CN202444248U - 直流牵引供电保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种直流牵引供电保护装置。该保护装置包括：模拟量输入端口单元、数字量输入端口单元、控制单元、数字量输出端口单元以及通信接口单元。所述模拟量输入端口单元用于将接收的模拟信号转换为数字信号并将数字信号输出至所述控制单元中。所述数字量输入端口单元用于接收外界输入的数字信号并将接收的数字信号输出至所述控制单元中。所述控制单元用于接收所述模拟量输入端口单元和所述数字量输入端口单元输出的数字信号，并依据预设保护算法输出相应的控制信号。所述数字量输出端口单元用于将接收的控制信号输出。所述通信接口单元用于建立所述控制单元和外部设备的通信连接。本实用新型可有效提高牵引供电系统的安全性和可靠性。

Description

直流牵引供电保护装置

技术领域

本实用新型涉及直流牵引供电技术，尤其涉及一种直流牵引供电保护装置。

背景技术

新型直线电机运输系统，采用直线电机推进，具有攀登坡度大、占地少、建设经费低、时速快、运行平稳、易于实现自动控制、无噪音、不排出有害的废气、利于环境保护、运营维护和耗能费用低等优点，是一种理想的短距离煤炭运输方式，对降低煤炭运输成本、节能减排、提高煤炭资源利用率具有十分重要的意义。如何保证直线电机运输系统的安全运行，又是一个亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种直流牵引供电保护装置，以提高保护的安全性。

本实用新型提供的直流牵引供电保护装置，包括：

用于将接收的模拟信号转换为数字信号的模拟量输入端口单元；

用于接收数字信号的数字量输入端口单元；

用于接收所述模拟量输入端口单元和所述数字量输入端口单元输出的数字信号，并依据预设保护算法输出相应的控制信号的控制单元；

用于将接收的控制信号输出的数字量输出端口单元；以及

用于建立所述控制单元和外部设备通信连接的通信接口单元；

其中，所述模拟量输入端口单元的时钟端和数据输出端分别与所述控制单元的时钟端和数据输入端相连；所述数字量输入端口单元的输出端与所述控制单元的数字信号输入端相连；所述数字量输出端口单元的输入端与所述控制单元的控制信号输出端相连。

如上所述的直流牵引供电保护装置，优选地，还包括用于提供人机交互平台的监控终端，所述监控终端经所述通信接口单元与所述控制单元连接。

如上所述的直流牵引供电保护装置，其中，所述控制单元包括：可编程器、用于诊断数据信息并经所述通信接口单元接收或输出数据信息的第一数字信号处理器以及用于按预设保护算法计算的第二数字信号处理器；其中，

所述可编程器的时钟信号和数据输入端分别经时钟总线和数据总线与所述模拟量输入端口单元的时钟端和数据输出端相连；

所述可编程器分别与所述第一数字信号处理器和第二数字信号处理器经数据总线和地址总线相连；

所述第一数字信号处理器经串行通信总线与所述通信接口单元相连；

所述第二数字信号处理器的数字信号输入端和输出端分别与所述数字量输入端口单元的数字信号输出端和所述数字量输出端口单元的数字信号输入端相连。

如上所述的直流牵引供电保护装置，优选地，所述通信接口单元包括CAN通信接口电路和RS485通信接口电路；其中，

所述CAN通信接口电路包括：CAN通信接口芯片、第一匹配电阻和抗干扰保护电路；所述CAN通信接口芯片的连接所述控制单元侧发送管脚和接收管脚经串行通信总线分别与所述第一数字信号处理器的输入和输出端口连接，所述CAN通信接口芯片的总线侧两端口分别连接第一CAN总线和第二CAN总线；所述第一匹配电阻的一端接入所述第一CAN总线，另一端接入所述第二CAN总线；所述第一CAN总线和第二CAN总线上均连接有所述抗干扰保护电路；

所述RS485通信接口电路包括：RS485通信接口芯片、第一上拉电阻、第二匹配电阻、下拉电阻和抗干扰保护电路；所述RS485通信接口芯片的连接所述控制单元侧发送管脚、接收管脚、发送使能管脚和接收使能管脚经串行通信总线分别与所述第一数字信号处理器的输入端口、输出端口、输入使能信号端和输出使能端连接；所述RS485通信接口芯片的总线侧两端口分别连接第一RS485总线和第二RS485总线；所述第二匹配电阻的一端接入所述第一RS485总线，另一端接入所述第二RS485总线；所述第一上拉电阻的一端接第一高电平，另一端接所述第一RS485总线；所述下拉电阻的一端接地，另一端接所述第二RS485总线；所述第一RS485总线和第二RS485总线上均连接有所述抗干扰保护电路。

如上所述的直流牵引供电保护装置，其中，所述抗干扰保护电路包括瞬态电压抑制二极管，该瞬态电压抑制二极管的一端接地，另一端接入对应的总线。

如上所述的直流牵引供电保护装置，其中，所述模拟量输入端口单元包括至少一组模拟量输入电路，所述模拟量输入电路包括：信号调理电路和模数转换器；其中，

所述信号调理电路的调理信号输出端与所述模数转换器的模拟信号输入端相连；

所述模数转换器的时钟端和数据输出端分别经数据总线和时钟总线与所述控制单元的时钟端和数据输入端相连。

如上所述的直流牵引供电保护装置，其中，所述信号调理电路包括：调理电阻、第一滤波电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、运算放大器、第一限流电阻、第一钳位二极管和第二钳位二极管；其中，

所述调理电阻的一端接地，另一端接入所述信号调理电路的采集信号输入端；

所述第一滤波电阻的一端接入所述信号调理电路的采集信号输入端，另一端接入所述运算放大器的同相输入端；

所述第一滤波电容一端接地，另一端接入所述运算放大器的同相输入端；

所述运算放大器的输出端与所述第一限流电阻的一端相连，所述运算放大器的反相输入端与其输出端短接；

所述第一限流电阻的另一端接入所述模数转换器的第一输入端；

所述第二滤波电容的一端接地，另一端接入所述模数转换器的第一输入端；

所述第一钳位二极管的阳极接入所述模数转换器的第一输入端，阴极端接入第二高电平；

所述第二钳位二极管的阴极接入所述模数转换器的第一输入端，阳极接地；

所述模数转换器的第二输入端接地。

如上所述的直流牵引供电保护装置，其中，所述数字量输入端口单元包括至少一组数字信号输入电路，该数字信号输入电路包括：第二限流电阻、第一光电耦合器、第二上拉电阻、第二滤波电阻和第三滤波电容；其中，

所述第二限流电阻的一端接入第三高电平，另一端接入所述第一光电耦合器的输入光电二极管的阳极；

所述第一光电耦合器的输入光电二极管的阴极连接所述数字信号输入电路的数字信号输入端；所述第一光电耦合器的输出光电三极管的发射极接入第一低电平，所述第一光电耦合器的输出光电三极管的集电极经所述第二上拉电阻与第四高电平连接；

所述第二滤波电阻的一端接入所述第一光电耦合器的输出光电三极管的集电极，另一端连接所述数字信号输入电路的数字信号输出端；

所述第三滤波电容的一端接地，另一端连接在所述数字信号输出端。

如上所述的直流牵引供电保护装置，其中，所述数字量输出端口单元包括至少一组数字信号输出单元电路，该数字信号输出单元电路组包括：第三限流电阻、第二光电耦合器、续流二极管和中间继电器；其中，

所述第三限流电阻的一端接入第五高电平，另一端接入所述第二光电耦合器的输入光电二极管的阳极；

所述第二光电耦合器的输入光电二极管的阴极连接所述数字信号输出单元电路的数字信号输入端；所述第二光电耦合器的输出光电三极管的发射极接入第二低电平，所述第二光电耦合器的输出光电三极管的集电极与所述中间继电器的负极端相连；

所述中间继电器的正极端接入第六高电平，所述中间继电器的一对常开触点分别连接一个所述数字信号输出单元电路的数字信号输出端；

所述续流二极管的阴极接入所述第六高电平，所述续流二极管的阳极接入所述第二光电耦合器的输出光电三极管的集电极。

本实用新型的技术效果是：采用本实用新型提供的直流牵引供电保护装置，可有效提高牵引供电系统的安全性和可靠性。本实用新型通过所述模拟量输入端口单元和所述数字量输入端口单元可在线实时检测流经牵引供电直流开关的馈线电流、直流开关两端的电压差、牵引供电直流开关柜内直流负母线与柜体之间的电压差、牵引供电直流开关柜的柜体与集中接地点之间的电压差等信息。所述控制单元接收输入的信息并依据预设的保护程序实现既定的保护策略和功能。例如di/dt+I_max+ΔI、双向电流保护、低电压、双边联跳、自动重合闸、框架泄漏等多种保护功能。本实用新型综合性高，保护控制实现简单。

附图说明

图1为本实用新型提供的直流牵引供电保护装置实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型提供的直流牵引供电保护装置实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型提供的实施二中所述控制单元的一具体实施例的原理图；

图4为本实用新型提供的各实施例中构成所述通信接口单元的CAN通信接口电路的一具体实施例的原理图；

图5为本实用新型提供的各实施例中构成所述通信接口单元的RS485通信接口电路的一具体实施例的原理图；

图6为本实用新型提供的各实施例中所述模拟量输入端口单元的一具体实施例的原理图；

图7为本实用新型提供的各实施例中所述数字量输入端口单元的一具体实施例的原理图；

图8为本实用新型提供的各实施例中所述数字量输出端口单元的一具体实施例的原理图；

图9为本实用新型提供的直流牵引供电保护装置设置在牵引供电直流开关柜的一具体实例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供的直流牵引供电保护装置实施例一的结构示意图。本实施例所述直流牵引供电保护装置包括：模拟量输入端口单元3、数字量输入端口单元4、控制单元1、数字量输出端口单元5以及通信接口单元2。其中，所述的模拟量输入端口单元3用于将接收的模拟信号转换为数字信号并将数字信号输出至所述控制单元1中。所述的数字量输入端口单元4用于接收外界输入的数字信号并将接收的数字信号输出至所述控制单元1中。所述控制单元1用于接收所述模拟量输入端口单元和所述数字量输入端口单元输出的数字信号，并依据预设保护算法输出相应的控制信号。所述数字量输出端口单元5用于将接收的控制信号输出。所述通信接口单元2用于建立所述控制单元1和外部设备的通信连接。所述模拟量输入端口单元3的时钟端和数据输出端分别与所述控制单元1的时钟端和数据输入端相连。所述数字量输入端口单元4的输出端与所述控制单元1的数字信号输入端相连。所述数字量输出端口单元5的输入端与所述控制单元1的控制信号输出端相连。

本实施例通过所述模拟量输入端口单元和所述数字量输入端口单元在线实时检测流经牵引供电直流开关的馈线电流、直流开关两端的电压差、牵引供电直流开关柜内直流负母线与柜体之间的电压差、牵引供电直流开关柜的柜体与集中接地点之间的电压差等信息，控制单元接收这些信息并依据预设的保护程序实现既定的di/dt+I_max+ΔI、双向电流保护、低电压、双边联跳、自动重合闸、框架泄漏等多种保护功能。

进一步地，上述实施例还可以包括用于提供人机交互平台的监控终端6，如图2所示。所述监控终端6经所述通信接口单元2与所述控制单元1连接。本实施例通过设置监控终端6，操作调试人员可以在线修改直流牵引供电保护装置内的各项保护整定值，控制各保护动作出口，对直流馈线电压和电流以及牵引供电直流开关柜内的所有数字输入量状态，牵引供电直流开关柜的双向用电量、峰值功率等进行统计、计算和存储。

如图2所示，本实用新型提供的直流牵引供电保护装置实施例二的结构示意图。本实施例基于上述实施例，区别仅在于：本实施例中所述的控制单元包括：可编程器101、第一数字信号处理器102和第二数字信号处理器103。其中，所述可编程器101用于读取所述模拟量输入端口单元3输出的经处理后的数字信号；并依据预设的控制程序控制与其外接的芯片以及第一数字信号处理器102和第二数字信号处理器103之间的逻辑协调。所述第一数字信号处理器102用于诊断数据信息真实与否并经所述通信接口单元2接收或输出真实的数据信息。所述第二数字信号处理器103用于按预设保护算法计算并输出相应的控制信号。所述可编程器101的时钟端和数据输入端分别经时钟总线8和数据总线7与所述模拟量输入端口单元3的时钟端和数据输出端相连。所述可编程器101分别与所述第一数字信号处理器102和第二数字信号处理器103经数据总线7和地址总线9相连。所述第一数字信号处理器102经串行通信总线(Serial Communication Interface，简称SCI)10与所述通信接口单元2相连。所述第二数字信号处理器103的数字信号输入端和输出端分别与所述数字量输入端口单元4的数字信号输出端和所述数字量输出端口单元5的数字信号输入端相连。

本实施例所述的直流牵引供电保护装置的工作原理是：所述可编程器101通过数据总线7和时钟总线8控制模拟量输入端口单元3工作，并读取所述模拟量输入端口单元3输出的经数字化处理后的数字量。所述第二数字信号处理器103通过GPIO(General Purpose Input Output，通用输入/输出口)端口检测所述数字量输入端口单元4输入的数字量数据信息。所述第二数字信号处理器103内部存储有预设的保护程序，对经所述GPIO端口接收的数据信息按照预设的保护程序进行处理得出控制指令和/或数据信息。其中，所述控制指令通过所述第二数字信号处理器103的GPIO端口输出，继而控制例如牵引供电直流开关柜中的高速直流断路器等元件的动作。所述数据信息，例如计算得出的流经牵引供电直流开关柜的双向用电量、峰值功率等电信息，通过数据总线7传输至所述第一数字信号处理器102中，进而通过所述第一数字信号处理器102输出至外接设备，如监控终端，以进行存储或限制。所述第一数字信号处理器102负责诊断接收或输出的数据的准确性及与外接设备之间的数据通讯。实际应用中，所述可编程器可采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)。FPGA、第一数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)DSP1和第二数字信号处理器DSP2的各端口的连接，如图3所示。本实施例通过采用双数字信号处理器的分布式架构，将故障辨识、通讯、模拟数字量控制等单元分立工作，可靠性及运行效率高。

进一步地，上述各实施例中所述的通信接口单元2可包括CAN通信接口电路201和RS485通信接口电路202，如图2所示。其中，所述的CAN通信接口电路201和RS485通信接口电路202经串行通信总线10与所述第一数字信号处理器102连接。RS485通信接口电路202经RS485总线11连接至外部监控终端6，实现操作人员对所述直流牵引供电保护装置的参数进行设定和控制。具体地，如图4所示，所述CAN通信接口电路包括：CAN通信接口芯片12、第一匹配电阻R11和抗干扰保护电路14。所述CAN通信接口芯片12的连接所述控制单元侧发送管脚RXD和接收管脚TXD经串行通信总线SCIRXA和SCITXA分别与所述第一数字信号处理器的输入和输出端口连接。所述CAN通信接口芯片12的总线侧两端口A和B分别连接第一CAN总线CANH和第二CAN总线CANL。所述第一匹配电阻R11的一端接入所述第一CAN总线CANH，另一端接入所述第二CAN总线CANL。所述第一CAN总线CANH和第二CAN总线CANL上均连接有所述抗干扰保护电路14。如图5所示，所述RS485通信接口电路包括：RS485通信接口芯片13、第一上拉电阻R13、第二匹配电阻R12、下拉电阻R14和抗干扰保护电路14。所述RS485通信接口芯片13的连接所述控制单元侧发送管脚RXD’、接收管脚TXD’、发送使能管脚RE和接收使能管脚DE经串行通信总线SCIRXB、SCITXA和RS485Rn/T分别与所述第一数字信号处理器的输入端口、输出端口、输入使能信号端和输出使能端连接。特别地，如图中所示，本实施例中所述RS485通信接口芯片13的发送使能管脚RE和接收使能管脚DE可连接在一起，并接入到所述第一数字信号处理器的其中一个使能端；或者所述第一数字信号处理器的输入使能信号端和输出使能信号端为同一使能端口，该使能端口与连接在一起的所述RS485通信接口芯片13的发送使能管脚RE和接收使能管脚DE连接。所述RS485通信接口芯片13的总线侧两端口A’和B’分别连接第一RS485总线485A和第二RS485总线485B。所述第二匹配电阻R12的一端接入所述第一RS485总线485A，所述第二匹配电阻R12的另一端接入所述第二RS485总线485B。所述第一上拉电阻R13的一端接第一高电平，如图中所示的具体应用实例，该第一高电平由5V2A电源提供。所述第一上拉电阻R13的另一端接所述第一RS485总线485A。所述下拉电阻R14的一端接地，所述下拉电阻R14的另一端接所述第二RS485总线485B。所述第一RS485总线485A和第二RS485总线485B上均连接有所述抗干扰保护电路14。

其中，上述实施例中所述抗干扰保护电路可具体是瞬态电压抑制二极管TVS，该瞬态电压抑制二极管TVS的一端接地，瞬态电压抑制二极管TVS的另一端接入对应的总线。

进一步地，上述实施例中，所述的模拟量输入端口单元包括至少一组模拟量输入电路。所述模拟量输入电路包括：信号调理电路16和模数转换器17。如图6所示，所述信号调理电路16的调理信号输出端与所述模数转换器17的模拟信号输入端相连。所述模数转换器17的时钟端和数据输出端分别经数据总线7和时钟总线8与所述控制单元的时钟端和数据输入端相连。

在实际应用中，上述实施例中所述的信号调理电路16可以具体包括：调理电阻R1、第一滤波电阻R2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、运算放大器A1、第一限流电阻R3、第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D1’。如图6所示，所述调理电阻R1的一端接地，另一端接入所述信号调理电路16的采集信号输入端。所述第一滤波电阻R2的一端接入所述信号调理电路16的采集信号输入端，另一端接入所述运算放大器A1的同相输入端。所述第一滤波电容C1一端接地，另一端接入所述运算放大器A1的同相输入端。所述运算放大器A1的输出端与所述第一限流电阻R3的一端相连，所述运算放大器A1的反相输入端与其输出端短接。所述第一限流电阻R3的另一端接入所述模数转换器17的第一输入端Ain+。所述第二滤波电容C2的一端接地，另一端接入所述模数转换器17的第一输入端Ain+。所述第一钳位二极管D1的阳极接入所述模数转换器17的第一输入端Ain+，阴极端接入第二高电平，如图中所示的具体应用实例，该第二高电平由1.8V电源提供。所述第二钳位二极管D1’的阴极接入所述模数转换器17的第一输入端Ain+，阳极接地。所述模数转换器17的第二输入端Ain-接地。

进一步地，上述实施例中所述的数字量输入端口单元包括至少一组数字信号输入电路。该数字信号输入电路，如图7所示，可具体包括：第二限流电阻R8、第一光电耦合器OC1、第二上拉电阻R9、第二滤波电阻R10和第三滤波电容C5。所述第二限流电阻R8的一端接入所述第三高电平，如图中所示的具体应用实例，该第三高电平由24V电源的高电位端提供。所述第二限流电阻R8的另一端接入所述第一光电耦合器OC1的输入光电二极管的阳极。所述第一光电耦合器OC1的输入光电二极管的阴极连接所述数字信号输入电路的数字信号输入端。所述第一光电耦合器OC1的输出光电三极管的发射极接入第一低电平，如图中所示的具体应用实例，该第一低电平由24V电源的低电位端提供。所述第一光电耦合器OC1的输出光电三极管的集电极经所述第二上拉电阻R9与第四高电平连接，如图中所示的具体应用实例，该第四高电平由3.3V电源提供。所述第二滤波电阻R10的一端接入所述第一光电耦合器OC1的输出光电三极管的集电极，另一端连接所述数字信号输入电路的数字信号输出端。所述第三滤波电容C5的一端接所述第一低电平，另一端连接在所述数字信号输入电路的数字信号输出端。

上述实施例中所述的数字量输出端口单元包括至少一组数字信号输出单元电路，该数字信号输出单元电路，如图8所示，具体可包括：第三限流电阻R7、第二光电耦合器OC2、续流二极管D和中间继电器KM。所述第三限流电阻R7的一端接入第五高电平，如图中所示的具体应用实例，该第五高电平由3.3V电源提供。所述第三限流电阻R7的另一端接入所述第二光电耦合器OC2的输入光电二极管的阳极。所述第二光电耦合器OC2的输入光电二极管的阴极连接所述数字信号输出单元电路的数字信号输入端，所述第二光电耦合器OC2的输出光电三极管的发射极接入第二低电平，如图中所示的具体应用实例，该第二低电平由24V电源的低电位端提供。所述第二光电耦合器OC2的输出光电三极管的集电极与所述中间继电器KM的负极端连接。所述中间继电器KM的正极端接入所述第三高电平；所述中间继电器KM的一对常开触点分别连接一个所述数字信号输出单元电路的数字信号输出端。所述续流二极管D的阴极接入第六高电平，如图中所示的具体应用实例，该第二低电平由24V电源的高电位端提供。所述续流二极管D的阳极接入所述第二光电耦合器OC2的输出光电三极管的集电极。

这里需要说明的是，以上提供的所述RS485通信接口电路、模拟量输入电路、数字信号输入电路和数字信号输出单元电路中需接入的高电平或低电平，在实际的实现过程中，若电压值相同可由同一电源来提供。

下面结合一具体应用实例对本实用新型所述的直流牵引供电保护装置的实现作进一步地描述。如图9中所示，将本实用新型提供的任意一个直流牵引供电保护装置实施例设置在牵引供电直流开关柜内，以实现对直流牵引供电的保护。假设一种新型直线电机运输牵引供电系统的装机容量为1MW，直流供电制式为DC1500V单边供电，供电区段长度6km。根据新型直线电机运输牵引供电系统的装机容量及供电制式可知，直流馈线15电流最大为667A，考虑安全裕度，选取苏州万龙集团公司生产的DS16-4000/1500型直流快速断路器作为牵引供电直流开关柜内的直流开关，同时线路检测电阻器12选型为RXJ20-2.5kW，线路检测接触器13选型为CL1115/02P24ET-U2。

如图3所示，所述直流牵引保护供电装置实施例中所述的控制单元的DSP1的数据端D0～D15，DSP2的数据端D0～D15及FPGA的数据端D0～D9均接入数据总线。DSP1的地址端A0～A18，DSP2的地址端A0～A18及FPGA的地址端A0～A18均接入地址总线。FPGA的第一时钟端CLK1和第二时钟端CLK2经时钟总线引出以接入至模拟量输入端口单元的相应时钟管脚。DSP1的串行通信接口SCIA的SCITXA和SCIRXA引至CAN通信接口电路，DSP1的串行通信接口SCIB的SCITXB和SCIRXB，以及经由GPIO端口产生的RS482Rn/T引至RS485通信接口单元。所述控制单元的DSP1采用德州仪器(Texas Instruments，简称TI)公司的TMS320F28335型，DSP2采用TI公司的TMS320F28335型，FPGA采用Altera公司的EP1C12Q240I7型。

图4所示的CAN通信接口电路的原理图，其中来自所述DSP1的SCIRXA接入CAN通信接口芯片的发送管脚RXD，来自所述DSP1的SCITXA接入CAN通信接口芯片的接收管脚TXD。CAN通信接口芯片的Vcc接入+3.3V高电平，CAN通信接口芯片的Gnd接入3.3V_GND。CAN通信接口芯片其他端口的连接同上述提供的CAN通信接口电路实施例。所述CAN通信接口的CAN通信接口芯片选型为CTM8251AT，第一匹配电阻R11选型为120Ω，1206封装的表贴电阻。抗干扰保护电路中的瞬态电压抑制二极管TVS选型为SMBU8.5CA型。

图5所示的RS485通信接口电路的原理图。其中来自所述DSP1的SCIRXB接入RS485通信接口芯片的发送管脚RXD’，来自所述DSP1的SCITXB接入RS485通信接口芯片的接收管脚TXD’。RS485通信接口芯片的发送使能管脚RE和接收使能管脚DE连接起来后接入DSP1的使能管脚RS485Rn/T。RS485通信接口芯片的Vdd1接入+3.3V高电平，RS485通信接口芯片的Vdd2接入5V2A高电平，RS485通信接口芯片的Gnd1接入3.3V_GND，RS485通信接口芯片的Gnd2接入5V2_GND。RS485通信接口芯片的其他端口的连接同上述提供的RS485通信接口电路实施例。所述RS485通信接口的RS485通信接口芯片选型为ADUM2486型。第二匹配电阻R12选型为120Ω，1206封装的表贴电阻。第一上拉电阻R13和下拉电阻R14均选型为10kΩ，1206封装的表贴电阻。

图6所示的模拟量输入电路的原理图。在本应用实例中模拟量输入端口单元包括两组模拟量输入电路，其中一组模拟量输入电路的采集信号输入端，即信号调理电路16的采集信号输入端，用于连接电流传感器的输出端。另一组模拟量输入电路的采集信号输入端用于连接电压传感器的输出端。所述的两组模拟量输入电路相同，且电路实现方式同上述提供的模拟量输入电路实施例。模数转换器17的AGND管脚接入AGND。模数转换器17的AVDD和DRVDD均接入+1.8V高电平。模数转换器17的D0～D9接入数据总线。两个模数转换器17的CLK端口经时钟总线8分别接入所述FPGA的第一时钟端口CLK1和第二时钟端口CLK2。所述模拟量输入端口单元的模数转换器17可选型为美国模拟器件公司(Analog Devices，Inc.，ADI)出品的AD9215型。调理电阻R1选型为100Ω，2012封装的表贴电阻。第一滤波电阻R2和第一限流电阻R3选型为5.1kΩ，0805封装的表贴电阻。第一滤波电容C1和第二滤波电容C2选型为1μF，0805封装的表贴电容。运算放大器A1选型为LM258，so-8封装的运算放大器。

图7所示数字信号输入电路的原理图。其中数字信号输入电路的数字信号输入端连接外接设备，用于接收外接设备输入的数字信号。数字信号输入电路的数字信号输出端接入DSP2的GPIO管脚，本应用实例中，接入DSP2的GPIO管脚为GPIO17～GPIO32。所述数字信号输入电路中的第二限流电阻R8选型为5.1kΩ，2012封装的表贴电阻。第一光电耦合器C1选型为P181型。第二上拉电阻R9选型为10kΩ，0805封装的表贴电阻，第二滤波电阻R10选型为5.1kΩ，0805封装的表贴电阻，第三滤波电容C5选型为1μF，0805封装的表贴电容。

图8所示数字信号输出单元电路的原理图。其中数字信号输出单元电路的数字信号输入端接入DSP2的GPIO管脚，本应用实例中，接入DSP2的GPIO管脚为GPIO1～GPIO16。数字信号输出单元电路的数字信号输出端连接外接受控设备，以控制外接受控设备做出相应的响应。所述数字信号输出单元电路中的第三限流电阻R7选型为510Ω，1206封装的表贴电阻，第二光电耦合器C2选型为P181，续流二极管D选型为1N4148，中间继电器KM选型为RE032024。

直流牵引保护供电装置配合新型直线电机运输牵引供电系统的能量回馈及直流馈线电压可控的特点进行直流馈线、直流进线及所内直流母线的一体化保护，在传统的di/dt+ΔI保护中增加了电流速断I_max动作元件从而构成di/dt+I_max+ΔI保护。即在直流馈线发生中近端短路时，di/dt+I_max+ΔI保护首先由di/dt+I_max保护动作出口，控制新型直线电机运输牵引供电装置封锁装置主回路驱动脉冲，进而由ΔI保护控制跳开牵引供电直流开关柜内的直流开关，切除短路故障。所述di/dt+I_max+ΔI保护中以di/dt保护为启动条件，经由I_max保护预测接触网中近端的短路故障，经由ΔI保护避免di/dt保护的误动，将常规的逆流保护取消，在定时限过流以及di/dt+I_max+ΔI保护过程中，考虑新型直线电机运输牵引供电系统的能量回馈过程，均采用双向电流保护，考虑到新型直线电机运输牵引供电系统直流馈线电压的可控性，引入低电压保护作为系统短路故障的后备保护，与所述电流型保护一起实现新型直线电机运输牵引供电系统所内直流母线和直流馈线的短路保护。本实用新型提供的直流牵引保护供电装置具有双边联跳动作出口，在发生所内直流母线短路及直流馈线短路时，双边联跳动作出口跳开本牵引变电所相邻牵引变电所的牵引供电直流开关柜内的直流开关，考虑到新型直线电机运输牵引供电装置具有可控性，在新型直线电机运输直流牵引供电保护装置控制直流开关柜内的直流开关自动重合闸的过程中，首先向新型直线电机运输牵引供电装置发送重启信号，重启完成后，由新型直线电机运输直流牵引供电保护装置控制牵引供电直流开关柜内的线路检测接触器闭合，将线路检测电阻接入直流馈线实现线路检测，线路检测完成后，若短路故障已消失，控制直流开关柜内的直流开关合闸，基于新型直线电机运输牵引供电系统工作于矿山等复杂地质条件、沿线轨地电阻由于煤尘等的影响难以保证等情况，在框架泄漏检测方面以电压型动作元件为主。

所述直流牵引保护供电装置实现di/dt+I_max+ΔI保护的动作时序具体为：在直流馈线发生中近端短路时，当馈线电流的di/dt超过动作门限值(di/dt)_zjd后，di/dt元件动作出口，开始观测馈线电流的瞬时值，并以所述瞬时值为基准开始计算馈线电流的增量ΔI，继而当馈线电流瞬时值超过I_max保护动作门限值I_maxdz后，新型直线电机运输牵引供电装置封锁装置主回路驱动脉冲；进一步地，当馈线电流的增量ΔI超过ΔI保护动作门限值ΔI_dz后，ΔI保护动作，最终引发di/dt+I_max+ΔI保护动作出口，在低电压保护动作的条件下，跳开牵引供电直流开关柜中的高速直流断路器。

所述直流牵引保护供电装置实现双向电流保护的动作时序具体为：当直流馈线电流的瞬时值正向过负荷，超过正向电流保护值I_fh+后，正向电流保护动作出口，跳开牵引供电直流开关柜中的高速直流断路器；当直流馈线电流的瞬时值负向过负荷，超过负向电流保护值I_fh-后，负向电流保护动作出口，跳开牵引供电直流开关柜中的高速直流断路器。

所述直流牵引保护供电装置实现低电压保护的动作时序具体为：当di/dt+I_max+ΔI保护动作出口后，检测直流馈线电压，若所述电压低于低电压保护的动作门限值U_dy，则低电压保护动作出口，低电压保护仅作为di/dt+I_max+ΔI保护的补充，不单独作用于跳开牵引供电直流开关柜中的高速直流断路器。

所述直流牵引保护供电装置实现双边联跳保护的动作时序具体为：当同一直流馈线供电臂上的某牵引供电直流开关柜中的高速直流断路器跳开后，所述牵引供电直流开关柜中的直流牵引保护供电装置通过GPIO8数字量输出出口经由联跳接线连接至同一直流馈线供电臂上的另一个牵引供电直流开关柜中的直流牵引保护供电装置的GPIO23数字量输入端口单元，该数字量输入端口单元检测到输入数字量为高后，跳开自身的高速直流断路器。

所述直流牵引保护供电装置实现自动重合闸的动作时序具体为：首先向新型直线电机运输牵引供电装置发送重启信号，重启完成后，由直流牵引保护供电装置控制牵引供电直流开关柜内的线路检测接触器闭合，将线路检测电阻接入直流馈线实现线路检测，线路检测完成后，若短路故障已消失，控制直流开关柜内的直流开关合闸。

所述直流牵引保护供电装置实现框架泄漏保护的动作时序具体为：通过过压继电器检测直流负母线与牵引供电直流开关柜之间的电压差，若所述电压差超过框架泄漏保护动作门限值U_kj，则框架泄漏保护动作出口，跳开牵引供电直流开关柜中的高速直流断路器，并联跳能馈式牵引供电装置前级的高速交流断路器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种直流牵引供电保护装置，其特征在于，包括：

用于将接收的模拟信号转换为数字信号的模拟量输入端口单元；

用于接收数字信号的数字量输入端口单元；

用于接收所述模拟量输入端口单元和所述数字量输入端口单元输出的数字信号，并依据预设保护算法输出相应的控制信号的控制单元；

用于将接收的控制信号输出的数字量输出端口单元；以及

用于建立所述控制单元和外部设备通信连接的通信接口单元；

其中，所述模拟量输入端口单元的时钟端和数据输出端分别与所述控制单元的时钟端和数据输入端相连；所述数字量输入端口单元的输出端与所述控制单元的数字信号输入端相连；所述数字量输出端口单元的输入端与所述控制单元的控制信号输出端相连。

2.根据权利要求1所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，还包括用于提供人机交互平台的监控终端，所述监控终端经所述通信接口单元与所述控制单元连接。

3.根据权利要求1或2所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，所述控制单元包括：可编程器、用于诊断数据信息并经所述通信接口单元接收或输出数据信息的第一数字信号处理器以及用于按预设保护算法计算的第二数字信号处理器；其中，

所述可编程器的时钟信号和数据输入端分别经时钟总线和数据总线与所述模拟量输入端口单元的时钟端和数据输出端相连；

所述可编程器分别与所述第一数字信号处理器和第二数字信号处理器经数据总线和地址总线相连；

所述第一数字信号处理器经串行通信总线与所述通信接口单元相连；

所述第二数字信号处理器的数字信号输入端和输出端分别与所述数字量输入端口单元的数字信号输出端和所述数字量输出端口单元的数字信号输入端相连。

4.根据权利要求3所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，所述通信接口单元包括CAN通信接口电路和RS485通信接口电路；其中，

所述CAN通信接口电路包括：CAN通信接口芯片、第一匹配电阻和抗干扰保护电路；所述CAN通信接口芯片的连接所述控制单元侧发送管脚和接收管脚经串行通信总线分别与所述第一数字信号处理器的输入和输出端口连接，所述CAN通信接口芯片的总线侧两端口分别连接第一CAN总线和第二CAN总线；所述第一匹配电阻的一端接入所述第一CAN总线，另一端接入所述第二CAN总线；所述第一CAN总线和第二CAN总线上均连接有所述抗干扰保护电路；

所述RS485通信接口电路包括：RS485通信接口芯片、第一上拉电阻、第二匹配电阻、下拉电阻和抗干扰保护电路；所述RS485通信接口芯片的连接所述控制单元侧发送管脚、接收管脚、发送使能管脚和接收使能管脚经串行通信总线分别与所述第一数字信号处理器的输入端口、输出端口、输入使能信号端和输出使能端连接；所述RS485通信接口芯片的总线侧两端口分别连接第一RS485总线和第二RS485总线；所述第二匹配电阻的一端接入所述第一RS485总线，另一端接入所述第二RS485总线；所述第一上拉电阻的一端接第一高电平，另一端接所述第一RS485总线；所述下拉电阻的一端接地，另一端接所述第二RS485总线；所述第一RS485总线和第二RS485总线上均连接有所述抗干扰保护电路。

5.根据权利要求4所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，所述抗干扰保护电路包括瞬态电压抑制二极管，该瞬态电压抑制二极管的一端接地，另一端接入对应的总线。

6.根据权利要求1所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，所述模拟量输入端口单元包括至少一组模拟量输入电路，所述模拟量输入电路包括：信号调理电路和模数转换器；其中，

所述信号调理电路的调理信号输出端与所述模数转换器的模拟信号输入端相连；

所述模数转换器的时钟端和数据输出端分别经数据总线和时钟总线与所述控制单元的时钟端和数据输入端相连。

7.根据权利要求6所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，所述信号调理电路包括：调理电阻、第一滤波电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、运算放大器、第一限流电阻、第一钳位二极管和第二钳位二极管；其中，

所述调理电阻的一端接地，另一端接入所述信号调理电路的采集信号输入端；

所述第一滤波电阻的一端接入所述信号调理电路的采集信号输入端，另一端接入所述运算放大器的同相输入端；

所述第一滤波电容一端接地，另一端接入所述运算放大器的同相输入端；

所述运算放大器的输出端与所述第一限流电阻的一端相连，所述运算放大器的反相输入端与其输出端短接；

所述第一限流电阻的另一端接入所述模数转换器的第一输入端；

所述第二滤波电容的一端接地，另一端接入所述模数转换器的第一输入端；

所述第一钳位二极管的阳极接入所述模数转换器的第一输入端，阴极端接入第二高电平；

所述第二钳位二极管的阴极接入所述模数转换器的第一输入端，阳极接地；

所述模数转换器的第二输入端接地。

8.根据权利要求1所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，所述数字量输入端口单元包括至少一组数字信号输入电路，该数字信号输入电路包括：第二限流电阻、第一光电耦合器、第二上拉电阻、第二滤波电阻和第三滤波电容；其中，

所述第二限流电阻的一端接入第三高电平，另一端接入所述第一光电耦合器的输入光电二极管的阳极；

所述第一光电耦合器的输入光电二极管的阴极连接所述数字信号输入电路的数字信号输入端；所述第一光电耦合器的输出光电三极管的发射极接入第一低电平，所述第一光电耦合器的输出光电三极管的集电极经所述第二上拉电阻与第四高电平连接；

所述第二滤波电阻的一端接入所述第一光电耦合器的输出光电三极管的集电极，另一端连接所述数字信号输入电路的数字信号输出端；

所述第三滤波电容的一端接地，另一端连接在所述数字信号输出端。

9.根据权利要求1所述的直流牵引供电保护装置，其特征在于，所述数字量输出端口单元包括至少一组数字信号输出单元电路，该数字信号输出单元电路组包括：第三限流电阻、第二光电耦合器、续流二极管和中间继电器；其中，

所述第三限流电阻的一端接入第五高电平，另一端接入所述第二光电耦合器的输入光电二极管的阳极；

所述第二光电耦合器的输入光电二极管的阴极连接所述数字信号输出单元电路的数字信号输入端；所述第二光电耦合器的输出光电三极管的发射极接入第二低电平，所述第二光电耦合器的输出光电三极管的集电极与所述中间继电器的负极端相连；

所述中间继电器的正极端接入第六高电平，所述中间继电器的一对常开触点分别连接一个所述数字信号输出单元电路的数字信号输出端；

所述续流二极管的阴极接入所述第六高电平，所述续流二极管的阳极接入所述第二光电耦合器的输出光电三极管的集电极。

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