CN105242152A - 智能开关量隔离采集单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能开关量隔离采集单元，包括底座，底座上设置有印制板，印制板通过上盖封装在底座上，印制板上设置有智能处理电路、母座、RS485接线端子、B码信号接线端子、32路开关量光电隔离转换电路和两个均具有16个接线端的开关量输入端子。本发明效率高，成本低，可拆卸，互换性强，便于现场工程人员更换维修，既用于传统变电站开关量采集，又适用于数字化变电站的开关量采集，满足传统变电站向数字化变电站过渡的需求，整个装置屏体的内外部接线简单，保证了屏体的美观性。

Description

智能开关量隔离采集单元

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种智能开关量隔离采集单元。

背景技术

在变电站综合自动化系统中，开入量回路是电力系统继电保护系统极为重要的组成部分。发变厂或变电站的微机保护装置、监控系统、故障录波及综合自动化系统，都有大量的开关量需要接入，且对开关量信号采集的准确性与实时性都有较高的要求，否则会造成遥信误判，甚至导致保护误动作。

开关量的输入主要包括断路器、隔离开关的辅助点等。这些信号都处于高压回路中，有很强的电磁干扰能力，所以在采集之前，一般需要采用隔离处理，目前一般采用光耦实现光电隔离转换，即完成220V(或110V)电平转换为24V电平和隔离功能。

随着科技的进步，数字化变电站作为智能电网的重要组成部分已成为大电网发展的必然趋势，同时促使故障录波装置逐渐向数字化、智能化发展。无论在传统变电站还是在数字化变电站，开入回路直接影响着保护的动作逻辑，这也促使制造和运行单位不断思索、改进，从硬件电路到软件设计，从芯片选择到外部接线等，都需要对开关量回路的采集电路进行改进以适应数字化变电站的需要。现有技术方案：

现阶段接入故障录波装置的220V(或110V)开关量一般有三种处理方式：

1)隔离箱方式，即屏外开关量输入信号经绝缘端子排转接后，由电缆线传输经行线槽接入到开关量输入端，所有开关量信号(64路及以上)集中在隔离箱里一张完整的PCB板上统一进行二次转换处理(光电隔离转换)，然后通过DB37的连接线接到装置主机上。

2)隔离转换插板方式，即屏外开关量输入信号经绝缘端子排转接后，再经过一张或多张插板对开关量信号进行二次转换处理(光电隔离转换)，然后通过DB25/DB37的连接线接到装置主机上。其中每一张插板可以对对16/32路开关量信号进行处理。

3)单个光耦端子方式，即屏外开关量输入信号直接经光耦端子进行光电隔离转换处理，然后再通过光耦端子转接板将接线方式转换成DB25的转接线连接到装置主机上。

现有技术方案存在以下缺陷：

1)隔离箱方式采用绝缘端子排+隔离箱的结构；隔离转换插板方式采用绝缘端子排+隔离转换插板的结构；单个光耦端子方式采用光耦端子+转接板方式。这三种方式结构复杂，都需要进行二次转换处理，成本高，且后两种方式的PCB插板均裸露在外面，存在安全隐患。

2)隔离箱方式经第一次转换后每一路开关量信号需要一根电缆线与隔离箱连接，电缆线多，严重影响屏体布线；隔离转换插板方式和单个光耦端子方式都需要凭借PCB插板转成连接线的方式，即每一个插板要用螺钉固定在16路/32路的端子排上，安装复杂，且连接线固定在裸露的单PCB板上，安全稳固性差。

3)以上三种结构在发生故障时可维护性差。尤其是隔离箱方式，一旦隔离箱内某一路或几路开关量出现故障，要拆卸整个隔离箱才能排除并解决问题。

4)不能用于数字化变电站中传统开关量数据的采集。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种智能开关量隔离采集单元，可同时实现32路开关量输入信号的光电隔离转换及采集功能，可多个单元并联使用，既可以用在传统变电站，也可以用于数字化变电站的开关量采集。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种智能开关量隔离采集单元，包括底座，所述底座上设置有印制板，所述印制板通过上盖紧固在所述底座上，所述印制板上设置有智能处理电路、母座、RS485接线端子、B码信号接线端子、32路开关量光电隔离转换电路和两个均具有16个接线端的开关量输入端子，两个所述开关量输入端子的32个接线端与32路所述开关量光电隔离转换电路的信号输入端一一对应连通，每路所述开关量光电隔离转换电路的信号输出端同时与所述智能处理电路和所述母座连接，所述母座设置有32个信号接线端，所述母座的32个信号接线端与32路所述开关量光电隔离转换电路的信号输出端一一对应连通，所述B码信号接线端子与所述智能处理电路的B码信号输入端连接，所述RS485接线端子设置在所述智能处理电路的信号输出端。

进一步地，所述上盖、所述印制板和所述底座通过4颗M3螺钉固定在一起。

进一步地，所述底座上设置有3个用于卡在端子排导轨上的活动紧扣件。

进一步地，所述上盖和所述底座均由耐热阻燃的绝缘材质制成。

进一步地，所述开关量光电隔离转换电路包括抗干扰电路、限流电阻、滤波保护电路、箝位保护电路和光电隔离电路，所述抗干扰电路的信号输入端作为所述开关量光电隔离转换电路的信号输入端并与所述开关量输入端子连接，所述抗干扰电路的信号输出端与所述滤波保护电路的信号输入端连接，所述限流电阻设置在所述抗干扰电路与所述滤波保护电路之间，所述滤波保护电路的信号输出端与所述光电隔离电路的信号输入端连接，所述箝位保护电路设置在所述滤波保护电路与所述光电隔离电路之间，所述光电隔离电路的信号输出端设置有发光二极管，所述光电隔离电路的信号输出端作为所述开关量光电隔离转换电路的信号输出端并同时与所述智能处理电路和所述母座连接。

本发明的有益效果在于：

本发明可同时对32路开关量进行光电隔离转换处理，灵活易用，提高效率，降低成本；输入输出都采用可插拔插件，这样现场智能开关量隔离采集单元可拆卸、互换性强，便于现场工程人员更换维修，节约维护成本；既用于传统变电站开关量采集，又适用于数字化变电站的开关量采集，满足传统变电站向数字化变电站过渡的需求；降低了整个装置屏体的内外部接线的复杂性，保证了屏体的美观性。

附图说明

图1是本发明所述智能开关量隔离采集单元的装配结构示意图；

图2是本发明所述开关量光电隔离转换电路的结构框图；

图3是本发明所述智能开关量隔离采集单元的原理框图；

图中：1-M3螺钉、2-上盖、3-开关量输入端子、4-印制板、5-活动紧扣件、6-RS485接线端子、7-母座、8-底座、9-B码信号接线端子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本发明包括底座8，底座8上设置有印制板4，印制板4通过上盖2紧固在底座8上，印制板4上设置有智能处理电路、母座7、RS485接线端子6、B码信号接线端子9、32路开关量光电隔离转换电路和两个均具有16个接线端的开关量输入端子3，两个开关量输入端子3的32个接线端与32路开关量光电隔离转换电路的信号输入端一一对应连通，每路开关量光电隔离转换电路的信号输出端同时与智能处理电路和母座7连接，母座7设置有32个信号接线端，母座7的32个信号接线端与32路开关量光电隔离转换电路的信号输出端一一对应连通，B码信号接线端子9与智能处理电路的B码信号输入端连接，RS485接线端子6设置在智能处理电路的信号输出端。

在本实施例中，上盖2、印制板4和底座8通过4颗M3螺钉1固定在一起，便于拆装。底座8上设置有3个用于卡在端子排导轨上的活动紧扣件5，便于固定整个智能开关量隔离采集单元。上盖2和底座8均由耐热阻燃的绝缘材质制成，构成自开模阻燃塑料机壳。

开关量光电隔离转换电路包括抗干扰电路、限流电阻、滤波保护电路、箝位保护电路和光电隔离电路，抗干扰电路的信号输入端作为开关量光电隔离转换电路的信号输入端并与开关量输入端子3连接，抗干扰电路的信号输出端与滤波保护电路的信号输入端连接，限流电阻设置在抗干扰电路与滤波保护电路之间，滤波保护电路的信号输出端与光电隔离电路的信号输入端连接，箝位保护电路设置在滤波保护电路与光电隔离电路之间，光电隔离电路的信号输出端设置有发光二极管D，光电隔离电路的信号输出端作为开关量光电隔离转换电路的信号输出端并同时与智能处理电路和母座7连接。

抗干扰电路用于减小共模噪声对开入量信号的干扰。

限流电阻串联在信号输入端，用于减小负载端电流和分压。

滤波保护电路由瞬变抑制二极管和滤波电容组成，滤除从信号输入端输入的外界干扰信号。

箝位保护电路是在回路上反接一个二极管，将开关量输入电路的电压箝位在预设电压，为防止用户接线时把外部驱动回路的电源极性接反，保护了后级隔离电路，使得开关量转换电路工作更可靠。

光电隔离电路用于实现110V/220V开入量信号隔离转换为24V电平信号。为保证光耦能正常工作，外部强电开入信号与光耦开出的弱电开出信号完全隔离。

发光二极管D指示开入量信号的开关状态，给现场使用者提供直观方便。

本发明所述智能开关量隔离采集单元所采集的开入量信号包括110V和220V开入量两种模式。为适应外部输入回路的多样性(如有源开入信号和无源开入信号)，本设计中32路开关量采用空节点输入共地模式进行采集。输入为有源开入信号时，外接信号线正极接开入量通道正端K1-K32，外接信号线负极接开入量通道负端220VG/110VG；输入为无源开入信号时，外接信号线正极接屏内电源正极DC220V/110V，外接信号线负极接开入量通道正端K1-K32，开入量通道负端220VG/110VG接屏内电源负极220VG/110VG。

用于传统故障录波装置时，本发明在采用的输出方式是开关量光电隔离转换电路的信号输出端与DB37母座连接，然后通过DB37专用抗干扰连接线传送到屏内装置主机上。其中，专用抗干扰连接线用于抑制线缆上的传导干扰，保证了开关量信号的可靠性。

用于智能故障录波装置时，智能处理电路的信号输入端与开关量光电隔离转换电路的信号输出端连接。智能处理电路采用FPGA处理器，FPGA按照10kHz的采样速率读取经光电隔离转换处理后的开关量数据；同时接收GPS的B码信号解码，修正自身的时间与B码同步；然后为采集到的开关量数据打上精确的时间戳，最后将带时戳的开关量数据通过RS485串行连接线传送到屏内主机上。

本发明中，两个开关量输入端子3采用阻燃的间距5.08mm的16位可插拔端子；母座7采用可插拔DB37母座；B码信号接线端子9和RS485接线端子6采用阻燃的间距5.08mm的2位可插拔端子。

用于传统故障录波装置的智能开关量隔离采集单元除了电源线，32路外接开关量输入线和1根DB37专用抗干扰连接线外，再无其他中间电缆线；用于智能故障录波装置的智能开关量隔离采集单元除了电源线，32路外接开关量输入线、一对B码输入线和一对RS485串行输出线外，再无其他中间电缆线；两种输出方式都减少了整个装置的屏体内外部接线，保证了屏体的美观性。

在传统故障录波装置屏体内，可以在屏后左侧竖排导轨上卡1-6个智能开关量隔离采集单元，每个智能开关量隔离采集单元处理32路开关信号，最大可以处理192路开关量信号；在智能故障录波装置屏体内，通过串口协议内的地址码区分可以在屏后左侧竖排导轨上卡1-16个智能开关量隔离采集单元，最大可处理512路传统开关量信号；两种模式都完全满足现场对开关量的最大需求。

本发明所述智能开关量隔离采集单元具有以下优势：

1)智能开关量隔离采集单元采用耐热阻燃的绝缘保护机壳结构，一个智能开关量隔离采集单元可同时对32路开关量进行光电隔离转换处理，灵活易用，提高效率，降低成本。

2)智能开关量隔离采集单元用卡槽固定到屏体的导轨上，输入接到智能开关量隔离采集单元输入端，输出采用专用抗干扰DB37连接线和一对RS485串行输出线接到装置主机上，减少了整个装置屏体的内外部接线的复杂性，保证了屏体的美观性。

3)输入输出都采用可插拔插件，这样现场智能开关量隔离采集单元可拆卸、互换性强，便于现场工程人员更换维修，节约维护成本。

4)用于传统变电站时，32路开关量输入信号由光电隔离转换电路处理后，经DB37母座及配套专用抗干扰电缆传送到传统故障录波装置。

5)采用FPGA实现高速实时开关量信号的采集，能广泛应用于数字化变电站中。该功能实现步骤如下：首先FPGA接收GPS的B码信号解码，修正自身的时间与B码同步；然后FPGA为采集到的开关量数据打上精确到微秒的时间戳，最后将带时戳的开关量数据通过RS485串行接口传送到智能故障录波装置。多个开关量隔离采集单元通过串口协议内的地址码区分。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种智能开关量隔离采集单元，其特征在于：包括底座，所述底座上设置有印制板，所述印制板通过上盖紧固在所述底座上，所述印制板上设置有智能处理电路、母座、RS485接线端子、B码信号接线端子、32路开关量光电隔离转换电路和两个均具有16个接线端的开关量输入端子，两个所述开关量输入端子的32个接线端与32路所述开关量光电隔离转换电路的信号输入端一一对应连通，每路所述开关量光电隔离转换电路的信号输出端同时与所述智能处理电路和所述母座连接，所述母座设置有32个信号接线端，所述母座的32个信号接线端与32路所述开关量光电隔离转换电路的信号输出端一一对应连通，所述B码信号接线端子与所述智能处理电路的B码信号输入端连接，所述RS485接线端子设置在所述智能处理电路的信号输出端。

2.根据权利要求1所述的智能开关量隔离采集单元，其特征在于：所述上盖、所述印制板和所述底座通过4颗M3螺钉固定在一起。

3.根据权利要求1所述的智能开关量隔离采集单元，其特征在于：所述底座上设置有3个用于卡在端子排导轨上的活动紧扣件。

4.根据权利要求1所述的智能开关量隔离采集单元，其特征在于：所述上盖和所述底座均由耐热阻燃的绝缘材质制成。

5.根据权利要求1所述的智能开关量隔离采集单元，其特征在于：所述开关量光电隔离转换电路包括抗干扰电路、限流电阻、滤波保护电路、箝位保护电路和光电隔离电路，所述抗干扰电路的信号输入端作为所述开关量光电隔离转换电路的信号输入端并与所述开关量输入端子连接，所述抗干扰电路的信号输出端与所述滤波保护电路的信号输入端连接，所述限流电阻设置在所述抗干扰电路与所述滤波保护电路之间，所述滤波保护电路的信号输出端与所述光电隔离电路的信号输入端连接，所述箝位保护电路设置在所述滤波保护电路与所述光电隔离电路之间，所述光电隔离电路的信号输出端设置有发光二极管，所述光电隔离电路的信号输出端作为所述开关量光电隔离转换电路的信号输出端并同时与所述智能处理电路和所述母座连接。