CN202363978U - 自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，包括相连接的主控制单元和供电单元，所述供电单元包括多个电源和蓄电池，其中至少一个电源为从电力线路上通过负荷电流感应取电的CT电源，所述多个电源中还包括光伏电源和/或从所述电力线路上取电的PT电源，所述蓄电池由所述的一个或多个电源充电，并向所述主控制单元供电，所述主控制单元中的CPU为ATMEL高性能、低功耗MEGA64/128系列CPU，电容模块和断路器控制接口均采用了各自的低功耗设计。本实用新型供电可靠、功耗低，既满足了断路器操作的要求，又达到了较高的智能控制水平，便于同其他产品组成综合自动化系统。

Description

自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端

技术领域

本实用新型涉及一种用于配电网的高压真空断路器控制装置，具体涉及一种具有自供电和低功耗特点的高压真空断路器智能控制装置。

背景技术

目前，高压真空断路器（重合器）的控制终端基本采用PT取电（即电压互感器取电）、太阳能供电或者上述二者相结合的供电方式，对于PT取电方式，电压互感器价格昂贵、易损坏，且安装不便，例如需要注意安装在电网的进线侧还是出线侧以及要满足安全距离的要求等，要注意的因素较多，又容易影响断路器的操作性能甚至造成事故，此外，电压互感器还会发生铁磁谐振，引起铁芯饱和，产生饱和过电压，谐振时电压互感器一次绕组通过相当大的电流，在一次熔断器尚未熔断时可能使电压互感器绕组烧坏，造成电压互感器一次熔断器熔断，进一步可能造成部分继电保护和自动装置的误动作，从而扩大了事故。对于太阳能供电方式，当阴雨天持续时间较长时，后备电源的电量容易被耗光，这时控制部分无电，控制终端会失效，另外，由于目前太阳能转换效率普遍偏低，如果不能降低控制部分的功耗，那么太阳能的供电极有可能满足不了系统的能耗，以上两点导致了目前太阳能在电力系统使用口碑不佳，事故频频。

可见，现有的真空断路器控制终端通常存在供电不足的、操作电压不可靠、成本高、功耗大、操作性能和通信功能差等缺陷。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，本实用新型提供了一种自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，供电可靠、功耗低，既满足了断路器操作的要求，又达到了较高的智能控制水平，便于同其他产品组成综合自动化系统，具有广阔的应用前景。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，包括相连接的主控制单元和供电单元，所述供电单元包括多个电源，其中至少一个电源为从电力线路上通过负荷电流感应取电的CT电源。

通常，所述多个电源中还可以包括光伏电源和/或从所述电力线路上取电的PT电源。

优选地，所述供电单元包括蓄电池，所述蓄电池由所述的一个或多个电源充电，并向所述主控制单元供电。

所述蓄电池连接为其充电的电源的线路上通常可以设有蓄电池充电控制电路，所述蓄电池充电控制电路优选设有用于实现充电线路通断的电子开关，所述电子开关的导通和关断时间通过所述蓄电池充电控制电路中的比较器比较输出电压和基准电压来控制。

所述电子开关优选为小内阻的MOSFET开关管。

所述主控制单元中的CPU优选为ATMEL 高性能、低功耗MEGA64/128系列CPU。

所述主控制单元的电源输入端通常可以设有电源转换模块，所述电源转换模块包括用于形成稳定电压输入的电容、用于向所述电容充电的PWM电容充电电路以及用于采集所述电容输出的电容采样模块，所述PWM电容充电电路连接所述蓄电池和/或所述电源。

所述主控制单元的控制输出端可以连接有断路器控制接口电路，所述断路器控制接口电路包括用于控制所述断路器开关的开关芯片、用于驱动所述开关芯片的驱动电路以及用于接通和断开所述驱动电路的驱动电路开关，所述驱动电路开关优选光MOS。

所述主控制单元可以连接有电力线路检测单元和通信单元，所述电力线路检测单元的检测量包括电压、电流、零序、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和频率，所述通信单元包括遥信输入接口、遥控输出接口、上位机通信接口和串口或以太网组网接口。

所述主控制单元还可以连接有后台以及用于存储和读取事件记录的事件记录单元。

本实用新型的有益效果：

采用自供电方式（CT供电方式）和小功率直流不间断供电技术，可以随着电网的接通自动开始工作。电流互感器次级电流不低于20 mA时即可以为系统提供稳定的电源，解决了控制终端就地供电的难题，避免了控制终端在运行过程中由于工作电源的不稳定造成真空断路器无法操作的问题；

采用自供电方式与外施供电方式（如太阳能供电、PT供电方式）任意结合，使所述智能控制终端具备多电源输入能力，提高其供电可靠性；

由于通过对蓄电池、电容和驱动电路的充（通）电控制，在实现可靠供电的前提下，有效地节省了电能消耗；

由于在CPU、电容充电模块和断路器控制接口的一个或多个环节采用了低功耗技术，整机功耗降低为不到1W（约为传统的控制终端的功耗的1/10），这样在没有外加电源的情况下，仍然可以工作10天，不仅可以使太阳能供电变为可行、可靠，即使一旦停电检修，也不会发生耗尽后备电池从而导致不能操作的事故。

附图说明

图1为本实用新型的整体组成示意图；

图2为本实用新型的蓄电池充电控制电路的电路原理图；

图3为本实用新型的断路器控制接口电路部分的工作原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供了一种自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，包括相连接的主控制单元和供电单元，所述供电单元包括从电力线路上通过负荷电流感应取电的CT电源（即利用电流互感器取电的电源），该CT电源为采用小功率直流不间断供电方式的本地供电单元。

所述供电单元还包括其输入端连接在所述CT电源的输出端的蓄电池，所述CT电源的输出端（即电流互感器的次级端）和蓄电池的输出端可以分别充当所述供电单元的输出端和备用输出端，也可以以蓄电池单独作为供电电源的输出端为所述的控制单元供电或采用其他任意适宜的方式。

所述供电单元还包括光伏电源或从所述电力线路上取电的PT电源，所述光伏电源或PT电源的输出端连接所述蓄电池的输入端，所述光伏电源或PT电源的输出端也同所述CT电源的输出端连接在一起并共同充当所述供电单元的输出端。用这种供电方式完全代替传统的PT供电方式，不仅设计简单、终端体积小、成本低、安装简单方便，还降低了高压取电带来的危险系数。优选采用CT电源和光伏电源的组合方案，不仅提高了可靠性，还降低了碳排放。其中，所述CT电源从小电流开始取电，其互感器次级电流可低至20mA，采用高磁导率材料的电流互感器，取电性能同比40VA开启式电流互感器要高出3倍以上，并优选采用具有输出端开路保护功能和短路保护模块的CT电源。

优选采用下面的控制方式进行电池的充电：当电池充电到28.5V时电源自动切断充电，电池低于24.5V后电源自动转换为充电模式。 

根据实际情况可以适宜地控制各电源的使用方式，适宜地实现对控制单元等的供电，例如，刚刚合闸和小电流的情况下，切换到外施供电方式（即光伏电源或蓄电池），保证系统供电可靠，而在线路正常输电的情况下，直接采用CT/PT供电，而为蓄电池充电的电源也可以适当地选择其中的一个或多个电源。

所述蓄电池的输入线路（充电线路）上设有用于实现该充电线路通断的电子开关，所述电子开关的导通和关断时间通过所述蓄电池充电控制电路比较器比较输出电压和基准电压来控制（参见图2），控制目标范围是达到输出电压基本恒定，例如使输出电压维持在+28V左右，为蓄电池提供稳定的电源。所述电子开关优选为小内阻的MOSFET开关管。

优选地，所述主控制单元中的CPU为ATMEL 高性能、低功耗MEGA64/128系列CPU。该系列CPU采用RISC体系结构，主要指令执行采用单周期模式，数据吞吐率可达MIPS/1MH,具有6种低功耗模式（空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby以及扩展Standby模式），CPU操作电压可以从2.7V到5.5V工作，可以全局禁止上拉电阻功能（进一步降低功耗），CPU操作频率从16Mh降低为8Mh；液晶背光电源自动关断，液晶控制CPU 30秒不操作时自动关断。采用该系列CPU可显著降低功耗。

所述主控制单元的电源输入端可以设有电源转换模块，所述电源转换模块包括用于形成稳定电压输入的电容、用于向所述电容充电的PWM电容充电电路以及用于采集所述电容输出的电容采样模块，所述PWM电容充电电路连接所述蓄电池或所述电源。可以在所述主控制单元或采用的其他控制芯片中预存有电容电压下限值，其充电方式为：当所述电容采样模块检测到电容的实际输出电压低于所述电容电压下限值时，所述PWM电容充电电路工作在充电状态并通过PWM方式实现对充电过程和充点值的控制，当充电结束时，关断PWM芯片，同时使所述PWM电容充电电路和电容采样模块工作在待机状态。

采用上述设置的优势为：（1）PWM芯片的供电工作电流较低，当电容充满时，具备了提供线性稳压输出的条件，此时直接将电容作为芯片工作的电压源，向芯片提供稳定的工作电压，省去了PWM稳压向芯片供电的高静态损耗电路和低功率PWM稳压系统较低的转换效率，提高了产品转换效率和节能指标。（2）当所述PWM电容充电电路和电容采样模块进入静态工作状态下，所述终端根据实际工作状态要求不再使用传统的稳压措施，在充电至额定需要的工作电压后，终端内部通过关断PWM芯片供电的方式关闭了整个充电系统的工作运行，仅仅通过对输出电压的采样唤醒充电系统工作，极大地降低了电消耗，达到了显著的节能降耗效果。

根据申请人的实验，采用该设置可以实现空载电流0.005A左右的低功耗工作状态，为设备长期稳定工作和电池节能提供了可靠的解决方案。电容充电模块工作在充电状态时，正常实现电容充电功能，工作在100w左右以保证电容在短时间内充电至额定需要的工作电压，工作在待机状态时，待机状态下仅消耗模块需要微电流提供的输出电压采样损耗和模块中PWM芯片微电流工作稳压电路损耗。

如图3所示，所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端还设有与所述主控制单元连接并受其控制的断路器控制接口电路，所述断路器控制接口电路包括开关芯片、用于驱动所述开关芯片的驱动电路、用于接通和断开所述驱动电路的驱动电路开关（如光MOS管）以及用于检测所述开关芯片电源输入端电压的电压检测电路，当所述电压检测电路检测到的输入端电压低于一定值，所述主控制单元控制所述电子开关接通，否则关断。该设置具有如下优点：只有当检测到所述开关芯片的输入端电压较低时，才控制接通所述电子开关，使所述驱动电路的电源向开关芯片供电，不操作时则保持关断状态，可极大地降低电池的消耗，属于断路器控制接口的低功耗设计。

所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端还设有各自与所述主控制单元连接的电力线路检测单元、对所述电力线路检测单元的输出进行运算的计算分析单元和通信单元，所述电力线路检测单元的检测量包括电压、电流、零序、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和频率等，可进行多回线全量监测，具有遥测功能；所述通信单元包括遥信输入接口、遥控输出接口、上位机通信接口和串口或以太网组网接口，遥信输入类型可以定义，如单点遥信输入、脉冲输入等，遥控输出接口可用于接受主站下发的遥控命令，完成控制断路器或负荷开关等设备的操作，输出触点闭合时间可通过软件设置，还可以根据用户需要利用本地操作按钮设置，上述测量及计算量均可通过远传通道上传至上级主站，也可在本地对相关数据进行处理，如遥测乘系数、遥信取反、遥控闭锁等；所述计算分析单元提供谐波分析及相角计算功能，用户可以通过维护软件自定义相关物理通道。

所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端支持多个通道、多种远动规约同时运行，各通道可以灵活配置规约，任意接入相关智能设备。该终端还具有对接入生数据的二次处理能力，并可以按数据项重新组合成新的虚设备或者以设备为单位进行数据转发。装置支持多主站，规约丰富，提供IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-104、CDT92、MODBUS 等多种常用规约；规约以动态库方式加载，添加新规约或升级规约均非常方便。该终端支持规约动态库加载方式，当改动规约时仅需在线升级相关规约目标文件即可，不需要升级整个系统软件，同时提供网络远程、本地等多种软件升级方式。

所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端还设有与所述主控制单元连接的供其存储和读取事件记录的事件记录单元（SOE），遥信防抖时间及SOE 容量可通过软件设置。

所述自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端中安装有面向“系统”的专用维护软件，用户可以方便的一次性配置上下多层的相关装置参数并联机查看实时数据。维护软件从用户角度出发，采用导向式设计，支持自定义参数模板；支持装置间的拷贝、粘贴；支持在不同通信口间任意“拖拉”装置；支持串口或以太网方式联机；等等。

上各组成部分，使所述自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端具有了测控功能、通信管理功能（多达4 路RS232/485 通道），此外，还具有馈线自动化功能：装置馈线自动化功能包括故障检测和故障在线仿真。

故障检测以回线为单位，实现三段式过流检测、零流检测、故障跳闸、一次重合闸（可选）、过负荷告警（可选）、PT 断线/失压告警（可选）等功能，支持故障录波，故障信息通过传统虚拟遥信方式和专用故障信息通道上送。

为了适应配网自动化系统的现场验收和事故预演，装置支持故障在线仿真。通过图形化的FA 仿真器、用户可以在一次接线图上任意定制FA 仿真的故障点、故障产生时刻、故障类型、动作模式等各种参数，实时查看开关状态、故障状态等工况信息，启动故障自动化处理，仿真的FA 结果与实际发生故障后结果完全一致，使得使得现场FA 试验不再是一件难事。

该终端的主控制单元基于国际领先的实时多任务操作系统开发，采用COLDFIRE 32 位单片机，处理能力强劲，容量大，响应迅速，完全满足工业现场控制的“硬实时”要求；硬件及结构采用模块化、可扩展设计方式，监控容量可以灵活配置，不需特别设计即可满足用户的特殊需求。

本实用新型是配合我国断路器产品智能化和永磁化而推出的控制终端，具有可靠的工作电压，解决了控制终端在运行过程中工作电源的不稳定致使真空断路器无法操作的难题。

Claims (10)

1.一种自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，包括相连接的主控制单元和供电单元，其特征在于所述供电单元包括多个电源，其中至少一个电源为从电力线路上通过负荷电流感应取电的CT电源。

2.根据权利要求1所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述多个电源中还包括光伏电源和/或从所述电力线路上取电的PT电源。

3.根据权利要求2所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述供电单元包括蓄电池，所述蓄电池由所述的一个或多个电源充电，并向所述主控制单元供电。

4.根据权利要求3所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述蓄电池连接为其充电的电源的线路上设有蓄电池充电控制电路，所述蓄电池充电控制电路设有用于实现充电线路通断的电子开关，所述电子开关的导通和关断时间通过所述蓄电池充电控制电路中的比较器比较输出电压和基准电压来控制。

5.根据权利要求4所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述电子开关为小内阻的MOSFET开关管。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述主控制单元中的CPU为ATMEL 高性能、低功耗MEGA64/128系列CPU。

7.根据权利要求6所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述主控制单元的电源输入端设有电源转换模块，所述电源转换模块包括用于形成稳定电压输入的电容、用于向所述电容充电的PWM电容充电电路以及用于采集所述电容输出的电容采样模块，所述PWM电容充电电路连接所述蓄电池和/或所述电源。

8.根据权利要求7所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述主控制单元的控制输出端连接有断路器控制接口电路，所述断路器控制接口电路包括用于控制所述断路器开关的开关芯片、用于驱动所述开关芯片的驱动电路以及用于接通和断开所述驱动电路的驱动电路开关，所述驱动电路开关优选光MOS。

9.根据权利要求8所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述主控制单元连接有电力线路检测单元和通信单元，所述电力线路检测单元的检测量包括电压、电流、零序、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和频率，所述通信单元包括遥信输入接口、遥控输出接口、上位机通信接口和串口或以太网组网接口。

10.根据权利要求9所述的自供电低功耗高压真空断路器智能控制终端，其特征在于所述主控制单元还连接有后台以及用于存储和读取事件记录的事件记录单元。

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