CN109727813A - 一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路，包括：隔离电源电路、恒流源电路、状态切换电路和V‑F转换隔离电路。一种检测配电开关功率继电器线圈状态的方法，由恒流源电路产生的弱电流流经功率继电器线圈产生线圈电压；将该电压接入V‑F转换隔离电路，经隔离后的频率信号送至CPU进行计算、得到继电器线圈电阻；根据电阻值判断配电开关功率继电器线圈的状态，进行常规操作或者报警、终止操作。本发明使用状态切换电路，增加使用的灵活性；使用弱电流对功率继电器线圈状态进行检测，不会引起继电器误动；可以精确计算线圈电阻值，该电路设计简单、占用CPU资源少、节约成本、增加抗干扰效果；简化计算方法，提高检测精度。
Description
技术领域
本发明属于电力系统配电开关技术领域，具体涉及一种利用弱电流检测配电开关功率继电器线圈状态的电路及方法。
背景技术
配电开关一般是由控制单元通过功率继电器驱动其开关动作。控制单元输出分合控制信号控制配电箱内的功率继电器，功率继电器驱动开关的操动机构进行分合，完成配电线路的分合闸操作。
受控制单元的体积和输出功率限制以及维护、更换方便等实际需求，功率继电器一般不放在控制单元内，而是与控制单元一起放在配电箱内，采用导轨方式进行安装，这就需要手工接线。由于手工接线较多且功率继电器状态未知，此环节极易出现故障，如出现接线断开、接点松动、功率继电器线圈短路或断开等情况。传统模式下如果出现开关动作异常时，需要人工到现场进行检查、检修。
发明内容
基于上述的问题，本发明提出了一种利用弱电流检测配电开关功率继电器线圈状态的电路及方法，在功率继电器动作之前，采用弱电流检测功率继电器线圈的电阻，如果电阻在正常范围内、再驱动功率继电器动作，在检测期间确保功率继电器不动作，不会引起开关误动。本发明所采用的技术方案如下：
一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路，其特征在于，包括：隔离电源电路、恒流源电路、状态切换电路和V-F转换隔离电路；
隔离电源电路为整个电路提供隔离电源；恒流源电路产生用于检测的弱电流Iout，经电连接输送至状态切换电路的出口继电器；状态切换电路用于整个电路的状态切换，以及功率继电器线圈电阻计算、判断，状态切换电路中的出口继电器的公共端(COM)两端电连接外接至V-F转换隔离电路中的功率继电器线圈两端、驱动配电开关；V-F转换隔离电路用于产生VFO频率信号，将VFO频率信号隔离后的IVF频率信号送至状态切换电路中的CPU。
一种检测配电开关功率继电器线圈状态的方法，包括以下步骤：
步骤1、由恒流源电路产生的弱电流流经功率继电器线圈产生线圈电压；
步骤2、将该电压接入V-F转换隔离电路，经隔离后的频率信号送至CPU进行计算、得到继电器线圈电阻；
步骤3、根据电阻值判断配电开关功率继电器线圈的状态，如果计算值在额定范围内，则判断继电器正常，进行常规操作；如果超出额定范围，则判断继电器异常，进行报警、终止操作。
本发明的有益效果：
1)使用状态切换电路，增加使用的灵活性。
2)使用弱电流对功率继电器线圈状态进行检测，不会引起继电器误动。
3)使用V-F转换隔离电路将现场信号转换为频率信号，可以精确计算线圈电阻值，该电路设计简单、占用CPU资源少、节约成本、增加抗干扰效果。
4)使用可调电位器对电路参数进行调校，简化计算方法，提高检测精度。
附图说明
图1是本发明实施例的电路结构示意图；
图2是本发明实施例的检测方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。
如图1所示，是本发明实施例的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路结构示意图。本发明实施例的电路主要由四部分组成：隔离电源电路、恒流源电路、状态切换电路和V-F转换隔离电路。隔离电源电路为整个电路提供隔离电源，确保在检测期间状态切换电路的CPU电路部分与被检测元件实现电气隔离；恒流源电路产生用于检测的弱电流Iout，经电连接输送至状态切换电路的出口继电器；状态切换电路用于整个电路的状态切换，以及功率继电器线圈电阻计算、判断等功能，状态切换电路中的出口继电器的两端电连接外接至V-F转换隔离电路中的功率继电器线圈两端、驱动配电开关；V-F转换隔离电路用于产生VFO频率信号，将VFO频率信号隔离后的IVF频率信号送至状态切换电路中的CPU，计算线圈的电阻值，根据计算结果可以判断线圈阻值是在正常范围、超上限、超下限、短路、开路等状态。隔离电源电路、恒流源电路、状态切换电路和V-F转换隔离电路的具体电路结构描述如下：
一、隔离电源电路的结构见附图中的“1：隔离电源电路”部分。图中，电源输入VCC经滤波电容E1和滤波电路LC1与DC-DC隔离电源模块DC1电连接，DC1经电源输出经自恢复保险丝PTC1依次电连接至瞬间抑制二极管TVS1、电源输出滤波电容E2，最后经通过滤波电路LC2输出与输入电源VCC隔离的输出电源VC+。当负载电流大于PTC1的额定值时，PTC1将断开，保护隔离电源模块；TVS1是瞬间抑制二极管，当输出电压高于额定电压值时，将输出电压钳位在额定电压值。通过此电路将输入电源VCC经过DC1后变成与VCC隔离的VC+输出电源，为附图中的其他电路提供电源，附图中凡标注VC+、VC-网络标号的电源均由该隔离电源提供。
该电路确保在检测期间CPU电路部分与被检测元件实现电气隔离，提高抗干扰能力，可以根据V-F转换的输入电压范围选择不同的隔离电源电压。
二、恒流源电路见附图中的“2：恒流源电路”部分。图中，采用LM334(U1)作为电流源，使用R2和可调电位器RT1串联的方法既可调节恒流源的输出电流，又可保证恒流源输出不会造成短路的情况；同时设计了J1短接跳线，与V-F转换隔离电路中的J2、RT2、RT3配合，可简化频率输出调整，不需要CPU及状态切换电路参与。U1(LM334)为可调电流源芯片，CI将隔离电源电路提供的VC+电源进行滤波为U1提供电源，电阻R2和可调电阻RT1组成恒流源输出调整电路，将调整电阻分成R2和RT2，是为确保在恒流源调整前如果RT值为0Ω，调整电路又因有电阻R2，确保输出电流小于某一定值；J1是短接跳线，与J2配合使用，调整V-F转换隔离电路频率输出值，具体用法在V-F转换隔离电路中说明。
恒流源的输出电流Iout通过状态切换电路流经功率继电器线圈，通过线圈电阻产生电压，该电压经过V-F转换及隔离电路产生频率信号送到CPU检测线圈的阻值状态。
恒流源电路为继电器线圈电阻检测提供恒定测试电流，为方便计算，本发明中使用了R2和可调电位器RT1，调整RT1，使输出电流Iout恒定输出1毫安电流。也可以根据实际使用要求，调整RT1输出不同的电流值，本电路的Iout最大值为10毫安。
三、状态切换电路见附图中的“3：状态切换电路”部分。图中，CPU板负责整个电路的状态切换，功率继电器线圈电阻计算、判断等功能。状态切换电路中，主要由常开型继电器(1A型)RY2和常开常闭型继电器(1C型)RY1组成，RY1的公共端(COM)接功率继电器线圈两端，常开接点(O)接功率继电器驱动线圈动作的操作电源(KM)，常闭接点(C)接RY2的常开端(O)；RY2公共端(COM)接恒流源电路的电流输出(Iout)，两个继电器的开闭状态由CPU根据流程要求进行控制。
图中RY1为出口继电器，其状态由CPU板通过隔离电路驱动，其公共端(COM)端(网络标注I_RY3和VC-_RY3)外接功率继电器RY3线圈两端，RY3驱动配电开关；RY2为检测继电器，由CPU板通过隔离电路驱动。状态切换电路处理两种状态的转换：
1、检测功率继电器线圈状态：CPU接到遥控命令，如果设置要求投入检测功能，则驱动检测继电器RY2由常开状态切换到闭合状态，接通恒流源电路，恒流源产生的1毫安电流信号(Iout)流经功率继电器线圈产生的电压V_RY3经V-F转换隔离电路转换成频率信号送CPU计算，如计算结果符合要求，则先驱动检测继电器RY2由闭合状态切换回常开状态，断开恒流源电路，然后驱动出口继电器RY1由常闭接点切换到常开接点，将+KM和-KM电源信号加到RY3功率继电器的线圈上，RY3动作，驱动配电开关分合，动作完成后，将RY1由常开接点切换到常闭接点；如计算结果不符合要求，则驱动检测继电器RY2由闭合状态切换回常开状态，CPU报警提示，撤销遥控动作。
2、不检测功率继电器线圈状态：CPU接到遥控命令，如果设置要求不投入检测功能，将驱动出口继电器RY1切换到电源侧执行遥控命令，即RY1由常闭接点切换到常开接点，将+KM和-KM电源信号加到RY3功率继电器的线圈上，RY3动作，驱动配电开关分合，动作完成后，将RY1由常开接点切换到常闭接点。
四、V-F转换隔离电路见附图中的“4：V-F转换隔离电路”部分。V-F转换隔离电路中，LM331(U2)是V-F转换的主芯片，周边元器件的连接配置是该芯片的典型应用。本发明中对典型应用做了改进，将短接跳线J2和可调电位器RT2串联后，并联在电压输入电阻R3之前，与恒流源电路中的短接跳线J1配合，为本电路的V-F转换提供调试用电压；另一个改进是使用可变电位器RT2和RT3调整频率输出，由恒流源电路输出的1毫安电流流经RT2，调整RT2阻值，使其两端的电压为1VDC，然后调整RT3，使频率输出VFO等于1KHZ，方便计算；之后将频率输出信号VFO经光电隔离器件TLP281-1(OU1)后的IVF信号送到CPU。
一般的电压信号采集隔离方法是采用线性光耦进行隔离，之后采用AD转换电路，将模拟量转化为数字量送到CPU进行计算；或是先将电压模拟量采用AD转换电路转换为数字量，之后对数字量进行隔离后送到CPU进行计算。这些传统方式的缺点是占用CPU资源较多、成本高、占用板面积较多、调试环节较繁琐。
本发明中，CPU将状态切换电路切换到检测功率继电器线圈状态，图中恒流源产生的1毫安电流(IOUT)流经功率继电器RY3的线圈，此时线圈电阻上将产生电压V_RY3，此电压信号经过V-F转换电路产生VFO频率信号，将VFO隔离后的IVF频率信号送至CPU，计算线圈的电阻值，根据计算结果可以判断线圈阻值是在正常范围、超上限、超下限、短路、开路等状态。
图中电路连接为V-F频率输出的典型用法。U2(LM331)是V-F转换芯片，R3需与R4匹配都选用100KΩ；R6和C4决定RC滤波常数，取典型值R6为6.8KΩ，C4取0.01uF；C2对输入电压进行滤波，选用典型值0.1uF，C3选用典型值1uF，R5选用典型值47Ω，C3、R4和R5组成门槛电压，典型值确保LM331内部比较器翻转，正确地输出频率；C5是LM331电源VC+的滤波电容，R8和RT3组成频率输出的增益调节，R7是LM331频率开漏输出的上拉电阻；J2是短路跳线。
图中OU1是光电耦合芯片，将频率输出信号VFO通过光电隔离转换为IVF信号送至CPU进行计算，R9为输入限流电阻，R10为输出驱动电阻。
图中J2为调试用短接跳线，可变电阻RT2为调试用可调电阻，调试时模拟功率继电器线圈阻值。
本发明电路为校验、计算方便，使用了两个可调电位器RT2、RT3和两个短接跳线J1、J2。在调试时，调整RT1输出1毫安电流；短接J1、J2(不需要状态切换电路和CPU参与)，恒流源输出的1毫安电流(IOUT)流经RT2(此时I_RY3＝IOUT)，调整RT2使其两端的电压(V_RY3)为1VDC，然后调整RT3，使输出频率IVF为1KHZ，可以折算为1KΩ的电阻输出频率为1KHZ，为线性关系，方便计算及判断，调整完成后计算精度可达5‰。调试完毕后须断开J1和J2短接线。该调试方法回避了状态切换电路，在调试时无需CPU参与，方便了生产调试。
本发明的使用设定条件是功率继电器线圈电阻额定值为1KΩ～2KΩ，上下限为±30％。可以根据实际需求并结合测量值设定线圈的状态为短路、超下限、正常、超上限、开路等状态。
如果需要功率继电器电阻检测功能，先通过内部继电器将检测配电开关功率继电器线圈状态的电路电阻检测电路投入，由恒流源电路产生的弱电流流经功率继电器线圈产生线圈电压，将该电压接入V-F转换隔离电路，经隔离后的频率信号送至CPU进行计算、得到继电器线圈电阻。根据电阻值判断配电开关功率继电器线圈的状态，如果计算值在额定范围内，则判断继电器正常，进行常规操作；如果超出额定范围，则判断继电器异常，进行报警、终止操作。此恒流源电路最大产生10毫安电流，在选用继电器时应选择驱动电流大于20毫安的，以确保在电阻检测期间，不会引起功率继电器误动。
如图2所示，是本发明实施例的检测方法流程框图。一种利用弱电流检测配电开关操动机构功率继电器线圈状态的方法，详细的操作步骤如下：
步骤1、由恒流源电路产生的弱电流流经功率继电器线圈产生线圈电压；详细的操作步骤如下：
S1.1、遥控命令开始；
S1.2、CPU判断是否检测线圈状态，如果是、转下一步，如果否、转S1.6；
S1.3、检测继电器RY2切换到闭合状态；
S1.4、弱电流流经功率继电器线圈；
S1.5、产生线圈电压V_RY3；
S1.6、出口继电器RY1由常闭切换到常开状态，接通KM电源，+KM、-KM驱动是功率继电器线圈动作的操作电源；
S1.7、配电开关动作；
S1.8、遥控命令完成、退出检测流程。
步骤2、将该电压接入V-F转换隔离电路，经隔离后的频率信号送至CPU进行计算、得到继电器线圈电阻；详细的操作步骤如下：
S2.1、V-F转换产生频率信号IVF；
S2.2、CPU计算线圈电阻值。
V-F转换电路典型应用计算公式：
fout＝Vin·k；k为电路计算系数(通过下面的调整，使k＝1)。
在调试时，调整RT1输出1毫安电流；短接J1、J2(不需要状态切换电路和CPU参与)，恒流源输出的1毫安电流(IOUT)流经RT2(此时I_RY3＝IOUT)，调整RT2使其两端的电压(V_RY3)为1VDC，然后调整RT3，使输出频率IVF为1KHZ，此时：
fout＝∣1KHZ∣＝∣1VDC∣＝∣IRT2·RRT2∣＝∣0.001·RRT2∣
∣1KHZ∣＝∣0.001·RRT2∣；
RRT2＝∣1KHZ∣/0.001＝1000/0.001＝1Ω；
即：fout＝∣RRT2∣；
调试完成后，断开J1、J2，状态切换电路恢复初始状态，
此时：RRT2＝RRy3；(RRy3为功率继电器线圈电阻)。
即fout＝∣RRy3∣。
步骤3、根据电阻值判断配电开关功率继电器线圈的状态，如果计算值在额定范围内，则判断继电器正常，进行常规操作；如果超出额定范围，则判断继电器异常，进行报警、终止操作。详细的操作步骤如下：
S3.1、CPU判断线圈电阻是否在正常范围内，如果是、转下一步，如果否、转S3.7；
S3.2、检测继电器RY2切换到断开状态；
S3.3、出口继电器RY1由常闭切换到常开状态，接通KM电源；
S3.4、配电开关动作；
S3.5、出口继电器RY1由常开切换到常闭状态，断开KM电源；
S3.6、遥控命令完成、退出检测流程；
S3.7、检测继电器RY2切换到断开状态；
S3.8、上报错误信息；
S3.9、遥控操作终止；
S3.10、遥控命令完成。
Claims (9)
1.一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路，其特征在于，包括：隔离电源电路、恒流源电路、状态切换电路和V-F转换隔离电路；
隔离电源电路为整个电路提供隔离电源；恒流源电路产生用于检测的弱电流Iout，经电连接输送至状态切换电路的出口继电器；状态切换电路用于整个电路的状态切换，以及功率继电器线圈电阻计算、判断，状态切换电路中的出口继电器的公共端COM两端电连接外接至V-F转换隔离电路中的功率继电器线圈两端、驱动配电开关；V-F转换隔离电路用于产生VFO频率信号，将VFO频率信号隔离后的IVF频率信号送至状态切换电路中的CPU。
2.根据权利要求1所述的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路，其特征在于，所述的隔离电源电路中，电源输入VCC经滤波电容E1和滤波电路LC1与DC-DC隔离电源模块DC1电连接，DC1经电源输出经自恢复保险丝PTC1依次电连接至瞬间抑制二极管TVS1、电源输出滤波电容E2，最后经通过滤波电路LC2输出与输入电源VCC隔离的输出电源VC+。
3.根据权利要求1所述的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路，其特征在于，所述的恒流源电路中，采用LM334即U1作为电流源，R2和可调电位器RT1串联，J1短接跳线与V-F转换隔离电路中的J2、RT2、RT3配合。
4.根据权利要求1所述的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路，其特征在于，所述的状态切换电路中，由1A型常开型继电器RY2和1C型常开常闭型继电器RY1组成，RY1的公共端COM接功率继电器线圈两端，常开接点O接功率继电器驱动线圈动作的操作电源KM，常闭接点C接RY2的常开端O；RY2公共端COM接恒流源电路的电流输出Iout，两个继电器的开闭状态由CPU根据流程要求进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的电路，其特征在于，所述的V-F转换隔离电路中，LM331即U2是V-F转换的主芯片，将短接跳线J2和可调电位器RT2串联后，并联在电压输入电阻R3之前，与恒流源电路中的短接跳线J1配合；用可变电位器RT2和RT3调整频率输出，将频率输出信号VFO经光电隔离器件TLP281-1即OU1后的IVF信号送到CPU。
6.一种检测配电开关功率继电器线圈状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、由恒流源电路产生的弱电流流经功率继电器线圈产生线圈电压；
步骤2、将该电压接入V-F转换隔离电路，经隔离后的频率信号送至CPU进行计算、得到继电器线圈电阻；
步骤3、根据电阻值判断配电开关功率继电器线圈的状态，如果计算值在额定范围内，则判断继电器正常，进行常规操作；如果超出额定范围，则判断继电器异常，进行报警、终止操作。
7.根据权利要求6所述的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的方法，其特征在于，步骤1所述的弱电流流经功率继电器线圈产生线圈电压的详细操作步骤如下：
S1.1、遥控命令开始；
S1.2、CPU判断是否检测线圈状态，如果是、转下一步，如果否、转S1.6；
S1.3、检测继电器RY2切换到闭合状态；
S1.4、弱电流流经功率继电器线圈；
S1.5、产生线圈电压V_RY3；
S1.6、出口继电器RY1由常闭切换到常开状态，接通KM电源；
S1.7、配电开关动作；
S1.8、遥控命令完成、退出检测流程。
8.根据权利要求6所述的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的方法，其特征在于，步骤2所述的计算得到继电器线圈电阻的详细操作步骤如下：
S2.1、V-F转换产生频率信号IVF；
S2.2、CPU计算线圈电阻值。
9.根据权利要求6所述的一种检测配电开关功率继电器线圈状态的方法，其特征在于，步骤3所述的根据电阻值判断配电开关功率继电器线圈状态的详细操作步骤如下：
S3.1、CPU判断线圈电阻是否在正常范围内，如果是、转下一步，如果否、转S3.7；
S3.2、检测继电器RY2切换到断开状态；
S3.3、出口继电器RY1由常闭切换到常开状态，接通KM电源；
S3.4、配电开关动作；
S3.5、出口继电器RY1由常开切换到常闭状态，断开KM电源；
S3.6、遥控命令完成、退出检测流程；
S3.7、检测继电器RY2切换到断开状态；
S3.8、上报错误信息；
S3.9、遥控操作终止；
S3.10、遥控命令完成。
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