CN108808640A - 一种配电网零线断线保护器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种配电网零线断线保护器及其控制方法，保护器包括数字信号处理器、电流采集电路和电压采集电路，电流采集电路和电压采集电路均与滤波电路相连接，滤波电路与A/D转换电路相连接，A/D转换电路与数字信号处理器相连接，数字信号处理器分别与存储器、通信接口、输入接口电路和输出接口电路相连接，输出接口电路分别与显示屏和断路器相连接，输入接口电路与输入设备相连接，通信接口与上位机相连接。控制方法可以实现对故障判断和断开断路器。本发明集三相电压显示、最多支持四组电流显示、频率显示、保护值设置、零线断线保护于一体，可以在150us内快速的检测出零线断线故障并在60ms内断开断路器。
Description
技术领域
本发明属于电气线路安全保护的技术领域，尤其涉及一种配电网零线断线保护器及其控制方法。
背景技术
配电系统中普遍应用的断路器、熔断器等保护器件对线路过载、短路都有快速可靠的保护作用，但不能保护由零线断线引起的故障。
在三相四线供电系统中，当零线发生断线时，主要有下列危害：
1. 造成用电设备不能工作；
2. 零线一旦断线，采用保护接零的电气设备将失去保护作用，设备一旦漏电将会造成人身触电，即使设备不漏电，由于零线本身带有危险电压使设备外壳带电，同样会造成人身触电事故；
3. 造成三相电压不平衡，电压升高会损坏用电设备。
发明内容
针对零线断线会损坏用电设备，且造成设备漏电的技术问题，本发明提出一种配电网零线断线保护器及其控制方法，采用现代电子技术能快速的检测出零线断线故障和断开断路器，保证用电安全。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种配电网零线断线保护器，包括数字信号处理器、电流采集电路和电压采集电路，电流采集电路和电压采集电路均与滤波电路相连接，滤波电路与A/D转换电路相连接，A/D转换电路与数字信号处理器相连接，数字信号处理器分别与存储器、通信接口、输入接口电路和输出接口电路相连接，输出接口电路分别与显示屏和断路器相连接，输入接口电路与输入设备相连接，通信接口与上位机相连接。
所述输出接口电路通过继电器与断路器相连接，输入接口电路通过光电耦合隔离电路与输入设备相连接。
所述数字信号处理器为STM32F407ZET6型号的ARM控制芯片；存储器为flash存储器。
所述电流采集电路的数量设有四组，电流采集电路分别与三相四线供电系统各个输电线的一次电流互感器相连接。
所述电流采集电路包括二次电流互感器和第一运算放大器，二次电流互感器的两个输入端与输电线的一次电流互感器输出端相连接，两个输出端分别与第一运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1与第一运算放大器的输出端相连接，第一运算放大器的同相输入端接地。
所述电压采集电路包括取样电阻、电流变换器和第二运算放大器，取样电阻与电流变换器的输入端相连接，电流变换器的两个输出端分别与第二运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第二运算放大器的反相输入端通过电阻R11与第二运算放大器的输出端相连接，第二运算放大器的同相输入端接地。
所述滤波电路通过钳位二极管与A/D转换电路相连接。
所述滤波电路包括RC滤波电路和加法器电路，电流采集电路和电压采集电路均与RC滤波电路相连接，RC滤波电路与加法器电路相连接，加法器电路与A/D转换电路相连接。
所述RC滤波电路包括电阻R2和电容C，电阻R2的输入端均与电流采集电路的第一运算放大器的输出端和电压采集电路的第二运算放大器的输出端相连接；电阻R2的输出端与电容C一端相连接，电容C的另一端接地；所述加法器电路包括第三运算放大器和电源VREF，电容C的两端分别通过电阻与第三运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第三运算放大器的反相输入端通过电阻R5与第三运算放大器的输出端相连接，第三运算放大器的反相输入端通过电阻R4与电源VREF相连接，第三运算放大器的输出端与A/D转换电路相连接。
一种配电网零线断线保护器的控制方法，其步骤为：
步骤一：电流采集电路和电压采集电路分别采集三相四线供电系统中输电线的电流模拟信号和电压模拟信号，并转化为电压信号；
步骤二：电压信号经滤波电路的RC滤波电路滤除电压信号中的高频干扰；滤波电路的加法器电路将滤波后的交流信号向上抬高VREF并转变为直流模拟信号；
步骤三：直流模拟信号通过A/D转换电路转化为数字量，通过数字信号处理器存储在存储器；
步骤四：数字信号处理器比较三相电流最小值大于设定值I1_set，且零线电流小于设定值In1_set，判断为零线断线故障；或数字信号处理器比较三相电流最大值与最小值的差值大于设定值I2_set，且零线电流小于设定值In2_set，断为零线断线故障；或数字信号处理器比较三相电流和N相电流的矢量和值大于设定值I3_set，判断为零线断线故障；否则，返回步骤一；
步骤五：在判断为零线断线故障后，数字信号处理器通过继电器断开断路器。
本发明的有益效果：1、提出了精确的模拟量采样方法，该方法稳定性好，采样精度高，可以避免干扰；2、提出了完善的配电网零线断线保护控制器的电路，在根据该电路制作出的控制器上运行所设计的控制算法，可以通过控制断路器实现对电力线路有效快速的保护。3、该控制器响应速度快，可在150微秒内响应负荷变化并在60ms内有效断开故障线路。本发明集三相电压显示、最多支持四组电流显示、频率显示、保护值设置、零线断线保护于一体，可以在150us内快速的检测出零线断线故障并在60ms内断开断路器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的控制电路原理框图。
图2为图1中电流采集电路和滤波电路的实现电路图。
图3为图1中电压采集电路和滤波电路的实现电路图。
图4为本发明的控制软件工作流程图。
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付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所示，一种配电网零线断线保护器，包括数字信号处理器5、电流采集电路和电压采集电路，电流采集电路和电压采集电路均与相应的滤波电路7相连接，滤波电路7与A/D转换电路6相连接，A/D转换电路6与数字信号处理器5相连接，数字信号处理器5分别与存储器3、通信接口4、输入接口电路1和输出接口电路2相连接，输出接口电路2分别与显示屏和断路器相连接，输入接口电路1与输入设备相连接，通信接口4与上位机相连接。电压采集电路实时测量电网的电压信号，电流采集电路实时测量电网的电流信号。输入设备用于向数字信号处理器5输入控制参数。显示屏用于显示电流采集电路和电压采集电路采集的三相和最多四组电流，同时显示电压信号的频率。本发明以数字信号处理器5为核心，共有3路电压和12路电流采样，存储器3用于存储参数，输入接口电路1和输出接口电路2用于控制保护电路的动作。通信接口4用于与外部设备或者上位机通信，实现与外界的通讯，实现人机交互。
输出接口电路1和输入接口电路2分别用于检测外部节点输入并控制节点输出。输入接口电路1和输出接口电路2采用了光电耦合隔离电路和继电器控制回路。所述输出接口电路2通过继电器与断路器相连接，输入接口电路1通过光电耦合隔离电路与输入设备相连接，输出接口电路2通过光电耦合隔离电路与显示屏相连接。
所述数字信号处理器5为意法半导体公司的STM32F407ZET6型号的ARM控制芯片，数字信号处理器5为ARM处理器具有计算能力强、处理数据快和可靠性高的特点。电流采集电路的数量设有至少两个；存储器3为flash存储器，可以实现快速闪存，且实现掉电参数故障信息不丢失的。A/D转换电路6为A/D转换集成电路芯片。所述电流采集电路的数量设有四组，电流采集电路分别与三相四线供电系统各个输电线的一次电流互感器相连接。
如图2所示，所述电流采集电路包括二次电流互感器和第一运算放大器，二次电流互感器的两个输入端与输电线的一次电流互感器输出端相连接，两个输出端分别与第一运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1与第一运算放大器的输出端相连接，第一运算放大器的同相输入端接地。
如图3所示，所述电压采集电路包括取样电阻、电流变换器和第二运算放大器，取样电阻R21和取样电阻R22分别与电流变换器的输入端相连接，电流变换器的两个输出端分别与第二运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第二运算放大器的反相输入端通过电阻R11与第二运算放大器的输出端相连接，第二运算放大器的同相输入端接地。
所述滤波电路7通过钳位二极管与A/D转换电路6相连接，钳位二极管的作用是防止前级电路损坏时影响数字信号处理器5。
滤波电路7实现信号调理和滤波，实现抗干扰作用。滤波电路7包括RC滤波电路和加法器电路，电流采集电路和电压采集电路均与RC滤波电路相连接，RC滤波电路与加法器电路相连接，加法器电路与A/D转换电路6相连接。
所述RC滤波电路包括电阻R2和电容C，电阻R2的输入端均与电流采集电路的第一运算放大器的输出端和电压采集电路的第二运算放大器的输出端相连接；电阻R2的输出端与电容C一端相连接，电容C的另一端接地；所述加法器电路包括第三运算放大器和电源VREF，电容C的两端分别通过电阻与第三运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第三运算放大器的反相输入端通过电阻R5与第三运算放大器的输出端相连接，第三运算放大器的反相输入端通过电阻R4与电源VREF相连接，第三运算放大器的输出端与A/D转换电路6相连接。
如图4所示，一种配电网零线断线保护器的控制方法，其步骤为：
步骤一：电流采集电路和电压采集电路分别采集三相四线供电系统中输电线的电流模拟信号和电压模拟信号，并转化为电压信号。
步骤二：电压信号经滤波电路7的RC滤波电路滤除电压信号中的高频干扰；滤波电路7的加法器电路将滤波后的交流信号向上抬高VREF并转变为直流模拟信号。
电流采集电路的电流采样过程为：
1） 电流模拟信号经过电流互感器进行信号变换与隔离，利用第一运算放大器具有输入阻抗大输出阻抗小的特点，经过第一运算放大器后将电流信号转变为电压信号：，。
2） 经过RC滤波电路，滤除信号中的高频干扰。
3） 经过加法器电路，用于将交流信号向上抬高VREF，转变为直流信号，只有直流信号才能被数字信号处理器5采样：。
电压采集电路的电压采样方法为：
1）电压模拟信号经过取样电阻转换为电流信号，通过电流变换器进行信号隔离，利用运算放大器具有输入阻抗大输出阻抗小的特点，经过第一级运算放大器后将电流信号转变为电压信号：，。
2）经过RC滤波电路，滤除信号中的高频干扰。
3）经过加法器电路，用于将交流信号向上抬高VREF，转变为直流信号：。
在本发明保护器的设计和控制方法中，对电压、电流模拟量的采样是本发明的关键技术之一。如果采样发生失真，则数字信号处理器5会计算出错误的结果，给出错误的控制指令，无法达到合格的保护效果。电流采集电路和电压采集电路除了要保证采样精度、采样速度、还要保证一定的抗干扰能力。
步骤三：直流模拟信号通过A/D转换电路6转化为数字量，通过数字信号处理器5存储在存储器3。
步骤四：数字信号处理器5比较三相电流最小值大于设定值I1_set，且零线电流小于设定值In1_set，判断为零线断线故障；或数字信号处理器5比较三相电流最大值与最小值的差值大于设定值I2_set，且零线电流小于设定值In2_set，断为零线断线故障；或数字信号处理器5比较三相电流和N相电流的矢量和值大于设定值I3_set，判断为零线断线故障；否则，返回步骤一。
其中I1_set、In1_set、I2_set、In2_set、I3_set是控制算法的判据限值，可以通过人机交互接口在线设置，或者根据应用现场的不同提前在控制程序里设定。
步骤五：在判断为零线断线故障后，数字信号处理器5通过继电器断开断路器。
本发明通过一种高精度的采样电路和其它硬件设计方案，并设计出满足配电网零线断线保护器的软件功能，用于实现对配电网零线断线保护器的控制，从而实现对电力线路保护中零线断线保护功能。本发明通过基于具有强大功能的数字信号处理器以及完善的信号电路，设计出配电网零线断线保护器的控制器，用于实现对配电网零线断线保护器的控制，从而实现对电力线路中零线断线的保护。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种配电网零线断线保护器，其特征在于，包括数字信号处理器（5）、电流采集电路和电压采集电路，电流采集电路和电压采集电路均与滤波电路（7）相连接，滤波电路（7）与A/D转换电路（6）相连接，A/D转换电路（6）与数字信号处理器（5）相连接，数字信号处理器（5）分别与存储器（3）、通信接口（4）、输入接口电路（1）和输出接口电路（2）相连接，输出接口电路（2）分别与显示屏和断路器相连接，输入接口电路（1）与输入设备相连接，通信接口（4）与上位机相连接。
2.根据权利要求1所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述输出接口电路（2）通过继电器与断路器相连接，输入接口电路（1）通过光电耦合隔离电路与输入设备相连接。
3.根据权利要求1所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述数字信号处理器（5）为STM32F407ZET6型号的ARM控制芯片；存储器（3）为flash存储器。
4.根据权利要求1所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述电流采集电路的数量设有四组，每组3路共计12路，电流采集电路分别与三相四线供电系统各个输电线的一次电流互感器相连接。
5.根据权利要求1或4所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述电流采集电路包括二次电流互感器和第一运算放大器，二次电流互感器的两个输入端与输电线的一次电流互感器输出端相连接，两个输出端分别与第一运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第一运算放大器的反相输入端通过电阻R1与第一运算放大器的输出端相连接，第一运算放大器的同相输入端接地。
6.根据权利要求1所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述电压采集电路包括取样电阻、电流变换器和第二运算放大器，取样电阻与电流变换器的输入端相连接，电流变换器的两个输出端分别与第二运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第二运算放大器的反相输入端通过电阻R11与第二运算放大器的输出端相连接，第二运算放大器的同相输入端接地。
7.根据权利要求1所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述滤波电路（7）通过钳位二极管与A/D转换电路（6）相连接。
8.根据权利要求1或7所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述滤波电路（7）包括RC滤波电路和加法器电路，电流采集电路和电压采集电路均与RC滤波电路相连接，RC滤波电路与加法器电路相连接，加法器电路与A/D转换电路（6）相连接。
9.根据权利要求8所述的配电网零线断线保护器，其特征在于，所述RC滤波电路包括电阻R2和电容C1，电阻R2的输入端均与电流采集电路的第一运算放大器的输出端和电压采集电路的第二运算放大器的输出端相连接；电阻R2的输出端与电容C1一端相连接，电容C1的另一端接地；所述加法器电路包括第三运算放大器和电源VREF，电容C1的两端分别通过电阻与第三运算放大器的同相输入端和反相输入端相连接，第三运算放大器的反相输入端通过电阻R5与第三运算放大器的输出端相连接，第三运算放大器的反相输入端通过电阻R4与电源VREF相连接，第三运算放大器的输出端与A/D转换电路（6）相连接。
10.根据权利要求9所述的配电网零线断线保护器的控制方法，其特征在于，其步骤为：
步骤一：电流采集电路和电压采集电路分别采集三相四线供电系统中输电线的电流模拟信号和电压模拟信号，并转化为电压信号；
步骤二：电压信号经滤波电路（7）的RC滤波电路滤除电压信号中的高频干扰；滤波电路（7）的加法器电路将滤波后的交流信号向上抬高VREF并转变为直流模拟信号；
步骤三：直流模拟信号通过A/D转换电路（6）转化为数字量，通过数字信号处理器（5）存储在存储器（3）；
步骤四：数字信号处理器（5）比较三相电流最小值大于设定值I1_set，且零线电流小于设定值In1_set，判断为零线断线故障；或数字信号处理器（5）比较三相电流最大值与最小值的差值大于设定值I2_set，且零线电流小于设定值In2_set，判断为零线断线故障；或数字信号处理器（5）比较三相电流和N相电流的矢量和值大于设定值I3_set，判断为零线断线故障；否则，返回步骤一；
步骤五：在判断为零线断线故障后，数字信号处理器（5）通过继电器断开断路器。
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