CN106684832B - 一种集成保护电流采样和电源的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种集成保护电流采样和电源的系统属于继电保护领域，该系统包括：电流主回路控制模块、多路电流动态采集模块、有源开出开入模块、标准通讯模块、人机交互模块和主CPU模块，各个模块分别与主CPU模块相连。本发明的集成保护系统，可选择自供电即由电流互感器取电的方式，免除因安装直流屏或UPS而带来的额外负担；并仅采用普通2线输出的一次电流互感器，保护电流和电源均通过每相2根线就能完成该系统的保护工作。满足在无需电源且需要保护功能的场所中，可配合断路器完全取代熔断器加负荷隔离开关的保护模式，可显著提高配电网负载保护功能，既降低电力成本又增加电力系统的稳定性，实用性更强。
Description
技术领域
本发明属于电力系统的继电保护领域，具体涉及一种集成保护电流采样和电源的系统。
背景技术
目前，为了适应电力系统的快速化、智能化发展，达到低成本，高可靠性的目的，需要配合使用继电保护装置。在国内电力电网中无需电源且需要保护功能的场所中，现有的具有保护电流和电源的继电保护装置，主要采用的方案为增加一次电流互感器的绕制难度，使其输出2路独立的电流或者电压；这就导致了相应的继电保护装置也必须分成两路分别采样电流和供电电源，方能正常工作。因此，上述现有的方案中仍存在以下不足：
其一，增加了一次互感器的绕制难度；
其二，现有保护系统稳定性不够，为电力系统添加了隐患；
其三，因为多路的电流或者电压输出也意味着电力系统故障率增加了一倍，同时外部引线也由每相2根增加到4根，增加了电力系统的成本，装置的多路电流引入也增加了成本和故障率。
所以既要达到降低电力成本又要增加电力系统的稳定性，必须采用本发明的集成保护电流采样和电源的系统的技术方案。该技术方案中仅仅采样普通的2线输出的一次电流互感器，保护电流和电源均通过每相2根线完成了装置的保护工作。对于6～35kV开闭所，配电所、环网柜等无电源且需要保护功能的场所，可配合断路器完全取代熔断器加负荷隔离开关的保护模式，可显著提高配电网负载保护功能；而且装置可以选择自供电即由电流互感器取电的方式，免除因安装直流屏或UPS而带来的额外负担。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种集成保护电流采样和电源的系统，满足在无需电源且需要保护功能的场所中，可配合断路器完全取代熔断器加负荷隔离开关的保护模式，可显著提高配电网负载保护功能，免除因安装直流屏或UPS而带来的额外负担。既降低电力成本又增加电力系统的稳定性，实用性更强。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种集成保护电流采样和电源的系统，包括电流主回路控制模块、多路电流动态采集模块、有源开出开入模块、标准通讯模块、人机交互模块和主CPU模块，所述电流主回路控制模块、多路电流动态采集模块、有源开出开入模块、标准通讯模块、人机交互模块分别与主CPU模块连接，其中：所述电流主回路控制模块包括二线整流采集回路和稳压隔离回路；
所述二线整流采集回路包括整流桥4BD1、IGBT 5V1、IGBT 5V2、大功率电阻4R1、大功率电阻4R2、瞬态抑制管4D1、高频滤波电容4C1和防雷管4RE1；I0 /I0＇端口分别与整流桥4BD1的交流输入端正引脚、负引脚连接，整流桥4BD1的直流输出端正引脚与IGBT 5V1连接，IGBT 5V1与IGBT 5V2并联， IGBT 5V1与大功率电阻4R2连接，大功率电阻4R2与大功率电阻4R1并联，大功率电阻4R1的一端与瞬态抑制管4D1的正引脚连接，另一端与整流桥4BD1的直流输出端负引脚连接，瞬态抑制管4D1的正、负引脚之间并联有高频滤波电容4C1，防雷管4RE1并联于I0 /I0＇端口之间，大功率电阻4R2和IGBT 5V2分别接地；
所述稳压隔离回路包括二极管D2、二极管D3、电容C1、电容C2、三极管 5V4、稳压管5D1、稳压管5D2和电阻5R3、电阻5R4、电阻5R5；二极管D2与二极管D3串联，二极管D3的负引脚与电容C1的正引脚连接，电容C1的负引脚接地，电容C1与电容C2并联，二极管D3的负引脚与三极管5V4的发射极E连接，三极管5V4的发射极E和基极B之间并联有电阻5R3，三极管5V4的基极B与稳压管5D1的负引脚连接，稳压管5D1的正引脚与电阻5R4连接，电阻5R4接地，三极管5V4的集电极C与电阻5R5连接，电阻5R5与稳压管5D2的负引脚连接，稳压管5D2的正引脚接地；
所述多路电流动态采集模块包括动态采样回路和RC滤波回路，所述动态采样回路，用于准确快速地采样电力系统的ABC相信号，并将每一项电力信号分解为多路电力信号，所述RC滤波回路，用于在每一路中滤波干扰信号；
所述有源开出开入模块包括出口回路，所述出口回路包括出口控制回路和2个并联出口回路，所述出口控制回路控制2个并联出口回路，出口控制回路与主CPU模块连接；
所述标准通讯模块包括通讯回路，所述通讯回路用于与其他系统组网；
所述人机交互模块，用于和主CPU模块之间进行信息的交流与通信，方便各模块之间的管理；
所述主CPU模块，用于输出指令对各个模块进行控制。
进一步的，所述RC滤波回路包括一级RC滤波回路和二级RC滤波回路，所述动态采样回路包括运放芯片IU1，运放芯片IU1的前端与一级RC滤波回路连接，其后端连接有二级RC滤波回路，一级RC滤波回路和二级RC滤波回路均包括若干个大功率电阻、电容。
进一步的，所述出口回路包括三极管6V42，三极管6V42的发射极E和基极B均连接有并联出口回路，三极管6V42的发射极E与可控三极管6V43的基极B连接，可控三极管6V43的集电极C与二极管6D42的正引脚连接，二极管6D42与二极管6D43串联，二极管6D43与可变电阻器RV1并联；所述三极管6V42的基极B与稳压管6D41的负引脚连接，稳压管6D41的正引脚与三极管6V41的集电极C连接，三极管6V41的发射极E接地。
进一步的，所述大功率电阻4R1、大功率电阻4R2均为1欧姆5瓦电阻。
进一步的，所述IGBT 5V1、IGBT 5V2均为二线大功率IGBT。
进一步的，所述动态采样回路为8路采样。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明一种集成保护电流采样和电源的系统，可配合断路器完全取代熔断器加负荷隔离开关的保护模式，可显著提高配电网负载保护功能。该系统组成的保护装置，突破了传统的采用一次互感器提取保护装置电源的4线方案，采用了2线制的集成整流与保护采样的方案，实现了真正意义上的电力的无源保护；既降低电力成本又增加电力系统的稳定性，实用性更强。
1、该系统可以选择自供电即由电流互感器取电的方式，免除因安装直流屏或UPS而带来的额外负担；
2、本发明仅仅采用普通的2线输出的一次电流互感器，保护电流和电源均通过每相2根线就能完成该系统的保护工作，大大降低了电力系统的硬件成本，而且也大大降低了电力系统出现的故障率，实用性更强。
附图说明
图1为本发明中各回路的连接流程示意图；
图2为本发明中二线整流采集回路的电路原理图；
图3为本发明中稳压隔离回路的电路原理图；
图4为本发明中动态采样回路的电路原理图；
图5为本发明中RC滤波回路的电路原理图；
图6为本发明中出口回路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明最佳实施例来作为参考，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，本发明一种集成保护电流采样和电源的系统，包括电流主回路控制模块、多路电流动态采集模块、有源开出开入模块、标准通讯模块、人机交互模块和主CPU模块，所述电流主回路控制模块、多路电流动态采集模块、有源开出开入模块、标准通讯模块、人机交互模块分别与主CPU模块连接；如图1中各回路的连接流程示意图所示，整个系统采用模块化组装方案，各个模块里的多个回路相互紧密配合，完成了该系统的集中保护电流采样和电源的目的；其中，整个壳体由后插拔方式组成，方便维护，整体的金属壳体构造也增加了电磁兼容性能；其中：所述电流主回路控制模块包括二线整流采集回路和稳压隔离回路；
如图2所示，图中标记的1、2、3、4分别表示元器件的正、负引脚，1处为正引脚，2处为负引脚；图2-6中可以以此类推，特此说明；
所述二线整流采集回路包括整流桥4BD1、IGBT 5V1、IGBT 5V2、大功率电阻4R1、大功率电阻4R2、瞬态抑制管4D1、高频滤波电容4C1和防雷管4RE1；其中，IGBT为绝缘栅双极晶体管，I0 /I0＇端口表示I0 I0＇输入/输出；I0 /I0＇端口分别与整流桥4BD1的交流输入端正引脚、负引脚连接，整流桥4BD1的直流输出端正引脚与IGBT 5V1连接，IGBT 5V1与IGBT 5V2并联， IGBT 5V1与大功率电阻4R2连接，大功率电阻4R2与大功率电阻4R1并联，大功率电阻4R1的一端与瞬态抑制管4D1的正引脚连接，另一端与整流桥4BD1的直流输出端负引脚连接，瞬态抑制管4D1的正、负引脚之间并联有高频滤波电容4C1，防雷管4RE1并联于I0 /I0＇端口之间，大功率电阻4R2和IGBT 5V2分别接地；如图2所示，所述二线整流采样回路采样大功率，抗高压的元器件，他可以把电力系统的50Hz交流信号转变为半波的直流信号，直流信号通过大功率的IGBT元器件，在通过1欧姆5瓦的大电阻组成一个回路；如图2中所示，2线电流从I0 I0’输入/输出,经过4BD1整流桥后，信号由交流变换为直流信号，直流信号进过并联的IGBT 5V1和IGBT 5V2的IGBT后形成高频震荡的直流信号，此直流信号再经过并联的大功率电阻4R1和大功率电阻4R1后，再经过整流桥输出构成这个电气回路；而整个回路中为了增强抗干扰性，在I0 I0’处并联了4RE1防雷管，直流信号中又并联了4D1瞬态抑制管和高频滤波电容4C1；二线整流采样回路采用了大功率、大电流的元器件，其中引入的高频IGBT元器件的控制回路采用了硬件控制与软件控制相互配合的方案，确保了保护主回路的正常运行；高频隔离的元器件采用的多级串联方式，这样不仅可以增加功率，而且可以抗住4级电力干扰信号；突破了传统的采用互感器提取保护装置电源的4线方案。
如图3所示，所述稳压隔离回路包括二极管D2、二极管D3、电容C1、电容C2、三极管5V4、稳压管5D1、稳压管5D2和电阻5R3、电阻5R4、电阻5R5；二极管D2与二极管D3串联，二极管D3的负引脚与电容C1的正引脚连接，电容C1的负引脚接地，电容C1与电容C2并联，二极管D3的负引脚与三极管5V4的发射极E连接，三极管5V4的发射极E和基极B之间并联有电阻5R3，三极管5V4的基极B与稳压管5D1的负引脚连接，稳压管5D1的正引脚与电阻5R4连接，电阻5R4接地，三极管5V4的集电极C与电阻5R5连接，电阻5R5与稳压管5D2的负引脚连接，稳压管5D2的正引脚接地；如图3所示，稳压隔离回路采用二线直流后的电信号，回路串联二极管，主要为隔离前后的高频震荡的直流信号与后端的稳定直流信号，直流信号的产生有三极管回路启动，启动的信号值有三极管旁的稳压管决定，即一旦有信号产生则就产生稳定的直流值；如图3所示，二极管D2与二极管D3前段信号为高频震荡直流信号，后极为稳定的直流24V信号，此24V信号由电阻5R3、电阻5R4、稳压管5D1和三极管5V4组成，其中为了稳定三极管5V4短脚2的电平信号为一稳定的低电平，则必须采用后接稳压管5D2稳压，其中串联的电阻5R5起限流的作用；电路中为了保证24V的直流稳定，需要滤出多余的谐波，而电容C1和电容C2则分别滤除高频谐波和低频谐波；
如图4-5所示，所述多路电流动态采集模块包括动态采样回路和RC滤波回路，所述动态采样回路，用于准确快速地采样电力系统的ABC相信号，并将每一项电力信号分解为多路电力信号，所述RC滤波回路，用于在每一路中滤波干扰信号；动态采样回路为模拟多路元器件，他可以准确的反映出前后的模拟信号，保证不失真，而控制的8路信号，保证了信号的不削峰；每一路的RC回路的作用为信号的干扰信号的滤波作用，保证信号的精确度；
如图6所示，所述有源开出开入模块包括出口回路，所述出口回路包括出口控制回路和2个并联出口回路，所述出口控制回路控制2个并联出口回路，出口控制回路与主CPU模块连接；即出口回路，它由2个并联出口，均由大功率元器件组成，出口并联的防雷管可以起到防干扰的作用，出口的控制信号为三极管，起开关控制作用，关键点是为了保证出口的准确性，在出口回路前段有一个出口启动开关，此开关有一个可控的三极管组成，正确的动作顺序为：先控制启动开关动作，然后再控制出口开关动作；
所述标准通讯模块包括通讯回路，所述通讯回路提供通用的标准Modbus规约，方便于与其他系统组网；
所述人机交互模块，用于和主CPU模块之间进行信息的交流与通信，方便各模块之间的管理；
所述主CPU模块，用于输出指令对各个模块进行控制。
进一步优化，所述RC滤波回路包括一级RC滤波回路和二级RC滤波回路，所述动态采样回路包括运放芯片IU1，运放芯片IU1的前端与一级RC滤波回路连接，其后端连接有二级RC滤波回路，一级RC滤波回路和二级RC滤波回路均包括若干个大功率电阻、电容。如图4所示，运放芯片IU1有16个引脚，第7、8引脚VEE、VSS均接地，第16引脚VDD接0.3V电压并串联一个电容C6，电容C6的负引脚接地；运放芯片IU1的第1-6引脚、第9-15引脚分别连接有大功率电阻、电容，进而组成RC滤波回路；该回路中采用了高阻抗、低零漂和高精度的运放芯片，并且为了保证信号的精确度，运放芯片的前后分别采用了一级RC和二级RC滤波回路。
进一步优化，所述出口回路包括三极管6V42，三极管6V42的发射极E和基极B均连接有并联出口回路，三极管6V42的发射极E与可控三极管6V43的基极B连接，可控三极管6V43的集电极C与二极管6D42的正引脚连接，二极管6D42与二极管6D43串联，二极管6D43与可变电阻器RV1并联；所述三极管6V42的基极B与稳压管6D41的负引脚连接，稳压管6D41的正引脚与三极管6V41的集电极C连接，三极管6V41的发射极E接地。出口回路全部采用了大功率元器件，为了增加出口动作的准确性，本系统采用了增加出口启动信号相，即只有出口启动后，方可再有有源的低电平24V的电压出口信号输出，从而驱动一次回路的断路器跳闸。
进一步优化，所述大功率电阻4R1、大功率电阻4R2均为1欧姆5瓦电阻。
进一步优化，所述IGBT 5V1、IGBT 5V2均为二线大功率IGBT。
进一步优化，所述动态采样回路为8路采样。为了准确的快速采样电力系统的A BC相信号，本装置采用了多路模拟开关元器件，他可以快读的把每一项电力信号，分解为8段电力信号，这样就可以更加精确的反映电力信号的小电流和大电流的电流值，每一个小段的电力信号的采样都是精确的，这样就提高了电流的精度等级，保证了电力系统的动作灵敏性。
本发明一种集成保护电流采样和电源的系统，其主要的工作流程为：二线整流采集回路为抗干扰强电设计，即为整流也为采样回路；后续分出稳压隔离回路，给整改系统提供可靠电源；分出的动态采样回路供给主CPU精确采样，然后，主CPU根据人机交互模块的定值和时间，控制出口回路；通讯回路提供通用的标准Modbus规约，方便与其他系统组网。
Claims (6)
1.一种集成保护电流采样和电源的系统，其特征在于：包括电流主回路控制模块、多路电流动态采集模块、有源开出开入模块、标准通讯模块、人机交互模块和主CPU模块，所述电流主回路控制模块、多路电流动态采集模块、有源开出开入模块、标准通讯模块、人机交互模块分别与主CPU模块连接，其中：所述电流主回路控制模块包括二线整流采集回路和稳压隔离回路；
所述二线整流采集回路包括整流桥4BD1、IGBT 5V1、IGBT 5V2、大功率电阻4R1、大功率电阻4R2、瞬态抑制管4D1、高频滤波电容4C1和防雷管4RE1；I0 /I0＇端口分别与整流桥4BD1的交流输入端正引脚、负引脚连接，整流桥4BD1的直流输出端正引脚与IGBT 5V1连接，IGBT5V1与IGBT 5V2并联， IGBT 5V1与大功率电阻4R2连接，大功率电阻4R2与大功率电阻4R1并联，大功率电阻4R1的一端与瞬态抑制管4D1的正引脚连接，另一端与整流桥4BD1的直流输出端负引脚连接，瞬态抑制管4D1的正、负引脚之间并联有高频滤波电容4C1，防雷管4RE1并联于I0 /I0＇端口之间，大功率电阻4R2和IGBT 5V2分别接地；
所述稳压隔离回路包括二极管D2、二极管D3、电容C1、电容C2、三极管 5V4、稳压管5D1、稳压管5D2和电阻5R3、电阻5R4、电阻5R5；二极管D2与二极管D3串联，二极管D3的负引脚与电容C1的正引脚连接，电容C1的负引脚接地，电容C1与电容C2并联，二极管D3的负引脚与三极管5V4的发射极E连接，三极管5V4的发射极E和基极B之间并联有电阻5R3，三极管5V4的基极B与稳压管5D1的负引脚连接，稳压管5D1的正引脚与电阻5R4连接，电阻5R4接地，三极管5V4的集电极C与电阻5R5连接，电阻5R5与稳压管5D2的负引脚连接，稳压管5D2的正引脚接地；
所述多路电流动态采集模块包括动态采样回路和RC滤波回路，所述动态采样回路，用于准确快速地采样电力系统的ABC相信号，并将每一项电力信号分解为多路电力信号，所述RC滤波回路，用于在每一路中滤波干扰信号；
所述有源开出开入模块包括出口回路，所述出口回路包括出口控制回路和2个并联出口回路，所述出口控制回路控制2个并联出口回路，出口控制回路与主CPU模块连接；
所述标准通讯模块包括通讯回路，所述通讯回路用于与其他系统组网；
所述人机交互模块，用于和主CPU模块之间进行信息的交流与通信，方便各模块之间的管理；
所述主CPU模块，用于输出指令对各个模块进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种集成保护电流采样和电源的系统，其特征在于：所述RC滤波回路包括一级RC滤波回路和二级RC滤波回路，所述动态采样回路包括运放芯片IU1，运放芯片IU1的前端与一级RC滤波回路连接，其后端连接有二级RC滤波回路，一级RC滤波回路和二级RC滤波回路均包括若干个大功率电阻、电容。
3.根据权利要求1所述的一种集成保护电流采样和电源的系统，其特征在于：所述出口回路包括三极管6V42，三极管6V42的发射极E和基极B均连接有并联出口回路，三极管6V42的发射极E与可控三极管6V43的基极B连接，可控三极管6V43的集电极C与二极管6D42的正引脚连接，二极管6D42与二极管6D43串联，二极管6D43与可变电阻器RV1并联；所述三极管6V42的基极B与稳压管6D41的负引脚连接，稳压管6D41的正引脚与三极管6V41的集电极C连接，三极管6V41的发射极E接地。
4.根据权利要求1所述的一种集成保护电流采样和电源的系统，其特征在于：所述大功率电阻4R1、大功率电阻4R2均为1欧姆5瓦电阻。
5.根据权利要求1所述的一种集成保护电流采样和电源的系统，其特征在于：所述IGBT5V1、IGBT 5V2均为二线大功率IGBT。
6.根据权利要求1所述的一种集成保护电流采样和电源的系统，其特征在于：所述动态采样回路为8路采样。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 461000 new energy industrial park, Zhongyuan Electric Valley, Henan, Xuchang, Xuchang Applicant after: Xuchang smart relay Limited by Share Ltd Address before: 461000 new energy industrial park, Zhongyuan Electric Valley, Henan, Xuchang, Xuchang Applicant before: The Henan intelligent Science and Technology Co., Ltd. that permitted to continue |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Yongxiang Inventor after: Wang Tianyu Inventor after: Lei Wenbo Inventor after: Song Chengyu Inventor after: Zhang Yawei Inventor after: Cui Xiaofang Inventor after: Wu Yanyan Inventor after: Yin Shiru Inventor after: Guo Yongkai Inventor after: Cao Lei Inventor after: Zhang Wenjun Inventor after: Wang Hongliang Inventor after: Wang Zhankui Inventor after: Yang Weizhen Inventor after: Gao Pan Inventor after: Liu Bing Inventor after: Li Qinghai Inventor after: Peng Can Inventor before: Liu Yongxiang Inventor before: Gao Pan Inventor before: Zhang Wenjun Inventor before: Wang Hongliang Inventor before: Chen Longxing Inventor before: Wu Lifeng Inventor before: Xu Feng Inventor before: Zhang Juan Inventor before: Yang Weizhen Inventor before: Cui Guifu |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |