CN1960100A

CN1960100A - 一种多功能低压综合智能保护器

Info

Publication number: CN1960100A
Application number: CN 200610019905
Authority: CN
Inventors: 袁甫; 李开成
Original assignee: DINGXING POWER TECH Co Ltd SHAYANG COUNTY
Current assignee: DINGXING POWER TECH Co Ltd SHAYANG COUNTY
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: CN100397738C

Abstract

一种多功能低压综合智能保护器，其特征在于它由主控单片机(A)、辅助单片机(B)、三相电压采集电路(C)、电能计量芯片(D)、温度传感器(E)、通讯模块(F)、键盘电路(G)、运行状态实时显示电路(H)、继电器电路(I)、三相电流采集电路(J)、剩余电流采集电路(k)、状态及剩余电流档位显示电路(M)和信息存储芯片(N)组成；优点是：1、可进行过流保护；2、可进行过热保护；3、可进行剩余电流保护；4、可进行远程遥控：5、可进行远程通信；6、能够实时显示各类运行信息。

Description

一种多功能低压综合智能保护器

技术领域

本发明涉及电器领域。具体地说涉及到农村低压配电保护领域。

背景技术

目前，农村低压配电保护逐步不能更好地适应农村生产生活的需要，经常发生配变烧毁现象，用户用电得不到保障，也给供用双方带来诸多矛盾。主要表现在：

一、配变保护功能不全，影响配变安全运行。一是没有过热保护，由于过热而使配变烧毁的现象屡见不鲜。二是大负荷时，过流保护不能起到有效的保护作用。

二、剩余电流保护装置频繁动作，影响供电可靠性。造成以上现象的主要原因是保护器动作整定值不能适应低压配网绝缘的变化。目前，市场上无论何种类型的保护器，其工作原理都是根据低压配网泄漏电流的大小、经与整定值比较，若实际值大于整定值，保护器即动作，从而为低压配网提供剩余电流保护。但是，低压配网绝缘是一个变化值，在雨季，绝缘会因潮湿而降低；因此剩余电流保护装置应该能够对以上现象加以区别，及时、正确地跟踪实际泄漏电流值，并以此值作为参考，进而合理地整定保护器额定动作值。国内生产的有些剩余电流保护器也具有动作值自动整定的特点。这类保护器基本解决了动作整定值与绝缘变化相适应的问题，但其缺点也较明显：一是每次投运前，需要进行一次试投试验，以确定投运初期泄漏电流值。当保护器正常动作后恢复送电时也需要试投。频繁的试投给运行人员带来了较大的工作量，也影响到及时恢复供电。二是不适合总保护和分路保护同时使用同一类产品。原因是总保护需要试投，分路保护也需要试投，但总有一个先后次序。当先投总保护、后投分路保护时，对总保护而言其初始整定值仍不能确定；先投分路保护、后投总保护时又不可行。因此，具有这种功能的保护器不能同时作为总保护和分路保护使用。

三、缺乏实时监控配变和低压线路运行状态的有效手段。目前，台区配变和低压线路的运行实况只能到现场进行实地监控才能了解。

四、控制箱内测量与保护设备功能单一，需要大量的安装空间。

技术内容

本发明的目的就是针对现有农村低压电网保护上述之不足而提供一种多功能低压综合智能保护器，它由主控单片机A、辅助单片机B、三相电压采集电路C、电能计量芯片D、温度传感器E、通讯模块F、键盘电路G、运行状态实时显示电路H、继电器电路I、三相电流采集电路J、剩余电流采集电路k、状态及剩余电流档位显示电路M和信息存储芯片N组成；三相电压采集电路C、三相电流采集电路J的一路和剩余电流采集电路k的一路分别将各自采集到的低压电网的电压、电流、和剩余电流电信号传输给电能计量芯片D，三相电流采集电路J的另一路和剩余电流采集电路k的另一路同时分别将各自采集的电流、剩余电流电信号传输给辅助单片机B，电能计量芯片D和辅助单片机B分别将经各自处理后的电信号传输给主控单片机A，温度传感器E、通讯模块F和键盘电路G与主控单片机电连接；主控单片机A将经其处理后的控制信号传输给继电器电路I，将电压、电流、剩余电流、温度信号传输给运行状态实时显示电路H，将剩余电流标准档位信号和继电器工作状态传输给状态及及剩余电流档位显示电路M，将三相电压、三相电流、剩余电流、功率和温度实时值传输给运行状态实时显示电路H，同时将循环限电的电信号传输给信息存储芯片N。

本发明的优点是：能实现如下6大功能：

1、过流保护：实现了对配变的过流保护，在提供过流保护的同时，通过对分路负荷的有序循环限电，保证了台区供电可靠性。

2、过热保护：实现了对配变的过热保护，避免配变因过热而烧毁，减小了设备损失。

3、剩余电流保护；实现了对低压配网的剩余电流保护，并在动作值整定方面有所创新，通过动作值的智能动态整定，提高了设备投运率。

4、远程遥控：保护器具有的远程遥控功能，能够实现对台区断路器的远程遥控，对于及时处理台区各类故障、提高工作效率，具有较大的现实意义。

5、远程通信：实现了台区各类运行信息的远程传输，便于运行管理人员了解台区运行实况。

6、实时显示。保护器能够实时显示各类运行信息，便于运行管理人员实地了解台区运行实况。

7、可实现配网自动化，更有利于配网的日常运行与管理，最终实现增供、降损，优化配网各项技术经济指标。

附图说明

附图1为本发明电路方框图；附图2为主控单片机A的电路图；附图3为辅助单片机B的电路图；附图4为三相电压采集电路C的电路图；附图5为电能计量芯片D的电路图；附图6为通讯模块F的电路图；附图7为键盘电路G的电路图；附图8为运行状态实时显示电路H的电路图；附图9为继电器电路的电路图；附图10为三相电流采集电路J的电路图；附图11为剩余电流采集电路k的电路图；附图l2为状态及剩余电流档位显示电路M的电路图；附图13为信息存储芯片N的电路图。

具体实施方式

三相电压采集电路C的V2P、V2N、V4P、V4N、V6P、V6N端分别与电能计量芯片D的V2P、V2N、V4P、V4NV6P、V6N端电连接(见图4、图5)。电能计量芯片(ATT7022B型)D的CS-5、SCK-5、DIN-5、DOUT-5、RES-5端通过电位转换接主控单片机A的CS、SCK、DIN、DOUT、RES端(见图5、图2)。三相电流采集电路J由电流互感器和差分电路组成，电流互感器接差分电路的Ia+、Ia-、Ib+、Ib-、Ic+、IC-端，差分电路的一路Ia、Ib、Ic端接辅助单片机B的60、61、2脚，另一路接电能计量芯片D的3、4、6、7、9、10脚(见图10、图5)。剩余电流采集电路k由零序电流互感器和差分电路组成，零序电流互感器接差分电路的Ires+和Ires-端，差分电路的一路Ires接辅助单片机B的59脚，另一路接电能计量芯片D的21、22脚(见图11、图3)。温度传感器E接主控单片机A的57脚。主控单片机A采用MSP系列单片机，主控单片机A的12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、25、26、27脚分别接键盘电路G的KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6、KEY7、KEY8、KEY9、KEY10、KEY11、KEY12、KEY13、KEY14端(见图7、图2)。主控单片机A的23、24脚接辅助单片机B的12、13脚(见图2、图3)。主控单片机A的39、40、41、43脚分别接运行状态实时显示电路H的LEDS1、LEDSCP、LEDLCP、LEDCS端(见图8、图2)。主控单片机A的28、29、30、31脚分别接继电器电路I的SSRO、SSR1、SSR2、SSR3端(见图9、图2)。主控单片机A的36、37、38、49、50、51脚分别接状态及剩余电流档位显示电路M的LED1、LED2、LED3、LED4、LED5、LED6端(见图12、图2)。主控单片机A的32、33脚分别接通讯模块(GS M通讯模块)F的RXD、TXD端(见图6、图2)。主控单片机A的34、35分别接信息存储芯片(EEPROM芯片)N的P3.6、P3.7端(见图13、图2)。将编制好的循环限电控制程序输入主控单片机A和辅助单片机B。将以上电路接通工作电源。其它按说明书及说明书附图连接方式连接即可。

单元功能及工作原理：

一、主控单片机的功能及工作原理

1)电气信号的采集

主控单片机和电能计量芯片ATT7022B配合完成线路电流、线路电压和剩余电流的采集。ATT7022B内部集成了7路16位A/D转换器，在有效值0.001V至0.8V的范围内线性误差小于0.1％，考虑电网电压的波动范围在-40％到+30％以及良好的信噪比特性，推荐在参比电压下芯片电压输入脚上的采样值为0.2V到0.5V。电流测量考虑8倍量程的过流能力，推荐在额定电流输入时芯片电流输入脚上采样电压为0.1V。三相表计量芯片电流和电压采样输入部分采用的是单电源模/数变换器，可采用差分和单端输入，使用ATT7022B的前六个通道采集电网的三相电压信号和三相电流信号，而使用它的第七路AD通道对剩余电流进行采集，就可以采集得到所有需要的电气数据。

主控单片机同步串行接口对ATT7022B相应的寄存器进行访问可以得到电压、电流、有功功率等等各种所需要的电气特征参数，从而完成信号的采集。

2)过流时的循环限电与负荷控制

主控单片机根据ATT7022B芯片采集的各种电网的信息，结合辅助单片机提供的时间中断信号、动作中断信号以及本身定时器对继电器阵列操作，可以完成循环限电和反时限限电的控制。当然，其中必须要有控制软件的支持。

3)数据的保存

使用EEPROM芯片AT24C16A来保存各种数据，防止这些数据在保护器断电时丢失。这些数据包括在GSM通讯时要使用到的电话号码本，ATT7022B芯片的校表数据，配电变压器的各种信息，辅助单片机的校正数据，以及仪器初始化所要用到的各种数据等等。这些数据可供主控单片机读取和辅助单片机使用，主控和辅助单片机都能够对它进行读写。单片机使用I2C总线与AT24C16A芯片进行数据的传输。AT24C系列的串行EEPROM使用I2C总线接口与单片机连接，而单片机没有专门的I2C总线接口，这里使用I/O模拟的方式实现单片机与AT24C16A的串行通讯。EEPROM芯片AT24C16A是主控单片机和辅助单片机共用的芯片，两个单片机都是通过I/O端口模拟I2C总线的方式对其进行访问。为了保证通讯过程的可靠性，防止共用过程中出现的相互干扰，在一个单片机对EEPROM芯片进行读写时，应将另一个单片机的I/O端口设置成输入的模式，这样主控单片机和辅助单片机都能够对EEPROM芯片进行可靠的读写。

4)远程无线信息传输

主控单片机通过信号采集单元实时获取变压器运行中的相关电气参数，经过处理后，得到变压器运行中诸如电压、电流、剩余电流、油温、功率等数据。将这些信息发送到控制中心可以实现配电变压器的在线检测。此外，将各参数与整定值比较，当如果出现故障时则采取相应的保护措施保障配电变压器与电网的安全运行。信息采集与管理系统的组成，主要由现场信息采集与通讯单元、GSM网络、上端通信单元、终端信息处理与控制软件等四部分组成。现场信息采集与通讯单元通过串口与微控制器连接。GSM模块是其核心部件，其中含有用户标识模块(SIM)，在使用前将网络运营商提供的SIM卡插入，身份认证后进入GSM网络。微控制器将待发送的信息转换为UNICODE码后组成PDU(Protocol Description Unit)串，通过微控制器的串口发送AT命令对GSM模块进行操作，将信息发送到SIM卡对应的短消息中心，进而发送到控制中心和设备管理人员的手机。

现场的采集模块由主控单片机和电能采集芯片ATT7022B构成，而现场的通讯模块由主控单片机和GSM驱动芯片构成。主控单片机使用异步串行通讯接口对GSM通讯驱动芯片进行控制，主控单片机的异步串行通讯接口在约定的波特率下以ASCII码的形式向GSM的驱动芯片发送AT命令，发送不同的命令来控制GSM驱动模块完成接收、发送、读取短信等不同的操作。同时如果GSM模块接收到任何控制台的命令，都会以串口中断的形式提示主控单片机进行相应的操作。现场通讯模块和控制台可以约定握手代码，也可以制订各种命令通讯的格式。

现场通讯模块在键盘或用户手机的控制下可以对单个号码进行信息的发送，也可以自动的按照电话号码本上的电话号码进行群体发送，用户还可以通过键盘现场设置电话号码本直接进行短信的发送。

二、辅助单片机的功能及工作原理

主控单片机配合各种功能模块能够完成负荷控制和GSM通讯的功能。但是，由于电能计量芯片ATT7022B采集电网数据时速度较慢(0.3s才能更新一次数据)，所以，需要另外的功能模块完成，这就是辅助单片机。

辅助单片机主要完成需要快速采集的有关数据、实现快速动作、即时保护的功能。需要快速采集的数据包括配电变压器二次侧的剩余电流和二次侧的线路电流。采集剩余电流，并与设定值进行比较，当剩余电流过大时进行即时的分闸操作即可以避免触电事故的发生；同样，辅助单片机也要对线路电流进行监测。当线路电路小于额定值的500％时辅助单片机不对线路电流进行操作。因为在线路电流小于额定值的500％时对线路电流处理的实时性要求不高(要求的最小跳闸时间为15s)，此时使用ATT7022B进行信号的采集，然后使用主控单片机进行各种分合闸的操作就可以符合相应的安全规则。而当线路的电流超过额定值的500％时，安全规则要求进行立即跳闸等各种保护动作。如果此时仍然使用ATT7022B采集线路的电流信号就无法满足要求，所以辅助单片机也要对线路电流超过额定值的500％的情况进行迅速的动作，这样就可以防止线路电流过大造成配电变压器发生过流事故，达到保护配电变压器的目的。

辅助单片机要对剩余电流幅值进行实时监测，同时也要实时判断线路电流幅值是否超过额定值的500％。下面就信号采集和数据处理两个部分来介绍辅助单片机模块的运行原理。

1、信号采集

辅助单片机使用片上的ADC模块ADC12对模拟信号进行模拟数字变换，在进行模数变换之前要对信号进行调理。由于从互感器得到的是差分信号(ATT7022B需要信号以差分的形式输入)，而ADC12模块只能对单端输入的信号进行转换，因此信号调理电路的第一步就是将差分输入信号转换成单端输入信号，再将信号进行放大等处理。ADC12模块能够实现12位精度的模数转换、缓存，在信号调理电路完成，并设置好ADC12模数转换模块后，辅助单片机就可以使用ADC12模块中的四个输入通道对剩余电流信号和三相线路电流信号进行转换。整个转换过程耗时短、效率高、可靠性强。

2、数据采集与处理

将测量结果与设定动作值进行比较，按照比较判断的结果执行相应的动作就是数据处理模块的功能。为了保证各种保护动作的实时性，辅助单片机的绝大部分资源都是用来进行数据处理的，这些数据处理过程包括对三相线路电流和剩余电流进行采样、计算、判断，发出动作中断和时间中断，执行相应的操作。

对运行电流的采样值进行判断，其操作过程如下。

首先，保护器在使用之前需要设定一个初始值，就是配变额定电流的500％所对应的采样值，并加以保存，作为保护器过流动作阀值；在运行过程中，辅助单片机在每次采样过程结束之后将采样得到的值与动作阀值进行比较，如果发现采样值高于动作阀值就要立即进行动作中断的操作。由于采样的整个过程较短(控制在10ms之内)，所以仪器能够对线路电流超过额定值500％的时进行迅速的动作。

对剩余电流的采样值、判断及操作与以上类似。但与上述不同的是，剩余电流的阀值(也就是额定动作剩余电流)是变化的，保护器中，剩余电流动作值档位额定值分别为100mA，300mA和500mA，实际动作值整定为每个档位额定值的80％，就是该档位动作阀值。所以确定阀值的第一步是要确定相应的档位额定值。档位额定值根据过去2分钟的最大值确定。在初始情况下为500mA，确定了档位额定值后，再计算该档位下的剩余电流动作的阀值就可以进行相应的判断操作了。此外，确定档位后要点亮相应的LED指示灯，指示系统目前剩余电流监测的档位。

此外，当剩余电流的采样值超过其动作阀值后，按要求并不是马上进行动作中断，因为本保护器实际上是作为剩余电流总保护使用。因此，当采样值大于相应档位阀值时，需要经过一定的延时，才发出动作信号，这个延时的过程由辅助单片机的TimerB定时器进行控制。

Claims

1、一种多功能低压综合智能保护器，其特征在于它由主控单片机(A)、辅助单片机(B)、三相电压采集电路(C)、电能计量芯片(D)、温度传感器(E)、通讯模块(F)、键盘电路(G)、运行状态实时显示电路(H)、继电器电路(I)、三相电流采集电路(J)、剩余电流采集电路(k)、状态及剩余电流档位显示电路(M)和信息存储芯片(N)组成；三相电压采集电路(C)、三相电流采集电路(J)的一路和剩余电流采集电路(k)的一路分别将各自采集到的低压电网的电压、电流、和剩余电流电信号传输给电能计量芯片(D)，三相电流采集电路(J)的另一路和剩余电流采集电路(k)的另一路同时分别将各自采集的电流、剩余电流电信号传输给辅助单片机(B)，电能计量芯片(D)和辅助单片机(B)分别将经各自处理后的电信号传输给主控单片机(A)，温度传感器(E)、通讯模块(F)和键盘电路(G)与主控单片机电连接；主控单片机(A)将经其处理后的控制信号传输给继电器电路(I)，将电压、电流、剩余电流、温度信号传输给运行状态实时显示电路(H)，将剩余电流标准档位信号和继电器工作状态传输给状态及及剩余电流档位显示电路(M)，将三相电压、三相电流、剩余电流、功率和温度实时值传输给运行状态实时显示电路(H)，同时将循环限电的电信号传输给信息存储芯片(N)。