CN105634123A - 一种具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置及其应用 - Google Patents

Abstract

一种具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置及其应用。该装置包括：模拟信号采集单元、数据处理单元、人机交互单元、脱扣执行单元、远程通信单元和供电电源；采用罗哥夫斯基线圈和电流采样电路将电流信号输入模拟信号调理电路，电压采样变换电路将电压信号输入模拟信号调理电路，模拟信号调理电路将模拟信号输入模拟多路开关转换为数字信号输入数据处理单元；数据处理单元中的微处理器处理所输入的数字信号、并判断和/或输出相应的脱扣信号至脱扣执行单元，以执行脱扣动作，同时将故障事发地点和故障原因通过远程通信单元传输至集控台。本发明具有多工况障碍判断准确、线路改造调整方便和易于远程监控的特点。

Description

一种具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置及其应用

技术领域

本发明涉及低压电路安全领域，尤其涉及一种具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置及其应用。

背景技术

“十二五”期间，随着智能电网建设的推进以及低压电器生产技术的不断发展，以智能化、模块化、可通信为主要特征的新一代低压电器将成为市场主流产品。第一代产品将于2010年退出市场，第二代产品将成为低端产品，第三代产品和部分第二代产品将成为中端产品。2011年至2015年，智能电网将在输电、变电、配电、通信等七大方面进入全面建设阶段，在智能电网建设方面的投资总额将接近2万亿元。2011年初，国务院决定实施新一轮农村电网改造升级工程。新一轮的农村电网改造工程将给低压电器行业带来重要的发展机遇期。从各项经济政策和机构分析预测来看，未来几年内电力系统基础建设将继续保持较大投资规模，因此低压电器行业也将处于平稳发展阶段，但国内、国际市场竞争趋于激烈。

随着智能电网在国内外引起的研究热点，低压电器的“智能化”和“可通信”最终将向智能电网方向发展，形成智能电网的低压用户端产业。智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全，智能电网的低压用户端同样具有可靠、安全、经济、高效等特点，要打造智能电网离不开作为电网基础的低压配电系统与低压电器元件的智能化和可通信，其起到控制与保护作用的核心器件包括万能式断路器、塑壳断路器等，这些器件的智能化和可通信自然成了低压电器产业发展的趋势。

低压断路器是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。

低压断路器是既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，已获得了广泛的应用。低压断路器广泛应用于低压配电系统各级馈出线，各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。

低压断路器是低压开关柜中的主要元件，其所有保护功能均由其中枢控制部件脱扣器来实现。

早期的脱扣器是电磁式过电流脱扣器，其功能简单，只能完成瞬时保护。在此基础上后来又逐步出现了带有过载延时、短路延时功能的脱扣器，以及采用热双金属片的热式脱扣器。

20世纪70年代开始出现了电子式脱扣器，90年代逐步推出了智能型脱扣器。由于采用了计算机技术、数字电子技术、控制理论、传感器技术和通信技术等，智能脱扣器的功能日益强大，现已在低压配电系统中得到了广泛应用。目前，具有代表性的产品国外有施耐德公司的M和MT系列、三菱公司的AE系列、西门子公司的3WN6系列、ABB公司的F2系列，国内主要是DW45系列。

相比较而言，国外的产品功能较为强大，有些甚至可与中压微机保护产品相媲美，但价格普遍偏高；国内的产品价格低廉，更贴近中国市场购买力，但功能稍弱。

现有技术中，例如CN201345533公开了一种低压断路器的电子式欠、过压保护装置，包括有采集断路器进线端A、B、C、N各相的电压互感器、精密运算放大器、电子选通开关、单片机、继电器和自动转换开关的执行机构；所述的A、B、C三相电压互感器将电压信号输入到所述的精密运算放大器的各输入端口；精密运算放大器将处理后的信号经电子选通开关输入到所述的单片机的I/O端口；所述单片机在对每相信号进行测量及与逻辑程序中的合格范围值进行比较，若有一相信号不合格，则单片机通过I/O端口输出一个信号给所述的继电器；所述继电器的常闭节点接入所述的断路器的分闸执行机构。由于该保护装置结构较为简单，采用单片机的控制能力较弱，仅能实现欠压、过压断路保护的功能，有待改进。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中功能单一的技术缺陷，实现同时具备多路低压输电线路的断相、反相、欠压、过压、不平衡保护、逆功率保护和接地保护功能的低压断路器控制装置，并实现远程监控，即提供一种功能全面、具有远程监控功能的低压断路器控制装置及其应用。

具体的，本发明通过如下技术方案实现：

首先，本发明提供了一种具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，该装置包括：模拟信号采集单元、数据处理单元、人机交互单元、脱扣执行单元、远程通信单元和供电电源。

具体的，模拟信号采集单元用于采集输电线路中的电流和电压信号，从硬件上讲，包括：罗哥夫斯基线圈、电流采样电路、电压采样变换电路、模拟信号调理电路、模拟多路开关。

其中，罗哥夫斯基线圈即罗氏线圈(RogowskiCoil)，是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点，故其可应用于继电保护，可控硅整流，变频调速，电阻焊等信号严重畸变以及电炉、短路测试、雷电信号采集等大电流的场合。基于上述解释，无需将罗哥夫斯基线圈的结构做进一步限定本领域技术人员即可实现。

罗哥夫斯基线圈和电流采样电路将电流信号输入模拟信号调理电路，电压采样变换电路将电压信号输入模拟信号调理电路，模拟信号调理电路将模拟信号输入模拟多路开关转换为数字信号输入数据处理单元。

数据处理单元将输入的数字信号与预设的阈值进行比较，判断输电线路的状态，如有故障产生，能够根据由电压、电流等直接测量的模拟量转换而来的数字量进行判断，所属故障处理为断相、反相、欠压、过压、不平衡保护、逆功率保护还是接地保护，从而给出相应指令信号至脱扣执行单元。

从硬件上讲，数据处理单元包括微处理器、外围可编程器件、晶振时钟模块、看门狗电路，其中微处理器处理所输入的数字信号、并判断和/或输出相应的脱扣信号至脱扣执行单元，微处理器与外围可编程器件连接以调取存储数据和指令，晶振时钟模块包括晶振电路、实时时钟电路，用于提供时钟信号；看门狗电路的设置在程序跑飞时，可以在1.6s内产生低电平复位信号，让系统重新初始化执行，增强装置的抗干扰性。

脱扣执行单元包括驱动电路、永磁脱扣执行元件、继电器输出，其中驱动电路将脱扣信号输入永磁脱扣执行元件以完成脱扣操作。该部分可以采用本领域中已有的现有技术，可以实现脱扣操作。

供电电源包括交流电源电路、速饱和电源电路、直流电源电路，提供+5V、+12V、-12V和隔离+5V电源。

为方便用户根据不同的电路供电需求设置不同脱扣阈值，人机交互单元包括显示屏、键盘、指示灯、串行通信接口，其中，显示屏、指示灯分别与微处理器相应输出端口连接，键盘、串行通信接口分别与微处理器相应输入端口连接。

为实现远程监控、集中管理，远程通信单元与微处理器的相应通信端口连接，远程通信单元包括通信模块，根据各地应用推广和通信信号的覆盖情况，通信模块选自无线通信模块、GSM通信模块、3G通信模块或4G通信模块中的一种。在发生电路故障时，微处理器同时将设备所在地理位置、故障原因等信息通过通信模块传输至集控台。

根据需要，为进一步提供温度信息，所述具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置还包括温度测量电路，与微处理器相应输入端口连接。

最后，本发明公开了一种采用上述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置的应用，其特征在于，将其用于变电站。

本发明相比于现有技术中具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置具有以下技术效果：

(1)功能全面，实现同时具备多路低压输电线路的断相、反相、欠压、过压、不平衡保护、逆功率保护和接地保护功能的低压断路器控制装置，即提供一种功能全面、成本较低的低压断路器控制装置。

(2)通用性强，具备人机交互单元包括显示屏、键盘、指示灯、串行通信接口，其中，显示屏、指示灯分别与微处理器相应输出端口连接，键盘、串行通信接口分别与微处理器相应输入端口连接，方便用户根据不同的电路供电需求设置不同脱扣阈值，降低了电路改造过程中对低压断路器的更换成本。

(3)便于远程监控。通信模块的引入，有利于工程管理、安全监控等部门在第一时间获知故障发生位置及故障原因，便于做出维修决策，尤其是无人值守的远端低压线路，能够最大限度的降低巡检成本。

附图说明

图1为本发明中具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置的结构示意图。

图2为本发明中具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置的罗哥夫斯基线圈测量电流的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及其技术效果更加清楚、明确，下面结合图1-2对本发明具体实施方式做进一步详述。应当理解，下述具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，为本具体实施方式中一种具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置的结构示意图。从功能分区上讲，该装置包括：模拟信号采集单元(用于采集模拟信号)、数据处理单元(用于对数字信号的处理)、人机交互单元(用于相应量的输入与输出)、脱扣执行单元(用于执行脱扣操作)和供电电源(用于供电)。

具体的，模拟信号采集单元用于采集输电线路中的电流和电压信号，从硬件上讲，包括：罗哥夫斯基线圈(未在图1中示出，参见图2为其等效电路图)、电流采样电路(未在图1中示出)、电压采样变换电路1]、模拟信号调理电路12、模拟多路开关13。罗哥夫斯基线圈和电流采样电路将电流信号输入模拟信号调理电路12，电压采样变换电路11将电压信号输入模拟信号调理电路12，模拟信号调理电路12将模拟信号输入模拟多路开关13转换为数字信号输入数据处理单元。

数据处理单元将输入的数字信号与预设的阈值进行比较，判断输电线路的状态，如有故障产生，能够根据由电压、电流等直接测量的模拟量转换而来的数字量进行判断，所属故障处理为断相、反相、欠压、过压、不平衡保护、逆功率保护还是接地保护，从而给出相应指令信号至脱扣执行单元。

从硬件上讲，数据处理单元包括微处理器21、外围可编程器件22、晶振时钟模块、看门狗电路23，其中微处理器处理21所输入的数字信号、并判断和/或输出相应的脱扣信号至脱扣执行单元，微处理器21与外围可编程器件22连接以调取存储数据和指令，晶振时钟模块包括晶振电路24、实时时钟电路25，用于提供时钟信号；看门狗电路23的设置在程序跑飞时，可以在1.6s内产生低电平复位信号，让系统重新初始化执行，增强装置的抗干扰性。

脱扣执行单元包括驱动电路31、永磁脱扣执行元件32、继电器输出33，其中驱动电路31将脱扣信号输入永磁脱扣执行元件32以完成脱扣操作。该部分可以采用本领域中已有的现有技术，可以实现脱扣操作。

为方便用户根据不同的电路供电需求设置不同脱扣阈值，人机交互单元包括显示屏41、键盘42、指示灯43、串行通信接口44，其中，显示屏41、指示灯43分别与微处理器21相应输出端口连接，键盘42、串行通信接口44分别与微处理器21相应输入端口连接。为进一步提供串行通信的抗干扰性，在串行通信接口44和微处理器21的输入端口之间还设置光电隔离器45。

供电电源包括交流电源电路51、速饱和电源电路52、直流电源电路53，提供+5V、+12V、-12V和隔离+5V电源。根据需要，为进一步提供温度信息，所述具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置还包括温度测量电路61，与微处理器相应输入端口连接21。

为实现远程监控、集中管理，远程通信单元71与微处理器的相应通信端口连接，远程通信单元71包括通信模块，根据各地应用推广和通信信号的覆盖情况，通信模块选自无线通信模块、GSM通信模块、3G通信模块或4G通信模块中的一种。在发生电路故障时，微处理器同时将设备所在地理位置、故障原因等信息通过通信模块传输至集控台。

参见附图2，为本发明中罗哥夫斯基线圈测量电流的等效电路图，罗哥夫斯基线圈的制作工艺与其测量灵敏度与结构参数的稳定性有密切联系，因此需对其做出合理设计。在传感器的制作工艺中，主要包括罗哥夫斯基线圈的绕线材料、环形骨架材料、以及线圈抗干扰的设计等。根据实际需要，本领域技术人员可以对相应参数进行选择，在现有的在售商品化罗哥夫斯基线圈中做出选择。而电流采样电路也是常规的电路，不再赘述。

由此可见，本发明具有功能全面、通用性强和成本较低的特点，实现同时具备多路低压输电线路的断相、反相、欠压、过压、不平衡保护、逆功率保护和接地保护功能的低压断路器控制装置，即提供一种功能全面、成本较低的低压断路器控制装置。具备人机交互单元包括显示屏、键盘、指示灯、串行通信接口，其中，显示屏、指示灯分别与微处理器相应输出端口连接，键盘、串行通信接口分别与微处理器相应输入端口连接，方便用户根据不同的电路供电需求设置不同脱扣阈值，降低了电路改造过程中对低压断路器的更换成本。通信模块的引入，有利于工程管理、安全监控等部门在第一时间获知故障发生位置及故障原因，便于做出维修决策，尤其是无人值守的远端低压线路，能够最大限度的降低巡检成本。

应当理解的是，本发明的结构、应用、具体部件的选用等等不限于上述的举例，对本领域技术人员来书，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，该装置包括：模拟信号采集单元、数据处理单元、人机交互单元、脱扣执行单元、远程通信单元和供电电源；所述模拟信号采集单元包括：罗哥夫斯基线圈、电流采样电路、电压采样变换电路、模拟信号调理电路、模拟多路开关，其中罗哥夫斯基线圈和电流采样电路将电流信号输入模拟信号调理电路，电压采样变换电路将电压信号输入模拟信号调理电路，模拟信号调理电路将模拟信号输入模拟多路开关转换为数字信号输入数据处理单元；所述数据处理单元包括微处理器、外围可编程器件、晶振时钟模块、看门狗电路，其中微处理器处理所输入的数字信号、并判断和/或输出相应的脱扣信号至脱扣执行单元，微处理器与外围可编程器件连接以调取存储数据和指令；所述脱扣执行单元包括驱动电路、永磁脱扣执行元件、继电器输出，其中驱动电路将脱扣信号输入永磁脱扣执行元件以完成脱扣操作；所述远程通信单元与微处理器相应的通信端口连接，远程通信单元包括通信模块。

2.根据权利要求1所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，所述电流采样电路包括整流模块、滤波模块、电压比较模块和单稳态输出模块。

3.根据权利要求1所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，所述单稳态输出模块包括555定时器。

4.根据权利要求1所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，所述电压比较模块包括积分电路和与其输入端连接的瞬态抑制二极管。

5.根据权利要求1所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，所述供电电源包括交流电源电路、速饱和电源电路、直流电源电路，提供+5V、+12V、-12V和隔离+5V电源。

6.根据权利要求1所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，所述人机交互单元包括显示屏、键盘、指示灯、串行通信接口，其中，显示屏、指示灯分别与微处理器相应输出端口连接，键盘、串行通信接口分别与微处理器相应输入端口连接。

7.根据权利要求1所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，所述具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置还包括温度测量电路，与微处理器相应输入端口连接。

8.根据权利要求1所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置，其特征在于，所述通信模块选自无线通信模块、GSM通信模块、3G通信模块或4G通信模块中的一种。

9.一种采用如权利要求1-8所述的具有远程监控功能的自动低压断路器控制装置的应用，其特征在于，将其用于变电站。