CN201260069Y - 数字式线路保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种数字式线路保护装置，属于高压线路保护技术领域，所要解决的问题是：提供一种数字式线路保护装置，将所有功能单元都模块化和标准化以插件的方式集成在箱体上，各插件之间互相不受干扰，整个工作过程能够显示出来；采用的方案为：单片机、DI开入单元、AD采样单元、DO开出单元、通讯单元、人机界面单元和电源电路单元均为模块化集成，DI开入单元、AD采样单元、DO开出单元、通讯单元和电源电路单元均通过模块化集成固定在箱体的背板上，人机界面单元通过模块化集成固定在箱体的前面板上；本装置可实现距离保护、零序保护和三相一次重合闸的保护功能。

Description

数字式线路保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种数字式线路保护装置，该装置适用110KV、66KV或35KV输出线路，可以分散装在控制线路的附近，具有监控和保护的功能，属于高压线路保护技术领域。

背景技术

电力系统综合自动化已是电网发展的方向，微电子元件的发展使得保护和监控融为一体有了可能性，可以提高其可靠性和运行管理水平，但是在变电站使用微机也有许多不利因素，例如高压电磁场的干扰，变电站开关操作时有强烈的振动，就地安装环境的恶化对微机保护提出了防振、宽温度范围、低功耗、抗干扰、高灵敏度、高精度、工作可靠性、安装维修方便等更高的要求，这些难题在现有的微机保护装置中均未得到解决。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的问题，本实用新型所要解决的问题是：提供一种数字式线路保护装置，将所有功能单元都模块化和标准化以插件的方式集成在箱体上，各插件之间互相不受干扰，整个工作过程能够显示出来，使整个装置的灵敏度高、精度高、工作可靠性高、安装维修方便。

为了解决上述问题，本实用新型采用的方案为：数字式线路保护装置，主要包括：单片机、DI开入单元、AD采样单元、DO开出单元、通讯单元、人机界面单元和电源电路单元，单片机通过导线分别与DI开入单元、AD采样单元、DO开出单元，通讯单元，人机界面单元和电源电路单元相连，DO开出单元通过导线与电源电路单元相连；上述的单片机、DI开入单元、AD采样单元、DO开出单元、通讯单元、人机界面单元和电源电路单元均为模块化集成，DI开入单元、AD采样单元、DO开出单元、通讯单元和电源电路单元均通过模块化集成固定在箱体的背板上，人机界面单元通过模块化集成固定在箱体的前面板上。

前面板中上部的中间位置设置有液晶屏，液晶屏的右侧设置有指示灯，液晶屏的下方设置有操作按钮，操作按钮的右下侧设置有串行接口，操作按钮的下方自左向右设置有调试安全连接片、接地分/合把手和运行模式切换开关。

背板的上部自左至右依次设置有电压切换模件、交流电流变换模件、A/D转换模件、第一中央处理器模件、第二中央处理器模件和第一备用板，背板的下部自左至右依次设置有通讯接口模件、电源模件、信号模件、断路器位置模件、跳合闸出口模件和第二备用板。

AD采样单元由信号采集器、A/D转换模件、电压切换模件和交流电流变换模件组成，电压切换模件和交流电流变换模件通过外围电路分别与A/D转换模件和信号采集器相连。

本实用新型数字式线路保护装置与现有技术相比具有以下有益效果：

本装置的所有功能单元都模块化和标准化以插件的方式集成在箱体上，箱体上只有内部使用的5V和24V电压等级回路连线，强弱电完全分开，可大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合，增强了本装置的抗干扰能力，提高其可靠性和安全性。使本装置在功能配置上具有很强的灵活性，可以根据用户需求更换或增加部分模件，扩充或更改本装置的功能，可实现距离保护、零序保护和三相一次重合闸的保护功能。

附图说明

下面结合附图对本实用新型数字式线路保护装置做进一步说明：

图1为本实用新型数字式线路保护装置的系统框图；

图2为本实用新型数字式线路保护装置的硬件结构示意图；

图3为图2所示数字式线路保护装置中背板12的结构示意图。

其中，1—单片机、2—DI开入单元、3—AD采样单元、4—DO开出单元、5—通讯单元、6—人机界面单元、7—电源电路单元，8—输出线路、9—断电继电器、10—信号采集器、11—箱体、12—背板、13—前面板、14—液晶屏、15—指示灯、16—操作按钮、17—串行接口、18—调试安全连接片、19—接地分/合把手、20—运行模式切换开关、21—通讯接口模件、22—电源模件、23—信号模件、24—断路器位置模件、25—跳合闸出口模件、101—第一中央处理器模件、102第二中央处理器模件、301—电压切换模件、302—交流电流变换模件、303—A/D转换模件。

具体实施方式

如图1所示：数字式线路保护装置，单片机1通过导线分别与DI开入单元2、AD采样单元3、DO开出单元4，通讯单元5，人机界面单元6和电源电路单元7相连，DO开出单元4通过导线与电源电路单元7相连，AD采样单元3通过信号采集器10采集输出线路8的电流和电压数据，DO开出单元4与输出线路8上的断电继电器9相连。单片机1由第一中央处理器及外围电路组成的第一中央处理器模件101和第二中央处理器及外围电路组成的第二中央处理器模件102，其中第一中央处理器模件101实现距离保护功能，第二中央处理器模件102实现零序保护和三相一次重合闸功能。AD采样单元3由信号采集器10、A/D转换模件303、电压切换模件301和交流电流变换模件302组成，电压切换模件301和交流电流变换模件302通过外围电路分别与A/D转换模件303和信号采集器10相连。

本装置实现外部交流电流、电压信号转化，以满足AD采样回路的要求，实现了模拟信号的电气隔离，采用模块化的专用互感器，设计使用方便，通用性强，性能稳定可靠。

单片机1获得采样的数字信号后，进行数字滤波和算法运算获得模拟量的幅值信息，分别经保护软件模块的逻辑判断、显示处理、报告存储、录波等环节，当满足保护动作条件后向出口回路发出跳闸、信号等命令。由于单片机1内部无存放程序的空间，保护程序是存放在快速闪存FLASH中，单片机1通过总线来读取程序令并执行。主程序在软件中是一个管理者，负责将不同功能的模块组织在一起。主程序中的初始化主要是整个系统为正常工作做好准备，对于主变保护装置来说，主程序主要包括：CPU初始化和对必要的参数设置默认值。初始化完成后主程序进入工作状态，液晶屏上显示相关的菜单，首先判断是否需要进行定值整定工作，如果需要则转入定值整定模块，否则继续向下执行。在采集开关量和检测键盘环节中，如果检测到开关量变位或有按键被按下，则由主程序发出信息并转入信息处理模块进行处理，信息处理的结果再传送到显示打印模块进行显示、打印，否则程序继续向下执行信号采集与计算模块。逻辑判断模块根据电压无功的计算值和其他有关条件判断是否需要动作。当逻辑判断模块产生动作指令后，通过检测装置出口继电器是否动作，以及检测被测量设备的状态来判断动作指令是否得到正确执行，如果正确执行则转入下一次循环，否则将此异常信息传送到信息处理模块进行处理，再将结果送给显示输出模块。上电复位以后，首先对CPU及其外围芯片进行初始化，同时初始化控制状态，接下来显示主菜单，最后采用查询方式处理键盘和A/D转换、并与智能模块通信，获取信息。与上位机通信采用中断形式，且中断级别设为最高。开关量的输入采取先产生中断，后查询的方法。

AD采样单元3实现多路交流模拟信号的模数转换，并向单片机1提供实时的高精度的数字信号。电力系统中的电量一般都是模拟量，而数字继电保护的实现则是基于由微型计算机对数字量进行计算和判断。所以，为了实现计算机继电保护，必须对来自被保护单元设备的模拟电量进行一系列预处理，从而得到所需形式的数字量提供给保护功能处理程序。由电力系统输入到继电保护装置的模拟信号主要是来自PT(或CT)的交流电压(或电流)信号。根据采样定理：如果被测信号频率(或信号中要保留的最高次谐波频率)为f0，则采样频率fk(每秒钟的采样次数)必须大于fk的2倍，否则，就不可能由采样值拟合还原成原来的曲线。因此，在出现大于1/2fk频率的谐波，而且这些谐波又是无用的情况下，有必要在信号引进采样器以前装设一模拟式低通滤过器将频率等于和高于1/2fk的高次谐波滤掉。因此模拟信号首先被转换到与微型计算机相匹配的电平，通过模滤波削去其中的高频成分，然后由采样保持环节将连续信号离散化。由于输入信号往往不止一个，故由多路转换器逐个交给A/D转换器变为数字量。这些数字量还应在存储器中按先后顺序排列以方便功能处理程序取用。在AD采样单元3的电路设计中增设两级阻容元件构成的低通滤波回路，模拟量输入信号经过低通滤波回路，分别将信号接入两片多路转换开关器件的输入，多路转换开关的输出信号分别输到AD转换芯片的输入回路，进行模数转换，由CPU定时来读取AD转换的结果，来作为每一路模拟量的原始采样数据。

DI开入单元2为来自外部接点的开入量，经开入回路光电隔离后，经三态门电路向单片机1输入，经软件逻辑判断抗干扰处理，获取开入量信号。外部开关量(空接点)取用装置提供的24V信号电源，经过电阻限流，输入到光隔离器的输入端，光隔离器的输出端取用内部的5V电源，接入到8路三态门器件，由CPU经总线读取信号的“0”或“1”状态，以判别外部接点的开闭情况。采用光隔离器可以使外部开入电源与内部5V电源没有直接的电气联系，有效消除了外部电磁干扰对CPU内部电路的影响，提高了可靠性。

DO开出单元4执行由CPU发出的出口动作命令，经与门电路到光隔离器的输入回路，光隔离器的输出经单向二极管驱动继电器动作。光隔离器的输入部分为CPU内部5V电源，输出部分为24V电源，用以驱动24V继电器。通过光隔离器把CPU内部电路和继电器驱动电路进行了隔离，有效防止了电磁干扰，提高了硬件电路的可靠性。为保证出口回路的可靠性，采用了多项闭锁措施。如采用启动元件开放出口正电源，采用硬件看门狗闭锁出口等。单片机1发出出口命令的同时，必须发出解除闭锁信号，同时驱动启动继电器方能驱动出口继电器，发出跳闸命令。

图2和图3所示，单片机1、DI开入单元2、AD采样单元3、DO开出单元4、通讯单元5、人机界面单元6和电源电路单元7均为模块化集成，DI开入单元2、AD采样单元3、DO开出单元4、通讯单元5和电源电路单元7均通过模块化集成固定在箱体11的背板12上，人机界面单元6通过模块化集成固定在箱体11的前面板13上。前面板13中上部的左侧设置有液晶屏14，液晶屏14的右侧设置有指示灯15，液晶屏14的下方设置有操作按钮16，操作按钮16的右下侧设置有串行接口17，用于与PC机相连，操作按钮16的下方自左向右设置有调试安全连接片18、接地分/合把手19和运行模式切换开关20。

人机界面单元6的电路设计主要考虑到间隔层设备的人机交互的方便性，同时又能够沿袭传统运行观念，设计了汉化液晶模块，众多的信号指示灯，简洁方便的导电橡胶按钮，便于用户的使用维护和操作。

背板12的上部自左至右依次设置有电压切换模件301、交流电流变换模件302、A/D转换模件303、第一中央处理器模件101、第二中央处理器模件102和第一备用板26，背板12的下部自左至右依次设置有通讯接口模件21、电源模件22、信号模件23、断路器位置模件24、跳合闸出口模件25和第二备用板27。

其中，电压切换模件301上设置有1X01—1X34接线端子，共计34个，其中1X01—1X22接线端子设置左侧，1X23—1X34接线端子设置右侧。包含有两组母线刀闸合位和分位的开入接线端；—KM操作负电源端；两组母线电压切换开出接线端子；两组母线电压切换位置异常开出接线端子；两组母线电压输入；两组母线电压输出。

交流电流变换模件302上设置有2X01—2X10接线端子，共计10个，均设置在左侧，右侧设置有强电的接线端子母排。4个电流变换器LH分别变换其中四路接线端子的电流量，4个电压变换器YH分别变换其中四路接线端子的电压量，交流电流变换模件302也可以加装三路测量级电流变换器，接入线路测量CT，用于线路电流、功率等测量用。

A/D转换模件303由有源低通滤波、采样保持S/H、模拟切换开关MUX、模/数转换A/D及微处理器构成，其中模/数转换A/D采用16位高精度、高稳定性器件，精确工作电流可达0.04In，精确工作电压达0.2V，提高距离保护的动作精度及在短线的应用能力。各模拟量的衰减率及相移皆能达到很好的一致性，模/数转换A/D数据可带校验码，通过串行方式将数据送至各个CPU，完美地解决了多个CPU共享数据采集系统。

第一中央处理器模件101由CPU和外围接线电路组成，其设置有4X01—4X14接线端子，共计14个，均设置在左侧，实现各种命令的输出和输入，完成距离保护功能。

第二中央处理器模件102由CPU和外围接线电路组成，其设置有5X01—5X14接线端子，共计14个，均设置在左侧，实现各种命令的输出和输入，完成零序保护和三相一次重合闸功能。

通讯接口模件21上设置有7X01—7X18接线端子，共计18个，上部左侧设置有7X01—7X10接线端子，上部右侧设置有7X11—7X18接线端子，中下部设置有打印机口，下部设置有两个以太网接口。

电源模件22上部左侧设置有8X01—8X12接线端子，共计12个，中部设置有+5V和+24V电源，下部右侧设置有电源开关。

信号模件23上部左侧设置有9X01—9X22接线端子，共计22个，其中包含两组保护信号，可分别作为中央信号和远动信号，跳闸出口继电器输出，重合跳闸出口继电器输出，跳闸合后输出，启动失灵继电器输出和跳闸出口继电器接点串连。

断路器位置模件24上设置有10X01—10X22接线端子，共计22个，其中包含跳闸位置、合闸位置输入，六组跳合闸位置接点输出、两组控制回路断线接点输出。

跳合闸出口模件25上设置有11X01—11X22接线端子，共计22个，其中包含控制电源的输入和输出，手分、手合闸刀输入，保护合闸经压力闭锁合闸接入点、保护合闸不经压力闭锁合闸接入点、合闸线圈接入点、压力低禁止合闸、禁止操作、禁止跳闸的输入，两组压力闭锁常开接点。

本实用新型的控制原理和电路连接为现有技术。

Claims (4)

1、数字式线路保护装置，单片机(1)通过导线分别与DI开入单元(2)、AD采样单元(3)、DO开出单元(4)，通讯单元(5)、人机界面单元(6)和电源电路单元(7)相连，DO开出单元(4)通过导线与电源电路单元(7)相连；其特征在于：所述的单片机(1)、DI开入单元(2)、AD采样单元(3)、DO开出单元(4)、通讯单元(5)、人机界面单元(6)和电源电路单元(7)均为模块化集成，DI开入单元(2)、AD采样单元(3)、DO开出单元(4)、通讯单元(5)和电源电路单元(7)均通过模块化集成固定在箱体(11)的背板(12)上，人机界面单元(6)通过模块化集成固定在箱体(11)的前面板(13)上。

2、根据权利要求1所述的数字式线路保护装置，其特征在于：前面板(13)中上部的中间位置设置有液晶屏(14)，液晶屏(14)的右侧设置有指示灯(15)，液晶屏(14)的下方设置有操作按钮(16)，操作按钮(16)的右下侧设置有串行接口(17)，操作按钮(16)的下方自左向右设置有调试安全连接片(18)、接地分/合把手(19)和运行模式切换开关(20)。

3、根据权利要求2所述的数字式线路保护装置，其特征在于：背板(12)的上部自左至右依次设置有电压切换模件(301)、交流电流变换模件(302)、A/D转换模件(303)、第一中央处理器模件(101)、第二中央处理器模件(102)和第一备用板(26)，背板(12)的下部自左至右依次设置有通讯接口模件(21)、电源模件(22)、信号模件(23)、断路器位置模件(24)、跳合闸出口模件(25)和第二备用板(27)。

4、根据权利要求3所述的数字式线路保护装置，其特征在于：AD采样单元(3)由信号采集器(10)、A/D转换模件(303)、电压切换模件(301)和交流电流变换模件(302)组成，电压切换模件(301)和交流电流变换模件(302)通过外围电路分别与A/D转换模件(303)和信号采集器(10)相连。

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