CN107968380A - 一种井下低压电网选择性漏电保护装置 - Google Patents

一种井下低压电网选择性漏电保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种井下低压电网选择性漏电保护装置，包括保护安装盒，保护安装内部固定安装有集成电路板，集成电路板上焊接有主控芯片，主控芯片的人机交互接口连接有人机交互模块，主控芯片的电源引脚处连接有电源供给模块，主控芯片的信号输入端连接有信号采集调理模块，信号采集调理模块的输出端连接有接线端子，接线端子镶嵌在保护安装盒的正面，主控芯片还连接有信号输出模块，信号输出模块包括继电器控制模块和报警模块，主控芯片的通信引脚还连接有数据通信单元，数据通信单元与远程上位机进行数据传输。本发明搭建完备网络结构，并采用集中控制有效减少误操作，解决了分散性漏电问题。

Description

一种井下低压电网选择性漏电保护装置
技术领域
本发明涉及电气电子技术领域，具体为一种井下低压电网选择性漏电保护装置。
背景技术
选择性漏电保护是指当电网发生漏电故障时，漏电保护装置能够有选择地发出故障信号或切断故障支路，而非故障线路正常工作，选择性漏电保护可以减小故障停电范围，便于寻找漏电故障源，缩短漏电停电时间，提高供电的可靠性；选择性漏电保护系统的准确性、快速性和可靠性是实现选择性漏电保护的关键。目前国内煤矿低压馈电开关普遍采用时序及功率方向型原理，总开关和分开关是通过时间的长短来实现分级动作，并且分开关判漏电原理存在缺陷，这种方式导致馈电开关经常出现误动、拒动等现象，故障原因查找困难，严重影响煤矿正常生产。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种井下低压电网选择性漏电保护装置，搭建完备网络结构，并采用集中控制有效减少误操作，解决了分散性漏电问题，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种井下低压电网选择性漏电保护装置，包括保护安装盒，所述保护安装内部固定安装有集成电路板，所述集成电路板上焊接有主控芯片，所述主控芯片的人机交互接口连接有人机交互模块，主控芯片的电源引脚处连接有电源供给模块，主控芯片的信号输入端连接有信号采集调理模块，所述信号采集调理模块的输出端连接有接线端子，所述接线端子镶嵌在保护安装盒的正面，主控芯片还连接有信号输出模块，所述信号输出模块包括继电器控制模块和报警模块，主控芯片的通信引脚还连接有数据通信单元，所述数据通信单元与远程上位机进行数据传输。
作为本发明一种优选的技术方案，所述主控芯片采用STM32F103系列嵌入式处理器，且主控芯片上设置有JTAG接口和硬件看门狗，所述JTAG接口用于连接上位机进行程序下载和调试。
作为本发明一种优选的技术方案，所人机交互模块包括LCD驱动器，所述LCD驱动器的输出端连接有液晶触摸屏和功能按钮。
作为本发明一种优选的技术方案，所述电源供给模块包括隔离变压器和备用电源，所述隔离变压器的输入端连接到低压电网，备用电源的输出端和隔离变压器的输出端连接有整流桥，所述整流桥的输出端连接有稳压变换器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述信号采集调理模块包括电流传感器组和相位比较器，所述电流传感器组的输出端连接有滤波器，滤波器的输出端连接有采样保持放大器和模数转换器，所述采样保持放大器的输出引脚与模数转换器的输入引脚电气相连，且模数转换器与相位比较器的输出端均连接至主控芯片的I/O口。
作为本发明一种优选的技术方案，所述继电器控制模块包括三极管电流放大电路，所述三极管电流放大电路的输出端连接有多路并联继电器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述报警模块包括驱动器，所述驱动器的输出端连接有蜂鸣器和报警警示灯。
作为本发明一种优选的技术方案，所述数据通信单元包括CAN通信总线、RS485通信总线和射频编解码器，所述CAN通信总线、RS485通信总线和射频编解码器并联接入到通信端口，射频编解码器的输出端还连接有射频收发器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于嵌入式的井下低压电网选择性漏电保护装置，通过设置主控芯片，结合信号采集调理模块和信号输出模块形成整体控制网络，实现了集中控制；通过设置电源供给模块，在其中设置备用电源，能够有效防止电网故障导致的整体系统瘫痪；通过设置信号采集调理模块，利用电流传感器组进行电网电压和零序电压采集，利用相位比较器进行相位比较，能够有效减小分级操作中的误差，从而有效避免了出现误操作现象；通过设置数据通信单元，利用CAN通信总线和RS485通信总线实现有线数据传输，利用射频编解码器和射频收发器实现无线数据传输，从而有效提高了装置灵活性；本发明搭建完备网络结构，并采用集中控制有效减少误操作，解决了分散性漏电问题。
附图说明
图1为本发明模块结构示意图；
图2为信号采集调理模块结构示意图；
图3为外观结构示意图；
图4为主控芯片外围电路原理图；
图5为；26-三极管电流放大电路原理图。
图中：1-保护安装盒；2-集成电路板；3-主控芯片；4-人机交互模块；5-电源供给模块；6-信号采集调理模块；7-接线端子；8-信号输出模块；9-继电器控制模块；10-报警模块；11-数据通信单元；12-JTAG接口；13-硬件看门狗；14-LCD驱动器；15-液晶触摸屏；16-功能按钮；17-隔离变压器；18-备用电源；19-整流桥；20-稳压变换器；21-电流传感器组；22-相位比较器；23-滤波器；24-采样保持放大器；25-模数转换器；26-三极管电流放大电路；27-多路并联继电器；28-驱动器；29-蜂鸣器；30-报警警示灯；31-CAN通信总线；32-RS485通信总线；33-射频编解码器；34-射频收发器。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
实施例：
请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案：一种井下低压电网选择性漏电保护装置，包括保护安装盒1，所述保护安装盒1内部固定安装有集成电路板2，所述集成电路板2上焊接有主控芯片3，所述主控芯片3的人机交互接口连接有人机交互模块4，主控芯片3的电源引脚处连接有电源供给模块5，主控芯片3的信号输入端连接有信号采集调理模块6，所述信号采集调理模块6的输出端连接有接线端子7，所述接线端子7镶嵌在保护安装盒1的正面，主控芯片3还连接有信号输出模块8，所述信号输出模块8包括继电器控制模块9和报警模块10，主控芯片3的通信引脚还连接有数据通信单元11，所述数据通信单元11与远程上位机进行数据传输；
所述主控芯片3采用STM32F103系列嵌入式处理器，且主控芯片3上设置有JTAG接口12和硬件看门狗13，所述JTAG接口12用于连接上位机进行程序下载和调试；所述人机交互模块4包括LCD驱动器14，所述LCD驱动器14的输出端连接有液晶触摸屏15和功能按钮16；所述电源供给模块5包括隔离变压器17和备用电源18，所述隔离变压器18的输入端连接到低压电网，备用电源18的输出端和隔离变压器18的输出端连接有整流桥19，所述整流桥19的输出端连接有稳压变换器20；
所述信号采集调理模块6包括电流传感器组21和相位比较器22，所述电流传感器组21的输出端连接有滤波器23，滤波器23的输出端连接有采样保持放大器24和模数转换器25，所述采样保持放大器24的输出引脚与模数转换器25的输入引脚电气相连，且模数转换器25与相位比较器22的输出端均连接至主控芯片3的I/O口；所述继电器控制模块9包括三极管电流放大电路26，所述三极管电流放大电路26的输出端连接有多路并联继电器27；所述报警模块10包括驱动器28，所述驱动器28的输出端连接有蜂鸣器29和报警警示灯30；所述数据通信单元11包括CAN通信总线31、RS485通信总线32和射频编解码器33，所述CAN通信总线31、RS485通信总线32和射频编解码器33并联接入到通信端口，射频编解码器33的输出端还连接有射频收发器34。
本发明的工作原理：所述保护安装盒1采用绝缘防腐材料制成，能够有效适应井底的潮湿环境，保护内部结构防止出现损坏，所述集成电路板2为PCB板，既能够提高集成化程度减小体积，同时提高电路稳定性；
所述主控芯片3采用STM32F103系列嵌入式处理器，该处理器是基于ARMCortex-M3核心的32位微控制器，LQFP-144封装；512K片内FLASH（相当于硬盘），64K片内RAM（相当于内存），片内FLASH支持在线编程(IAP)；高达72M的频率，数据，指令分别走不同的流水线，以确保CPU运行速度达到最大化；通过片内BOOT区，可实现串口下载程序(ISP)；片内双RC晶振，提供8M和32K的频率；支持片外高速晶振(8M)，和片外低速晶振(32K)；其中片外低速晶振可用于CPU的实时时钟，带后备电源引脚，用于掉电后的时钟行走；42个16位的后备寄存器(可以理解为电池保存的RAM)，利用外置的纽扣电池，和实现掉电数据保存功能；支持JTAG，SWD调试.配合廉价的J-LINK，实现高速低成本的开发调试方案；多达80个IO(大部分兼容5V逻辑)，4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART，一个USB从设备接口，一个CAN接口，SDIO接口，可兼容SRAM，NOR和NANDFlash接口的16位总线-FSMC；3路共16通道的12位AD输入，2路共2通道的12位DA输出；支持片外独立电压基准；CPU操作电压范围:2.0-3.6V；
（1）所述主控芯片3用于进行数据分析和处理操作，所述JTAG接口12用于进行程序下载并进行联机调试操作，所述硬件看门狗13可以防止程序跑飞进行强制复位操作；所述主控芯片3由电源供给模块5进行供电后正常工作；
正常情况下，所述隔离变压器18直接接入电网，将电网的电压进行降压变换后输入至整流桥19，当电网供电出现异常时，备用电源18立即补充供电，维持正常工作，所述整流桥19将交流电转换成直流电，输出的电信号送入至稳压变换器20，稳压变换器20输出稳定直流电压至主控芯片3，驱动其开始工作；
（2）所述人机交互模块4用于进行信息输入出操作，从而实现人机交互功能，所述LCD驱动器14用于实现输出的LCD电平信号转换，所述液晶触摸屏15可以显示当前的操作界面也可以进行参数设置，所述功能按钮16用于进行功能选择操作，所述主控芯片3接收到输入指令后，开始调用相应程序按照设定优先级开始进行数据处理操作；
（3）所述信号采集调理模块6通过接线端子7连接到低压电网的各个采样点，所述电流传感器组21用于采集电网电压和零序电压大小，不同支路的零序电压分别送入至相位比较器22的并行输入端；所述电流传感器组21将采集到的输出信号送入至滤波器23，滤波器23将滤除杂波后的信号送入至采样保持放大器24，所述采样保持放大器24按照设定频率开始进行采样操作，并且将采集到的信号进行放大，由于采集的均为模拟信号，再经过模数转换器25传输至主控芯片3；
（4）所述主控芯片3根据数据采集区零序电压大小，采用修正零序电压法监视漏电电阻，如果参数超限则说明电网发生漏电故障，执行漏电线路判断程序，否则程序返回；装置根据投入的支路数目采用零序电流相对比幅法、零序电流方向法和零序电流群体比幅比相法对故障线路进行判断，当支路数不大于2条时采用零序电流方向法，否则采用装置判漏基本算法进行决策，基本算法是装置根据投入的支路数和各支路电容电流特点从3种选线算法选定的最为合适的1种算法，如果基本算法决策错误，装置采用辅助算法继续对线路进行选线；
（5）所述主控芯片3按照处理结果控制驱动继电器控制模块9和报警模块10，当工作出现异常时，将输出电流信号至三极管电流放大电路26，三极管电流放大电路26将信号放大后，控制对应的多路并联继电器27中的那一个继电器跳变至常闭端，断开电路；同时输出信号至驱动器28，驱动器28将功率放大后驱动蜂鸣器29开始发出声音警报，同时点亮报警警示灯30；
（6）所述数据通信单元11数据通信单元11用于进行数据传输操作控制，所述CAN通信总线31、RS485通信总线32分别通过RS485传输线和CAN传输线连接至不同的数据接收设备，实现有线数据传输；所述射频编解码器33用于将数据信号转换成射频信号，然后通过射频收发器34进行射频收发，实现无线数据传输，提高装置的灵活性。
该基于嵌入式的井下低压电网选择性漏电保护装置，通过设置主控芯片3，结合信号采集调理模块6和信号输出模块8形成整体控制网络，实现了集中控制；通过设置电源供给模块5，在其中设置备用电源18，能够有效防止电网故障导致的整体系统瘫痪；通过设置信号采集调理模块6，利用电流传感器组21进行电网电压和零序电压采集，利用相位比较器22进行相位比较，能够有效减小分级操作中的误差，从而有效避免了出现误操作现象；通过设置数据通信单元11，利用CAN通信总线31和RS485通信总线32实现有线数据传输，利用射频编解码器33和射频收发器34实现无线数据传输，从而有效提高了装置灵活性；本发明搭建完备网络结构，并采用集中控制有效减少误操作，解决了分散性漏电问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种井下低压电网选择性漏电保护装置，包括保护安装盒（1），所述保护安装盒（1）内部固定安装有集成电路板（2），其特征在于：所述集成电路板（2）上焊接有主控芯片（3），所述主控芯片（3）的人机交互接口连接有人机交互模块（4），主控芯片（3）的电源引脚处连接有电源供给模块（5），主控芯片（3）的信号输入端连接有信号采集调理模块（6），所述信号采集调理模块（6）的输出端连接有接线端子（7），所述接线端子（7）镶嵌在保护安装盒（1）的正面，主控芯片（3）还连接有信号输出模块（8），所述信号输出模块（8）包括继电器控制模块（9）和报警模块（10），主控芯片（3）的通信引脚还连接有数据通信单元（11），所述数据通信单元（11）与远程上位机进行数据传输,所述主控芯片（3）采用STM32F103系列嵌入式处理器，且主控芯片（3）上设置有JTAG接口（12）和硬件看门狗（13），所述JTAG接口（12）用于连接上位机进行程序下载和调试,所人机交互模块（4）包括LCD驱动器（14），所述LCD驱动器（14）的输出端连接有液晶触摸屏（15）和功能按钮（16）。
2.根据权利要求1所述的一种井下低压电网选择性漏电保护装置，其特征在于：所述电源供给模块（5）包括隔离变压器（17）和备用电源（18），所述隔离变压器（18）的输入端连接到低压电网，备用电源（18）的输出端和隔离变压器（18）的输出端连接有整流桥（19），所述整流桥（19）的输出端连接有稳压变换器（20）。
3.根据权利要求1所述的一种井下低压电网选择性漏电保护装置，其特征在于：所述信号采集调理模块（6）包括电流传感器组（21）和相位比较器（22），所述电流传感器组（21）的输出端连接有滤波器（23），滤波器（23）的输出端连接有采样保持放大器（24）和模数转换器（25），所述采样保持放大器（24）的输出引脚与模数转换器（25）的输入引脚电气相连，且模数转换器（25）与相位比较器（22）的输出端均连接至主控芯片（3）的I/O口。
4.根据权利要求1所述的一种井下低压电网选择性漏电保护装置，其特征在于：所述继电器控制模块（9）包括三极管电流放大电路（26），所述三极管电流放大电路（26）的输出端连接有多路并联继电器（27）。
5.根据权利要求1所述的一种井下低压电网选择性漏电保护装置，其特征在于：所述报警模块（10）包括驱动器（28），所述驱动器（28）的输出端连接有蜂鸣器（29）和报警警示灯（30）。
6.根据权利要求1所述的一种井下低压电网选择性漏电保护装置，其特征在于：所述数据通信单元（11）包括CAN通信总线（31）、RS485通信总线（32）和射频编解码器（33），所述CAN通信总线（31）、RS485通信总线（32）和射频编解码器（33）并联接入到通信端口，射频编解码器（33）的输出端还连接有射频收发器（34）。
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