接，通过第二硬端子与主控板卡相接，其中，

交流板卡将外电网的高电压和大电流转换为低压模拟电压信号并通过所述硬端子传至所述IO板卡；

IO板卡将接收到的所述低压模拟电压信号通过第二硬端子传至所述主控板卡，同时，将控制继电器动作的开关信号通过第二硬端子传至外设的继电器；

主控板卡完成所述低压模拟电压信号的AD采集、IEC6185通信、光纤通信、开入采集、开出控制以及保护逻辑的运算与执行。

所述机壳外形的长×宽×厚为26.5cm×18.2cm×9.2cm。

在所述机壳外表面上涂有耐湿热、耐腐蚀的镀镍镀层。

所述低压模拟电压信号为-10V～+10V，所述交流板卡的输入端通过外接的电流互感器和电压互感器与外电网相接。

所述的IO板卡由光耦芯片、开关电路、两个硬端子、电阻电容、TVS和EMC防护器件构成，光耦芯片的输入端与所述主控板卡相接，其输出端与外设的显示指示灯相接；所述开关电路由光耦、继电器、电阻电容组成，该开关电路将220V/110V直流转换为3.3V的控制继电器动作的所述开关信号，继电器的开关控制信号由FPGA或CPU发出。

所述主控板卡包括双核CPU、M3内核的单片机、八通道AD转换芯片、FPGA芯片、PHY芯片和SFP光模块，其中，

所述双核CPU为起运行保护的DSP核和运行管理的ARM核；

所述单片机为闭锁模块；

所述AD转换芯片将采集到的所述的低压模拟电压信号转换为数字信号；

所述FPGA芯片控制AD芯片采集、缓存AD数据、B码校时、秒脉冲发送、PHY芯片收发控制、开入量采集和出口控制；

所述PHY芯片完成光以太网传输网络物理层的协议及信号转换；

所述SFP光模块将光信号进行光/电或电/光转换。

所述的双核CPU采用型号为OMAPL138的工业级芯片；所述单片机采用型号为LPC1752的NXP工业级芯片；所述AD转换芯片采用型号为AD7606的芯片；所述FPGA芯片采用型号为EP3C16F484的芯片；所述PHY芯片采用型号为88E3082的芯片。

所述低压模拟电压信号为12路。

所述的第一硬端子和第二硬端子分别为具有36个端脚和77个端脚的带屏蔽的连接器。

本发明与现有技术相比，在三个方面进行了创新：

1、采用无总线的堆砌式硬件结构，由上、中、下三层板件堆砌而成。现有技术的硬件结构一般基于有总线板设计，板卡采用侧立后插式。

2、采用基于硬线直接连接的精简数据流设计。现有技术的数据流一般基于通信依托于总线板上的通信线实现。

3、单主控板集成保护、闭锁、管理功能，采用双核CPU加单片机的架构，双核CPU实现保护和管理功能，单片机实现闭锁功能。现有技术的保护、闭锁和管理三个功能一般由三块不同的板卡实现。

基于本发明设计的继电保护装置，其体积为18.2cm*26.5cm*9.2cm，其IP防护等级为IP66，可直接于户外采用挂杆、抱杆、贴壁等方式安装。

附图说明

图1是本发明的装置硬件结构和信号流向示意图。

图2是本发明的装置主控板架构示意图。

图3是本发明的IO板卡电路原理图。

图4是本发明的交流板卡电路原理图。

图5是本发明的主控板卡电路原理图之一。

图6是本发明的主控板卡电路原理图之二。

图7是本发明的主控板卡电路原理图之三。

图8是本发明的主控板卡电路原理图之四。

图9是本发明的主控板卡电路原理图之五。

具体实施方式

本发明的适于户外安装使用的小型继电保护装置是由底壳和顶盖构成的机壳及置于机壳内的控制装置构成，底壳和顶盖均由铝合金铸制，机壳的外形长×宽×厚为26.5cm×18.2cm×9.2cm。在所述底壳上设有多个接线孔，所述机壳的表面涂有耐湿热、耐腐蚀的镀镍镀层。

顶盖、设置于接线孔中的导光柱和连接器端子与底壳之间采用高性能、耐老化、耐腐蚀的密封垫进行防水密封；各重载连接器(是指将外部电缆及光纤引入本发明装置内部的连接器)起到密封转接作用。选用IP68高防护型连接器。使整个装置的整体IP防护等级达到IP66。

如图1、2所示，所述控制装置由三块分离设置的电路板构成，分别为主控板卡、IO板卡和交流板卡构成，该三块板采用上下叠置的方式通过螺钉固定在所述底壳上，所述IO板卡悬空置于主控板卡与交流板卡之间。在主控板卡与IO板卡之间设有可将该两块板电连接的硬端子(又称连接器)，同样，在交流板卡与IO板卡之间也设有将该两块板电连接的硬端子。

交流板卡(其电路原理图如图4所示)：

板卡的长宽尺寸为16.2cm×13.9cm。

该板卡的输入端通过高性能的CT(即电流互感器，下称CT)和PT(即电压互感器，下称PT)与外电网连接，CT和PT将外电网的高电压(百伏级)和大电流(安培级)模拟信号均转换为-10V～+10V的模拟电压信号。

该板卡共输出12路-10V～+10V模拟电压信号，该模拟电压信号通过一只具有32个端脚的直插连接器(又称第一硬端子)上传至IO板卡，每两个端脚传递一路该模拟电压信号。

该板卡介于IO板卡与外电网之间，起隔离高电压与大电流的作用，隔离电压为5000V。

所述IO板卡(其电路原理图如图3所示)：

板卡的长宽尺寸为12.8cm×9.4cm。

该板卡将来自于交流板卡输入的12路-10V～+10V的模拟电压信号通过一只具有77个端脚的带屏蔽的连接器(又称第二硬端子)直接上送至主控板卡，该连接器的每一个端脚传输一路该模拟电压信号。主控板对该模拟电压信号进行滤波和模数转换，最终转换为供CPU使用的数字信号。

该板卡利用其上的型号为TOSHIBA的TLP785光耦芯片及附属元件组成的KI电路，将直流220V/110V转换为3.3V的开关信号。之后，将该+3.3V开关信号通过所述的第二硬端子输送至主控板卡。该第二硬端子的一个端脚对应于一路开关信号并送至所述主控板卡的FPGA。

采用松下的DSP2A系列高性能继电器作为控制继电器输出空节点(空节点是指外部输入信号或系统输出信号经不带电的继电器类【接点】的【开、闭】作为状态信号，该接点的两端都不直接接入电源。常见的“空接点”信号有：压力、温度、流体等物理量继电器的输出信号；弱电系统与强电系统的接口用转换继电器的接点)，空节点通流能力为10A，动作时间小于10ms；输出指示灯，指示灯为4只，其中2只红色指示灯，1只黄色指示灯，1只红色指示灯。

该板卡介于交流板卡、市电与主控板卡之间并起隔离220V/110V市电的作用，隔离电压为5000V；

所述主控板卡(其电路原理图如图5－9所示)：

板卡的长宽尺寸为22.9cm×12.9cm。

其上设有采用TI工业级芯片OMAPL138的双核CPU(ARM核+DSP核，DSP核，中文名：数字信号处理器，是一种独特的微处理器，其工作原理是接收模拟信号将其转换为数字信号，英文全称：digital singnal processor，DSP核，运行保护程序；ARM核，中文名：嵌入式微处理器，英文全称Advanced RISC Machines，ARM核运行管理程序)。

其上还运行一个M3内核的采用NXP工业级芯片LPC1752的单片机，作为闭锁模块。

通过ADI的高性能八通道AD转换芯片AD7606完成对由交流板卡经IO板卡上送12路-10V～+10V的模拟电压信号的采集。

为了搭建满足智能变电站要求的光以太网接口，该板卡上的MAC(是指介质访问控制，在以太网传输协议中位于PHY层之上)，通过高性能的FPGA芯片EP3C16F484实现。

该板卡上的PHY(是以太网物理层芯片)，采用高性能的八口PHY芯片88E3082和AVAGO高性能SFP光模块来实现。

该板卡将输入的DC220V/DC110V转化为两路隔离DC5V，分别给保护模块和闭锁模块供电，以达到保护和闭锁模块电源互不影响。

该板卡上的保护CPU(即所述的DSP核CPU)和闭锁CPU(即所述的M3内核的单片机)分别输出心跳(行业术语，可理解成：为CPU输出一个规则的方波信号)信号到FPGA，FPGA判定心跳信号的频率，当任意心跳信号的频率小于2000赫兹时，则判定CPU运行异常，关闭出口(出口主要指开出，由继电器去执行)电源，防止装置误出口。

所述的保护CPU和闭锁CPU分别独立运行，分别向继电器输出控制信号。

所述的管理CPU(即所述的ARM核CPU)独立运行，同时通过共享内存和内部通讯口与所述的保护CPU和管理CPU(又称闭锁CPU)交互信息。所述管理CPU向外输出点灯信号。

所述的输出控制信号和输出点灯信号，通过所述的第二硬端子输送至IO板卡。

Claims (8)

1.一种适于户外安装使用的小型继电保护装置，包括铝合金铸造的由底壳和扣置在底壳上的顶盖构成的机壳，其特征在于：该机壳的外形长为24cm－40cm，宽为16cm－24cm，厚为9cm－11cm，在所述底壳的一侧设有若干个接线孔，在密闭结构的机壳内设有三块分离设置的电路板，分别为产生控制继电器动作指令的主控板卡、传递各种信号的IO板卡和与外电网相接的交流板卡，所述主控板卡、IO板卡和交流板卡以上下叠置方式固定在机壳内，所述IO板卡介于主控板卡与交流板卡之间，该IO板卡分别通过第一硬端子与交流板卡相接，通过第二硬端子与主控板卡相接，其中，

交流板卡将外电网的高电压和大电流转换为低压模拟电压信号并通过所述硬端子传至所述IO板卡；

IO板卡将接收到的所述低压模拟电压信号通过第二硬端子传至所述主控板卡，同时，将控制继电器动作的开关信号通过第二硬端子传至外设的继电器；

主控板卡完成所述低压模拟电压信号的AD采集、IEC6185通信、光纤通信、开入采集、开出控制以及保护逻辑的运算与执行；

所述的IO板卡由光耦芯片、开关电路、两个硬端子、电阻电容、TVS和EMC防护器件构成，光耦芯片的输入端与所述主控板卡相接，其输出端与外设的显示指示灯相接；所述开关电路由光耦、继电器、电阻电容组成，该开关电路将220V/110V直流转换为3.3V的控制继电器动作的所述开关信号，继电器的开关控制信号由FPGA或CPU发出。

2.根据权利要求1所述的适于户外安装使用的小型继电保护装置，其特征在于：所述机壳外形的长×宽×厚为26.5cm×18.2cm×9.2cm。

3.根据权利要求2所述的适于户外安装使用的小型继电保护装置，其特征在于：在所述机壳外表面上涂有耐湿热、耐腐蚀的镀镍镀层。

4.根据权利要求2所述的适于户外安装使用的小型继电保护装置，其特征在于：所述低压模拟电压信号为-10V～+10V，所述交流板卡的输入端通过外接的电流互感器和电压互感器与外电网相接。

5.根据权利要求2所述的适于户外安装使用的小型继电保护装置，其特征在于：所述主控板卡包括双核CPU、M3内核的单片机、八通道AD转换芯片、FPGA芯片、PHY芯片和SFP光模块，其中，

所述双核CPU为起运行保护的DSP核和运行管理的ARM核；

所述单片机为闭锁模块；

所述AD转换芯片将采集到的所述的低压模拟电压信号转换为数字信号；

所述FPGA芯片控制AD芯片采集、缓存AD数据、B码校时、秒脉冲发送、PHY芯片收发控制、开入量采集和出口控制；

所述PHY芯片完成光以太网传输网络物理层的协议及信号转换；

所述SFP光模块将光信号进行光/电或电/光转换。

6.根据权利要求5所述的适于户外安装使用的小型继电保护装置，其特征在于：所述的双核CPU采用型号为OMAPL138的工业级芯片；所述单片机采用型号为LPC1752的NXP工业级芯片；所述AD转换芯片采用型号为AD7606的芯片；所述FPGA芯片采用型号为EP3C16F484的芯片；所述PHY芯片采用型号为88E3082的芯片。

7.根据权利要求4所述的适于户外安装使用的小型继电保护装置，其特征在于：所述低压模拟电压信号为12路。

8.根据权利要求1所述的适于户外安装使用的小型继电保护装置，其特征在于：所述的第一硬端子和第二硬端子分别为具有36个端脚和77个端脚的带屏蔽的连接器。