CN111130208A - 防晃电与过流保护联动控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于电力设备的在负荷侧进行过电流保护及在电源侧进行防晃电控制的防晃电和过电流保护的防晃电与过流保护联动控制装置及其控制方法，包括连接在电源侧的主电源模块、与主电源模块相连并向主电源模块充电的备用电源模块、与主电源模块相连的CPU模块、与CPU模块相连的电压电流信号采集和处理模块、与CPU模块相连的继电器开关及断路器模块、与CPU模块相连的FRAM存储模块，具有可以有效防止系统侧晃电对负荷侧设备的影响，也可以防止负荷侧出现故障无法及时切除故障而引起电源侧的电压晃动的优点，不会影响相邻侧设备安全运行，有利于提高目前防晃电装置的选择性及可靠性，防止因防晃电装置对系统快速切除故障元件造成的影响。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别涉及一种适用于电力设备的
在负荷侧进行过电流保护及在电源侧进行防晃电控制的防晃电和过电流保护的防晃电与过流保护联动控制装置及其控制方法。
背景技术
在电力系统运行过程中，由于雷击、短路故障重合闸、企业内外部电网故障、大型设备启动等原因，会造成电压瞬间较大幅度波动或者短时断电又恢复，这种现象通常称为“晃电”。供电系统产生晃电的基本类型有:电压骤降、骤升、短时断电、电压闪变。电压骤升是指持续时间0.5个周期至1min,电压上升或下降至标称电压的110~180%。电压暂降/骤降是指电压有效值降至标称值(Nominal Value)的10%至90%,且持续时间为10ms至1min(典型持续时间为10ms~600ms)的电能质量事件之一。短时断电是指持续时间在0.5个周波至3s的供电中断(如备自投、重合闸等)。电压闪变是指电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化，一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受 。
随着电网并网、环网的日益扩大，以及馈电变压器容量增大带来的配出回路的增多，电源瞬时失压即"晃电"的现象越来越频繁，其原因是相邻回路故障引起的电压波动几率增加了。最长持续时间一般是故障保护的切除时间，大约在200毫秒以下，也有保护元件来不及动作的"一过性"瞬时失压特殊情况的。交流接触器电保持大致要求是:电压不小于45%或者是失压时间不大于60毫秒。对于此类因"晃电"引起的接触器释放，常规微处理器自起动设备是无能为力的，因为故障时间小于微处理器的电压采集周期时间而无法识别。
电力系统由于设有浪涌保护器、避雷器及消谐装置，正常生产性负荷造成的冲击影响不会很大，其电网晃电主要是外部电网或企业内部电网故障引起的，其中电压骤降(A类)和电压短时中断(C类)占大部分。一般来说，电压跌幅在20％内对设备运行一般不会有太大的影响。电压跌幅超过20％时，容易引起交流接触器控制的设备跳闸停机。
同时，电源侧及供电线路故障引起的晃电现象严重的影响了负荷侧设备的平稳安全运行，严重的晃电事故可能导致机器转速高低不稳摇摆，控制开关断路器脱扣，供电中断，迫使机器停转及来电再启动等，危及负荷侧设备的安全及稳定运行；为防止晃电引起的负荷侧设备波动而采用延迟断开负荷侧的控制断路器，虽然可以防止电源侧晃电引起的断路器脱口现象，但却隐含着无法及时切除由于负荷侧短路故障而引起的晃电及设备过电流事故，扩大了因负荷侧故障引起的事故。
中国专利公开号CN 109474206 A公布了一种《游梁式抽油机配置工频直启的晃电后智能再启动装置及方法》，可以准确识别电机脱网后的正反转过程，并于停机时或正向摆动时刻合闸，启动电流小，针对晃电发生时游梁抽油机曲柄平衡块停止位置、摆动方向、摆动时间各不相同的情况，针对各项数据进行分析智能再启动，并同时具有热过载保护、转堵保护、零序过流保护等，但是仍然存在着局限性，不能广泛地使用在电力设备中，其防晃电与过流保护的联动控制功能低，无法提高电源侧的防晃电能力和设备负荷侧的过电流保护能力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有防晃电装置的不足而提供一种防晃电与过流保护联动控制装置及其控制方法，提高电源侧的防晃电能力和设备负荷侧的过电流保护能力，可同时适用于电力设备的防晃电和过电流保护。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种防晃电与过流保护联动控制装置，包括连接在电源侧的主电源模块、与主电源模块相连接并向主电源模块充电的备用电源模块、与主电源模块相连接的CPU模块、与CPU模块相连接的电压电流信号采集和处理模块、与CPU模块相连接的继电器开关及断路器模块、与CPU模块相连接的FRAM存储模块；
所述CPU模块包括CPU器件及其外围电路；
所述主电源模块包括AC-AC降压电路、AC-DC降压整流电路、DC-DC降压模块电路；
所述备用电源模块包括超级电容及超级电容的充电模块电路、DC-AC升压电路；
所述电压电流信号采集和处理模块包括电源侧电压信号采集模块、负荷侧电流信号采集模块和电压电流信号处理模块；所述电源侧电压采集模块由测量电压互感器和运放电路将采样信号转换为0-3.3V的交流信号；所述负荷侧电流信号采集模块由测量电流互感器和运放电路将采样需要信号转换为0-3.3V的交流信号；所述电压电流信号处理模块包括A/D芯片和电压基准芯片；
所述继电器开关及断路器模块包括主电源开关K1的开关控制电路、备用电源充电的开关K2的开关控制电路、备用电源供电的开关K3的开关控制电路、过电流控制开关控制电路及分合闸线圈；
所述FRAM存储模块包括存储器件及外围电路。
进一步的，所述CPU模块以STM32F103C8T6为核心处理器，采用ARM架构 Cortex-M0内核的处理器STM32F103C8T6来实现各个功能的运转，该CPU模块有48个引脚，采用3.3V的电压供电，外部连接有一个8M的石英晶体振荡器，内部自带12位ADC，SW2是外接的一个硬件复位按键，SWD是程序下载的接口，用于实现数据的计算处理和存储以及对其他模块的控制、交互功能；在所述CPU的外围电路中，其1、24、36、48、9引脚都是3.3V电源接入引脚，1引脚上3.3V接有一个肖特基二极管MBR0520，9引脚上接有3.3V经过两个滤波电容C132、C133，另一端经过磁珠L11连接到24、36、48引脚，这3个引脚上又分别连接有100nf的滤波电容C135、C136、C137；其23、35、47、8引脚是CPU的接地引脚,5、6引脚外接一个晶振Y6的1、2引脚再接两个电容C130、C140后接入地；P19端口是串口分别连接到30、31引脚上，P20是程序烧录端口分别连接有上拉电阻R106和下拉电阻R108再连接到34、37引脚上；复位按键连接到CPU的7引脚上，外接一个上拉电阻R98，另外接一个去耦电容C120到地；CPU的20、44引脚分别接到地，其他用到的引脚引出，不用的保留。
进一步的，所述AC-AC降压电路包括用于将降压电路接入380V-10KV电网的连接器P15、与连接器P15相连接的型号为Trans Adj的可调变压器T1、与可调变压器T1相连接的连接器P16，380V-10KV的交流电压通过可调变压器T1的降压输出经过连接器P16变为220V的稳定交流电压。
进一步的，所述AC-DC降压整流电路用于将220V的稳定交流电压通过连接器P17的2脚接入保险丝F1以及共模电感Lf1的一边后与整流模块U1的1引脚相连接，整流模块U1采用HenL AC220S12DC-20W的整流模块，通过该整流模块U1将220V电压整流为+12V；其中连接器P17的1引脚并联滤波电容C94、C95以及压敏电阻Rv1，整流模块U1的1、2引脚连接的线路上并联滤波电容C91以及压敏电阻Rv2；整流模块U1的4引脚经过二极管D9与电感L8、电阻R74、二极管D11阴极端连接在一起；二极管D9、D11的型号为IN4007；整流模块U1的5引脚直接接地，二极管D11正向端输出+12V电压信号；整流模块U1的4引脚和5引脚之间接反向连接的二极管D10，该稳压二极管D10的型号为1N4742，额定电用为+12V，起到稳定输出电压的作用；整流模块U1的4、5引脚输出稳定的+12V直流电压，该电压经过电感、电阻和二极管的滤波与保护后输入DC-DC降压电路以及储能控制电路。
进一步的，所述DC-DC降压模块电路包括型号为RT7272BGSP的主芯片和LDO线性稳压电路，主芯片的8引脚接12V，7引脚接下拉电阻R83后接地，而后7、8引脚之间并联三个10uF滤波电容C102、C100、C101；6引脚和地之间串联一个100nFC99电容和24K电阻R85；5引脚接11.8K的下拉电阻R84；4引脚直接接地；3引脚接100K的上拉电阻R79后接12V；2引脚串联一个100nF电容C98后与1引脚连接，然后串联6.8uH功率电感L9，再接62K下拉电阻R82，此时的电压已经降成5V，后与地之间连接两个滤波电容C103和C104以及TVS二极管D12；再并联两个电容C112和 C111，最后分别接入芯片AMS1117-3.3的3引脚和1引脚；此电路把直流的12V电压降为稳定的直流5V电压，输出到下级的LDO线性稳压电路，对于其他电路有个缓冲作用；LDO线性稳压电路包括型号为AMS1117-3.3的稳压芯片，稳压芯片的2引脚与4引脚串联，此时电压已经转变成3.3V，与地之间并联有稳压二极管D13，两个滤波电容C113、C114最后并联电源指示灯D14，而指示灯串联有分压电阻R93，此电路最后的输出电压是给CPU模块及其他模块进行稳定的供电使用，能够保证电路正常稳定的运转。
进一步的，所述备用电源模块包括超级电容及超级电容的充电模块电路，为保证对超级电容充电的安全以及稳定高效，采用型号为LT3741DC-DC芯片作为缓冲，芯片的输入引脚VIN使用12V供电，该引脚与地之间并联两个常规电容作滤波保护；栅极驱动信号引脚HG与12V接一个MOS管用来缓冲电压，CTRL2外接有下拉电阻用于降低调节电流水平的热控制输入；软启动引脚SS通过外接电容接地，以限制调节电流；RT引脚外接下拉电阻将开关频率设置在200KHz至1MHz之间，该引脚的电流限制为60μA；VC引脚外接47.5K补偿电阻与4.7nF补偿电容；上述的外接电路为该模块的限制和保护电路；下述电路为输出电路，CBOOT引脚为高端FET驱动提供5V稳压电源，开关引脚靠近地时，从VIN引脚到CBOOT引脚通过外部肖特基二极管为CBOOT电容器充电；LG是地步FET栅极驱动信号，外接一个MOS管用于控制低侧外部功率FET的状态；SENSE+是平均电流模式误差放大器的反相输入，该引脚连接至检测电阻R71；SENSE +和SENSE之间的压降产生电流调节环路的输入电压；SENSE–是平均电流模式的同相输入环路误差放大器；基于CTRL1或CTRL2的参考电流从引脚流出，流向检测电阻R71的输出侧；FB电压调节和过压保护的反馈引脚，反馈电压为1.21V，还通过FB引脚检测到过压，当反馈电压超过1.5V时，过压锁定将阻止切换13μs，以允许电感器电流放电，流过检测电阻的已经被降压的电信号经过两个150uf滤波电容给超级电容充电。
进一步的，在所述DC-AC升压电路中，当电源测出现晃电现象时，备用电源需要再进行DC-AC升压给负载供电，5V直流电通过一个电熔丝与升压芯片CW3525A的15、13引脚连接，给芯片供电而后直通滑动变压器；IN-、IN+、V-REF、Rt、Ct、SS、COMP用做保护电路和限制电路分别外接下拉电阻和电容，OUT-A、OUT-B作为芯片的输出端将已经从直流变为交流的电压并且小幅度升压传输给滑动变阻器，滑动变压器根据所需调节已得到220V交流电，整流桥滤去直流电，让该模块所产生的220V交流电为更纯净的正弦波。
进一步的，所述电源侧电压信号采集模块包括信号转换和信号处理模块，220V的交流电经过四个相同的电阻R99、R100、R102、R103接到电压互感器T2的1、2引脚上，转换之后的信号从电压互感器的3、4引脚出来，3引脚一方面经过0欧电阻R107接入到地，另一方面经过电阻R105接入到运放AD623的2引脚上，4引脚通过电阻R101接入到运放AD623的引脚3上，电压互感器T2的3、4引脚之间加入有去耦电容C122，并且分别连接有滤波电容C121、C124到地；运放AD623的7引脚接3.3V的电压，4引脚接地，8引脚和1引脚之间连接有可调电阻器RP2；6引脚是输出引脚，经过一个电阻R104和一个电容C123将经过整理的信号输出到信号处理电路上；此电路采用一个电压互感器对220V交流电进行信号的缩小，之后是一个运放AD623对信号进行整理，电压信号输入之后低通滤波器对信号进行滤波，经过运放整流输出端接到ADC采集芯片上，可调电阻调节信号放大倍数。
进一步的，在所述负荷侧电流信号采集模块中，连接器P21的端口接收经过电流互感器之后的电流信号，电阻R112是一个采样电阻，连接器P21的1引脚经过RC滤波电路、电阻R111与运放LMV358的1引脚相连接，电流信号经过RC滤波电路，在经过电阻R111送到运放LMV358的1引脚上；连接器P21的2引脚经过RC滤波电路以及0欧电阻到地；运放LMV358使产生的信号能够抬高和放大，其8引脚由5V电源供电，4引脚接地，5V直流电一方面经过两个滤波电容C138、C139到地，另一方面经过电感L12、电阻R117到运放LMV358的5引脚上，5引脚又连接由两个相同的电阻R118、R119和一个电容C134到地端，6引脚和7引脚直接连接输出经过RC滤波器到3引脚上，2引脚经过电阻R109串联电阻R111并联电容C126到1引脚上，与电流信号叠加，经过电阻R114并联电容C129输出到信号采集电路；此电路前一级运放组成的是一个电压跟随器，后一级是sallen-key滤波器，最右边的导线是漏电流的输入接口，电阻R54是一个采样电阻，电流信号输入后，经过低通滤波器滤波，之后和运放的直流电压的叠加把信号的负半轴全部抬高到正半轴上。
进一步的，在电压电流信号处理模块中，电信号处理芯片TM7705的2、3引脚用来连接晶振模块，先并联一个1M电阻R89，然后再并联4.9152M晶振最后分别串联一个30pF电容后接地，7、8引脚与电压信号采集模块连接，6、11引脚与电流信号采集模块连接，5引脚与3.3V电压之间串联有1K的上拉电阻R80，与地之间串联有10nF的下拉电容GND，16、10引脚接地，9、15引脚接3.3V，1、4、14、13引脚作为SPI通信仅4引脚接下拉电阻将通信模式默认为SPI，其余分别与中央处理器STM32F103C8T6的26、28、27引脚连接，12引脚与中央处理器的25引脚连接，电压基准芯片REF3033 的1引脚接5V后与地之间接10uF/16V的电解电容+CE2，2引脚接3.3V后与地之间接10nF滤波电容C118；5V与地之间并联3个10nF去耦电容C115、C116、C117；此电路有电压基准芯片REF3033和ADC芯片TM7705组成，电压基准芯片能够把ADC的参考电压稳定在一个固定的数值。
进一步的，在所述FRAM存储模块中，FRAM存储芯片FM24CL64的1、2、3、4、7引脚全部接地，8引脚接3.3V电源供电，且存储芯片的电源与地之间串联有100nF滤波电容C83；5、6引脚分别与中央处理器STM32F103C8T6的42、43引脚连接而且各自连接有一个4.7K的上拉电阻R69、R70；此电路采用了一个FRAM存储芯片FM24CL64，对采集到的信号波形进行存储以及其他数据的存储，FRAM存储芯片FM24CL64采用外部3.3V直流电压供电，采用IIC通信协议和CPU进行数据的交换，该芯片的擦除次数无限次，掉电不会丢失保存的数据，存储大小为64KBit。
进一步的，所述继电器开关及断路器模块包括四个继电器模块JQC-3FF-S-Z，该模块作为一个可控的开关使用，用单片机的GPIO引脚控制直流电、交流电的通断；它们分别当做操作电源控制开关K1、备用电源充电开关K2、备用电源放电开关K3、过电流控制开关；同时断路器用来控制设备电源的通断，如果设备遇到了过电流的情况，CPU控制继电器开关断开断路器控制的分合闸的线圈电源，进而控制断路器主触头断开。
一种防晃电与过流保护联动控制方法，包括以下步骤：
步骤1）、正常运行中防晃电模块中控制断路器操作电源的K1开关闭合，操作电源正常供电，控制备用电源充电的K2闭合，备用充电电源正常充电，操作电源与备用充电电源联系的K3断开；
步骤2）、计算电源侧电压有效值和负荷侧电流有效值，如电源侧电压变化量超值时，则启动防晃电模块；如电源侧电压变化量没有超值而负荷侧电流变化量超值时，则启动过电流保护模块；
步骤3）、启动防晃电模块后，立即快速投入备用充电电源与操作电源联系的K3，投入备用电源作为断路器的操作电源，并迅速断开操作电源的K1控制开关和充电电源的K2充电开关，打开备用充电电源投入计时器进行计时，然后判定负荷侧电流值是否超值，如负荷侧电流无超值，则备用充电电源继续投入运行，计时器继续计时，到达合理设定的时限后，备用充电电源投入自动返回，计时器返回清零，并增加一次防晃电计数器记录次数，返回步骤1），继续监测诊断；如负荷侧故障特征明显且电流值超定值，则立即跳开断路器，并断开控制开关K3退出备用充电电源，完成一次负荷侧的保护，保护计数器加1，启动保护告警闭锁功能，返回步骤1），继续监测诊断；
步骤4）、启动过电流保护模块后，连续计算判定负荷侧故障特征及过电流值是否超过定值及相应的保护时限，如超值，则保护立即断开断路器，启动保护告警闭锁功能，返回步骤1），继续计算判定；如不超值或时限不到时，保持故障启动标志，返回步骤1），继续计算判定。
进一步的，在步骤2）中电压变化量的计算判据式为：
进一步的，在步骤3）中，防晃电模块启动后，备用电源自动投入的持续时间根据所带负荷的特性设定。
进一步的，在步骤4）中，保护模块启动后，保护出口跳闸的判据式为：
本发明具有如下积极效果：
本发明公开一种防晃电与过流保护联动控制装置及其控制方法，能够监测电源侧电压特性和负荷侧电流特性，当电源侧发生晃电现象时，为不间断负荷侧电压的持续性，防止断路器操作回路因晃电而跳开断路器，立即投入防晃电转换部分，自动切换到备用充电电源给断路器提供操作电源，同时立即检测判定负荷侧有无故障特征，如无故障特征，则防晃电转换部分继续投入运行，如有故障特征，且判定晃电是由负荷侧引起，则立即跳开防晃电转换部分，并立即跳开断路器，避免因防晃电断路器延迟跳开而无法及时切除故障，造成负荷侧更大的故障损坏，并引起系统侧电源的晃动；当电源则无有晃电现象而检测到负荷侧有故障特征且故障电流超值时，立即跳开断路器，切除故障设备。
因此本发明具有可以有效防止系统侧晃电对负荷侧设备的影响，同时也可以防止负荷侧出现故障无法及时切除故障而引起电源侧的电压晃动的优点，不会影响相邻侧设备安全运行，有利于提高目前防晃电装置的选择性及可靠性，防止因防晃电装置对系统快速切除故障元件造成的影响。
附图说明
图1为本发明的负荷侧过电流保护及电源侧防晃电控制装置的结构框图及接线图。
图2为本发明的控制程序判定流程图。
图3为本发明的控制电路结构原理图。
图4为本发明的CPU的外围电路图。
图5为本发明的AC-AC降压电路图。
图6为本发明的AC-DC降压整流电路图。
图7为本发明的DC-DC降压模块电路图。
图8为本发明的LDO线性稳压电路图。
图9为本发明的备用电源模块的超级电容及超级电容的充电模块电路图。
图10为本发明的DC-AC升压电路（220V交流逆变电路）图。
图11为本发明的电源侧电压信号采集模块电路控制图。
图12为本发明的负荷侧电流信号采集模块电路控制图。
图13为本发明的电压电流信号处理模块电路控制图。
图14为本发明的FRAM存储模块的存储电路图。
图15为本发明的继电器开关控制及断路器控制电路中的断路器示意图。
图16为本发明的继电器开关控制及断路器控制电路中的操作电源开关K1示意图。
图17为本发明的继电器开关控制及断路器控制电路中的备用电源充电开关K2示意图。
图18为本发明的继电器开关控制及断路器控制电路中的备用电源放电开关K3示意图。
图19为本发明的继电器开关控制及断路器控制电路中的过电流控制开关示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1、如图1、3所示，本发明公开了一种防晃电与过流保护联动控制装置，包括连接在电源侧的主电源模块、与主电源模块相连接并向主电源模块充电的备用电源模块、与主电源模块相连接的CPU模块、与CPU模块相连接的电压电流信号采集和处理模块、与CPU模块相连接的继电器开关及断路器模块、与CPU模块相连接的FRAM存储模块，
所述CPU模块包括CPU器件及其外围电路；
所述主电源模块包括AC-AC降压电路、AC-DC降压整流电路、DC-DC降压模块电路；
所述备用电源模块包括超级电容及超级电容的充电模块电路、DC-AC升压电路；
所述电压电流信号采集和处理模块包括电源侧电压信号采集模块、负荷侧电流信号采集模块和电压电流信号处理模块；所述电源侧电压采集模块由测量电压互感器和运放电路将采样信号转换为0-3.3V的交流信号；所述负荷侧电流信号采集模块由测量电流互感器和运放电路将采样需要信号转换为0-3.3V的交流信号；所述电压电流信号处理模块包括A/D芯片和电压基准芯片；
所述继电器开关及断路器模块包括主电源开关K1的开关控制电路、备用电源充电的开关K2的开关控制电路、备用电源供电的开关K3的开关控制电路、过电流控制开关控制电路及分合闸线圈；
所述FRAM存储模块包括存储器件及外围电路。
如图4所示，所述CPU模块以STM32F103C8T6为核心处理器，采用ARM架构 Cortex-M0内核的处理器STM32F103C8T6来实现各个功能的运转，该CPU模块有48个引脚，采用3.3V的电压供电，外部连接有一个8M的石英晶体振荡器，内部自带12位ADC，SW2是外接的一个硬件复位按键，SWD是程序下载的接口，用于实现数据的计算处理和存储以及对其他模块的控制、交互功能；在所述CPU的外围电路中，其1、24、36、48、9引脚都是3.3V电源接入引脚，1引脚上3.3V接有一个肖特基二极管MBR0520，9引脚上接有3.3V经过两个滤波电容C132、C133，另一端经过磁珠L11连接到24、36、48引脚，这3个引脚上又分别连接有100nf的滤波电容C135、C136、C137；其23、35、47、8引脚是CPU的接地引脚,5、6引脚外接一个晶振Y6的1、2引脚再接两个电容C130、C140后接入地；P19端口是串口分别连接到30、31引脚上，P20是程序烧录端口分别连接有上拉电阻R106和下拉电阻R108再连接到34、37引脚上；复位按键连接到CPU的7引脚上，外接一个上拉电阻R98，另外接一个去耦电容C120到地；CPU的20、44引脚分别接到地，其他用到的引脚引出，不用的保留。
如图5所示，所述AC-AC降压电路包括用于将降压电路接入380V-10KV电网的连接器P15、与连接器P15相连接的型号为Trans Adj的可调变压器T1、与可调变压器T1相连接的连接器P16，380V-10KV的交流电压通过可调变压器T1的降压输出经过连接器P16变为220V的稳定交流电压。
如图6所示，所述AC-DC降压整流电路用于将220V的稳定交流电压通过连接器P17的2脚接入保险丝F1以及共模电感Lf1的一边后与整流模块U1的1引脚相连接，整流模块U1采用HenL AC220S12DC-20W的整流模块，通过该整流模块U1将220V电压整流为+12V；其中连接器P17的1引脚并联滤波电容C94、C95以及压敏电阻Rv1，整流模块U1的1、2引脚连接的线路上并联滤波电容C91以及压敏电阻Rv2；整流模块U1的4引脚经过二极管D9与电感L8、电阻R74、二极管D11阴极端连接在一起；二极管D9、D11的型号为IN4007；整流模块U1的5引脚直接接地，二极管D11正向端输出+12V电压信号；整流模块U1的4引脚和5引脚之间接反向连接的二极管D10，该稳压二极管D10的型号为1N4742，额定电用为+12V，起到稳定输出电压的作用；整流模块U1的4、5引脚输出稳定的+12V直流电压，该电压经过电感、电阻和二极管的滤波与保护后输入DC-DC降压电路以及储能控制电路。
如图7所示，所述DC-DC降压模块电路包括型号为RT7272BGSP的主芯片和LDO线性稳压电路，主芯片的8引脚接12V，7引脚接下拉电阻R83后接地，而后7、8引脚之间并联三个10uF滤波电容C102、C100、C101；6引脚和地之间串联一个100nFC99电容和24K电阻R85；5引脚接11.8K的下拉电阻R84；4引脚直接接地；3引脚接100K的上拉电阻R79后接12V；2引脚串联一个100nF电容C98后与1引脚连接，然后串联6.8uH功率电感L9，再接62K下拉电阻R82，此时的电压已经降成5V，后与地之间连接两个滤波电容C103和C104以及TVS二极管D12；再并联两个电容C112和 C111，最后分别接入芯片AMS1117-3.3的3引脚和1引脚；此电路把直流的12V电压降为稳定的直流5V电压，输出到下级的LDO线性稳压电路，对于其他电路有个缓冲作用；
如图8所示，LDO线性稳压电路包括型号为AMS1117-3.3的稳压芯片，稳压芯片的2引脚与4引脚串联，此时电压已经转变成3.3V，与地之间并联有稳压二极管D13，两个滤波电容C113、C114最后并联电源指示灯D14，而指示灯串联有分压电阻R93，此电路最后的输出电压是给CPU模块及其他模块进行稳定的供电使用，能够保证电路正常稳定的运转。
如图9所示，所述备用电源模块包括超级电容及超级电容的充电模块电路，为保证对超级电容充电的安全以及稳定高效，采用型号为LT3741DC-DC芯片作为缓冲，芯片的输入引脚VIN使用12V供电，该引脚与地之间并联两个常规电容作滤波保护；栅极驱动信号引脚HG与12V接一个MOS管用来缓冲电压，CTRL2外接有下拉电阻用于降低调节电流水平的热控制输入；软启动引脚SS通过外接电容接地，以限制调节电流；RT引脚外接下拉电阻将开关频率设置在200KHz至1MHz之间，该引脚的电流限制为60μA；VC引脚外接47.5K补偿电阻与4.7nF补偿电容；上述的外接电路为该模块的限制和保护电路；下述电路为输出电路，CBOOT引脚为高端FET驱动提供5V稳压电源，开关引脚靠近地时，从VIN引脚到CBOOT引脚通过外部肖特基二极管为CBOOT电容器充电；LG是地步FET栅极驱动信号，外接一个MOS管用于控制低侧外部功率FET的状态；SENSE+是平均电流模式误差放大器的反相输入，该引脚连接至检测电阻R71；SENSE +和SENSE之间的压降产生电流调节环路的输入电压；SENSE–是平均电流模式的同相输入环路误差放大器；基于CTRL1或CTRL2的参考电流从引脚流出，流向检测电阻R71的输出侧；FB电压调节和过压保护的反馈引脚，反馈电压为1.21V，还通过FB引脚检测到过压，当反馈电压超过1.5V时，过压锁定将阻止切换13μs，以允许电感器电流放电，流过检测电阻的已经被降压的电信号经过两个150uf滤波电容给超级电容充电。
如图10所示，在所述DC-AC升压电路中，当电源测出现晃电现象时，备用电源需要再进行DC-AC升压给负载供电，5V直流电通过一个电熔丝与升压芯片CW3525A的15、13引脚连接，给芯片供电而后直通滑动变压器；IN-、IN+、V-REF、Rt、Ct、SS、COMP用做保护电路和限制电路分别外接下拉电阻和电容，OUT-A、OUT-B作为芯片的输出端将已经从直流变为交流的电压并且小幅度升压传输给滑动变阻器，滑动变压器根据所需调节已得到220V交流电，整流桥滤去直流电，让该模块所产生的220V交流电为更纯净的正弦波。
如图11所示，所述电源侧电压信号采集模块包括信号转换和信号处理模块，220V的交流电经过四个相同的电阻R99、R100、R102、R103接到电压互感器T2的1、2引脚上，转换之后的信号从电压互感器的3、4引脚出来，3引脚一方面经过0欧电阻R107接入到地，另一方面经过电阻R105接入到运放AD623的2引脚上，4引脚通过电阻R101接入到运放AD623的引脚3上，电压互感器T2的3、4引脚之间加入有去耦电容C122，并且分别连接有滤波电容C121、C124到地；运放AD623的7引脚接3.3V的电压，4引脚接地，8引脚和1引脚之间连接有可调电阻器RP2；6引脚是输出引脚，经过一个电阻R104和一个电容C123将经过整理的信号输出到信号处理电路上；此电路采用一个电压互感器对220V交流电进行信号的缩小，之后是一个运放AD623对信号进行整理，电压信号输入之后低通滤波器对信号进行滤波，经过运放整流输出端接到ADC采集芯片上，可调电阻调节信号放大倍数。
如图12所示，在所述负荷侧电流信号采集模块中，连接器P21的端口接收经过电流互感器之后的电流信号，电阻R112是一个采样电阻，连接器P21的1引脚经过RC滤波电路、电阻R111与运放LMV358的1引脚相连接，电流信号经过RC滤波电路，在经过电阻R111送到运放LMV358的1引脚上；连接器P21的2引脚经过RC滤波电路以及0欧电阻到地；运放LMV358使产生的信号能够抬高和放大，其8引脚由5V电源供电，4引脚接地，5V直流电一方面经过两个滤波电容C138、C139到地，另一方面经过电感L12、电阻R117到运放LMV358的5引脚上，5引脚又连接由两个相同的电阻R118、R119和一个电容C134到地端，6引脚和7引脚直接连接输出经过RC滤波器到3引脚上，2引脚经过电阻R109串联电阻R111并联电容C126到1引脚上，与电流信号叠加，经过电阻R114并联电容C129输出到信号采集电路；此电路前一级运放组成的是一个电压跟随器，后一级是sallen-key滤波器，最右边的导线是漏电流的输入接口，电阻R54是一个采样电阻，电流信号输入后，经过低通滤波器滤波，之后和运放的直流电压的叠加把信号的负半轴全部抬高到正半轴上。
如图13所示，在电压电流信号处理模块中，电信号处理芯片TM7705的2、3引脚用来连接晶振模块，先并联一个1M电阻R89，然后再并联4.9152M晶振最后分别串联一个30pF电容后接地，7、8引脚与电压信号采集模块连接，6、11引脚与电流信号采集模块连接，5引脚与3.3V电压之间串联有1K的上拉电阻R80，与地之间串联有10nF的下拉电容GND，16、10引脚接地，9、15引脚接3.3V，1、4、14、13引脚作为SPI通信仅4引脚接下拉电阻将通信模式默认为SPI，其余分别与中央处理器STM32F103C8T6的26、28、27引脚连接，12引脚与中央处理器的25引脚连接，电压基准芯片REF3033 的1引脚接5V后与地之间接10uF/16V的电解电容+CE2，2引脚接3.3V后与地之间接10nF滤波电容C118；5V与地之间并联3个10nF去耦电容C115、C116、C117；此电路有电压基准芯片REF3033和ADC芯片TM7705组成，电压基准芯片能够把ADC的参考电压稳定在一个固定的数值。
如图14所示，在所述FRAM存储模块中，FRAM存储芯片FM24CL64的1、2、3、4、7引脚全部接地，8引脚接3.3V电源供电，且存储芯片的电源与地之间串联有100nF滤波电容C83；5、6引脚分别与中央处理器STM32F103C8T6的42、43引脚连接而且各自连接有一个4.7K的上拉电阻R69、R70；此电路采用了一个FRAM存储芯片FM24CL64，对采集到的信号波形进行存储以及其他数据的存储，FRAM存储芯片FM24CL64采用外部3.3V直流电压供电，采用IIC通信协议和CPU进行数据的交换，该芯片的擦除次数无限次，掉电不会丢失保存的数据，存储大小为64K Bit。
如图15-19所示，所述继电器开关及断路器模块包括四个继电器模块JQC-3FF-S-Z，该模块作为一个可控的开关使用，用单片机的GPIO引脚控制直流电、交流电的通断；它们分别当做操作电源控制开关K1、备用电源充电开关K2、备用电源放电开关K3、过电流控制开关；同时断路器用来控制设备电源的通断，如果设备遇到了过电流的情况，CPU控制继电器开关断开断路器控制的分合闸的线圈电源，进而控制断路器主触头断开。
如图2、3所示，一种防晃电与过流保护联动控制方法，包括以下步骤：
步骤1）、正常运行中防晃电模块中控制断路器操作电源的K1开关闭合，操作电源正常供电，控制备用电源充电的K2闭合，备用充电电源正常充电，操作电源与备用充电电源联系的K3断开；
步骤2）、计算电源侧电压有效值和负荷侧电流有效值，如电源侧电压变化量超值时，则启动防晃电模块；如电源侧电压变化量没有超值而负荷侧电流变化量超值时，则启动过电流保护模块；
步骤3）、启动防晃电模块后，立即快速投入备用充电电源与操作电源联系的K3，投入备用电源作为断路器的操作电源，并迅速断开操作电源的K1控制开关和充电电源的K2充电开关，打开备用充电电源投入计时器进行计时，然后判定负荷侧电流值是否超值，如负荷侧电流无超值，则备用充电电源继续投入运行，计时器继续计时，到达合理设定的时限后，备用充电电源投入自动返回，计时器返回清零，并增加一次防晃电计数器记录次数，返回步骤1），继续监测诊断；如负荷侧故障特征明显且电流值超定值，则立即跳开断路器，并断开控制开关K3退出备用充电电源，完成一次负荷侧的保护，保护计数器加1，启动保护告警闭锁功能，返回步骤1），继续监测诊断；
步骤4）、启动过电流保护模块后，连续计算判定负荷侧故障特征及过电流值是否超过定值及相应的保护时限，如超值，则保护立即断开断路器，启动保护告警闭锁功能，返回步骤1），继续计算判定；如不超值或时限不到时，保持故障启动标志，返回步骤1），继续计算判定。
在步骤2）中电压变化量的计算判据式为：
在步骤3）中，防晃电模块启动后，备用电源自动投入的持续时间根据所带负荷的特性设定。
在步骤4）中，保护模块启动后，保护出口跳闸的判据式为：
本发明采用STM32F103C8T6为核心处理器，加上主电源模块电路，备用电源模块部分，电压信号采集部分，电流信号采集部分，电压电流信号处理部分（又叫ADC采集部分），继电器控制开关部分，以及FRAM存储部分电路组成了一个能够实现防止晃电与过流进行保护的系统。
正常运行时，主电源高压电通过可调变压器转换为220V交流电，一方面此电压通过AC-DC芯片及其外围电路转换为12V的直流电，在通过DC-DC及LDO芯片降压为5V，3.3V直流电给CPU及其他电路正常供电使用。另一方面此电压通过电压互感器转换为交流小信号，能够让ADC采集电路采集到是否发生晃电现象。当主电源侧发生晃电，CPU检测到有晃电现象，CPU迅速断开操作控制开关K1以及备用电源充电开关K2，闭合备用电源放电开关K3，同时把采集到的晃电数据存储到FRAM里面。当负荷侧出现过电流时，ADC检测到电流过大，传输给CPU，CPU迅速断开过流控制开关，断路器里面的线圈电源被切断，与此同时断路器的主触头就会断开，切断主电源。
CPU模块采用ARM架构 Cortex-M0内核的处理器STM32F103C8T6来实现各个功能的运转。该 CPU有48个引脚，采用3.3V的电压供电，外部接有一个8M的石英晶体振荡器，内部自带12位ADC，SW2是外接的一个硬件复位按键，SWD是程序下载的接口；
主电源模块采用一个可调变压器把380V-10KV的电压转换为220V的电压，之后通过一个AC-DC的芯片AC220S12DC-20W及其外围电路把220V的交流电转变为12V直流电，最后在使用DC-DC的芯片RT7272B和LDO芯片AMS1117-3.3把12V的电压降为5V和3.3V来给CPU及其他IC模块供电；备用电源模块采用超级电容作为备用电源，超级电容充电时采用一个能产生大电流的DC-DC芯片LT3741E及其外围电路将12V的直流电压降为5V直流电压。放电的时候通过一个DC-AC芯片CW3525A及其外围电路将5V的直流电转变为220V交流电来给断路器或者设备端供电。这里的12V-2电压是从主电源里产生的12V-1直流电引过来的，用继电器开关来控制他们的导通，以控制电容何时充电，何时放电；继电器开关控制模块使用到了四个继电器模块JQC-3FF-S-Z，该模块可以当做一个可控的开关使用，用单片机的GPIO引脚可以控制直流电，交流电的通断。它们分别当做操作电源控制开关K1，备用电源充电开关K2，备用电源放电开关K3，过电流控制开关。电路还涉及到了断路器来控制设备电源的通断，如果设备遇到了过电流的情况，CPU控制继电器开关断开断路器控制的分合闸的线圈电源，进而控制断路器主触头断开；电压采集模块采用一个电压互感器对220V交流电进行信号的缩小，之后是一个运放AD623对信号进行整理，电压小信号输入之后低通滤波器对信号进行滤波，经过运放整流输出端接到ADC采集芯片上，RP1可调电阻可以调节放大倍数；电流采集模块由LMV358以及外围器件构成，其供电电压采用外部5V直流电压，前一级运放组成的是一个电压跟随器，后一级是滤波器，最右边的导线是漏电流的输入接口，R54电阻是一个采样电阻。电流信号输入后，经过低通滤波器滤波，之后和运放的直流电压的叠加把信号的负半轴全部抬高到正半轴上，之后输出到ADC采样电路上；电压电流信号处理模块由电压基准芯片（REF3033）和ADC芯片（TM7705）组成，电压基准芯片能够把ADC的参考电压稳定在一个固定的数值。该ADC芯片是一个16位精度双通道差分输入接口，信号以差分形式输入到ADC芯片来提高精确度，它的通信协议是SPI的，采用外部4.9152晶振提供时钟信号；FRAM存储模块采用了一个FRAM芯片FM24CL64，对采集到的信号波形进行存储以及其他数据的存储，该芯片采用外部3.3V直流电压供电，采用IIC通信协议和CPU进行数据的交换。两个电阻R都是外部上拉电阻 ，电容C是一个滤波电容，该芯片的擦除次数无限次，掉电不会丢失保存的数据，存储大小为64K Bit。
CPU的外围电路如图4所示，1，24，36，48，9引脚都是3.3V电源接入引脚，1引脚上3.3V接了一个肖特基二极管MBR0520，9引脚上接3.3V经过两个滤波电容C132，C133，另一端经过磁珠L11接到24,36,48引脚，这3个引脚上又分别接了一个100nf的滤波电容C135,C136,C137。23,35,47,8引脚是CPU的接地引脚,5,6引脚外接一个晶振Y6的1,2引脚再接两个电容C130,C140接入地。P19端口是串口分别接到30,31引脚上，P20是程序烧录端口分别接了一个上拉电阻R106和下拉电阻R108再接到34,37引脚上。复位按键接到CPU的7引脚上，外接一个上拉电阻R98，另外接一个去耦电容C120到地。CPU的20,44引脚分别接到地，其他用到的引脚引出，不用的保留。该CPU采用ARM架构 cortex-M0内核的处理器STM32F103C8T6,它有48个引脚，采用3.3V的电压供电，来实现数据的计算处理和存储以及对其他模块的控制，交互等功能。
AC-AC降压电路和AC-DC降压整流电路如图5、6所示，包括用于将降压电路接入380V-10KV电网的连接器P15通过可调变压器T1(Trans Adj)的降压输出经过连接器P16变为稳定电压220V。AC-DC降压电路用于将220V交流电压通过P17连接器2脚接入保险丝F1以及共模电感Lf1的一边与整流模块U1的1脚相连，整流模块采用AC220S12DC-20W的整流模块，通过该整流模块将220V电压整流为+12V。连接器P17的1脚并联滤波电容C94,C95以及压敏电阻Rv1，整流模块U1的1、2脚连接的线路上并连滤波电容C91以及压敏电阻Rv2。整流模块U1的4脚经过二极管D9与电感L8、电阻R74、二极管D11阴极端连接在一起。二极管D9、D11的型号为IN4007。整流模块U1的5引脚直接接地D11正向端输出+12V电压信号。：整流模块U1的4脚和5脚之间接反向连接的二极管D10，该稳压二极管D10的型号为1N4742，额定电用为+12V，起到稳定输出电压的作用。U1的4、5脚输出稳定的+12V直流电压，该电压经过电感、电阻和二极管的滤波与保护后输入DC-DC降压电路以及储能控制电路。
DC-DC降压模块电路如图7所示，包括主芯片的RT7272BGSP的8引脚接12V，7引脚接下拉电阻R83后接地，而后7、8引脚之间接三个10uF滤波电容C102、C100、C101。6引脚和地之间串联一个100nFC99电容和24K电阻R85。5引脚接11.8K的下拉电阻R84。4引脚直接接地。3引脚接100K的上拉电阻R79后接12V。2引脚串联一个100nF电容C98与1引脚连接然后串联6.8uH功率电感L9，再接62K下拉电阻R82，此时的电压已经降成5V，后与地之间接两个滤波电容C103和C104以及TVS二极管D12再并联两个电容C1123和 C111，最后分别接入芯片AMS1117-3.3的3引脚和1引脚。此电路把直流的12V电压降为稳定的直流5V电压，输出到下级的LDO线性稳压电路，对于其他电路有个缓冲作用。
LDO线性稳压电路如图8所示，包括稳压芯片AMS1117-3.3的2引脚与4引脚串联，此时电压已经转变成3.3V与地之间并联一个稳压二极管D13，两个滤波电容C113、C114最后并联电源指示灯D14，而指示灯需要串联一个分压电阻R93。此电路最后的输出电压是给CPU模块及其他模块进行稳定的供电使用，能够保证电路正常稳定的运转。
如图9所示为备用电源的超级电容的充电模块电路，为保证对超级电容充电的安全以及稳定高效使用了当下比较常用的DC-DC芯片LT3741作为缓冲。芯片的输入引脚VIN使用12V供电，该引脚与地之间并联两个常规电容作滤波保护。栅极驱动信号引脚HG与12V接一个MOS管用来缓冲大电压。CTRL2外接一个大下拉电阻用于降低调节电流水平的热控制输入。软启动引脚SS在启动条件下将一个外接电容接地，以限制调节电流。RT引脚外接下拉电阻讲将开关频率设置在200KHz至1MHz之间，该引脚的电流限制为60μA。VC引脚外接47.5K补偿电阻与4.7nF补偿电容。此前所描述的外接电路大都为该模块的限制和保护电路。此后多为输出电路模块的描述。CBOOT引脚为高端FET驱动提供5V稳压电源，开关引脚靠近地时，从VIN引脚到CBOOT引脚需要一个外部肖特基二极管为CBOOT电容器充电。LG是地步FET栅极驱动信号，需要外接一个MOS管用于控制低侧外部功率FET的状态。SENSE+是平均电流模式误差放大器的反相输入，该引脚连接至检测电阻R71。SENSE +和SENSE之间的压降产生电流调节环路的输入电压。SENSE–是平均电流模式的同相输入环路误差放大器。基于CTRL1或CTRL2的参考电流从引脚流出，流向检测电阻R71的输出侧。FB电压调节和过压保护的反馈引脚。反馈电压为1.21V。还通过FB引脚检测到过压。当反馈电压超过1.5V时，过压锁定将阻止切换13μs，以允许电感器电流放电。流过检测电阻的已经被降压的电信号经过两个150uf滤波电容给超级电容充电。
220V交流逆变电路如图10所示，当电源测出现晃电现象时备用电源需要再进行DC-AC升压给负载供电。5V直流电通过一个电熔丝与升压芯片CW3525A的15、13引脚连接给芯片供电而后直通滑动变压器。IN-、IN+、V-REF、Rt、Ct、SS、COMP用做保护电路和限制电路分别外接下拉电阻和电容。OUT-A、OUT-B作为芯片的输出端将已经从直流变为交流的电压并且小幅度升压传输给滑动变阻器。滑动变压器可以根据所需适当调节已得到220V交流电，整流桥可以滤去直流电，让该模块儿所产生的220V交流电为更纯净的正弦波。
电压信号采集如图11所示，包括信号转换和信号处理，220V的交流电经过四个相同的电阻R99,R100,R102,R103接到电压互感器T2的1,2引脚上，转换之后的信号从电压互感器的3,4引脚出来，3脚一方面经过0欧电阻接入到地，另一方面经过电阻R105接入到运放AD623的2引脚上，4引脚通过电阻R101接入到AD623的引脚3上，电压互感器的3,4引脚之间加入一个去耦电容C122并且分别接一个滤波电容C121,C124到地。运放AD623的7引脚接3.3V的电压，4引脚接地，8引脚和1引脚之间接一个可调电阻器RP2,6引脚是输出引脚经过一个小电阻R104和一个电容C123将经过整理的信号输出到信号处理电路上。此电路采用一个电压互感器对220V交流电进行信号的缩小，之后是一个运放AD623对信号进行整理，电压小信号输入之后低通滤波器对信号进行滤波，经过运放整流输出端接到ADC采集芯片上，可调电阻可以调节信号放大倍数。
电流信号采集如图12所示，P21端口是经过电流互感器之后的电流信号，电阻R112是一个采样电阻，电流信号一端经过RC滤波电路，在经过电阻R111到运放LMV358的1引脚上也是输出引脚；另一端也经过RC滤波电路以及0欧电阻到地。对于运放LMV358为了使产生的信号能够抬高和放大，8脚5V电源供电，4脚接地，5V直流电一方面经过两个滤波电容C138,C139到地，另一方面经过电感L12，电阻R117到5引脚上，5引脚又接了两个相同的电阻R118,R119和一个电容C134到地端，6脚和7脚直接连接输出经过RC滤波器到3脚上，2脚经过电阻R109串联电阻R111并联电容C126到1脚上，与电流信号叠加，经过电阻R114并联电容C129输出到信号采集电路。此电路前一级运放组成的是一个电压跟随器，后一级是sallen-key滤波器，最右边的导线是漏电流的输入接口，R54电阻是一个采样电阻。电流信号输入后，经过低通滤波器滤波，之后和运放的直流电压的叠加把信号的负半轴全部抬高到正半轴上。
电压电流信号处理模块如图13所示，TM7705电信号处理芯片的2、3引脚用来接晶振模块，先并联一个1M大点组R89，然后再并联4.9152M晶振最后分别串联一个30pF电容后接地。7、8引脚与电压信号采集模块连接，6、11引脚与电流信号采集模块连接。5引脚与3.3V电压之间上串联1K的上拉电阻R80，与地之间串联10nF的下拉电容GND。16、10引脚接地，9、15引脚接3.3V。1、4、14、13引脚作为SPI通信仅4引脚接下拉电阻将通信模式默认为SPI，其余分别与中央处理器STM32F103C8T6的26、28、27引脚连接，12引脚与中央处理器的25引脚连接。电压基准芯片REF3033 的1引脚接5V后与地之间接10uF/16V的电解电容+CE2，2引脚接3.3V后与地之间接10nF滤波电容C118。5V与地之间并联3个10nF去耦电容C115、C116、C117。此电路有电压基准芯片（REF3033）和ADC芯片（TM7705）组成，电压基准芯片能够把ADC的参考电压稳定在一个固定的数值，ADC芯片是一个16位精度双通道差分输入接口，信号以差分形式输入到ADC芯片来提高精确度。
数据的存储电路如图14所示，FM24CL64存储芯片的1、2、3、4、7引脚全部接地，8引脚接3.3V电源供电，且存储芯片的电源与地之间要串联一个100nF滤波电容C83。5、6引脚分别与中央处理器STM32F103C8T6的42、43引脚连接而且各自要接一个4.7K的上拉电阻R69、R70。此电路采用了一个FRAM芯片FM24CL64，对采集到的信号波形进行存储以及其他数据的存储，芯片采用外部3.3V直流电压供电，采用IIC通信协议和CPU进行数据的交换。该芯片的擦除次数无限次，掉电不会丢失保存的数据，存储大小为64K Bit。
继电器开关控制及断路器控制电路如图15-19所示，包括四个继电器模块JQC-3FF-S-Z，该模块可以当做一个可控的开关使用，用单片机的GPIO引脚可以控制直流电，交流电的通断。它们分别当做操作电源控制开关K1，备用电源充电开关K2，备用电源放电开关K3，过电流控制开关。这里面还涉及到了断路器来控制设备电源的通断，如果设备遇到了过电流的情况，CPU控制继电器开关断开断路器控制的分合闸的线圈电源，进而控制断路器主触头断开。
Claims (16)
1.一种防晃电与过流保护联动控制装置，包括连接在电源侧的主电源模块、与主电源模块相连接并向主电源模块充电的备用电源模块、与主电源模块相连接的CPU模块、与CPU模块相连接的电压电流信号采集和处理模块、与CPU模块相连接的继电器开关及断路器模块、与CPU模块相连接的FRAM存储模块，其特征在于：
所述CPU模块包括CPU器件及其外围电路；
所述主电源模块包括AC-AC降压电路、AC-DC降压整流电路、DC-DC降压模块电路；
所述备用电源模块包括超级电容及超级电容的充电模块电路、DC-AC升压电路；
所述电压电流信号采集和处理模块包括电源侧电压信号采集模块、负荷侧电流信号采集模块和电压电流信号处理模块；所述电源侧电压采集模块由测量电压互感器和运放电路将采样信号转换为0-3.3V的交流信号；所述负荷侧电流信号采集模块由测量电流互感器和运放电路将采样需要信号转换为0-3.3V的交流信号；所述电压电流信号处理模块包括A/D芯片和电压基准芯片；
所述继电器开关及断路器模块包括主电源开关K1的开关控制电路、备用电源充电的开关K2的开关控制电路、备用电源供电的开关K3的开关控制电路、过电流控制开关控制电路及分合闸线圈；
所述FRAM存储模块包括存储器件及外围电路。
2.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：所述CPU模块以STM32F103C8T6为核心处理器，采用ARM架构 Cortex-M0内核的处理器STM32F103C8T6来实现各个功能的运转，该CPU模块有48个引脚，采用3.3V的电压供电，外部连接有一个8M的石英晶体振荡器，内部自带12位ADC，SW2是外接的一个硬件复位按键，SWD是程序下载的接口，用于实现数据的计算处理和存储以及对其他模块的控制、交互功能；在所述CPU的外围电路中，其1、24、36、48、9引脚都是3.3V电源接入引脚，1引脚上3.3V接有一个肖特基二极管MBR0520，9引脚上接有3.3V经过两个滤波电容C132、C133，另一端经过磁珠L11连接到24、36、48引脚，这3个引脚上又分别连接有100nf的滤波电容C135、C136、C137；其23、35、47、8引脚是CPU的接地引脚,5、6引脚外接一个晶振Y6的1、2引脚再接两个电容C130、C140后接入地；P19端口是串口分别连接到30、31引脚上，P20是程序烧录端口分别连接有上拉电阻R106和下拉电阻R108再连接到34、37引脚上；复位按键连接到CPU的7引脚上，外接一个上拉电阻R98，另外接一个去耦电容C120到地；CPU的20、44引脚分别接到地，其他用到的引脚引出，不用的保留。
3.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：所述AC-AC降压电路包括用于将降压电路接入380V-10KV电网的连接器P15、与连接器P15相连接的型号为Trans Adj的可调变压器T1、与可调变压器T1相连接的连接器P16，380V-10KV的交流电压通过可调变压器T1的降压输出经过连接器P16变为220V的稳定交流电压。
4.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：所述AC-DC降压整流电路用于将220V的稳定交流电压通过连接器P17的2脚接入保险丝F1以及共模电感Lf1的一边后与整流模块U1的1引脚相连接，整流模块U1采用HenL AC220S12DC-20W的整流模块，通过该整流模块U1将220V电压整流为+12V；其中连接器P17的1引脚并联滤波电容C94、C95以及压敏电阻Rv1，整流模块U1的1、2引脚连接的线路上并联滤波电容C91以及压敏电阻Rv2；整流模块U1的4引脚经过二极管D9与电感L8、电阻R74、二极管D11阴极端连接在一起；二极管D9、D11的型号为IN4007；整流模块U1的5引脚直接接地，二极管D11正向端输出+12V电压信号；整流模块U1的4引脚和5引脚之间接反向连接的二极管D10，该稳压二极管D10的型号为1N4742，额定电用为+12V，起到稳定输出电压的作用；整流模块U1的4、5引脚输出稳定的+12V直流电压，该电压经过电感、电阻和二极管的滤波与保护后输入DC-DC降压电路以及储能控制电路。
5.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：所述DC-DC降压模块电路包括型号为RT7272BGSP的主芯片和LDO线性稳压电路，主芯片的8引脚接12V，7引脚接下拉电阻R83后接地，而后7、8引脚之间并联三个10uF滤波电容C102、C100、C101；6引脚和地之间串联一个100nFC99电容和24K电阻R85；5引脚接11.8K的下拉电阻R84；4引脚直接接地；3引脚接100K的上拉电阻R79后接12V；2引脚串联一个100nF电容C98后与1引脚连接，然后串联6.8uH功率电感L9，再接62K下拉电阻R82，此时的电压已经降成5V，后与地之间连接两个滤波电容C103和C104以及TVS二极管D12；再并联两个电容C112和 C111，最后分别接入芯片AMS1117-3.3的3引脚和1引脚；此电路把直流的12V电压降为稳定的直流5V电压，输出到下级的LDO线性稳压电路，对于其他电路有个缓冲作用；LDO线性稳压电路包括型号为AMS1117-3.3的稳压芯片，稳压芯片的2引脚与4引脚串联，此时电压已经转变成3.3V，与地之间并联有稳压二极管D13，两个滤波电容C113、C114最后并联电源指示灯D14，而指示灯串联有分压电阻R93，此电路最后的输出电压是给CPU模块及其他模块进行稳定的供电使用，能够保证电路正常稳定的运转。
6.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：所述备用电源模块包括超级电容及超级电容的充电模块电路，为保证对超级电容充电的安全以及稳定高效，采用型号为LT3741DC-DC芯片作为缓冲，芯片的输入引脚VIN使用12V供电，该引脚与地之间并联两个常规电容作滤波保护；栅极驱动信号引脚HG与12V接一个MOS管用来缓冲电压，CTRL2外接有下拉电阻用于降低调节电流水平的热控制输入；软启动引脚SS通过外接电容接地，以限制调节电流；RT引脚外接下拉电阻将开关频率设置在200KHz至1MHz之间，该引脚的电流限制为60μA；VC引脚外接47.5K补偿电阻与4.7nF补偿电容；上述的外接电路为该模块的限制和保护电路；下述电路为输出电路，CBOOT引脚为高端FET驱动提供5V稳压电源，开关引脚靠近地时，从VIN引脚到CBOOT引脚通过外部肖特基二极管为CBOOT电容器充电；LG是地步FET栅极驱动信号，外接一个MOS管用于控制低侧外部功率FET的状态；SENSE+是平均电流模式误差放大器的反相输入，该引脚连接至检测电阻R71；SENSE +和SENSE之间的压降产生电流调节环路的输入电压；SENSE–是平均电流模式的同相输入环路误差放大器；基于CTRL1或CTRL2的参考电流从引脚流出，流向检测电阻R71的输出侧；FB电压调节和过压保护的反馈引脚，反馈电压为1.21V，还通过FB引脚检测到过压，当反馈电压超过1.5V时，过压锁定将阻止切换13μs，以允许电感器电流放电，流过检测电阻的已经被降压的电信号经过两个150uf滤波电容给超级电容充电。
7.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：在所述DC-AC升压电路中，当电源测出现晃电现象时，备用电源需要再进行DC-AC升压给负载供电，5V直流电通过一个电熔丝与升压芯片CW3525A的15、13引脚连接，给芯片供电而后直通滑动变压器；IN-、IN+、V-REF、Rt、Ct、SS、COMP用做保护电路和限制电路分别外接下拉电阻和电容，OUT-A、OUT-B作为芯片的输出端将已经从直流变为交流的电压并且小幅度升压传输给滑动变阻器，滑动变压器根据所需调节已得到220V交流电，整流桥滤去直流电，让该模块所产生的220V交流电为更纯净的正弦波。
8.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：所述电源侧电压信号采集模块包括信号转换和信号处理模块，220V的交流电经过四个相同的电阻R99、R100、R102、R103接到电压互感器T2的1、2引脚上，转换之后的信号从电压互感器的3、4引脚出来，3引脚一方面经过0欧电阻R107接入到地，另一方面经过电阻R105接入到运放AD623的2引脚上，4引脚通过电阻R101接入到运放AD623的引脚3上，电压互感器T2的3、4引脚之间加入有去耦电容C122，并且分别连接有滤波电容C121、C124到地；运放AD623的7引脚接3.3V的电压，4引脚接地，8引脚和1引脚之间连接有可调电阻器RP2；6引脚是输出引脚，经过一个电阻R104和一个电容C123将经过整理的信号输出到信号处理电路上；此电路采用一个电压互感器对220V交流电进行信号的缩小，之后是一个运放AD623对信号进行整理，电压信号输入之后低通滤波器对信号进行滤波，经过运放整流输出端接到ADC采集芯片上，可调电阻调节信号放大倍数。
9.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：在所述负荷侧电流信号采集模块中，连接器P21的端口接收经过电流互感器之后的电流信号，电阻R112是一个采样电阻，连接器P21的1引脚经过RC滤波电路、电阻R111与运放LMV358的1引脚相连接，电流信号经过RC滤波电路，在经过电阻R111送到运放LMV358的1引脚上；连接器P21的2引脚经过RC滤波电路以及0欧电阻到地；运放LMV358使产生的信号能够抬高和放大，其8引脚由5V电源供电，4引脚接地，5V直流电一方面经过两个滤波电容C138、C139到地，另一方面经过电感L12、电阻R117到运放LMV358的5引脚上，5引脚又连接由两个相同的电阻R118、R119和一个电容C134到地端，6引脚和7引脚直接连接输出经过RC滤波器到3引脚上，2引脚经过电阻R109串联电阻R111并联电容C126到1引脚上，与电流信号叠加，经过电阻R114并联电容C129输出到信号采集电路；此电路前一级运放组成的是一个电压跟随器，后一级是sallen-key滤波器，最右边的导线是漏电流的输入接口，电阻R54是一个采样电阻，电流信号输入后，经过低通滤波器滤波，之后和运放的直流电压的叠加把信号的负半轴全部抬高到正半轴上。
10.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：在电压电流信号处理模块中，电信号处理芯片TM7705的2、3引脚用来连接晶振模块，先并联一个1M电阻R89，然后再并联4.9152M晶振最后分别串联一个30pF电容后接地，7、8引脚与电压信号采集模块连接，6、11引脚与电流信号采集模块连接，5引脚与3.3V电压之间串联有1K的上拉电阻R80，与地之间串联有10nF的下拉电容GND，16、10引脚接地，9、15引脚接3.3V，1、4、14、13引脚作为SPI通信仅4引脚接下拉电阻将通信模式默认为SPI，其余分别与中央处理器STM32F103C8T6的26、28、27引脚连接，12引脚与中央处理器的25引脚连接，电压基准芯片REF3033 的1引脚接5V后与地之间接10uF/16V的电解电容+CE2，2引脚接3.3V后与地之间接10nF滤波电容C118；5V与地之间并联3个10nF去耦电容C115、C116、C117；此电路有电压基准芯片REF3033和ADC芯片TM7705组成，电压基准芯片能够把ADC的参考电压稳定在一个固定的数值。
11.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：在所述FRAM存储模块中，FRAM存储芯片FM24CL64的1、2、3、4、7引脚全部接地，8引脚接3.3V电源供电，且存储芯片的电源与地之间串联有100nF滤波电容C83；5、6引脚分别与中央处理器STM32F103C8T6的42、43引脚连接而且各自连接有一个4.7K的上拉电阻R69、R70；此电路采用了一个FRAM存储芯片FM24CL64，对采集到的信号波形进行存储以及其他数据的存储，FRAM存储芯片FM24CL64采用外部3.3V直流电压供电，采用IIC通信协议和CPU进行数据的交换，该芯片的擦除次数无限次，掉电不会丢失保存的数据，存储大小为64K Bit。
12.根据权利要求1所述的一种防晃电与过流保护联动控制装置，其特征在于：所述继电器开关及断路器模块包括四个继电器模块JQC-3FF-S-Z，该模块作为一个可控的开关使用，用单片机的GPIO引脚控制直流电、交流电的通断；它们分别当做操作电源控制开关K1、备用电源充电开关K2、备用电源放电开关K3、过电流控制开关；同时断路器用来控制设备电源的通断，如果设备遇到了过电流的情况，CPU控制继电器开关断开断路器控制的分合闸的线圈电源，进而控制断路器主触头断开。
13.一种防晃电与过流保护联动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1）、正常运行中防晃电模块中控制断路器操作电源的K1开关闭合，操作电源正常供电，控制备用电源充电的K2闭合，备用充电电源正常充电，操作电源与备用充电电源联系的K3断开；
步骤2）、计算电源侧电压有效值和负荷侧电流有效值，如电源侧电压变化量超值时，则启动防晃电模块；如电源侧电压变化量没有超值而负荷侧电流变化量超值时，则启动过电流保护模块；
步骤3）、启动防晃电模块后，立即快速投入备用充电电源与操作电源联系的K3，投入备用电源作为断路器的操作电源，并迅速断开操作电源的K1控制开关和充电电源的K2充电开关，打开备用充电电源投入计时器进行计时，然后判定负荷侧电流值是否超值，如负荷侧电流无超值，则备用充电电源继续投入运行，计时器继续计时，到达合理设定的时限后，备用充电电源投入自动返回，计时器返回清零，并增加一次防晃电计数器记录次数，返回步骤1），继续监测诊断；如负荷侧故障特征明显且电流值超定值，则立即跳开断路器，并断开控制开关K3退出备用充电电源，完成一次负荷侧的保护，保护计数器加1，启动保护告警闭锁功能，返回步骤1），继续监测诊断；
步骤4）、启动过电流保护模块后，连续计算判定负荷侧故障特征及过电流值是否超过定值及相应的保护时限，如超值，则保护立即断开断路器，启动保护告警闭锁功能，返回步骤1），继续计算判定；如不超值或时限不到时，保持故障启动标志，返回步骤1），继续计算判定。
14. 根据权利要求13所述的一种防晃电与过流保护联动控制方法，其特征在于，在步骤2）中电压变化量的计算判据式为：
15.根据权利要求13所述的一种防晃电与过流保护联动控制方法，其特征在于，在步骤3）中，防晃电模块启动后，备用电源自动投入的持续时间根据所带负荷的特性设定。
16.根据权利要求13所述的一种防晃电与过流保护联动控制方法，其特征在于，在步骤4）中，保护模块启动后，保护出口跳闸的判据式为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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