CN113130235A - 电能表用智能负荷开关及其控制方法和故障诊断方法 - Google Patents

电能表用智能负荷开关及其控制方法和故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电能表用智能负荷开关及其控制方法和故障诊断方法，此负荷开关包括微控制器、指令触发电路、晶闸管驱动单元、接触器线圈驱动单元、双向晶闸管、接触器和故障检测单元；所述双向晶闸管与所述接触器相互并联；所述微控制器的输出端与所述指令触发电路的输入端相连，所述指令触发电路的输出端分别与所述晶闸管驱动单元的输入端和接触器线圈驱动单元的输入端相连；所述晶闸管驱动单元的输出端与所述双向晶闸管的控制端相连；所述接触器线圈驱动单元与所述接触器的线圈相连；本发明具有可靠性高、无损耗、有效抑制涌流和火花、智能化、故障诊断全面精准等优点。

Description

电能表用智能负荷开关及其控制方法和故障诊断方法
技术领域
本发明主要涉及电能表技术领域，具体涉及一种电能表用智能负荷开关及其控制方法和故障诊断方法。
背景技术
传统的电能表用低压负荷开关触头结构通常有两种：一是普通的接触器，其优点是稳态导通时无压降，能耗少，但是缺点却非常明显，在带负荷合闸瞬间，触头处往往会产生火花，并且浪涌电流非常大；带负荷拉闸时，触头又容易拉出电弧，造成咬死现象。另一种开关就是电力电子开关器件，常用的是双向晶闸管，通过过零投切可以大大减少浪涌电流、火花等现象，但是却因为存在导通压降，造成电路功耗较大，并且晶闸管在过零时存在死区电压，使得电压电流不连续，从而产生较大的谐波成份。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可靠性高、无损耗、有效抑制涌流和火花的电能表用智能负荷开关及其控制方法和故障诊断方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种电能表用智能负荷开关，包括微控制器、指令触发电路、晶闸管驱动单元、接触器线圈驱动单元、双向晶闸管、接触器和故障检测单元；所述双向晶闸管与所述接触器相互并联；所述微控制器的输出端与所述指令触发电路的输入端相连，所述指令触发电路的输出端分别与所述晶闸管驱动单元的输入端和接触器线圈驱动单元的输入端相连；所述晶闸管驱动单元的输出端与所述双向晶闸管的控制端相连；所述接触器线圈驱动单元与所述接触器的线圈相连；在负荷开关需接通时，双向晶闸管过零触发，双向晶闸管导通后短接接触器，进入稳态后接触器接通，延迟一段时间后，双向晶闸管关断；在负荷开关需关断时，双向晶闸管触发并进入稳态后，接触器接通后延迟一段时间后，双向晶闸管过零关断；
所述故障检测单元包括电网电压检测模块、晶闸管AK端电压检测模块、晶闸管DK端电压检测模块、触发脉冲检测模块和故障诊断模块；所述电网电压检测模块、晶闸管AK端电压检测模块、晶闸管DK端电压检测模块和触发脉冲检测模块均与所述故障诊断模块相连；所述电网电压检测模块用于检测电网电压；所述晶闸管AK端电压检测模块用于检测晶闸管阳极A与阴极K之间的电压；所述晶闸管DK端电压检测模块用于检测晶闸管门极D与阴极K之间的电压；所述触发脉冲检测模块用于检测晶闸管的触发脉冲；所述故障诊断模块用于根据电网电压、晶闸管阳极A与阴极K之间的电压、晶闸管门极D与阴极K之间的电压、触发脉冲判断晶闸管的状态。
优选地，还包括与所述双向晶闸管并联的RC阻容吸收电路，用于吸收开关过程中的瞬变电压和电流。
优选地，还包括电压互感器、电流互感器、模拟信号调理电路、多路模拟转换开关和通信电路；所述电压互感器和电流互感器分别与所述模拟信号调理电路的输入端相连，所述模拟信号调理电路的输出端与所述多路模拟转换开关的输入端相连，所述多路模拟转换开关的输出端与所述微控制器相连；所述通信电路与所述微控制器相连，用于实现与上端电能表及用电信息采集系统之间的数据交互。
优选地，还包括温度检测单元，用于检测所述双向晶闸管的温度。
本发明还公开了一种基于如上所述的电能表用智能负荷开关的控制方法，包括步骤：
在负荷开关需接通时，双向晶闸管过零触发，双向晶闸管导通后短接接触器，进入稳态后接触器接通，延迟一段时间后，双向晶闸管关断；
在负荷开关需关断时，双向晶闸管触发并进入稳态后，接触器接通后延迟一段时间后，双向晶闸管过零关断。
本发明还公开了一种基于如上所述的电能表用智能负荷开关的故障诊断方法，包括步骤：
所述电网电压检测模块用于检测电网电压；
所述晶闸管AK端电压检测模块用于检测晶闸管阳极A与阴极K之间的电压；
所述晶闸管DK端电压检测模块用于检测晶闸管门极D与阴极K之间的电压；
所述触发脉冲检测模块用于检测晶闸管的触发脉冲；
所述故障诊断模块用于根据电网电压、晶闸管阳极A与阴极K之间的电压、晶闸管门极D与阴极K之间的电压、触发脉冲判断晶闸管的状态。
具体地，晶闸管状态的判断过程为：
所述故障诊断模块将电网电压U与预设电压Uref1进行比对,当U>Uref1时，输出信号a，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000034
所述故障诊断模块将晶闸管阳极A与阴极K之间的电压Uak与预设电压Uref1进行比对,当Uak>Uref2时，输出信号b，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000035
所述故障诊断模块将晶闸管门极D与阴极K之间的电压Udk与预设电压Uref3进行比对,当Udk>Uref3时，输出信号c，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000036
所述故障诊断模块判断触发脉冲为1/2个电网周期的脉冲时，则输出信号d，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000037
所述故障诊断模块在同时接收到信号a、b、c和d时，则判断所述晶闸管正常；
当所述故障诊断模块在同时接收到信号a、b、c和d时，则判断所述晶闸管正常；
当所述故障诊断模块在同时接收到信号a、
Figure BDA0002991382730000031
和
Figure BDA0002991382730000032
时，则判断所述晶闸管短路；
当所述故障诊断模块在同时接收到信号a、
Figure BDA0002991382730000033
和d时，则判断所述晶闸管断路。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明在接触器通电之前，先将双向晶闸管过零触发，因其两端电压近乎零，从而使得浪涌电流几乎与额定电流相等；双向晶闸管导通后短接接触器触点两端；这样，负载浪涌电流经双向晶闸管通过；进入稳态后接通接触器，因为触点间仅有双向晶闸管0.8V左右的导通压降，因此二次涌流非常小；延迟一段时间后，晶闸管退出，稳态无损耗，且不会像晶闸管那样产生谐波，干扰电网。接触器断电时与上述类似，也是先接通并联于接触器触头两端的双向晶闸管，再使接触器断电，由于接触器退出瞬间，晶闸管仍处于导通态，因此不会使接触器触点产生断电时的拉弧现象；电流过零后，晶闸管自行关断，整套负荷开关退出；接触器在投入和退出时刻，其触点均处于零负载状态，因此开关的工作性能和使用寿命都有了大大的优化。
本发明将通讯电路引入至低压负荷开关，实现了低压负荷开关的智能化。
本发明的故障诊断方法。根据U、Uak、Udk、触发脉冲以及擎住电流进行故障的综合判断，其判断结果全面且精度高。
附图说明
图1为本发明的负荷开关在实施例的结构示意图之一。
图2为本发明的负荷开关在实施例的结构示意图之二。
图3为本发明中的故障检测单元在实施例的方框结构图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本实施例的电能表用智能负荷开关，包括微控制器、指令触发电路、晶闸管驱动单元、接触器线圈驱动单元、双向晶闸管、接触器和故障检测单元；双向晶闸管与接触器相互并联；微控制器的输出端与指令触发电路的输入端相连，指令触发电路的输出端分别与晶闸管驱动单元的输入端和接触器线圈驱动单元的输入端相连；晶闸管驱动单元的输出端与双向晶闸管的控制端相连；接触器线圈驱动单元与接触器的线圈相连；晶闸管驱动单元用于产生触发时间可控的信号；当指令触发器接收到高电平控制信号时，触发晶闸管导通，晶闸管导通后，接触器闭合；当开关控制信号A为低电平时，先使晶闸管导通，交流接触器在晶闸管触发导通后关闭；具体地，在负荷开关需接通时，双向晶闸管过零触发，双向晶闸管导通后短接接触器，进入稳态后接触器接通，延迟一段时间后，双向晶闸管关断；在负荷开关需关断时，双向晶闸管触发并进入稳态后，接触器接通后延迟一段时间后，双向晶闸管过零关断；
在接触器通电之前，先将双向晶闸管过零触发，因其两端电压近乎零，从而使得浪涌电流几乎与额定电流相等；双向晶闸管导通后短接接触器触点两端；这样，负载浪涌电流经双向晶闸管通过；进入稳态后接通接触器，因为触点间仅有双向晶闸管0.8V左右的导通压降，因此二次涌流非常小；延迟一段时间后，晶闸管退出，稳态无损耗，且不会像晶闸管那样产生谐波，干扰电网。接触器断电时与上述类似，也是先接通并联于接触器触头两端的双向晶闸管，再使接触器断电，由于接触器退出瞬间，晶闸管仍处于导通态，因此不会使接触器触点产生断电时的拉弧现象；电流过零后，晶闸管自行关断，整套负荷开关退出；接触器在投入和退出时刻，其触点均处于零负载状态，因此开关的工作性能和使用寿命都有了大大的优化。本发明的投切方式有着可分相选择触发时刻和过零投切的优点，而普通接触器稳态导通时无压降，理论上可以做到无损耗；因此，有机结合晶闸管与接触器各自的优点，能有效抑制涌流、火花，降低导通压降损耗；
如图3所示，其中故障检测单元包括电网电压检测模块、晶闸管AK端电压检测模块、晶闸管DK端电压检测模块、触发脉冲检测模块和故障诊断模块；电网电压检测模块、晶闸管AK端电压检测模块、晶闸管DK端电压检测模块和触发脉冲检测模块均与故障诊断模块相连；电网电压检测模块(如电压传感器)用于检测电网电压；晶闸管AK端电压检测模块用于检测晶闸管阳极A与阴极K之间的电压；晶闸管DK端电压检测模块用于检测晶闸管门极D与阴极K之间的电压；触发脉冲检测模块用于检测晶闸管的触发脉冲；故障诊断模块用于根据电网电压、晶闸管阳极A与阴极K之间的电压、晶闸管门极D与阴极K之间的电压、触发脉冲判断晶闸管的状态(包括正常、短路、断路等)，实现故障的诊断与定位，便于维护(其中具体的判断过程详见下述的方法)。
在一具体实施例中，还包括与双向晶闸管并联的RC阻容吸收电路，用于吸收开关过程中由意外造成的瞬变电压和电流，进一步保护其它电路。
在一具体实施例中，还包括电压互感器、电流互感器、模拟信号调理电路、多路模拟转换开关和通信电路；电压互感器和电流互感器分别与模拟信号调理电路的输入端相连，模拟信号调理电路的输出端与多路模拟转换开关的输入端相连，多路模拟转换开关的输出端与微控制器相连。在本发明中，负荷开关具有短路、过载、断相、过压、欠压故障的保护功能，这些保护的实现是通过对电压互感器和电流互感器检测的实时电流和电压信号，上述电压、电流信号送到模拟信号调理电路进行滤波等调理后，经多路模拟转换开关转换后，输入微处理器的AD转换器的模拟输入通道，采样完成后根据交流采样算法，计算出输入信号的有效值，然后将计算出来的有效值与程序中预先设定的阈值比较，从而实现各种保护正确的动作。同时，该低压智能负荷开关也可接受用电信息采集主站的跳合闸命令，并按设计流程执行操作。
进一步地，通信电路与微控制器相连，用于与上端电能表及用电信息采集主站之间的数据交互。利用微处理器(如单片机)与用电信息采集主站的通信功能，从而可以实现对各开关运行状况的远程监控，并且利用低压智能负荷开关的通信接口，可按利用维护软件修改其整定值(各信号进行比对的阈值)。上述将通讯电路引入至低压负荷开关，实现了低压负荷开关的智能化。
在一具体实施例中，还包括温度检测单元，用于检测双向晶闸管的温度。在双向晶闸管正常工作时，由于其通电的持续时间较短，即工作时间极短，小于20ms，其温度并不会太高，无需要附加的散热措施。但是在双向晶闸管处于异常状态时，其温度则可能超过其对应的极限温度，通过上述温度检测单元对其温度进行检测，从而能够避免其异常导致的损坏，进一步提高其工作的可靠性。
本发明还公开了一种基于如上所述的电能表用智能负荷开关的控制方法，包括步骤：
在负荷开关需接通时，双向晶闸管过零触发，双向晶闸管导通后短接接触器，进入稳态后接触器接通，延迟一段时间后，双向晶闸管关断；
在负荷开关需关断时，双向晶闸管触发并进入稳态后，接触器接通后延迟一段时间后，双向晶闸管过零关断。
本发明还公开了一种基于如上所述的电能表用智能负荷开关的故障诊断方法，包括步骤：
电网电压检测模块用于检测电网电压；
晶闸管AK端电压检测模块用于检测晶闸管阳极A与阴极K之间的电压；
晶闸管DK端电压检测模块用于检测晶闸管门极D与阴极K之间的电压；
触发脉冲检测模块用于检测晶闸管的触发脉冲；
故障诊断模块用于根据电网电压、晶闸管阳极A与阴极K之间的电压、晶闸管门极D与阴极K之间的电压、触发脉冲判断晶闸管的状态。
具体地，晶闸管状态的判断过程为：
故障诊断模块将电网电压U与预设电压Uref1进行比对,当U>Uref1时，输出信号a，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000071
故障诊断模块将晶闸管阳极A与阴极K之间的电压Uak与预设电压Uref1进行比对,当Uak>Uref2时，输出信号b，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000072
故障诊断模块将晶闸管门极D与阴极K之间的电压Udk与预设电压Uref3进行比对,当Udk>Uref3时，输出信号c，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000073
故障诊断模块判断触发脉冲为1/2个电网周期的脉冲时，则输出信号d，否则输出信号
Figure BDA0002991382730000074
故障诊断模块在同时接收到信号a、b、c和d时，则判断所述晶闸管正常；
当故障诊断模块在同时接收到信号a、b、c和d时，则判断晶闸管正常；
当故障诊断模块在同时接收到信号a、
Figure BDA0002991382730000081
和
Figure BDA0002991382730000082
时，则判断晶闸管短路；
当故障诊断模块在同时接收到信号a、
Figure BDA0002991382730000083
和d时，则判断晶闸管断路。
在上述具体判断过程中，加入了Udk的比对过程，从而进一步提高故障的全面性和精准性；具体地，在晶闸管处于正常状态时，门极D与阴极K之间的压降不为零(具体为一个PN结的压降)。而在晶闸管发生短路时，由于内部阻抗很小，晶闸管AK、以及DK之间的压降为0。
另外还需要注意一种情况，即在阳极电流小于晶闸管擎住电流时，正常状态的晶闸管在没有驱动信号的时间段内也不导通，即Udk也为零。为了此情况与短路情况进行区分，故进一步将Udk、晶闸管阳极电流与晶闸管擎住电流比对结果进行结合再进一步判断：在晶闸管阳极电流大于晶闸管擎住电流时，如Udk>Uref3时，则输出信号c，否则输出
Figure BDA0002991382730000085
如果晶闸管阳极电流小于晶闸管擎住电流时，如Udk<Uref3时，同样输出信号c，否则输出
Figure BDA0002991382730000084
上述的具体判断过程，根据U、Uak、Udk、触发脉冲以及擎住电流进行故障的综合判断，其判断结果全面且精度高。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电能表用智能负荷开关，其特征在于，包括微控制器、指令触发电路、晶闸管驱动单元、接触器线圈驱动单元、双向晶闸管、接触器和故障检测单元；所述双向晶闸管与所述接触器相互并联；所述微控制器的输出端与所述指令触发电路的输入端相连，所述指令触发电路的输出端分别与所述晶闸管驱动单元的输入端和接触器线圈驱动单元的输入端相连；所述晶闸管驱动单元的输出端与所述双向晶闸管的控制端相连；所述接触器线圈驱动单元与所述接触器的线圈相连；在负荷开关需接通时，双向晶闸管过零触发，双向晶闸管导通后短接接触器，进入稳态后接触器接通，延迟一段时间后，双向晶闸管关断；在负荷开关需关断时，双向晶闸管触发并进入稳态后，接触器接通后延迟一段时间后，双向晶闸管过零关断；
所述故障检测单元包括电网电压检测模块、晶闸管AK端电压检测模块、晶闸管DK端电压检测模块、触发脉冲检测模块和故障诊断模块；所述电网电压检测模块、晶闸管AK端电压检测模块、晶闸管DK端电压检测模块和触发脉冲检测模块均与所述故障诊断模块相连；所述电网电压检测模块用于检测电网电压；所述晶闸管AK端电压检测模块用于检测晶闸管阳极A与阴极K之间的电压；所述晶闸管DK端电压检测模块用于检测晶闸管门极D与阴极K之间的电压；所述触发脉冲检测模块用于检测晶闸管的触发脉冲；所述故障诊断模块用于根据电网电压、晶闸管阳极A与阴极K之间的电压、晶闸管门极D与阴极K之间的电压、触发脉冲判断晶闸管的状态。
2.根据权利要求1所述的电能表用智能负荷开关，其特征在于，还包括与所述双向晶闸管并联的RC阻容吸收电路，用于吸收开关过程中的瞬变电压和电流。
3.根据权利要求1或2所述的电能表用智能负荷开关，其特征在于，还包括电压互感器、电流互感器、模拟信号调理电路、多路模拟转换开关和通信电路；所述电压互感器和电流互感器分别与所述模拟信号调理电路的输入端相连，所述模拟信号调理电路的输出端与所述多路模拟转换开关的输入端相连，所述多路模拟转换开关的输出端与所述微控制器相连；所述通信电路与所述微控制器相连，用于实现与上端电能表及用电信息采集系统之间的数据交互。
4.根据权利要求1或2所述的电能表用智能负荷开关，其特征在于，还包括温度检测单元，用于检测所述双向晶闸管的温度。
5.一种基于权利要求1-4中任意一项所述的电能表用智能负荷开关的控制方法，其特征在于，包括步骤：
在负荷开关需接通时，双向晶闸管过零触发，双向晶闸管导通后短接接触器，进入稳态后接触器接通，延迟一段时间后，双向晶闸管关断；
在负荷开关需关断时，双向晶闸管触发并进入稳态后，接触器接通后延迟一段时间后，双向晶闸管过零关断。
6.一种基于权利要求1-4中任意一项所述的电能表用智能负荷开关的故障诊断方法，其特征在于，包括步骤：
所述电网电压检测模块用于检测电网电压；
所述晶闸管AK端电压检测模块用于检测晶闸管阳极A与阴极K之间的电压；
所述晶闸管DK端电压检测模块用于检测晶闸管门极D与阴极K之间的电压；
所述触发脉冲检测模块用于检测晶闸管的触发脉冲；
所述故障诊断模块用于根据电网电压、晶闸管阳极A与阴极K之间的电压、晶闸管门极D与阴极K之间的电压、触发脉冲判断晶闸管的状态。
7.根据权利要求6所述的电能表用智能负荷开关的故障诊断方法，其特征在于，晶闸管状态的判断过程为：
所述故障诊断模块将电网电压U与预设电压Uref1进行比对,当U>Uref1时，输出信号a，否则输出信号
Figure FDA0002991382720000021
所述故障诊断模块将晶闸管阳极A与阴极K之间的电压Uak与预设电压Uref1进行比对,当Uak>Uref2时，输出信号b，否则输出信号
Figure FDA0002991382720000022
所述故障诊断模块将晶闸管门极D与阴极K之间的电压Udk与预设电压Uref3进行比对,当Udk>Uref3时，输出信号c，否则输出信号
Figure FDA0002991382720000031
所述故障诊断模块判断触发脉冲为1/2个电网周期的脉冲时，则输出信号d，否则输出信号
Figure FDA0002991382720000032
所述故障诊断模块在同时接收到信号a、b、c和d时，则判断所述晶闸管正常；
当所述故障诊断模块在同时接收到信号a、b、c和d时，则判断所述晶闸管正常；
当所述故障诊断模块在同时接收到信号a、
Figure FDA0002991382720000033
和
Figure FDA0002991382720000034
时，则判断所述晶闸管短路；
当所述故障诊断模块在同时接收到信号a、
Figure FDA0002991382720000035
和d时，则判断所述晶闸管断路。
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