CN105223404B - 一种低压开关柜馈线监控、测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流电源监控、测量领域，尤其是涉及一种低压开关柜馈线监控、测量装置。其具有馈线开关状态、馈线报警脱扣状态、馈线电流测量、母线电压测量、馈线控制开出、通讯等功能，安装在低压开关柜馈线屏上，实现四遥功能，可方便接入综合自动化系统。所述的低压开关柜馈线监控、测量装置采用M430F2491嵌入式微控制器作为核心处理器，监测馈线开关状态、馈线报警脱扣状态、馈线电流测量、母线电压测量、馈线控制开出、通讯等；集成了原多个馈线测量监控设备的功能，使低压开关柜馈线监控更加简洁，自动化水平提高。另，集成了通讯功能，使运行人员可轻松监控低压开关柜馈线的电量和状态，并通过远程控制馈线支路的分闸。

Description

一种低压开关柜馈线监控、测量装置

技术领域

本发明涉及交流电源监控、测量领域，尤其是涉及一种低压开关柜馈线监控、测量装置。

背景技术

长期以来，在电厂、核电或其他工矿企业的专业用户中，现有的技术方案是：

1、 仅对进线或重要的低压馈线回路采用了智能设备来监控，对次重要的馈线回路，特别是采用了塑壳断路器的馈线回路，由于数量庞大，基本上很少监控，或由于需要的监控设备太多、费用增加明显而放弃监控；

2、按上述的方案，如需监控，则需要硬接点连接到后台监控装置，或后台监控装置硬接点输出控制分闸；对于模拟量，需增加电流互感器和电流变送器等元器件。这样造成低压开关柜安装容量降低，且需要大量的控制电缆连接低压开关柜与后台设备之间；

3、目前，有部分厂家分别采用了开关量模块及模拟量模块。该方案需要多个类型的模块，无法监视母线电压，如果需满足数字化变电站IEC61850通讯标准的需求，需要增加多台通讯装置来满足要求，这对现场接线和运行维护均造成不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，带通讯功能，实现四遥，可方便接入综合自动化系统的低压开关柜馈线监控、测量装置，解决现有低压开关柜馈线存在的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低压开关柜馈线监控、测量装置，该装置采用嵌入式微控制器作为核心处理器，核心处理器分析处理馈线开关状态监测元件、馈线报警脱扣状态元件采集的开关量输入数据，馈线电流测量元件、母线电压测量元件采集的模拟量数据；并进一步控制馈线控制开关元件进行输出，同时与通讯元件实现电连接。

采用嵌入式微控制器作为核心处理器，作为控制低压开关柜馈线回路的多功能控制器。

该嵌入式微控制器作为核心处理器型号为M430F2491。

该装置采用电阻与电容的串并联实现交流电压采样，每相电压一组，三相电压分别采样。

馈线开关状态监测元件、馈线报警脱扣状态元件采用芯片作为开关量输入采集元件，采集各路开关量，其中部分作为馈线断路器的合闸状态辅助接点采样，部分作为馈线断路器的脱扣告警辅助接点采样。

馈线电流测量元件、母线电压测量元件采用芯片作为模拟量采样，采集各路馈线单相电流；其中馈线使用霍尔电流传感器采样。霍尔电流传感器的输出信号为0~4（5）V，经滤波后直接进入CPU读取，读取后通过CPU的编程计算得出实际模拟量的值用于保护判断与显示输出或传输至后台处理。

馈线控制开关元件采用芯片控制多路馈线断路器分闸输出，输出为无源接点或有源接点；部分输出仅为隔离后输出，外加相应个数中间继电器再控制馈线断路器的分闸。

采用多个八段式发光二极管输出显示；第一发光LED灯显示设备运行状态、第二发光LED灯交换数据的通讯口1、第三发光LED灯通讯口2运行指示；采用4个按钮作设置参数输入。

馈线开关状态监测元件使用74HC244芯片作为开关量输入采集元件；馈线电流测量元件、母线电压测量元件采用74HC4051芯片作为模拟量采样，馈线控制开关元件采用ULN2803A芯片作为控制各路馈线断路器分闸输出。

本发明具体进一步采用如下最佳技术方案：

1.本发明以16个馈线断路器为最佳技术方案，每个馈线断路器需要带OF断路器辅助接点和SD断路器脱扣辅助接点；每个馈线回路在B相（也可其他相序）安装一个霍尔电流传感器；如需对断路器进行操作，则需要在断路器增加MX分闸脱扣器。方案如附图1所示。

2.采用M430F2491嵌入式微控制器作为核心处理器，集成监测16路馈线开关状态、16路馈线报警脱扣状态、16路馈线电流测量、1路母线电压测量、16路馈线控制开出、通讯等功能。

3.采用M430F2491嵌入式微控制器作为核心处理器，作为控制低压开关柜馈线回路的多功能控制器。

4.采用电阻与电容的串并联实现交流电压采样，每相电压一组，三相电压分别采样。

5.采用4个74HC244芯片作为开关量输入采集元件，共可采集32路开关量，前16路可作为馈线断路器的合闸状态辅助接点采样，后16路可作为馈线断路器的脱扣告警辅助接点采样。

6.采用2个74HC4051芯片作为模拟量采样，共可输出16路馈线单相电流。其中馈线采用霍尔电流传感器采样，霍尔电流传感器的输出信号为0~4（5）V，可以经滤波后直接进入CPU读取，读取以后通过CPU的编程计算得出实际模拟量的值用于保护判断与显示输出或传输至后台处理。

7.采用2个ULN2803A芯片作为控制16路馈线断路器分闸输出，共可输出16路有源开关接点或无源开关接点。由于受馈线模块的尺寸限制，16路输出仅为隔离后输出，需在外加16个中间继电器再控制馈线断路器的分闸。

8.采用4个八段式发光二极管显示；采用3个发光LED分别作运行、通讯口1、通讯口2运行指示；采用4个按钮作设置输入。

M430F2491处理器采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率，它采用数字控制振动器，低功耗模式转换时间小于6μs，设计有16位定时器，比较器，96段LCD驱动器和48个通用I/O引脚。捕获传感器的模拟信号转换为数据加以处理后发送至主机。

74HC4051芯片八选一模拟开关电路，内置3个地址选择端（A0~A2），低有效的使能输入端 ，8路独立的输入/输出端（Y0~Y7）及公共输入/输出端（Z）。电路内部有8个双向模拟开关，每个开关的一端连接到独立的输入/输出端（Y0~Y7），另一端连接到公共输入/输出端（Z）。当为低电平时，通过A0~A2选择一个通路的开关处于低阻导通状态。当为高电平时，A0~A2设置无效，所有开关处于高阻关断状态。如果需要切换开关状态，就必须使能输入端。

74HC244芯片244为三态输出的八组缓冲器和总线驱动器,其电器特性的典型值如下:

tPLH	tphl	PD
			12ns	12ns	110mW

引出端符号:

1A1~1A4,2A1~2A4 输入端

/1G, /2G 三态允许端(低电平有效)

1Y1~1Y4,2Y1~2Y4 输出端

逻辑图见附图9。

ULN2803A芯片是专为符合标准TTL。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作，参见附图10。

本发明提供的一种低压开关柜馈线监控、测量装置的增益效果是：

1、由于低压开关柜馈线监控、测量装置集成了监测16路馈线开关状态、16路馈线报警脱扣状态、16路馈线电流测量、1路母线电压测量、16路馈线控制开出，在智能变电站中低压开关柜馈线监控的应用，集成了原多个馈线测量监控设备的功能，可降低了对馈线监控的成本，且大大减少了相关监测的设备，使低压开关柜馈线监控更加简洁，自动化水平提高。一台低压开关柜塑壳出线的数量不会超过16路，这样一台柜只需一台装置即可实现监控及控制；即使是在微断出线数量超过16的情况下，也只需要再增加一台装置就可实现32路的监控控制。

2、由于低压开关柜馈线监控、测量装置，可以轻松地实现通讯功能，特别是实现数字化变电站中采用IEC61850通讯协议的要求，且大大减少了从低压开关柜到后台监控设备的控制电缆，节约了铜的使用量及施工周期，只需要两根通讯线即可。

3、集成了通讯功能，使运行人员可轻松监控低压开关柜馈线的电量和状态，并通过远程控制馈线支路的分闸。

4、M430F2491控制器是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；由于其低功耗的出色性能，远优于其他常规单片机，这些特点保证可编制出高效率的源程序。74HC244及74HC4051芯片是一种高速CMOS器件，具有静态功耗极低、电源电压范围宽、抗干扰能力强、逻辑摆幅大、输入电阻极高、集成度可很高、抗辐射能力强、成本低等优点，用于数字量及模拟量的采集既能满足数据数量的需要也能保证数据的准确性，同时还可以很好的控制成本。ULN2803A芯片属于达林顿晶体管矩阵类型，用作控制输出，该芯片可应用在实现有负载要求的较大电流、较高电压器件与低逻辑电平数字电路接口中，在本装置中应用可满足多种输出电路的要求。

附图说明：

附图1为本发明的低压开关柜馈线示意图，共16个回路；

附图2为本发明的CPU功能联系示意图；

附图3为本发明的电压采集示意图，共三个模块采集三相电压；

附图4为本发明的开关量采集示意图，有四个模块，共采集32路开关量输入；

附图5为本发明的电流采集示意图，有2个模块，共采集16路模拟量输入；

附图6为本发明的开关量输出示意图，有两个模块，共可实现16路开关量输出；

附图7为本发明的显示模块意图；

附图8为本发明的装置接线端子示意图；

附图9为本发明的74HC244芯片逻辑图；

附图10为本发明的ULN2803A芯片示意图。

具体实施方式：

为了使审查委员能对本发明之目的、特征及功能有更进一步了解，以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1- 8所示，系为本发明的示意图，本发明是有关一种低压开关柜馈线监控、测量装置。

如图1所示，本发明主要控制低压开关柜馈线，一般情况下以16回路为单元，也可以设计为8个回路一单元。每个馈线断路器需要带OF断路器辅助接点和SD断路器脱扣辅助接点；每个馈线回路在B相（也可其他相序）安装一个霍尔电流传感器；如需对断路器进行操作，则需要在断路器增加MX分闸脱扣器。

图2为本发明的CPU示意图，采用M430F2491嵌入式微控制器作为核心处理器，所有的数据通过其处理。

图3为本发明的电压采集示意图，采用电阻与电容的串并联实现交流电压采样，每相电压一组，三相电压分别采样，送至CPU处理。其中R1为多个串联的贴片电阻，R2、R3、C1可使用单个器件。

图4为本发明的开关量采集示意图，有四个模块，共采集32路开关量输入。采用4个74HC244芯片作为开关量输入采集元件，经过光电隔离器隔离后输入，每个芯片可采集8个回路，共可采集30路开关量；其中前16路用作监测断路器的OF辅助接点，后16路用作监测断路器的SD脱扣告警辅助接点。

图5为本发明的电流采集示意图，采用2个74HC4051芯片作为模拟量采样，共可输出16路馈线单相电流。其中馈线采用霍尔电流传感器采样，霍尔电流传感器的输出信号为0~4（5）V，可以经滤波后直接进入CPU读取，因此选用74HC4051八选一模拟开关选取读入即可。其中A0~A2、E由CPU控制，按顺序选取读入模拟量电流值。

图6为本发明的开关量输出示意图，采用2个ULN2803A芯片作为开关量输出控制元件，共可输出16路有源开关接点，一般情况下为24V，需要外部增加中间继电器控制馈线回路的分闸，可由通讯置位或通过超过电流设定值CPU输出动作。

图7为本发明的显示模块示意图，采用4个八段式发光二极管显示；采用3个发光LED分别作运行、通讯口1、通讯口2运行指示；采用4个按钮作设置输入。当通电运行后，运行灯常亮；有通讯信号时，通讯口1、通讯口2灯闪烁；4个八段式发光二极管显示可显示（轮显）电流值或装置地址；4个按钮可设置霍尔电流传感器的变比、装置地址等。

在此另说明本发明的外接线示意图，对应接线控制相关的设备，如附图8所示。

I1～I16：16路电流输入；

ACOM：16路电流输入公共端；

A1、B1：第一路RS485通讯；

A2、B2：第二路RS485通讯；

+12V、GND、-12V：为装置的输出电源，可用作霍尔电流传感器的电源、中间继电器的电源等

FG、N、L：工作电源AC/DC85V～265V。

DI1～DI32：其中前16路用作监测断路器的OF辅助接点，后16路用作监测断路器的SD脱扣告警辅助接点；

DICOM：馈线输入公共端。

O1~O16：16路馈线分闸输出。

DOCOM：馈线分闸输出公共端。

主要通讯功能：

本模块配置RS485通信接口2个，用于和上位机系统连接或本地通讯连接。

远程通信实现以下功能：

·遥信：远程召唤“报警事件状态”、“故障事件状态”、“开关量状态”；

·遥测：远程召唤单相电流实时测量值；

·遥调：可召唤所有定值，远程工作方式下，可远程修改定值；

·遥控：可对馈线开关进行遥控分合闸；对于塑壳断路器直接配置操作机构实现分闸控制；对于微断开关馈线，使用微断开关串联接触器实现分闸控制，其中微断开关平时处于常态合闸位置，起短路保护作用，接触器起分合电路作用。

·对时：可召唤装置时钟，远程工作方式下，可远程修改时钟；

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的适用范围，故，凡在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内，如8个馈线回路的监控装置。

Claims (4)

1.一种低压开关柜馈线监控、测量装置，其特征在于：该装置采用嵌入式微控制器作为核 心处理器，核心处理器分析处理馈线开关状态监测元件、馈线报警脱扣状态元件采集的开关 量输入数据，馈线电流测量元件、母线电压测量元件采集的模拟量数据；并进一步控制馈线 控制开关元件进行输出，同时与通讯元件实现电连接，采用嵌入式微控制器作为核心处理器，作为控制低压开关柜馈线回路的多功能控制器，嵌入式微控制器作为核心处理器型号为 M430F2491，馈线开关状态监测元件、馈线报警脱扣状态元件采用芯片作为开关量输入采集元件，采集各路开关量，开关量输入采集元件采集的开关量部分作为馈线断路器的合闸状态辅助接点采样，开关量输入采集元件采集的开关量部分作为馈线断路器的脱扣告警辅助接点采样，馈线电流测量元件、母线电压测量元件采用芯片作为模拟量采样，采集各路馈线单相电流；其中馈线使用霍尔电流传感器采样，馈线控制开关元件采用芯片控制多路馈线断路器分闸输出，输出为无源接点或有源接点；部分输出仅为隔离后输出，外加相应个数中间继电器再控制馈线断路器的分闸，馈线开关状态监测元件使用74HC244芯片作为开关量输入采集元件；馈线电流测量元件、母线电压测量元件采用74HC4051芯片作为模拟量采样，馈线控制开关元件采用ULN2803A芯片作为控制各路馈线断路器分闸输。

2.根据权利要求1所述的一种低压开关柜馈线监控、测量装置，其特征在于：该装置采用电阻与电容的串并联实现交流电压采样，每相电压一组，三相电压分别采样。

3.根据权利要求2所述的一种低压开关柜馈线监控、测量装置，其特征在于：霍尔电流传感器的输出信号为0〜4 V，经滤波后直接进入CPU读取，读取后通过CPU的编程计算 得出实际模拟量的值用于保护判断与显示输出或传输至后台处理。

4.根据权利要求3所述的一种低压开关柜馈线监控、测量装置，其特征在于：采用4个八段式发光二极管显示；采用3个发光LED分别作运行、通讯口1、通讯口2运行指示；采用4个按钮作设置输入。