CN106855700A - 一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端 - Google Patents

一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端 Download PDF

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一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，包括MCU，MCU分别连接有信号采集模块、开关量输入输出模块、遥控模块、显示模块和移动通信模块，取柱上开关上的互感器为一级互感器，所述信号采集模块的采集端设置有二级互感器，二级互感器的一次侧与一级互感器的二次侧相连接，二级互感器的二次侧与MCU相连接；所述开关量输入输出模块由开出装置和开入装置组成，其中开出装置包括两个继电器，所述开入装置连接用于检测控制终端的开关状态、储能状态和远方操作方式；所述遥控模块通过无线收发装置与MCU相连接；所述MCU还连接有矩阵键盘；所述MCU通过移动通信模块与手持终端相连接。本发明能够自动故障判别和处理，自动识别线路短路和接地故障类型。

Description

一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，具体的说是一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端。
背景技术
配电网带电作业工作因线间距离短、网络结构复杂、施工环境复杂、人员素质参差不齐等因素，存在诸多安全隐患，不能满足电力用户对电能质量的要求。为了提高供电可靠性和送电率，需要以配电自动化为基础，通过电网上电气设备的配合尽量做到使用户感觉不到故障影响。然而，随着计算机技术、传感器技术和网络通信技术的发展以及电力系统中配网运行要求的提高，功能单一的一次设备在配电网络的应用中日益显示出其不便之处，因而从配电网系统的全局着眼，开发基于节点（终端）的智能一体化开关已势在必行。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种结构合理、可以自动数据采集、自动故障判别处理、远程管理的与配网线路中柱上开关配套的智能控制终端。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，包括MCU，MCU分别连接有信号采集模块、开关量输入输出模块、遥控模块、显示模块和移动通信模块，取柱上开关上的互感器为一级互感器，所述信号采集模块的采集端设置有二级互感器，二级互感器的一次侧与一级互感器的二次侧相连接，二级互感器的二次侧依此通过运算放大器和滤波器与MCU的A/D转换引脚相连接；所述开关量输入输出模块由开出装置和开入装置组成，其中开出装置包括两个继电器，继电器与MCU的I/O口和柱上开关相连接用于控制柱上开关分、合闸操作，所述开入装置与MCU的I/O口相连接用于检测控制终端的开关状态、储能状态和远方操作方式；所述遥控模块通过无线收发装置与MCU相连接；所述MCU还连接有矩阵键盘；所述MCU通过移动通信模块与手持终端相连接。
所述一级互感器和二级互感器均由三相电流互感器、零序电流互感器和电压互感器组成，其中三相电流互感器用于采集三相电流信号，零序电流互感器用于采集零序电流信号，电压互感器用于采集电压信号。
所述信号采集模块的电路结构为：所述二级互感器CT1的二次侧的两端之间并联有一个双向二极管TVS2、一个采样电阻R23和一个电容C21；所述二级互感器CT1的二次侧的一端在接入1.6V稳定电压之后与运算放大器D的输入端12相连接，二级互感器CT1的二次侧的另一端接定值电阻R7、定值电阻R19和滑动变阻器R20组成的放大电路，且定值电阻R7的电流流出端还与运算放大器D的输入端13相连接；所述滑动变阻器R20的电流流出端与运算放大器D的输出端14连接后再接一个定值电阻R12，定值电阻R12的电流流出端为Vout端并且与MCU的A/D转换引脚相连接；所述定值电阻R19的电流流入端和滑动变阻器R20的电流流出端之间还连接有电容C15和定值电阻R15组成的补偿电路；所述运算放大器D的输入电压为5V；所述定值电阻R12的电流流出端还通过电容C7接地，R12和C7组成RC滤波器，滤除高频信号。
所述开入装置和开出装置均通过光电隔离装置与MCU相连接。
所述遥控模块上设置有四个按键。
所述远方操作方式包括手持终端操作方式和遥控操作方式。
所述手持终端为手机。
有益效果：
1、本发明能够自动采集线路电压、电流及开关状态信息，自动故障判别和处理，自动识别线路短路和接地故障类型，完成线路故障监测、隔离及非故障区段恢复供电功能，提高实时性和可靠性；
2、在信号采集模块中设置1.6V稳压电源，能够对采集到的正弦波信号进行抬升使电压范围转换至0~3.3V，提高采样精度；
3、信号采集模块的放大倍数灵活可调，能够通过滑动变阻器进行调整，适用范围广泛；
4、支持GPRS无线通信，提供包括远方操作方式和直接操作方式，使用更为灵活；
5、能够根据不同柱上开关的类型和工作情况对预设参数灵活调整，适用范围更加广泛。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是MCU引脚示意图；
图3是三相电流信号采集模块电路图；
图4是遥控模块电路示意图；
图5是显示模块电路图；
图6是开出装置电路图；
图7是开入装置电路图；
图8是本发明控制流程图。
具体实施方式
下面根据附图具体说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，包括MCU，MCU分别连接有信号采集模块、开关量输入输出模块、遥控模块、显示模块和移动通信模块，取柱上开关上的互感器为一级互感器，所述信号采集模块的采集端设置有二级互感器，二级互感器的一次侧与一级互感器的二次侧相连接，二级互感器的二次侧依此通过运算放大器和滤波器与MCU的A/D转换引脚相连接；所述开关量输入输出模块由开出装置和开入装置组成，其中开出装置包括两个继电器，继电器与MCU的I/O口和柱上开关相连接用于控制柱上开关分、合闸操作，所述开入装置与MCU的I/O口相连接用于检测控制终端的开关状态、储能状态和远方操作方式；所述遥控模块通过无线收发装置与MCU相连接；所述MCU还连接有矩阵键盘；所述MCU通过移动通信模块与手持终端相连接。
所述一级互感器和二级互感器均由三相电流互感器、零序电流互感器和电压互感器组成，其中三相电流互感器用于采集三相电流信号，零序电流互感器用于采集零序电流信号，电压互感器用于采集电压信号。
所述开入装置和开出装置均通过光电隔离装置与MCU相连接，光电隔离装置选择为光耦。
所述远方操作方式包括手持终端操作方式和遥控操作方式。所述遥控模块上设置有四个按键，用于通过遥控的方式对智能控制终端进行操作。所述手持终端为手机，用于实时显示柱上开关和智能控制终端的状态。
所述MCU还连接有矩阵键盘，用于对智能控制装置的各种预定义参数进行设定。
所述智能控制终端对柱上开关的合闸和跳闸操作通过储能电机驱动，储能电机由开出装置的两个继电器控制。
本发明的具体工作原理如下。
如图2至图7所示。所述信号采集模块的电路结构为：所述二级互感器CT1的二次侧的两端之间并联有一个双向二极管TVS2、一个采样电阻R23和一个电容C21；所述二级互感器CT1的二次侧的一端在接入1.6V稳定电压之后与运算放大器D的输入端12相连接，通过增加1.6V的稳定电压，能够采集到正负信号并使其集中在0~3.3V之间，即输出端为正时其值加上1.6V，输出端为负时其值减去1.6V，输出端电压为0时其值为1.6V，提高了采集精度，防止出现负信号无法采集的情况出现。二级互感器CT1的二次侧的另一端接定值电阻R7、定值电阻R19和滑动变阻器R20组成的放大电路，放大倍数；且定值电阻R7的电流流出端还与运算放大器D的输入端13相连接；所述滑动变阻器R20的电流流出端与运算放大器D的输出端14连接后再接一个定值电阻R12，定值电阻R12的电流流出端为Vout端并且与MCU的A/D转换引脚相连接；所述定值电阻R19的电流流入端和滑动变阻器R20的电流流出端之间还连接有电容C15和定值电阻R15组成的补偿电路；所述运算放大器D的输入电压为5V；所述定值电阻R12的电流流出端还通过电容C7接地，R12和C7组成RC滤波器，滤除高频信号。具体的参数为：采样电阻R23为100Ω，C21位100pF，R7位7.5kΩ，R19为20kΩ，R20的变化范围是1k~30kΩ，R12为7.5kΩ，C15为100pF，R15为10kΩ。作为优选，CT1采用ZMCT101B，运算放大器D采用LM324AD。
所述一级互感器的二次侧和二级互感器的一次侧直接相连，所以在这两侧的电流或者电压是相等的，因此取这两侧的三相电流为IA、IB、IC，零序电流为IO，电压为U；取一级互感器的一次侧三相电流为IA1、IB1、IC1，零序电流为IO1，电压为U1。因为IA、IB、IC、IO和U的数值都比较小，因此增加运算放大器将这几个信号放大为0～3.3V的模拟信号。作为优选，所述运算放大器对IA、IB、IC和IO的放大倍数为5倍，对U的放大倍数为6倍。如图所示，放大倍数可以通过调节滑动变阻器R20进行调整。具体的计算方法为：
。
其中VOUTA、VOUTB、VOUTC、VOUTO和VOUTU为信号采集装置输出至MCU的A/D转换引脚的电压信号，1.6、0.25和0.012几个参数由电路中的各个器件的参数计算得出，不再赘述。
根据一级互感器的二次侧的参数IA、IB、IC、IO和U五路信号以及一级互感器的变比可以计算出一级互感器的一次侧的参数，以Q1表示一级三相电流互感器的变比，以Q2表示一级零序电流互感器的变比，以Q3表示一级电压互感器的变比，则互感器的高压侧的参数分别表示为：IA1=Q1*IA、IB1=Q1*IB、IC1=Q1*IC、IO1=Q2*IO、U1=Q3*U。根据所选原件和使用环境，所述三个变比Q1、Q2和Q3通过矩阵键盘进行设置，并通过显示装置将变比数值存储在MCU的存储器中。考虑到IA、IB、IC、IO和U五路信号在进入MCU时均经过放大，因此在确定变比Q1、Q2和Q3的时候要考虑到放大倍数。
在进行A/D转换过程中，采样频率fs频设置为600Hz，则在50Hz的电路中，每个电源周期采样12点。所述IA1、IB1、IC1、IO1和U1五路参数分别存储在IA1[12]、IB1[12]、IC1[12]、IO1[12]和U1[12]五个数组中，利用这五个数组，分别与MCU的存储器中预设的值进行对比，得到柱上开关的运行状态，如果发生了故障，则通过MCU控制所述开出装置的两个继电器K1和K2来控制柱上开关的连通状态。K1、K2为一组常开继电器，MCU通过I/O口P08、P09、P10与继电器K1、K2相连接。当将P08置低“0”，P09置高“1”，P10置低“0”时，K1继电器启动，实现分界开关的合闸操作；当P08置高“1”P09置低“0”P10置高“1”时，K2继电器启动，实现分界开关的分闸操作。该设计实现继电器K1、K2的互锁。所处理的故障类型、处理方式和触发条件如表1所示。在表1中，三相电流IA、IB、IC统一表示为Id，零序电流值表示为Ido。
表1
在跳闸之后，智能控制终端设置三次重合闸（即故障引起的柱上开关跳闸，经过一段时间T后，尝试自动合闸），重合闸时间人为设定，通过矩阵键盘输入，单位为毫秒ms。重合闸类型和时间如表2所示。其中时间T3>T2>T1，重合闸次数N由工作人员人为设定，通过矩阵键盘输入。N为1时只进行一次重合闸；N为2时，如果一次重合闸失败，可进行二次重合闸；N为3时可以进行3次重合闸。
表2
所述开入装置的开入量是指控制器外部经过接插件引入控制器的触点。以表示开关状态的部分为例对储能状态和远方操作方式的检测电路类似。其三个无源触电分别与MCU的I/O口P00、P01和P02相连接，开入电源接DC220V遥信电源的负端。具体的检测方式如表3所示，相应开入量为常开节点时，光耦OC1的3引脚将MCU的I/O口上拉至高电平，也即与开入量相连的MCU的相应引脚为高电平时，相应开入量为常开状态；相应开入量为常闭节点时，光耦OC1的3引脚将对应MCU的I/O口输入低电平，也即与开入量相连的MCU的相应引脚为低电平时，相应开入量为常闭状态。
表3
所述遥控模块为遥控器，在遥控器上设置有四个按键A、B、C、D，分别对应无线收发装置上的四个数据位输出脚D0、D1、D2、D3，四个数据位输出脚D0、D1、D2、D3分别与MCU的I/O口（引脚P11、P12、P13、P16）相连接。遥控器的工作方式采用点动输出方式，数据位脚输出的电平是瞬时的，而且和遥控器的发射端是否发射相对应，有遥控信号时数据脚是高电平，遥控信号消失时数据脚立即恢复为低电平。按遥控器相应按键发射信号，对应的数据位就会输出高电平，一松手就停止输出，恢复低电平。通过遥控器控制柱上开关（即遥控的远方操作方式）的方法为：合闸操作：先按“A”后按“B”键解锁，然后按“C”键合闸；跳闸操作：先按“A”后按“B”键解锁，然后按“D”键跳闸。
所述显示模块为液晶显示模块，采用J12864中文字库型液晶模块，采用SPI串行连接方式。CS接MCU的I/O口P07；SID接MCU的SPI的数据段P06；CLK接MCU的SPI的时钟端P04；RST接MCU的I/O口P18；LED_K接MCU的I/O口P15。
所述无线通信模块支持GPRS模式，实现MCU和手机的连接，当工作人员距离较远的时候，能够通过手机控制柱上开关（即手机控制的远方操作模式）。
所述矩阵键盘为16键键盘，其接口芯片采用BC7277芯片，采用标准的SPI串口连接。
为了能够生成完整的工作记录，MCU还设计有生成工作日志的功能，以备随时查看。
如图8所示，在使用开始前，根据柱上开关的类型以及线路的具体情况（如电流、电压等参数），由人工通过矩阵键盘进行初始化，具体设定的参数为：速断保护一次电流整定范围Is，限时电流速断保护一次电流整定值Ig，限时电流速断保护动作延时时间值Tg，定时电流速断保护一次电流整定值If，定时电流速断保护动作延时时间值Tf，瞬时零序保护一次电流整定范围Ix，限时零序速断保护一次电流整定范围Ip，限时零序速断保护保护动作延时时间值Tp，重合闸次数N，第一次重合时间T1，第二次重合时间T2，第三次重合时间T3。其中需要注意的是T1<T2<T3。初始化完成之后，本发明的工作流程如下。
步骤一、实时监测相电流互感器检测短路电流Id和零序电流互感器检测零序电流Io。
对于Id，如果Id>Ig，则进一步判断Id与Is的关系，若Id<Is则启动限时电流速断保护，经过时延Tg后跳闸，若Id>Is则启动速断保护并立即跳闸；如果Id≤Ig，则继续监测Id。
对于Io，如果Io>Ix，则进一步判断Id与Ip的关系，若Id>Ip则启动零序电流保护并经过时延Tp后跳闸；如果Io≤Ip，则继续监测Io。
步骤二、在发生跳闸之后，储能电机运作储合闸能，判断重合闸次数N是否大于0，如果是则经过时间延时T1后合闸并且储能电机运作储跳闸能，如果合闸成功则返回至步骤一，如果合闸失败则继续判断N是否大于1，如果是则经过时间延时T2后合闸并且储能电机运作储跳闸能，如果合闸成功则返回步骤一、合闸失败则继续判断N是否大于2，如果是则经过时间延时T3后合闸并且储能电机运作储跳闸能，合闸成功则返回步骤一、合闸失败则储能电机运作储合闸能。在判断N是否大于0、判断N是否大于1和判断N是否大于2三个过程中，如果结果为否的话都会使储能电机运作储合闸能。
步骤三、结束。

Claims (7)

1.一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，包括MCU，MCU分别连接有信号采集模块、开关量输入输出模块、遥控模块、显示模块和移动通信模块，取柱上开关上的互感器为一级互感器，其特征在于：
所述信号采集模块的采集端设置有二级互感器，二级互感器的一次侧与一级互感器的二次侧相连接，二级互感器的二次侧依此通过运算放大器和滤波器与MCU的A/D转换引脚相连接；
所述开关量输入输出模块由开出装置和开入装置组成，其中开出装置包括两个继电器，继电器与MCU的I/O口和柱上开关相连接用于控制柱上开关分、合闸操作，所述开入装置与MCU的I/O口相连接用于检测控制终端的开关状态、储能状态和远方操作方式；
所述遥控模块通过无线收发装置与MCU相连接；
所述MCU还连接有矩阵键盘；
所述MCU通过移动通信模块与手持终端相连接。
2.如权利要求1所述的一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，其特征在于：所述一级互感器和二级互感器均由三相电流互感器、零序电流互感器和电压互感器组成，其中三相电流互感器用于采集三相电流信号，零序电流互感器用于采集零序电流信号，电压互感器用于采集电压信号。
3.如权利要求1所述的一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，其特征在于：所述信号采集模块的电路结构为：所述二级互感器CT1的二次侧的两端之间并联有一个双向二极管TVS2、一个采样电阻R23和一个电容C21；所述二级互感器CT1的二次侧的一端在接入1.6V稳定电压之后与运算放大器D的输入端12相连接，二级互感器CT1的二次侧的另一端接定值电阻R7、定值电阻R19和滑动变阻器R20组成的放大电路，且定值电阻R7的电流流出端还与运算放大器D的输入端13相连接；所述滑动变阻器R20的电流流出端与运算放大器D的输出端14连接后再接一个定值电阻R12，定值电阻R12的电流流出端为Vout端并且与MCU的A/D转换引脚相连接；所述定值电阻R19的电流流入端和滑动变阻器R20的电流流出端之间还连接有电容C15和定值电阻R15组成的补偿电路；所述运算放大器D的输入电压为5V；所述定值电阻R12的电流流出端还通过电容C7接地，R12和C7组成RC滤波器，滤除高频信号。
4.如权利要求1所述的一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，其特征在于：所述开入装置和开出装置均通过光电隔离装置与MCU相连接。
5.如权利要求1所述的一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，其特征在于：所述遥控模块上设置有四个按键。
6.如权利要求1所述的一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，其特征在于：所述远方操作方式包括手持终端操作方式和遥控操作方式。
7.如权利要求1所述的一种用于配网线路柱上开关的智能控制终端，其特征在于：所述手持终端为手机。
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