CN201499018U - 智能式断路器控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能式断路器控制器。控制器包括电源单元、采集单元、开入开出单元、通信单元、人机交互单元和处理器单元。处理器单元采用双CPU结构，由DSP和ARM组成；采集单元中12通道模拟量采集同时采样，其采样精度为16位，开入开出单元包括16路开入量输入和16路开出量输出；通信单元以高速以太网为主要接口，其它扩展接口包括RS232、RS485和JTAG；电源单元中各供电回路单独对地；人机交互单元包括液晶显示屏和十字型按键。本实用新型针对抗电磁干扰采取了屏蔽措施和PCB抗干扰方案。本实用新型适用于高压等级断路器的复杂控制和状态监控，具有良好的实时性、可靠性，也可应用于开展电网自动化。

Description

智能式断路器控制器

技术领域

本实用新型涉及一种智能式断路器控制器，属于智能电器领域。

背景技术

随着我国用电负荷的急剧增长，以及我国供需位置的大跨度，近年来国家电网的高压输电线路和输电等级都进一步提升，使得断路器设备的需求急剧增长，同时对断路器智能控制器的要求也随之提高。

传统断路器控制器能实现一定的采集精度和保护动作要求，但对多路信号处理效果不好，实时性较差，易出现瓶颈问题，且不易于扩展和维护。高压断路器的智能控制器应具有使用高可靠、通信速率高、处理实时性、体积小、低功耗等优点，这迫使传统断路器控制器不能广泛使用和推广。目前，厂家和用户对断路器的工作状况要求实时掌控，同时对保护方式提出多种方案，这就要求对断路器的状态点监控信息需求越来越多，使控制方式越来越复杂，对其工作方式要求越来越智能化。

专利CN200610025257.8阐述了一种断路器控制器，但该控制器的电磁兼容性能考虑不足，没能采取插板式结构进行隔离，通信采用485接口，速率较低，且处理器采用MC68HC908LK24，不能较好的满足断路器工作要求的实时性。

专利CN200810203392.6中采用两块DSP处理器，DSP处理器具有较快的计算处理能力，但对复杂任务的控制能力不如ARM处理器功能强大；通信方式采用现场总线，不如光纤以太网方式快，此专利通讯接口单一。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种智能式断路器控制器，其具有体积小、高速率、高可靠、实时性好的优点。

本实用新型的技术方案是：智能式断路器控制器，包括电源单元、采集单元、开入开出单元、通信单元、人机交互单元和处理器单元；其特征在于：处理器单元包括DSP和ARM处理器，采集单元由互感器、信号调理电路和高精度16位模数转换模块组成，开入开出单元包括16路开入量输入和16路开出量输出；通信单元以高速以太网为主要接口，其它扩展接口包括RS232、RS485和JTAG；电源单元包括开关电源和电源转换电路，各供电回路单独对地；

DSP处理器分别连接开入开出单元和采集单元的模数转换模块，ARM处理器分别连接通信单元和人机交互单元，电源单元与其它单元连接供电。

如上所述的智能式断路器控制器，其特征在于：采集单元中12通道模拟量采集同时采样，其采样精度为16位。

如上所述的智能式断路器控制器，其特征在于：DSP处理器采用TI公司的TMS320LF2407芯片，ARM处理器采用三星公司的S3C44B0X处理器。

如上所述的智能式断路器控制器，其特征在于：人机交互单元采用大屏幕液晶显示屏，并提供多页面显示；采用十字型按键方式，并具有应急按键和分合闸按键。

如上所述的智能式断路器控制器，其特征在于：处理器单元采用多层印刷电路板工艺，电源和地占两层且各自分开；芯片采用贴片封装；器件按照强、弱信号，数字、模拟信号分开布局；将大功率器件布局在电路板边缘；布线时减少回路环形面积；避免90度走线。

如上所述的智能式断路器控制器，其特征在于：模数转换模块选用具有模数隔离的芯片AD7656-1；处理器单元的I/O端口均用开入开出单元中的光电耦合器TLP521进行隔离；通信单元回路电源通过DC-DC隔离变换器IB0505S进行电源隔离。

如上所述的智能式断路器控制器，其特征在于：装置的外屏蔽采用标准工业级的封闭式金属机箱，线路板均安装在金属箱内，并采用插针方式竖立直插设计，通过背板总线进行各功能板的电气连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型控制器采用模块化单元进行设计，本控制器的处理器单元采用双CPU结构，由DSP和ARM组成，利用DSP处理器实现模拟量的高速采样和计算，利用ARM强大的扩展功能实现高速通信、液晶显示和多路开入开出量。采集单元适用高精度16位A/D转换器，极大的减少了模拟量的误差；通讯总线使用高速的以太网总线，确保了数据实时传送，并可构建断路器广域状态监测系统；开入量可实现16路同时采集，实现16路开出量执行动作输出；人机交互单元采用交互式设计方案，即人和机器之间的交流设计，通过按键输入和液晶屏幕显示良好的完成人机交流，对断路器实时工作状态就地或远传显示。实施大屏幕显示，并提供多页面显示，具有更强大的信息输出功能；采用十字型按键方式，便于用户操作，并具有应急按键和分合闸按键。针对抗电磁干扰采取了屏蔽措施和PCB抗干扰方案。本控制器适用于高压等级断路器的复杂控制和状态监控，具有良好的实时性、可靠性，也可应用于电网自动化。

附图说明

图1为本实用新型实施例整体结构示意图。

图2为图1中各单元内部结构示意图。

图3为图1中采集单元的原理图。

图4为图1中处理器单元的原理图。

图5为图1中开入开出单元的原理图。

图6为图1中电源单元的原理图。

图7为图1中通信单元的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。

图1中标记的说明：1-电源单元、2-采集单元、3-开入开出单元、4-通信单元、5-人机交互单元、6-处理器单元。

如图1所示，本实用新型实施例智能式断路器控制器由电源单元1、采集单元2、开入开出单元3、通信单元4、人机交互单元5和处理器单元6组成。处理器单元6包括DSP和ARM处理器，采集单元2由互感器、信号调理电路和高精度16位模数转换模块组成，开入开出单元3包括16路开入量输入和16路开出量输出；通信单元4以高速以太网为主要接口，其它扩展接口包括RS232、RS485和JTAG；电源单元1包括开关电源和电源转换电路，各供电回路单独对地；

DSP处理器分别连接开入开出单元3和采集单元2的模数转换模块，ARM处理器分别连接通信单元4和人机交互单元5，电源单元1与其它单元连接供电。

采集单元2是本实用新型实施例智能控制器的关键单元，其结构如图2和图3所示，被测模拟信号通过供电线路上的电流互感器(CT)和电压互感器(PT)变换后送给采集单元2板上的高精度计量互感器，得到变比后的电流量和电压量，再经信号调理电路滤波后送给A/D模数转换模块AD7656-1进行采样，将模拟量变换为对应的数字量，并由处理器单元6的DSP处理器TMS320LF2407对采集到的数字量进行逻辑运算和处理。处理器的采样算法采用改进型DFT算法进行采样计算，确保了计算的实时性和高精度。采集单元2良好的实现了多路高速高精度同步采集，采样的最大速率为5000kps，最高精度为16位，采集路数为12路。12路采集确保了各种模拟量的接入，同时保证可监测多个断路器状态。

图4为图1中处理器单元的原理图，本实用新型实施例的高压断路器用智能控制器装置要求具有高速的数据通讯能力和快速准确的数据采集能力，具有较强的抗干扰能力，能在恶劣环境下进行可靠工作。DSP具有硬件乘法器，是业界公认的对数据处理能力最强的芯片，但智能控制器巨大的数据量和状态量占用了DSP大部分资源，要想使其再具有高速的通讯能力变得举步维艰。可见单个芯片难以满足，因此，本实用新型实施例采用双CPU结构DSP+ARM。DSP确保装置具有强大的数据处理能力、状态采集能力和逻辑运算能力。本实用新型实施例选择TI公司的TMS320LF2407芯片，它是面向工业应用而设计，具有良好的数据采集能力、状态检测能力。具有良好的数据处理特征，包含硬件乘法器(MUL)，累加器(ACC)，算术逻辑单元(ALU)，辅助算术单元(ARAU)以及DMA控制器等。可以在一个单独的指令周期内执行完计算任务，并且这种运算是同时完成。另一个CPU要保证数据通讯能力的高速可靠，也要保证强大的外扩功能，更要保证强大的抗干扰能力。一般的51系列和PIC系列芯片难以满足，因此本实用新型实施例选择三星公司的S3C44B0X处理器。本实用新型实施例利用DSP处理器强大的运算能力，通过高性能A/D转换芯片，实现高精度的模拟量采集和多路开入开出量；利用ARM处理器强大的接口能力，实现人机交互功能，同时完成通信功能。

图5为图1中开入开出单元的原理图；开入开出单元3包括开入量和开出量。本装置的开入量和开关量进行单独设计，通过背板总线与中央处理单元TMS320LF2407和电源单元1连接，且使用背板总线可以方便的对开入量和开出量进行扩展。开入量负责采集输电线路中断路器分合闸位置，变压器辅助开关位置等。图5所示，开入开出单元3可以同时采集16路开入量，开入量的采集由光电耦合器TLP521、数据缓冲器74LS244、逻辑与非门器件SN74LS00N、4.7kΩ阻排等组成。开入量的接入为无源接点，本实用新型实施例装置设计了16路开入量采集，为了节省TMS320LF2407的I/O端口，本实用新型实施例采用两片74LS244数据缓冲器，首先将16路开入量状态一次性存入缓冲器，再通过单片机的KR7引脚对74LS244进行片选，实现两个芯片数据的分别读取。片选信号通过与非门实现两个片选信号且避免了片选信号发生冲突的可能性，具体电路见图5。开入开出单元3强大的开入量采集功能可确保多个状态位置的检测，便于构建复杂监测点，同时具有16路开出功能，可对多个保护对象进行瞬时速断、延时断开和反时限断开等保护功能，确保多种故障现象需求。

图6为图1中电源单元的原理图。电源单元1可提供+3.3V/1A、+5V/1A、+12V/0.1A、-12V/0.1A、+24V/0.2A直流电，各供电回路单独对地。+3.3V/1A给DSP芯片及其外围电路供电，+5V/1A给ARM处理器S3C44B0X芯片及其外围电路供电，+12V/0.1A和-12V/0.1A给采集单元2中的运放芯片TL082供电，+24V/0.2A给开出量逻辑电路中的继电器供电。本实用新型实施例智能控制器装置的电源单元1由开关电源和电源转换电路组成。虽然采用变压器可以实现多路电源功能，但是效率低下，可靠性低，且只能在交流电源下工作。根据最新的欧洲标准，新设计的设备中不允许采用效率低下的线性电源，同时变电站或发电厂经常采用直流电源为设备供电，所以在本实用新型实施例设计中采用了开关电源供电方式。本实用新型实施例装置选用ZT22040开关电源，输入电压为165Vdc～375Vdc或165Vac～265Vac，输出提供+5V/2A、+12V/0.1A、-12V/0.1A、+24V/0.2A直流电。由于DSP处理器的电源为+3.3V，需由+5V转换得到，+5V经由电压转换芯片组成的电压变换电路变换为+3.3V，再经滤波电路和稳压管稳压后给DSP处理器TMS320LF2407供电，电路如图6所示。另外，需要注意通信单元4的电源设计，通讯回路的电源需要作隔离处理，防止通讯电源受其它电源干扰。本装置采用隔离变换器(DC/DC Converters)IB0505S实现通讯电源与单片机电源的隔离。电源单元1的设计，加强了屏蔽措施，确保减少干扰，并为其它单元进行供电，且各供电回路单独对地，进一步减少干扰。

图7为图1中通信单元的原理图；本实用新型实施例装置要求具有高速数据通信能力和抗干扰能力。目前以太网通信具有10Mbit或100Mbit自适应通讯能力，光纤传输具有良好的抗干扰能力。因此，采用光纤以太网通信方式来加强本装置的抗干扰能力和高速通信能力，同时扩展RS232接口、RS485接口、USB接口和JTAG接口。在电力系统中多种通讯方式并存的今天，迫切需要一种具有高速传输能力、具有统一传输格式的通行标准，在各国电力公司和研究院所对国际标准IEC61850推动下，使以太网通信成为电力系统内通信网络的标准(IEEE 802.3)；因此，将IEEE 802.3标准作为本装置对外的主要通信格式。本实用新型实施例控制器装置的以太网通信采用Realtek公司第三代快速以太网控制芯片RTL8019，它支持Ethernet II和IEEE802.3标准，内嵌16KbitSRAM，可以通过以太网交换机在双绞线上实现10Mbps同时发送和接收数据，具有16位数据线接口和20位地址线接口，支持8位或16位的数据模式，支持跳线和免跳线两种模式，支持8条线路的中断请求，支持3种标准电源关闭模式。RTL8019芯片构成的以太网通信电路原理图，如图7所示。采用跳线工作方式(即网卡的I/O和中断由跳线决定)；JP引脚接高电平，选择16位数据总线；S3C44B0X处理器通过5条地址线A0～A4选择RTL8019的寄存器地址和存储器地址，控制并实现数据的读取；指示网卡状态的引脚连接到Green/Red LED，便于直观判断以太网通讯状态；通过可编程逻辑器件(PSD4235G2)对RTL8019的片选信号进行控制。RTL8019可以和双绞线和同轴电缆连接，本实用新型实施例采用双绞线连接，接口采用RJ45，RTL8019不能直接输出，还必须有一个网络变压器20F001N在RJ-45接口和RTL8019中间进行电平转换。20F001N是双绞线驱动/接收器件，内部有两个传输变压器，将RTL8019的两对差分信号TPIN±和TPOUT±进行变换后进行输出或输入。

通信单元4具有强大的通信接口功能，主要以高速以太网为主要接口，其它扩展接口有RS232、RS485、JTAG等。RS485接口目前应用广泛，便于和其它信息装置的连接，如：用于接收GPS时间信息；RS232接口用于与其他智能电子设备(IED)互连和连接打印机；JTAG接口，用于本装置程序的下载和烧写。通信方式采用以太网总线，确保了通信速率，可方便的构建广域断路器的状态监测，并保证了数据传输的实时性。

人机交互单元5中的液晶显示采用128*64位显示屏，此显示屏具有汉字库，极大的简化了汉字的显示程序，利用字模软件对需要图形进行处理，此液晶显示屏采用点阵显示功能即可显示图标和光标。通过液晶显示增强了装置的信息输出能力，方便用户的操作和信息获取。按键采用十字型按键，并具有应急按键和分合闸按键。为了节省按键使用过多的I/O口资源，利用GAL20V8B实现8到3的接口转换，并利用烧写器将编写好的转换程序烧到GAL20V8B芯片中。

本实用新型实施例装置的对抗电磁干扰采取的详细措施，其特征如下：

从印刷电路板PCB设计方面，合理布局和安全走线，能有效切断干扰的传播途径和抑制干扰源。处理器单元6(双CPU单元)采用多层印刷电路板工艺，电源和地占两层且各自分开，增加走线面积，降低由于导线电阻造成的电位差；芯片采用贴片封装，减少杂散电容和杂散电感的影响；器件按照强、弱信号，数字、模拟信号布局，并保证一定的安全距离；将大功率器件布局在电路板边缘；布线时尽量减少回路环形面积，以降低感应噪声；避免90度走线，以减少高频噪声发射。

从隔离技术设计方面，在A/D转换设计中，模数转换模块选用具有模数隔离的芯片AD7656-1；处理器单元6的I/O端口均用开入开出单元3中的光电耦合器TLP521进行隔离；处理器单元6供电采用开关电源单独回路供电，通信单元回路电源通过DC-DC隔离变换器IB0505S进行电源隔离。因此，有效的抑制了外界尖锋脉冲及各种噪声干扰的串入，提高了信噪比。

从接地技术方面，数字地和模拟地进行严格分离，否则数字信号的跳变会给模拟信号带来噪声干扰或者模拟信号存在的尖峰干扰信号也会对数字信号影响。本实用新型中当两点必须连接时，在中间串入电感抑制电流突变。

从屏蔽技术方面，装置的外屏蔽采用标准工业级的封闭式金属机箱，线路板均安装在金属箱内，密封性好，起到屏蔽作用。并采用插针方式竖立直插设计，通过背板总线进行各功能板的电气连接，减少连接导体的表面积，方便采用厚度≥0.7mm的镀锌铁板进行内部隔离，包括互感器板、电源板、主控制板间的隔离，各屏蔽板也可以方便与机壳大地连接。

Claims (7)

1.智能式断路器控制器，包括电源单元、采集单元、开入开出单元、通信单元、人机交互单元和处理器单元；其特征在于：处理器单元包括DSP和ARM处理器，采集单元由互感器、信号调理电路和高精度16位模数转换模块组成，开入开出单元包括16路开入量输入和16路开出量输出；通信单元以高速以太网为主要接口，其它扩展接口包括RS232、RS485和JTAG；电源单元包括开关电源和电源转换电路，各供电回路单独对地；

DSP处理器分别连接开入开出单元和采集单元的模数转换模块，ARM处理器分别连接通信单元和人机交互单元，电源单元与其它单元连接供电。

2.根据权利要求1所述的智能式断路器控制器，其特征在于：采集单元中12通道模拟量采集同时采样，其采样精度为16位。

3.根据权利要求1所述的智能式断路器控制器，其特征在于：DSP处理器采用TI公司的TMS320LF2407芯片，ARM处理器采用三星公司的S3C44B0X处理器。

4.根据权利要求1所述的智能式断路器控制器，其特征在于：人机交互单元采用大屏幕液晶显示屏，并提供多页面显示；采用十字型按键方式，并具有应急按键和分合闸按键。

5.根据权利要求1所述的智能式断路器控制器，其特征在于：处理器单元采用多层印刷电路板工艺，电源和地占两层且各自分开；芯片采用贴片封装；器件按照强、弱信号，数字、模拟信号分开布局；将大功率器件布局在电路板边缘。

6.根据权利要求1所述的智能式断路器控制器，其特征在于：模数转换模块选用具有模数隔离的芯片AD7656-1；处理器单元的I/O端口均用开入开出单元中的光电耦合器TLP521进行隔离；通信单元回路电源通过DC-DC隔离变换器IB0505S进行电源隔离。

7.根据权利要求1所述的智能式断路器控制器，其特征在于：装置的外屏蔽采用标准工业级的封闭式金属机箱，线路板均安装在金属箱内，并采用插针方式竖立直插设计，通过背板总线进行各功能板的电气连接。

Images