CN201946963U - 弱信号电力供电微机保护器 - Google Patents

Abstract

一种弱信号电力供电微机保护器，属于配电一次设备与智能配电终端的融合与集成技术领域。包括电连接的微处理器、DSP、FPGA和存储器，其特征在于：微处理器的输入端通过DSP连接微信号模拟量输入装置；微处理器的输入端通过FPGA连接微信号开关量输入装置；微处理器的输出端通过FPGA连接开关量输出装置。使用时，将毫安、毫伏的弱信号输入微信号模拟量输入装置，微处理器对数据进行处理，根据运算结果通过开关量输出装置控制电力供电的安全运行，便于精确控制。本实用新型采集微信号进行处理，节能省电、控制灵敏、运行安全。

Description

弱信号电力供电微机保护器

技术领域

本实用新型提供一种弱信号电力供电微机保护器，具体说是属于配电一次设备与智能配电终端的融合与集成技术领域，适用于10-35kv户外分体式或者室内集成式变电站。

背景技术

现有的变电站为实现自动化控制，通过主站的上位机对变电站进行远程实现″四遥″管理，环网供电系统中的智能变电站在主站的控制下，能完成故障区段自动定位，故障切除，负荷转移等功能。电力系统微机式计量、保护、监控的应用，给现有的电能计量、保护、监控中提供信号的电流、电压转换设备发生了变化，主要变化有以下几个特点：1、现有的高、低压计量用互感器、互感器提供标准信号5A、100V，与微处理器的信号不匹配；2、电力系统自动化的需要，微机计量、测量、保护监控的出现，输出信号出现低功率，低电压、小电流的变化趋势，现有的计量装置、信号处理、监控装置不能适应；3、现有的监控装置微机保护器的输入回路都有锰铜分流电阻，将5A输入电流分流成毫安级或微安级的电流信号，才能输入到电能计量芯片，转换过程多，功耗大浪费能源；电压输入信号也要经过二次降压，才能输入到微处理器进行计量，提高计量精度困难，容易造成误差偏大，信号失真；4、现有的微机保护器对供给标准电流、电压的转换设备要求功率大，给其制造带来一定难度，材料浪费大，结构相对复杂，耗能高；5、信号由于锰铜分流电阻的存在，不利于线路的安全运行。

随着电子技术的发展，变电站采用小型智能控制器，采集变电站运行信息，控制开关机构完成对变电站运行的保护。例如：

中国专利(公开号CN101826707A)公开了一种智能型预装式变电站，包括主控模块、测量模块、显示模块、开关控制模块，以及故障录波、接地测试等功能模块：单片机设置在主控模块土，各功能模块由单片机直接控制，相对独立工作；测量模块用交流采样法对三相交流线路的电流、电压输入信号进行数据采集并处理，实现对电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、相位、频率、电能参量的测量，并定时将测量数据存储在EEPROM中，供上位机读取进行后期分析处理；开关控制模块土设有继电器，开关控制模块监测各开关的状态，接收上位机发出的开关控制命令，并通过控制其上的继电器使相应的开关动作。该实用新型制造方便，维修快捷。其存在的不足是：1、主控模块中的测量模块采用交流采样法采集数据和处理，需要对采集的数据进行分压处理和I/V变换，才能输入模拟开关进行处理，浪费大量电能，并且误差交大；2、其只能对6路信号进行采集处理，功能单一，如果出现复杂情况，不能够显示处理多种状态，会对变电站的安全运行造成影响。

中国专利(专利号200520022247.X)公开了工频交流电参数测量控制指示仪表，主要由开关电源、信号输入电路、模拟信号处理电路、单片机、监控存储电路、显示按键电路、RS485通讯接口、变送输出电路、1/0输入输出电路和壳体构成，开关电源与各部分电路皇电气连接，信号输入电路与模拟信号处理电路呈电气连接，模拟信号处理电路、单片机、监控存储电路之间两雨连接，显示按键电路、RS485通讯接口、变送输出电路、I/0输入输出电路分别与单片机里电气连接，上述各部分电路均装于壳体中，其中开关电源、信号输入电路与模拟信号处理电路、单片机、监控存储电路、显示按键电路由屏蔽板隔开。该装置具有高精度、抗强电磁干扰能力以及多功能遥测、遥信、遥控、智能校准等特点。由于其于信号输入电路由电压信号和电流信号两部分构成，电压信号部分分别由A、B、C三路精密电阻串联分压取样电路构成，电流信号部分分别由A、B、C三路精密电流互感器变换、精密电阻取样电路构成。其存在的不足是：信号输入电路构成复杂，电流信号和电压信号进过处理后误差较大，并且成本高，维修不方便，功能不全面。

中国专利(专利号201020022549.8)公开了一种具有全电量数码管显示双通信协议的多功能电力仪表，包括单片机微处理器，所述单片机微处理器外围分别连接组合通信模块、输入控制模块、开关量控制模块、模拟量变送模块以及全电量数码管显示模块，所述全电量数码管显示模块用于显示所述通信模块、输入控制模块、开关量控制模块以及模拟量变送模块采集的信号。本实用新型提供一种具有全电量数码管显示双通信协议的多功能电力仪表，并可以实现开关量状态变化实时状态显示，及通信状态显示，便于现场的调试和观测，使用户更好的了解现场的电网运行情况，功能全面可扩展模块更好的满足不同要求下的使用，更好的满足市场需求。其存在的不足是：不能采集零序电压，三相电流电压的采集用高电压，并且其不能控制开关机构采取必要关断措施。

实用新型内容

根据以上现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种采集微信号进行处理，节能省电、控制灵敏安全的弱信号电力供电微机保护器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：弱信号电力供电微机保护器，包括电连接的微处理器、DSP、FPGA和存储器，其特征在于：

微处理器的输入端通过DSP连接微信号模拟量输入装置，采集电力供电的毫伏级、微伏级电压信号和毫安级、微安级电流信号进行处理；

微处理器的输入端通过FPGA连接微信号开关量输入装置；

微处理器的输出端通过FPGA连接开关量输出装置，控制电力供电的安全运行。

使用时，在电力供电场所的高压侧设置贯穿式高压电量数据终端或传感器式高压电能表或贯穿式组合传感器作为运行状态的检测装置，将其毫安、毫伏的弱信号输入微信号模拟量输入装置，同时其他电力供电场所的运行状态开关量通过微信号开关量输入装置输入微处理器进行处理。微处理器对数据进行处理，根据运算结果通过开关量输出装置控制电力供电的安全运行，便于精确控制。

其中优选方案是：

所述的微信号模拟量输入装置包括16位高速A/D转换器和多路转换开关，多路转换开关的输出端通过16位高速A/D转换器连接DSP的输入端，多路转换开关的输入端设置连接15-25路微信号输入通道，该微信号输入通道包括外电压通道、外电流通道、外直流量通道和内直流量通道。

微信号输入通道优选17路。其中外电压通道为7路包括测量三相电压、保护三相电压和零序电压的输入通道；外电流通道为7路包括测量三相电流、测量三相电流和零序电流的输入通道；外直流量通道为1路；内直流量通道为2路连接计数脉冲。可以完成全面的运行状态检测，直接采用弱电信号进行分析处理，避免二次转换带来的误差，提高测量精度，减少了互感器和转换器的使用，简化了结构，降低了电磁污染，降低了功耗和成本。

所述的外电压通道和外电流通道与多路转换开关之间设置互感器隔离器和低通滤波器。对外部信号进行互感器隔离和低通滤波，对信号进一步优化。

所述的外直流量通道与多路转换开关之间设置飞电容隔离器。对外置流量进行飞电容隔离，使得信号安全准确。

所述的微信号开关量输入设置6-10路光隔离输入通道。采集外部开关量信号，并且进行光隔离。

所述的开关量输出装置设置至少2路继电器输出通道和4路光耦输出通道，开关量输出装置的输出端连接执行装置。微处理器处理输入信号，根据不同的运行情况，控制输出，通过开关量输出通道控制开关机构动作。

所述的微处理器设置电连接的通讯装置、对话显示装置和提醒报警装置。所述的通讯装置包括RS232维护口、RS232通信口和NEU ROM，RS232维护口、RS232通信口和NEU ROM连接微处理器的通讯口。微处理器通过通讯装置、对话显示装置和提醒报警装置，实现数据的上传、抄送、输入、显示，实现运行状态的指示、报警或者预警，并且可以根据需要修改微处理器处理程序，以满足各种容量的需求。增加通讯功能，实现了联网信息采集，提高了安全性和防窃电性能。

本实用新型弱信号电力供电微机保护器所具有的有益效果是：通过在微处理器的输入端通过DSP连接微信号模拟量输入装置，采集电力供电的毫伏级电压信号和毫安级电流信号进行处理；微处理器的输入端通过FPGA连接微信号开关量输入装置；微处理器的输出端通过FPGA连接开关量输出装置，控制电力供电的安全运行，适用于变电站综合自动化，可以构成35kV、10kV变电站/配电所完整的自动化系统。除了具备三段式过流保护、保护后加速、重合闸及备自投等功能，还适应当前变电站综合自动化技术的发展，具有监测、控制和通信等多种功能，并集成为一个整体。从而避免装置软件、硬件的重复配置，优化变电站自动化系统结构。符合开放式和分布式体系结构要求。经过设置，本实用新型可以实现：

1、可以完成全面的运行状态检测，直接采用弱电信号进行分析处理，减少了标准电压信号的二次转换，取消了标准电流信号接口的锰铜分流电阻。避免二次转换带来的误差，提高测量精度，减少了互感器和转换器的使用，简化了结构，降低了电磁污染，降低了功耗和成本。

2、该装置集保护、监控、通信、自动装置、故障录波、断路器状态检测等多功能于一体，能够在分析软件上显示各元件动作过程，便于事故分析和装置的调试，使电力运行整套装置真正实现了一体化、智能化，功能强大，实用性强。

3、保护参数：

整定值范围及步长：

电流整定范围：0～80A步长：0.01A；

电压整定范围：0～200V步长：0.01V；

时间整定范围：0～65s步长：1ms；

整定误差：

电流及电压整定值误差不大于±3％。

时间整定值平均误差不大于±1％，设定值±20ms

装置固有动作延迟：不大于40ms。

附图说明

图1为本实用新型的电气原理方框图；

图2为本实用新型的微信号模拟量输入装置的电气原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，微处理器、DSP、FPGA和存储器电连接，微处理器的输入端通过DSP连接微信号模拟量输入装置，采集电力供电的毫伏级电压信号和毫安级电流信号进行处理；微处理器的输入端通过FPGA连接微信号开关量输入装置；微处理器的输出端通过FPGA连接开关量输出装置，控制电力供电的安全运行。微处理器设置电连接的通讯装置、对话显示装置和提醒报警装置。所述的通讯装置包括RS232维护口、RS232通信口和NEU ROM，RS232维护口、RS232通信口和NEU ROM连接微处理器的通讯口。

使用时，在电力供电场所的高压侧设置贯穿式高压电量数据终端或传感器式高压电能表或贯穿式组合传感器作为运行状态的检测装置，将其毫安、毫伏的弱信号输入微信号模拟量输入装置，同时其他电力供电场所的运行状态开关量通过微信号开关量输入装置输入微处理器进行处理。微处理器对数据进行处理，根据运算结果通过开关量输出装置控制电力供电的安全运行，便于精确控制。

微处理器CPU采用INTEL公司的通用处理器，除了模拟输入量处理以外的所有其它功能均由主CPU完成或协作完成，包括所有硬件初始化如现场可编程逻辑阵列FPGA和数字信号处理器DSP的软件下载和所有的通信和数字I/O口处理。大规模现场可编程逻辑阵列FPGA负责整个系统的时序控制，包括模拟输入量的多路选择控制和定时转换，CPU与DSP的接口控制和数字输入量的选通和变位检测等。DSP负责模拟量的计算和故障检测，采用AD公司的高集成度单片数字信号处理器，内置一个DMA接口和一个串行接口，DMA接口用于和CPU之间传输数据，串行口用于从A/D转换器获取数据。SRAM(512K)是CPU的工作内存，在装置掉电时，由一个1法拉的电容器给SRAM供电，保证其内部数据不丢失。FLASH RAM(512K)用于保存整定方式字、装置运行自举程序、CPU运行程序、DSP运行程序以及FPGA的I/O配置数据等。

如图2所示，微信号模拟量输入装置包括16位高速A/D转换器和多路转换开关，多路转换开关的输出端通过16位高速A/D转换器连接DSP的输入端，多路转换开关的输入端设置连接15-25路微信号输入通道，该微信号输入通道包括外电压通道、外电流通道、外直流量通道和内直流量通道。

微信号输入通道优选17路。其中外电压通道为7路包括测量三相电压、保护三相电压和零序电压的输入通道；外电流通道为7路包括测量三相电流、保护三相电流和零序电流的输入通道；外直流量通道为1路；内直流量通道为2路连接计数脉冲。可以完成全面的运行状态检测，直接采用弱电信号进行分析处理，避免二次转换带来的误差，提高测量精度，减少了互感器和转换器的使用，简化了结构，降低了电磁污染，降低了功耗和成本。

外电压通道和外电流通道与多路转换开关之间设置互感器隔离器和低通滤波器。对外部信号进行互感器隔离和低通滤波，对信号进一步优化。

外直流量通道与多路转换开关之间设置飞电容隔离器。对外置流量进行飞电容隔离，使得信号安全准确。

微信号开关量输入设置6-10路光隔离输入通道。采集外部开关量信号，并且进行光隔离。

开关量输出装置设置至少2路继电器输出通道和4路光耦输出通道，开关量输出装置的输出端连接执行装置。微处理器处理输入信号，根据不同的运行情况，控制输出，通过开关量输出通道控制开关机构动作。

工作原理和使用过程：

经过低通滤波的交流量同直流量一起进入多路转换开关，由FPGA控制其选通那一路进入A/D转换器，经过A/D转换后的数据直接进入DSP处理。A/D与DSP的同步由FPGA控制，FPGA内部的数字锁相环调整采样时钟与工频同步，使CPU通过FPGA动态跟随工频频率的变化，保证交流量的采样周期总是128个采样点/周波。内部直流量输入为零、正、负参考电压以及由一个内部芯片输出的温度值共四个内部模拟参考量，用于多路转换器、缓冲放大器、A/D转换器的校正与漂移补偿。开关量输入共12路，供外部使用的有10路，均为内部有源接点，外接空接点即可。2路开关量输入用于监视装置内部状态，如开关位置，跳合闸回路是否完好等。开关量输出共8路，分为两类。一类是SBO(Select-Before-Operate)即操作前预选择，一般作为保护跳合闸输出和遥控输出；另一类是DO(Digital-Output)普通数字量输出用作其他控制。装置默认配置8路SBO输出，内部使用了2路SBO输出，外部使用的6路输出中最多可路配置成2路SBO输出和4路DO输出。

弱信号电力供电微机保护器为一体化智能化的监控装置，该装置集保护、监控、通信、自动装置、故障录波、断路器状态检测等多功能于一体，能够在分析软件上显示各元件动作过程，便于事故分析和装置的调试。

其中采用的CPU外围电路、存储器、DSP、FPGA以及执行装置的设置为普通现有技术，为本行业技术人员所掌握。

实施例2：

在实施例1的技术上，微处理器的通讯口设置RS485接口。

实施例3：

设置上位机，将本装置的采集高压侧数据，和低压侧数据，进行汇总分析，实现远程集中数字化智能运行。

进过设置和试验，本实用新型可以实现以下功能：

1、保护功能：

1.1电流保护

装置中设三段式电流保护即：无时限电流速断保护(I段)、限时电流速断保护(II段)、定时限过电流保护(III段)。各段保护的投退、电流定值和时间定值均可进行整定。仅无时限电流速断保护(I段)、限时电流速断保护(II段)可设为功率方向保护。

1.2电压(失压/过压)保护

电压保护功能分为失压保护和过压保护。失压保护又分为单相失压保护和三相失压保护，用于自闭/贯通线路、进线线路、电容器1、贯通调压器等保护监控装置。过压保护用于电容器保护监控装置。断路器为合位，是电压保护动作的必要条件。电压保护的投退、定值和时间由方式字设定。进线或贯通单相失压保护。

1.3三相一次自动重合闸

三相一次自动重合闸采用电流保护动作启动方式。当手动跳闸或合闸于故障线路时重合闸自动闭锁。重合闸功能的投退、重合延时由用户方式字确定。

1.4零序电流保护或零序电压保护

零序电流保护功能和零序电压保护功能用于电容器保护装置。在电容器保护装置中，零序电压保护与零序电流保护通常不同时使用。

1.5低周减载：动作条件：系统频率小于频率整定值。返回系数：1.002。

1.6同期监测功能。

1.7贯通/自闭线路重合闸/备自投功能。

1.8母联备自投

当受电柜由于非电流保护动作跳闸，使一段母线失压，而另一段母线有电的情况下，母联柜自动投入为失压母线供电。若检测到两段母线均无压或两个受电柜均在合位时，母联开关自动保持在分闸状态。备自投功能的投退和备投时间由方式字设定。

1.9线路备自投

线路备自投功能一般多用于单母线运行方式变电站的两路进线线路。两路进线分别运行在主、备供电方式下。启动条件：主供电线路断路器分闸时启动备供电线路侧保护监控装置的线路备自投功能。动作条件：本进线(即备供电线路)有压，母线无压，主供电线路断路器在分位，线路备自投动作。

2、告警功能：当一、二次系统或装置本身异常时发出告警，一方面点亮当地告警指示灯同时上报主站。

2.1保护动作告警：当有保护动作行为发生后，立即记录保护动作属性、动作时刻及动作值并上报。

2.2TV断线告警。

2.3贯通TV断线告警跳闸。

如果在用户方式字中投入使用该功能，TV二次侧发生两相或三相断线时，保护单元发跳闸命令，同时上报告警信息，告警信息中包括告警时间和TV断线的相别；如果在用户方式字中不投入该功能，则只上报TV断线告警信息，并不进行跳闸操作。

2.4开关拒动告警

当有遥控操作或保护动作时，立即启动开关拒动告警检测，如果在规定时间内检测到开关不曾发生过变位，则发出告警信息。

2.5跳合闸回路异常告警

当断路器跳、合闸实际状态与位置信号不对应时，发出告警信息。

3、测控功能：

构成新型变电站自动化系统的保护监控装置必须具备SCADA功能，其SCADA功能如下：

3.1测量电流功能：采用高精度测量TA对应接入三相测量电流。

3.2数据采集功能

交流量：直接采集三相测量电流、三相保护电流、六相电压及3U0、3I0，并计算出P、Q、COSφ、f等。

直流量：1路飞电容隔离直流输入。

脉冲电度量：2路计数脉冲输入。

3.3遥信功能

包括断路器位置、就地/远方控制切换开关状态等，还可提供5路备用开关量遥信。

3.4遥控功能

3.5遥调功能

控制调节变压器分接头位置。此功能需与调压器控制器装置配合使用。

4、故障录波。

5、自动调压。

6、小电流接地故障监测：

配电网发生单相接地故障时，一般都会产生强烈的过渡(暂态)过程。暂态零序电流可比稳态零序电流大数十倍，因此利用暂态信号选线具有可靠性、灵敏度高的特点。本方法的优点是不受消弧线圈、不稳定电弧的影响，在间歇性接地故障时检测效果更好。不需要和其他线路的电气量比较、只需要本线路的暂态电压、电流信号即可确定故障线路，具有自具特点。单相接地监测过程如下：告警：发生单相接地故障后，选出接地故障线路，记录，并立即上报包含故障方向的保护信息。

7、瓦斯保护。

8、声光告警输出功能。

9、故障测距。

10、定值管理功能。

11、通信功能。

Claims (8)

1.一种弱信号电力供电微机保护器，包括电连接的微处理器、DSP、FPGA和存储器，其特征在于：

微处理器的输入端通过DSP连接微信号模拟量输入装置；

微处理器的输入端通过FPGA连接微信号开关量输入装置；

微处理器的输出端通过FPGA连接开关量输出装置。

2.根据权利要求1所述的弱信号电力供电微机保护器，其特征在于：所述的微信号模拟量输入装置包括16位高速A/D转换器和多路转换开关，多路转换开关的输出端通过16位高速A/D转换器连接DSP的输入端，多路转换开关的输入端设置连接15-25路微信号输入通道，微信号输入通道包括外电压通道、外电流通道、外直流量通道和内直流量通道。

3.根据权利要求2所述的弱信号电力供电微机保护器，其特征在于：所述的外电压通道和外电流通道与多路转换开关之间设置互感器隔离器和低通滤波器。

4.根据权利要求2所述的弱信号电力供电微机保护器，其特征在于：所述的外直流量通道与多路转换开关之间设置飞电容隔离器。

5.根据权利要求1所述的弱信号电力供电微机保护器，其特征在于：所述的微信号开关量输入设置6-10路光隔离输入通道。

6.根据权利要求1所述的弱信号电力供电微机保护器，其特征在于：所述的开关量输出装置设置至少2路继电器输出通道和4路光耦输出通道，开关量输出装置的输出端连接执行装置。

7.根据权利要求1所述的弱信号电力供电微机保护器，其特征在于：所述的微处理器设置电连接的通讯装置、对话显示装置和提醒报警装置。

8.根据权利要求7所述的弱信号电力供电微机保护器，其特征在于：所述的通讯装置包括RS232维护口、RS232通信口和NEU ROM，RS232维护口、RS232通信口和NEU ROM连接微处理器的通讯口。

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