CN106684831A - 一种中压短路电流快速识别与开断控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，包括传感器和控制器，传感器采用霍尔电流传感器，霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外，属非接触式测量，使霍尔电流传感器不与试验回路存在电气连接，同时，霍尔电流传感器的输出信号不需要进行高低压隔离，所述控制器包括信号采集模块、中央处理模块、触发信号输出模块、通信模块、人机交互模块。本发明还公开了一种控制方法。本发明能够测量中压断路器的稳态额定工作电流，也能测量快速上升的故障大电流，同时可以在300us内完成短路电流的监测识别并控制断路器动作，并且通过人机交互模块实现断路器状态参数和故障波形的实时显示、短路识别算法阀值的设定，本发明具有量程大、测量精度高、体积小、重量轻等优点，便于实现和广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，应用于机械开关和电力电子器件串并联组成的新型断路器的保护控制系统，特别涉及应用于机械开关和电力电子器件串并联组成的新型断路器的短路电流识别和开断控制装置，属于中压电气控制技术领域。
背景技术
中压系统中，供电线路较短导致各电源首端的短路电流和分支的短路电流相差不大；线路阻抗小使得短路电流幅值大，同时短路电流的上升速度很大，这是中压系统短路电流的显著特点。电力系统在发生短路故障时会产生巨大短路电流，这将对电气设备产生严重的危害，短路电流在电气设备中会产生高温和极大的电动力，巨大的短路电流会引起电压下降而严重损坏某些重要设备。因此短路故障将对系统的安全与稳定运行产生严重影响。随着供电系统功率的急剧增加，断路器切除系统短路故障的难度也大大增加，短路故障电流将对电网的稳定运行带来巨大威胁。
研究表明，在系统短路电流的上升阶段进行开断操作，对短路电流能够起到限流作用，同时，若能够在短路电流发生初期识别短路故障，有利于断路器切除系统短路故障。因此，针对短路电流快速识别技术的研究具有非常重要的现实意义。
目前，随着中压输电容量和电压等级的提高，采用传统的磁吹式灭弧方式的断路器从分断能力和分断速度上难以满足要求。近年来，随着半导体技术不断发展，利用电力电子器件的可控性，大容量的电力电子器件被广泛应用于开断领域，传统机械开关和电力电子器件串并联组成的新型断路器逐渐成为开断的研究热点。由于这类断路器通常具有复杂的拓扑结构，往往需要大量的电力电子器件串并联，因此相比于传统的机械式断路器状态信号更为复杂，在开断短路电流时需要专门的开断控制装置实现分断。综上所述，针对传统机械开关和电力电子器件串并联组成的新型断路器的短路电流识别和开断控制技术的研究将有效解决中压电力系统短路电流上升过快所引起的开断失败，同时提高中压电力系统的智能化水平，保证系统安全、稳定的运行。
传统的短路电流识别与开断装置主控电路通过不同的电流传感器采集短路电流信号进行判断从而控制断路器分闸，其不具有快速识别功能，同时对于断路器的状态不能实时监测。即便断路器能够受令即时分闸，也会因短路故障大电流的发生而导致用电设备受损。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中压短路电流快速识别与开断控制装置及其控制方法，通过本发明保证机械开关和电力电子器件串并联组成的新型断路器在短路故障电流的上升沿快速识别以及安全可靠分断。
本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，其特征在于：包括传感器和控制器；所述传感器采用霍尔电流传感器；所述控制器包括信号调理模块、AD转换模块、中央处理器FPGA、单片机ATmega128、光电隔离模块、开关量I/O模块、触发信号接口模块、RS485通信模块和人机交互模块；所述传感器、信号调理模块、AD转换模块、中央处理器FPGA、触发信号接口模块按照先后次序依次串联；所述中央处理器FPGA、单片机ATmega128经并行总线接口相联；所述开关量I/O模块、光电隔离模块、单片机ATmega128、RS485通信模块、人机交互模块按照先后次序依次串联。
所述控制器的信号采集模块由差分放大电路、滤波电路串联组成。
优选的，所述控制器的人机交互模块由LCD液晶屏、键盘串联组成。
优选的，所述控制器的触发信号接口模块由升压电路、脉冲放大器串联组成。
优选的，所述RS485通信模块与MODBUS通信协议组成管理层即上位PC机与设备层中压短路电流快速识别与开断控制装置即下位机的问答式通信。
本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，利用上述中压短路电流快速识别与开断控制装置进行识别的方法，包括以下步骤：
①所述霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外，实时在线监测断路器电流回路的电流值i并转换成电流模拟信号；
②来自霍尔电流传感器的电流模拟信号经信号调理模块的信号放大、滤波后传至AD转换模块；
③AD转换模块将电流模拟信号转换成电流数字信号，并传至中央处理器FPGA；
④中央处理器FPGA对电流数字信号经FIR滤波，DDL保护模块进行信号数据分析并根据预先设定的短路识别算法确定是否触发断路器快速分闸；
⑤触发断路器快速分闸时，在人机交互界面同时显示断路器的状态参数与故障波形并记录。
优选的，所述步骤①所述霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外属非接触测量，无需进行高低压隔离。
该电流测量系统使用霍尔电流传感器同时在额定工作电流情况与故障冲击大电流情况下进行测量。测量时的实际实施方法是：将霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外，属非接触式测量，与试验回路不存在电气连接，因而其抗干扰能力强，其绝缘性能易于实现。
上述霍尔电流传感器的测量信号经信号调理模块的信号放大、滤波，并经AD数模转换后送入中央处理器FPGA，在中央处理器FPGA中经FIR滤波及DDL分析后，向触发信号模块输入控制信号，驱动晶闸管动作，实现对晶闸管的开断控制，从而实现断路器的快速分闸。
本发明所述的中压短路电流快速识别与开断控制装置既能够测量中压断路器的稳态额定工作电流，也能测量快速上升的故障大电流，同时可以在300us内完成短路电流的监测识别并控制断路器动作，并且通过人机交互模块实现断路器状态参数和故障波形的实时显示、短路识别算法阀值的设定。本发明具有量程大、测量精度高、体积小、重量轻等优点，便于实现和广泛推广应用。
附图说明
图1为霍尔电流传感器测量电流原理图；
图2为这种中压短路电流快速识别与开断控制装置工作流程图。
具体实施方式
结合附图和实施例进一步详细说明本发明的结构和工作原理。本控制装置由霍尔电流传感器、控制器两部分构成。霍尔电流传感器用于测量待测导体的电流并转变为电流模拟量输出信号。如附图1所示，霍尔电流传感器套接在待测电流导体（例如铜排）外。根据电磁学理论，在通电直导线周围会产生感应磁场，且磁场强度B与所通电流的大小成正比。霍尔电流传感器主要是通过检测导体周围空间产生的磁场强度来间接测量流过导体的电流的大小。因传感器中铁芯内的磁感应强度与导体中所通电流的大小成线性关系，而又根据霍尔效应，传感器去输出感应电压与磁场大小成线性关系，故而传感器输出电压即在一定范围内可以精确地线性反应导线中电流的大小。这种电流测量方法中，霍尔传感器不与电路直接接触或连接，这种非接触式测量测量精度高，具有一定隔离作用。且针对更高电压等级，其绝缘问题也容易解决。
如附图2所示，控制器由信号调理模块、AD模数变换模块、中央处理器FPGA、单片机ATmega128、光电隔离模块、开关量I/O模块、触发信号接口模块、RS485通讯模块及人机交互模块(LCD液晶屏、键盘)等构成。霍尔电流传感器的测量信号通过信号调理模块放大、滤波后，经AD模数变换模块转换送入中央处理器FPGA，进行FIR滤波及DDL算法分析处理，将分析结果通过触发信号模块触发晶闸管动作从而实现断路器的快速分闸。同时，FPGA中央处理器的分析结果与断路器开关量通过并行总线接口采用RS-485串行通信标准实现上下位机之间的数据交换、远程监控、断路器工作状态的实时显示以及电流波形的存储。短路识别算法阀值可通过人机交互界面进行设定并写入控制器中。
利用上述中压短路电流快速识别与开断控制装置的控制方法，包括以下步骤：
①所述霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外，实时在线监测断路器电流回路的电流值i并转换成电流模拟信号；
②来自霍尔电流传感器的电流模拟信号经信号调理模块的信号放大、滤波后传至AD转换模块；
③AD转换模块将电流模拟信号转换成电流数字信号，并传至中央处理器FPGA；
④中央处理器FPGA对电流数字信号经FIR滤波，DDL保护模块进行信号数据分析并根据预先设定的短路识别算法确定是否触发断路器快速分闸；
⑤触发断路器快速分闸时，在人机交互界面同时显示断路器的状态参数与故障波形并记录。
优选的，所述步骤①所述霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外属非接触测量，无需进行高低压隔离。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，其特征在于：包括传感器和控制器；所述传感器采用霍尔电流传感器；所述控制器包括信号调理模块、AD转换模块、中央处理器FPGA、单片机ATmega128、光电隔离模块、开关量I/O模块、触发信号接口模块、RS485通信模块和人机交互模块；所述传感器、信号调理模块、AD转换模块、中央处理器FPGA、触发信号接口模块按照先后次序依次串联；所述中央处理器FPGA、单片机ATmega128经并行总线接口相联；所述开关量I/O模块、光电隔离模块、单片机ATmega128、RS485通信模块、人机交互模块按照先后次序依次串联。
2.根据权利要求1所述的一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，其特征在于：所述控制器的信号采集模块由差分放大电路、滤波电路串联组成。
3.根据权利要求1所述的一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，其特征在于：所述控制器的人机交互模块由LCD液晶屏、键盘串联组成。
4.根据权利要求1所述的一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，其特征在于：所述控制器的触发信号接口模块由升压电路、脉冲放大器串联组成。
5.根据权利要求1所述的一种中压短路电流快速识别与开断控制装置，其特征在于：所述RS485通信模块与MODBUS通信协议组成管理层即上位PC机与设备层中压短路电流快速识别与开断控制装置即下位机的问答式通信。
6.利用权利要求1所述的一种中压短路电流快速识别与开断控制装置的控制方法，其特征在于，所述识别方法包括以下步骤：
①所述霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外，实时在线监测断路器电流回路的电流值i并转换成电流模拟信号；
②来自霍尔电流传感器的电流模拟信号经信号调理模块的信号放大、滤波后传至AD转换模块；
③AD转换模块将电流模拟信号转换成电流数字信号，并传至中央处理器FPGA；
④中央处理器FPGA对电流数字信号经FIR滤波，DDL保护模块进行信号数据分析并根据预先设定的短路识别算法确定是否触发断路器快速分闸；
⑤触发断路器快速分闸时，在人机交互界面同时显示断路器的状态参数与故障波形并记录。
7.根据权利要求6所述的一种中压短路电流快速识别与开断控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤①所述霍尔电流传感器套在被测中压断路器电流回路导体外属非接触测量，无需进行高低压隔离。
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