CN107769171B - 一种自供电型智能电流控制器及其控制方法 - Google Patents

一种自供电型智能电流控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自供电型智能电流控制器及其控制方法，1.包括控制单元、稳压电路、AD采样电路、储能电路、分闸驱动电路以及电压源，其中AD采样电路采集现场电流信号通过整流电路送至控制单元，储能电路采集现场电压信号经整流电路送至储能电容，电压源的电压经稳压电路送至控制单元；控制单元的输出端接至分闸驱动电路；电压源的电压输出端接至控制单元的工作电源端；本发明可实时监测线路电流、智能识别涌流、能躲过涌流以及在合闸完成后可以实时监测线路CT二次电流大小的能控制装置，采用双变压器结构设计，变压器输出电压与储能电容叠加，输出能量大，可靠性高，分闸成功率99.99％。

Description

一种自供电型智能电流控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电流控制器，具体为一种自供电型智能电流控制器及其控制方法。
背景技术
随着智能电网建设的展开，各种先进技术在电网中的广泛应用，智能化已经成为电网发展的必然趋势，发展智能电网已在世界范围内形成共识，电力设备的安全运行显的越来越重要。在10kV配电线路上，大量的柱上断路器在投入运行，柱上断路器由于没有控制电源，采用电流互感器与电流脱扣器相结合的方式实现线路过流和短路故障保护，已经显然满足不了智能保护装置的需要。线路上有大量的变压器在运行，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特征，会产生相当大的励磁电流，称为励磁涌流。在断路器合闸过程中，由于柱上真空断路器在合闸线路负荷时，依靠电流脱扣器躲过涌流的这种结构，无法识别涌流，仅靠A相电流对储能电容充电，储能电容驱动脱扣线圈，精度低，产生的励磁涌流使电流脱扣器动作，从而使断路器合闸操作失败，或引起上一级断路器可能会超过保护装置的速断保护电流整定值，造成保护误动作，使线路投运失败，降低供电可靠性，造成较大的经济损失。
发明内容
针对现有技术中柱上真空断路器无法识别涌流和仅靠一相倍压整流电路，造成储能电容存不满能量，不能有效脱扣，导致造成保护误动作等不足，本发明要解决的问题是提供一种可智能识别涌流的自供电型智能电流控制器及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种自供电型智能电流控制器，其特征在于：包括控制单元、稳压电路、AD采样电路、储能电路、分闸驱动电路以及电压源，其中AD采样电路采集现场电流信号通过整流电路送至控制单元，储能电路采集现场电压信号经整流电路送至储能电容，电压源的电压经稳压电路送至控制单元；控制单元的输出端接至分闸驱动电路；电压源的电压输出端接至控制单元的工作电源端；
AD采样电路包括第一、二微型电流互感器、第一、四整流电路以及第一、二组取样电阻，其中第一微型电流互感器CT1与柱上真空断路器上的电流互感器二次侧连接，第一微型电流互感器CT1输出电流接至第一整流电路，第一整流电路输出端经第一组取样电阻接至控制单元的一个电流采样输入端；第二微型电流互感器CT2与柱上真空断路器上的电流互感器二次侧连接，第二微型电流互感器CT2输出电流接至第四整流电路，第四整流电路输出端经第二组取样电阻接至控制单元的另一个电流采样输入端；
储能电路包括第一～四二极管、第一倍压电容、第二倍压电容、储能电容、第五～六整流器，以及继电器接点，其中，第一二极管和第一倍压电容串联连接于电压源中第一电源变压器的二次侧；第三二极管和第二倍压电容串联连接于电压源中第二电源变压器的二次侧，第一倍压电容经第二二极管与储能电容相连，第二倍压电容经第三二极管与储能电容相连；储能电容接至分闸脱扣线圈；第五～六整流器输入端分别接至主电源的A、C相，输出端并连后经继电器接点K0接至储能电容。
本发明还具有两组反并联二极管，并联连接于取样电阻两端。
电压源包括第一变压器及第二变压器，第一变压器输出的+12V与第二变压器输出的+12V并连；一路给稳压电路用，另一路给12V继电器线圈电源用，以保证在任意一相缺相时候系统供电正常。
本发明还具有数码显示器，其与控制单元的输出端连接，显示A、C相电流值。
本发明还具有拨码开关，其与控制单元的输入端连接。
所述的自供电型智能电流控制器的控制方法，包括以下步骤：
输入采样方式选择，包括涌流、频率以及过流；
AD采样电路根据采样方式开始采样，采集N个点值；
针对涌流采样和过流采样得到的数据，分别同时在一个周期内采样数据，对N个点值计算，按大小组合排序、分析，得出线路涌流或过流的结论；
针对频率采集得到的数据，实时计算采样周期T，启动定时器按照T/N时间进行等间隔进行采样。
对N个点值计算，按大小组合排序、分析为：
根据得到的采样点值进行傅里叶快速变换，通过其点值的虚部和实部，求出电流有效值；
根据电流有效值描绘曲线，如果有一个固定值突然增大到一定程度，然后再下降到该固定值，则判断为线路涌流；
否则，如果计算的电流有效值在一定值的基础上为一个线性持续增大，并增大到一定值保持不变，则判断为过流。
输入采样方式选择，通过拨码开关实现，控制单元按照读取拨码开关的涌流延时时间、过流延时时间、过流倍数参数进行控制脱扣线圈。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明为一种可实时监测线路电流、智能识别涌流、能躲过涌流以及在合闸完成后可以实时监测线路CT二次电流大小的能控制装置，采用双变压器结构设计，变压器输出电压与储能电容叠加，输出能量大，可靠性高，分闸成功率99.99％。
2.本发明利用电流互感器A、C两相独立采样，在故障时利用整流桥把电流整流之后输入给储能电容，取代目前仅靠储能电容能量发出控制的缺点，本发明的硬件电路采用电容倍压与电流桥互相叠加能量来控制脱扣动作，提高能量输出。
3.本发明利用数码管实时动态显示电流互感器二次侧实时电流值，根据涌流、过流值、速断值来进行保护，能实时判别涌流、识别涌流、能躲过涌流以及在合闸状态下可以实时监测线路电流值，响应速度快，整个装置的响应时间由传统的100ms减少到20ms；采用半波傅里叶计算，根据电流值大小来判断涌流、过零、速断，按照拨码开关设置的参数进行延时脱扣，防止因涌流的产生致使开关误动脱扣。
4.本发明采用自适应频率算法，实时计算周期，根据新的采样周期进行等间隔采样，保证了采样的精度，进行采样，采用电阻和单片机10位AD计算处理数据，由传统5％精度提高到1％。
附图说明
图1为本发明自供电型智能电流控制器电气结构框图；
图2为本发明中微控制器电气原理图；
图3为本发明中主电源结构图；
图4为本发明中微控制器和芯片工作电源图；
图5为本发明中人机接口数码管显示图；
图6为本发明中AD采样电路图；
图7为本发明中整流倍压电路图；
图8为本发明中继电器驱动电路图；
图9为本发明中手动设置电路图；
图10为本发明方法总体流程图；
图11为本发明方法中等间隔采样流程图；
图12为本发明方法中软件测频流程图；
图13为本发明方法中采样有效值计算流程图；
图14为本发明方法中采样有效值排序计算流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种自供电型智能电流控制器，包括控制单元、稳压电路、AD采样电路、第一～四整流电路、储能电路、分闸驱动电路以及电压源，其中AD采样电路采集现场电流信号和电压信号，电流信号通过第一～二整流电路送至控制单元，电压信号经第三～四整流电路送至储能电容，同时再经稳压电路送至控制单元；控制单元的输出端接至分闸驱动电路；电压源的电压输出端接至控制单元的工作电源端。
如图2所示，本发明中控制单元采用单片机现，本实施例针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，采用工作电压范围宽、超强抗干扰小巧、低功耗的工业级全新STC12C5608AD单片机，该单片机集成了一个8位闪存MCU、高速增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍低功耗设计：空闲模式，(可由任意一个中断唤醒)，以及10位ADC。
如图3所示，电压源包括第一、二电压互感器T1、T2，利用柱上真空断路器自带电流互感器的二次侧电流作为电压源，第一电压互感器T1输出的电压第二电压互感器输出的电压并接在一起分别接至控制单元和继电器线圈。
图3为本发明整个装置的电压源，为图2和图4的工作提供输入电源。10kV柱上真空断路器一般无法提供控制电源，如果增加一个电压互感器会导致成本过高；本发明利用10kV柱上真空断路器自带电流互感器的二次侧电流作为电压源，采用双变压器设计即电流变压器，其中第一变压器T1为A相电压互感器，第二变压器T2为C相电压互感器，都是将电流源转化为电压源，第一变压器T1输出的+12V与第二变压器T2输出的+12V并接在一起一路给稳压电路(本实施例采用78L05稳压器)用，另一路给12V继电器线圈电源用，这样在任意一相缺相时候，都可以保证系统供电正常。
图4由图3中的第一变压器T1和第二变压器T2中的变压器输出的8.5V交流电压经整流桥之后，经稳压器输出5V电压给单片机系统，这样5V和12V共用一个电源系统，减少了硬件，缩小了本装置的体积。
如图6所示，AD采样电路包括第一、二微型电流互感器、第一、四整流电路D01、D04以及第一、二组取样电阻，其中第一微型电流互感器CT1与柱上真空断路器上的电流互感器二次侧连接，第一微型电流互感器CT1输出电流接至第一整流电路D01，第一整流电路D01输出端经第一组取样电阻接至控制单元的一个电流采样输入端；第二微型电流互感器CT2与柱上真空断路器上的电流互感器二次侧连接，第二微型电流互感器CT2输出电流接至第四整流电路D04，第四整流电路D04输出端经第二组取样电阻接至控制单元的另一个电流采样输入端。AD采样电路还具有两组反并联二极管，并联连接于取样电阻两端。
图6中，AD采样电路将采集的数据经过出来之后输入给图2中的控制单元处理用，电流互感器是安装在10kV柱上真空断路器上的附件，电流互感器二次侧接一个0.2S级高精度微型电流互感器CT1，经过变换之后把5A电流变换成2.5mA电流，经过整流桥整流，把50Hz正负极性的正弦信号变成脉动的100Hz正极性信号，通过取样电阻，变成0～5V之间的电压信号，反并联二极管IN4148作为保护，使输入到单片机IO的电压限制在5.5V之内，输入到STC12C5608AD单片机的ADC接口。
如图7所示，储能电路包括第一～四二极管D1～D4、第一倍压电容CD1、第二倍压电容CD2、储能电容CD3、第五～六整流器D05～D06以及继电器接点K0，其中，第一二极管D1和第一倍压电容CD1串联连接于电压源中第一电源变压器的二次侧；第三二极管D3和第二倍压电容CDF2串联连接于电压源中第二电源变压器的二次侧，第一倍压电容CD1经第二二极管D2与储能电容CD3相连，第二倍压电容CD2经第三二极管D3与储能电容CD3相连；储能电容CD3接至分闸脱扣线圈；第五～六整流器D05输入端分别接至主电源的A、C相，输出端并连后经继电器接点K0接至储能电容CD3。
图7根据图2采集图6处理之后的数据对合闸脱扣线圈进行控制，A、C相同时对储能电容CD3进行充电，即使A相或者C相缺相，也能保断路器可靠分闸。
本实施例中，倍压整流电路是利用第一～四二极管的D1～D4的整流和导引作用，将电压分别贮存到第一～二倍压电容CD1～CD2上，然后把它们各自的存储的能量进行线性叠加之后接到储能电容CD3上，根据图1中单片机发出的分闸命令来控制图8中K0继电器驱动电路来，把整流之后的直流电流和储能电容的放电电流叠加之和来驱动脱扣线圈分闸。选择知名品牌的小型继电器，采用大功率C2383的三极管驱动三个继电器，其中K0继电器的触点控制着储能电容器的放电，K1继电器则控制A相电流互感器二次电流(5A)流向一个大功率整流桥，K2继电器则控制C相电流互感器二次电流(5A)流向一个大功率整流桥。
本发明还具有数码显示器，其与控制单元的输出端连接，显示A、C相电流值。
如图5所示，是将图1中处理计算的数据显示出来，当前市场上涌流控制器基本都没有显示功能，无法在调试时观察电流值的大小，具有该功能之后，可以循环显示柱上真空断路器A、C相互感器的二次电流，方便检验人员调试。本实施例通过2片74HC595驱动四位一体式数码管，数码管前两位为A相电流显示值，后两位为C相电流显示值，这样减少了单片机的IO口控制，提高了数码管的驱动能力。
图8是图1中的单片机的P3.7口来控制继电器K0、K1、K2；图9将拨码器设置的数据输入到图1中，按照拨码开关设置的参数(拨码开关为10位，这10位进行组合编码，单片机读取编码器的组合值，进行合闸涌流延时，过流延时，速断延时，过流倍数设置等)进行延时脱扣，根据图1中单片机计算的方法来控制判断，防止因涌流的产生致使开关误动脱扣。
如图10所示，本发明一种自供电型智能电流控制器的控制方法，包括以下步骤：
输入采样方式选择，包括涌流、频率以及过流；
AD采样电路根据采样方式开始采样，采集N个点值；
针对涌流采样和过流采样得到的数据，分别同时在一个周期采样，对N个点值计算，按大小组合排序、分析，得出线路涌流或过流的结论；
针对频率采集得到的数据，实时计算采样周期T，启动定时器按照T/N时间进行等间隔进行采样。
如图11～14所示，对N个点值计算，按大小组合排序、分析为：
根据得到的采样点值进行傅里叶快速变换，通过其点值的虚部和实部，求出电流有效值；
根据电流有效值描绘曲线(用N＝64个点绘曲线)，如果有一个固定值突然增大到一定程度，然后再下降到该固定值，则判断为线路涌流；
否则，如果计算的电流有效值在一定值的基础上为一个线性持续增大，并增大到一定值保持不变，则判断为过流。
输入采样方式选择，通过拨码开关实现，控制单元按照读取拨码开关的涌流延时时间、过流延时时间、过流倍数参数进行控制脱扣线圈。
因为线路频率存在波动，以一种固定频率计算有效值会存在很大误差，因此采用动态频率计算有效值。本实施例中，第一次默认按照20ms为一个周期进行采样，采集64个点值，采用根据采样点，进行软件频率计算，得出下次采样周期T，启动定时器按照T/64时间进行等间隔进行采样；根据得到的采样点值进行傅里叶快速变换，求出其点值的虚部和实部，可以求出电流值，软件对此时电流值进行分析，描绘曲线，如果有一个固定值突然增大到一定程度然后在下降到该固定值，判断为线路涌流，如果计算的采样值在一定值的基础上为一个线性持续增大，并增大到一定值保持不变，判断为过流；单片机按照读取拨码开关的涌流延时时间，过流延时时间，过流倍数等参数进行控制脱扣线圈。
本发明考虑在电力线路中存在大量变压器感性负载，高压真空断路器合闸瞬间会产生涌流，分析涌流产生的原因，采用半波傅里叶算法，利用数码管动态显示电流互感器二次侧实时电流值，并根据涌流、过流值、速断值来进行保护的装置；研制了基于STC12C5608AD单片机技术的涌流控制保护装置，能实时判别涌流、识别涌流、能躲过涌流以及在合闸状态下可以实时监测线路电流值的一种智能控制装置，A、C两相电流独立采样，在故障时利用整流桥把电流整流之后输入给超级电容，取代目前仅靠储能电容能量发出控制的缺点，输出能量低，分闸脱扣失败率高，无法起到线路保护的作用，硬件电路采用电容倍压输出电流与整流桥输出电压互相叠加的能量来控制脱扣动作，增加能量输出，采用半波傅里叶计算算法，比传统控制器响应时间缩小了40％，并且采样精度可以达到1％，根据电流值大小来判断涌流、过零、速断，按照拨码开关设置的参数进行延时脱扣，防止因涌流的产生致使开关误动脱扣。

Claims (8)

1.一种自供电型智能电流控制器，其特征在于：包括控制单元、稳压电路、AD采样电路、储能电路、分闸驱动电路以及电压源，其中AD采样电路采集现场电流信号通过整流电路送至控制单元，储能电路采集现场电压信号经整流电路送至储能电容，电压源的电压经稳压电路送至控制单元；控制单元的输出端接至分闸驱动电路；电压源的电压输出端接至控制单元的工作电源端；
AD采样电路包括第一、二微型电流互感器、第一、四整流电路以及第一、二组取样电阻，其中第一微型电流互感器CT1与柱上真空断路器上的电流互感器二次侧连接，第一微型电流互感器CT1输出电流接至第一整流电路，第一整流电路输出端经第一组取样电阻接至控制单元的一个电流采样输入端；第二微型电流互感器CT2与柱上真空断路器上的电流互感器二次侧连接，第二微型电流互感器CT2输出电流接至第四整流电路，第四整流电路输出端经第二组取样电阻接至控制单元的另一个电流采样输入端；
储能电路包括第一～四二极管、第一倍压电容、第二倍压电容、储能电容、第五～六整流器，以及继电器接点，其中，第一二极管和第一倍压电容串联连接于电压源中第一电源变压器的二次侧；第三二极管和第二倍压电容串联连接于电压源中第二电源变压器的二次侧，第一倍压电容经第二二极管与储能电容相连，第二倍压电容经第三二极管与储能电容相连；储能电容接至分闸脱扣线圈；第五～六整流器输入端分别接至主电源的A、C相，输出端并连后经继电器接点K0接至储能电容。
2.按权利要求1所述的自供电型智能电流控制器，其特征在于：还具有两组反并联二极管，并联连接于取样电阻两端。
3.按权利要求1所述的自供电型智能电流控制器，其特征在于：电压源包括第一变压器及第二变压器，第一变压器输出的+12V与第二变压器输出的+12V并连；一路给稳压电路用，另一路给12V继电器线圈电源用，以保证在任意一相缺相时候系统供电正常。
4.按权利要求1所述的自供电型智能电流控制器，其特征在于：还具有数码显示器，其与控制单元的输出端连接，显示A、C相电流值。
5.按权利要求1所述的自供电型智能电流控制器，其特征在于：还具有拨码开关，其与控制单元的输入端连接。
6.一种按权利要求1所述的自供电型智能电流控制器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
输入采样方式选择，包括涌流、频率以及过流；
AD采样电路根据采样方式开始采样，采集N个点值；
针对涌流采样和过流采样得到的数据，分别同时在一个周期内采样数据，对N个点值计算，按大小组合排序、分析，得出线路涌流或过流的结论；
针对频率采集得到的数据，实时计算采样周期T，启动定时器按照T/N时间进行等间隔进行采样。
7.根据权利要求6所述的自供电型智能电流控制器的控制方法，其特征在于对N个点值计算，按大小组合排序、分析为：
根据得到的采样点值进行傅里叶快速变换，通过其点值的虚部和实部，求出电流有效值；
根据电流有效值描绘曲线，如果有一个固定值突然增大到一定程度，然后再下降到该固定值，则判断为线路涌流；
否则，如果计算的电流有效值在一定值的基础上为一个线性持续增大，并增大到一定值保持不变，则判断为过流。
8.根据权利要求6所述的自供电型智能电流控制器的控制方法，其特征在于：输入采样方式选择，通过拨码开关实现，控制单元按照读取拨码开关的涌流延时时间、过流延时时间、过流倍数参数进行控制脱扣线圈。
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