CN108594012A - 一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，包括一个液晶面板，液晶面板通过驱动电路连接至主CPU/总线控制板，主CPU/总线控制板上还通过总线接入有四种电路板，分别为：电流电压采样板、电能采集板、输入输出控制板和以太网通讯板。本发明装置结构简单，集成度高，采样精度高，线性范围广、响应速度快，环境适应能力强、功耗低、操作简单，集多种保护功能于一体，同时支持电能量采集，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置

技术领域：

本发明涉及电力测控领域，具体的是一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置。

背景技术：

电动机保护测控装置主要用于厂矿企业的中高压同步、异步电动机的保护和测控，当被保护的电动机发生故障时，应该由该元件的电动机保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使发生故障的电动机设备及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电动机本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求。

电动机保护测控装置不但保证中高压电动机的安全运行，同时还对中高压电动机的运行参数进行测量和控制，目前常规的电动机保护测控装置主要监测有功功率P、无功功率Q、电流I、电压U和功率因数COS等电力运行参数，作为继电保护的动作出口的判断依据,但并不计算电能数据，原因在于，常规电动机保护需要满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，对采样的时效性要求较高，因此常规电动机保护测控装置的采样主要强调采样计算的快速性和线性度，并不考虑计算的精确性，而电能数据计算对数据采集的精度要求相对较高，这也导致目前常规的电动机保护很少支持电能数据的采集计算，即使支持也存在精度不高的问题。

发明内容：

针对输电线路可能出现的短路故障，保证输电线路的安全运行，同时还能够满足输电线路电能数据的采集要求，本发明提供了一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置。

本发明采用的技术方案为：

一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，包括一个液晶面板，其特征在于：

所述液晶面板通过驱动电路连接至主CPU/总线控制板，主CPU/总线控制板上还通过总线接入有四种电路板，分别为：电流电压采样板、电能采集板、输入输出控制板和以太网通讯板；

其中主CPU/总线控制板包含主CPU芯片、AD采样电路、CPLD模块及底层驱动电路、SRAM内存和FLASH芯片；

电流电压采样板包含母线电压互感器采样回路、测量电流互感器采样回路、电机端保护电流互感器采样回路、中性点保护电流互感器采样回路、零序电流互感器采样回路和零序电压互感器采样回路，分别用于采集母线电压、测量电流、电机端保护电流、中性点保护电流、零序电流和零序电压信息并经由对应的母线电压AD采样电路、测量电流AD采样电路、电机端保护电流AD采样电路、中性点保护电流AD采样电路、零序电流AD采样电路和零序电压AD采样电路传输至主CPU/总线控制板；

主CPU/总线控制板通过FLEXBUS总线连接并控制CPLD模块，CPLD模块通过输出逻辑控制电路开放和扩展继电器出口；CPLD模块通过输入逻辑控制电路接入开入量采集端口以输入外部的开入量信号；

液晶面板由按键输入信号，执行参数设定、定值整定、报告查询、事故查询、采样查询，显示装置参数信息、电流电压实时值、告警信息、动作信息、工作状态；

输入输出控制板上连接DC/AC 85～265V电源并转换为隔离的直流电源作为整个系统的工作电源。

所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述液晶面板包含LCD液晶显示界面、键盘及其接口、声音报警输出和发光块闪烁控制电路，用于显示信息、安装键盘作为输入信号设备，所述CPLD模块控制灯光报警信号、驱动声音报警信号的输出至液晶面板的声音报警输出和发光块闪烁控制电路发出声、光报警。

所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述逻辑控制电路、输入逻辑控制电路设置于输入输出控制板上。

所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述以太网通讯板包括独立的网卡CPU和以太网控制电路、与主CPU通过RS232总线连接，以太网控制电路用于连接网口，以实现以太网TCP/UDP网络通讯功能。

所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述电能采集板包括通过SPI接口驱动连接的计量CPU和计量采集电路，计量采集电路与电流电压采样板通过双排针互联以直接获取母线电压、测量电流信号用于计算电能量相关数据，同时计量CPU通过RS232总线与主CPU互联，以传送相关数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)采用分布式计量方式，主CPU通过AD采样方式，直接计算保护值，用于保护逻辑判断，保证采样计算的速度和线性度；通过电能计量芯片计算电能量，保证采样计算的精度，满足电度采集要求；

2)采用多CPU运行模式(共3个CPU处理器)，各司其责，独立进行逻辑处理，实现电能量独立采集、保护数据独立计算以及TCP/UDP以太网通讯，并通过总线方式实现数据共享，简单高效；

3)通过CPLD模块，扩展的继电器出口最多可达到50个，扩展的开入量数量最多可达到128路，可以满足线路保护的各种技术要求，适应性强。

附图说明：

图1为本发明的连接结构示意图；

图2为本发明的工作原理框图。

具体实施方式：

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明：

参阅图1、2所示，本装置采用插件式结构，由液晶面板311、主CPU1/总线控制板310、电流电压采样板312、输入输出控制板313、以太网通讯板314、电能采集板315共六种电路板构成。

液晶面板311包含LCD液晶显示界面3、键盘及其接口21、声音报警输出22和发光块闪烁控制电路23，主要用于人机交互，具有良好的可操作性，由按键输入信号，执行参数设定、定值整定、报告查询、事故查询、采样查询等操作，液晶显示界面3采用240*160点阵屏，全中文显示，驱动电压3.3V，功耗低，可直观显示装置参数信息、电流电压实时值、告警信息、动作信息、工作状态等，直观易懂。

主CPU1/总线控制板310包含主CPU芯片1、AD采样电路632、642、412、422、432、442、CPLD模块2及底层驱动电路、SRAM内存6和FLASH芯片7。电路板采用多层设计，抗干扰强，是整个装置的核心处理部件，负责各种逻辑判据的处理。

电流电压采样板312包含母线电压互感器采样回路631、测量电流互感器采样回路421、电机端保护电流411互感器采样回路、中性点保护电流431互感器采样回路、零序电流43互感器采样回路和零序电压64互感器采样回路，分别用于采集母线电压63、测量电流42、电机端保护电流41、中性点保护电流44、零序电流43和零序电压64信息并经由对应的母线电压AD采样电路632、测量电流AD采样电路422、电机端保护电流AD采样电路412、中性点保护电流AD采样电路442、零序电流AD采样电路432和零序电压AD采样电路642传输至主CPU1/总线控制板310；

输入输出控制板313包含输出逻辑控制电路24、输入逻辑控制电路25和装置电源模块100，负责位置信号的采样接入和动作出口的开关控制，并提供装置的工作电源。

以太网通讯板314包括独立的网卡CPU5和以太网控制电路51、与主CPU1通过RS232总线连接，实现以太网TCP/UDP网络通讯功能；

电能采集板315包括计量CPU4和计量采集电路40，与电流电压采样板312通过双排针互联，直接获取电动机相关的测量电压、电流信号以计算电能量等相关数据，同时通过RS232总线与主CPU1互联，传送相关数据。

装置电源模块100位于输入输出控制板313上，供电范围：DC/AC 85～265V，工频电压直接转换成隔离的直流电源，为整个系统提供工作电源。母线电压63接入到电压互感器采样回路631，测量电流42接入到电流互感器采样回路421，电机端保护电流41接入到电机端保护电流互感器采样回路411，中性点保护电流44接入到中性点保护电流互感器采样回路441，零序电流43接入到零序电流互感器采样回路431，零序电压64接入到零序电压互感器采样回路641，前述采样回路位于电流电压采样板312上，将电压和电流信号对应转换为小电流信号，经AD采样电路632、422、412、442、432、642调整为数字信号并接入到主CPU1。主CPU1在一个周波内处理48个数据点，进行FFT运算，利用全波傅氏算法，滤去高次谐波，提取基波分量，计算出电流、电压矢量值及有效值，用于保护逻辑的判断，实现三段式相间过流、相间合闸加速、相间充电、过电压、低电压、重合闸、低频减载等保护功能。主CPU1通过FLEXBUS总线控制CPLD模块2，CPLD模块2再通过输出逻辑控制电路24开放继电器出口241，并控制发光块闪烁信号22、驱动蜂鸣器声音报警输出23。

计量采集电路40通过双排针关联电流电压采样板312上的电压电路和测量电流电路，实时计算电能数据。计量CPU4通过SPI接口从计量采集电路40直接获取电能数据，并处理后通过RS232总线将电能数据上送至主CPU1。

外部的开入量信号251，包括DI信号，包括断路器的合位、分位信号，手车的工作、实验位置信号、接地刀合位信号、非电量信号、其他闭锁信号等，经过输入逻辑控制电路25进行降压、去除交流量后，转变为稳定的DC5V电压小信号接入到CPLD模块2；键盘21的按键信号设计为DC5V信号，输入到CPLD模块2，主CPU1利用1ms定时器中断，通过FLEXBUS总线定时检测CPLD模块2地址总线、检测开入量信号251采样值和键盘21的键值。

主CPU1通过SPI连接LCD液晶显示界面3，根据上述采集计算的数据，在LCD液晶显示界面3上显示相关数据；根据键盘的按键要求，在LCD液晶显示界面3上显示不同的页面；根据保护逻辑功能要求，在LCD液晶显示界面3上显示不同的保护告警、动作信息；主CPU1通过SPI连接FLASH芯片7，用于存储本装置的配置数据，包括定值参数、装置参数、事件记录等；主CPU1通过FLEXBUS总线连接SRAM内存6，用于存储本装置的控制数据，包括一些计算常量、循环参数等；主CPU1通过RS232总线连接网卡CPU5，交互各类数据电能数据、测量数据、保护数据、告警数据、动作数据、开入数据等，网卡CPU5通过以太网处理电路51，形成网络数字信号TCP/UDP标准格式，上送到上位机，支持A、B网口511、512冗余。

本发明的主CPU1为32位处理芯片，主频可达180MHz，具有丰富的IO资源，拥有6个定时器中断，5个通讯中断，具有强大的逻辑处理能力，运算速度快，功耗低，由5V电压驱动，具备看门狗处理逻辑，能及时在故障时自复位，保障系统运行安全。外围AD采样电路632、422、412、442、432、642采用16位的模数转换芯片，每周波采样48点，保证采样精度和线性度。

本发明装置结构简单，集成度高，采样精度高，线性范围广、响应速度快，环境适应能力强、功耗低、操作简单，集多种保护功能于一体，同时支持电能量采集，具有显著的经济效益和社会效益。

上述实施例仅为本发明的较佳的实施方式，除此之外，本发明还可以有其他实现方式。需要说明的是，在没有脱离本发明构思的前提下，任何显而易见的改进和修饰均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，包括一个液晶面板，其特征在于：

所述液晶面板通过驱动电路连接至主CPU/总线控制板，主CPU/总线控制板上还通过总线接入有四种电路板，分别为：电流电压采样板、电能采集板、输入输出控制板和以太网通讯板；

其中主CPU/总线控制板包含主CPU芯片、AD采样电路、CPLD模块及底层驱动电路、SRAM内存和FLASH芯片；

电流电压采样板包含母线电压互感器采样回路、测量电流互感器采样回路、电机端保护电流互感器采样回路、中性点保护电流互感器采样回路、零序电流互感器采样回路和零序电压互感器采样回路，分别用于采集母线电压、测量电流、电机端保护电流、中性点保护电流、零序电流和零序电压信息并经由对应的母线电压AD采样电路、测量电流AD采样电路、电机端保护电流AD采样电路、中性点保护电流AD采样电路、零序电流AD采样电路和零序电压AD采样电路传输至主CPU/总线控制板；

主CPU/总线控制板通过FLEXBUS总线连接并控制CPLD模块，CPLD模块通过输出逻辑控制电路开放和扩展继电器出口；CPLD模块通过输入逻辑控制电路接入开入量采集端口以输入外部的开入量信号；

液晶面板由按键输入信号，执行参数设定、定值整定、报告查询、事故查询、采样查询，显示装置参数信息、电流电压实时值、告警信息、动作信息、工作状态；

输入输出控制板上连接DC/AC 85～265V电源并转换为隔离的直流电源作为整个系统的工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述液晶面板包含LCD液晶显示界面、键盘及其接口、声音报警输出和发光块闪烁控制电路，用于显示信息、安装键盘作为输入信号设备，所述CPLD模块控制灯光报警信号、驱动声音报警信号的输出至液晶面板的声音报警输出和发光块闪烁控制电路发出声、光报警。

3.根据权利要求1所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述逻辑控制电路、输入逻辑控制电路设置于输入输出控制板上。

4.根据权利要求1所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述以太网通讯板包括独立的网卡CPU和以太网控制电路、与主CPU通过RS232总线连接，以太网控制电路用于连接网口，以实现以太网TCP/UDP网络通讯功能。

5.根据权利要求1所述的一种具备电能采集功能的电动机保护测控装置，其特征在于：

所述电能采集板包括通过SPI接口驱动连接的计量CPU和计量采集电路，计量采集电路与电流电压采样板通过双排针互联以直接获取母线电压、测量电流信号用于计算电能量相关数据，同时计量CPU通过RS232总线与主CPU互联，以传送相关数据。