CN202550681U - 一种电能质量调节装置的开关量输入输出单元 - Google Patents

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何维国
刘隽
张宇
沈勇
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Abstract

一种电能质量调节装置的开关量输入输出单元，涉及一种用于交流干线或交流配电网络设备的控制系统的电路单元，尤其是适用于高压交流电网电能调节装置的开关量输入和输出，包括开关量输入单元、开关量输出单元和DIDO端口；开关量输入端通过输入信号隔离模块的光耦或光纤隔离，连接到三相电网；开关量输入单元包含EtherCAT从站控制器，开关量输入单元通过EtherCAT从站控制器连接到所述的调节保护单元；调节保护单元通过DIDO端口连接到所述的开关量输出单元；输出信号驱动模块通过开关量输出端连接到三相电网。结合以太网通信技术和CPLD在系统编程控制，开关量输入输出单元可以根据电能质量调节装置的实际配置修改控制逻辑，并具有远程配置和监控的功能。

Description

一种电能质量调节装置的开关量输入输出单元
技术领域
本实用新型涉及一种用于交流干线或交流配电网络设备的控制系统的电路单元，尤其是适用于高压交流电网电能调节装置的开关量输入和输出。
背景技术
城市电网中现代工业、商业和居民用电设备，如高性能办公设备、精密实验仪器、变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等对电源特性变化敏感性负荷呈逐年上升趋势，对电能质量的要求不断提高。对敏感用户(如半导体制造企业)而言，几十毫秒的电压暂降就可能导致设备损坏、生产线停产，造成巨大经济损失。与此同时，分布式能源、冲击性和干扰性负荷的大量接入等因素都使得电网电能质量存在日趋恶化的趋势，严重威胁电力系统的安全运行和用电设备的正常工作。
针对敏感负荷电能质量控制问题，国内外开展了电能质量控制产品的研究制造。但是，电能质量控制装置还没有形成标准化的产品，并且主要停留在低压小容量范围，中国实用新型专利“低谐波电源质量控制系统”(实用新型专利号：ZL201020133972公开号：CN201656479)公开了一种低谐波电源质量控制系统。该低谐波电源质量控制系统包含检测装置、电力调整装置、阻性负载装置。检测装置接收来自于阻性负载装置的反馈信号。检测装置输出的控制信号可以用电压或电流为信号。电力调整装置接收到所述控制信号后，以比例方式输出驱动电压。所述比例方式为在连续输出时间间隔输出全功率驱动电压，并在连续不输出时间间隔停止输出全功率驱动电压。阻性负载装置接收驱动电压后，输出反馈信号到检测装置。以比例方式在连续输出时间间隔输出全功率驱动电压，并在连续不输出时间间隔停止输出全功率驱动电压，将能够有效的减少产生电力的谐波。但是该装置仅适用于小功率的阻性负载装置，不适用于高压大功率的电网电能质量控制，也没有解决电能质量调节装置的系统级监控的技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是要提供一种电能质量调节装置的开关量输入输出单元，解决电能质量调节装置的系统级监控的开关量输入输出问题，完成对电能质量调节装置主要开关量的监测和控制，，实现对主电路设备的开关控制保护。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种电能质量调节装置的开关量输入输出单元，连接在三相电网电能质量调节装置的控制系统，所述的控制系统包括调节保护单元，其特征在于：
所述的开关量输入输出单元包括开关量输入单元、开关量输出单元和DIDO端口；
所述的开关量输入单元包含开关量输入端和输入信号隔离模块，所述的开关量输入端通过输入信号隔离模块的光耦或光纤隔离，连接到三相电网；
所述的开关量输入单元包含EtherCAT从站控制器，所述的开关量输入单元通过EtherCAT从站控制器连接到所述的调节保护单元；
所述的调节保护单元，通过DIDO端口连接到所述的开关量输出单元；
所述的开关量输出单元包含输出信号驱动模块和开关量输出端，所述的输出信号驱动模块通过开关量输出端连接到三相电网。
本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的开关量输入单元包含输入信号调理模块；所述的开关量输入端通过输入信号隔离模块，连接到输入信号调理模块；所述的输入信号调理模块是CPLD可编程防抖滤波电路和并入串出电路，防抖滤波电路的输出连接到DIDO端口，并入串出电路的输出连接到EtherCAT从站控制器。
本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元的一种更好的技术方案，其特征在于所述的开关量输出单元包含输出信号调理模块和EtherCAT从站控制器；所述的输出信号调理模块包含CPLD可编程串入并出电路，所述的EtherCAT从站控制器的输出端连接到串入并出电路的输入端；DIDO端口的开关量输入信号和CPLD可编程串入并出电路的输出信号，在输出信号调理模块内合并后，通过信号调理模块的输出端，连接到输出信号驱动模块；所述的输出信号驱动模块包含继电器，所述的继电器的接点通过开关量输出端连接到三相电网。
本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元的一种改进的技术方案，其特征在于所述的开关量输入输出单元采用板卡式结构，所述的EtherCAT从站控制器包含LVDS总线接口；所述的开关量输入输出单元通过LVDS总线接口，连接到所述的调节保护单元。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元，采用实时串行以太网(EtherCAT)总线技术，传送速率高，可实现报文硬件校验，且无信息冲突；采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现信号调理变换，提高了开关量输入输出单元的灵活性，降低了复杂性。
2.通过板卡式结构，可以通过背板IO和LVDS总线接口与电能质量调节装置的控制系统快速交换开关量信号，简化了设备，提高了可靠性，降低了制造成本。
3.结合以太网通信技术和CPLD在系统编程控制，本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元，可以根据电能质量调节装置的实际配置修改控制逻辑，并具有远程配置和监控的功能。
附图说明
图1是本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元的主电路图；
图2是电能质量调节装置的控制系统的主电路图。
以上图中的各部件的标号：100-三相电网，800-电能质量调节装置，810-主控子系统，811-主控EtherCAT主站，812-PTCT输入单元，813-调节保护单元，814-故障录波单元，815-开关量输入单元，816-开关量输出单元，820-通讯耦合子系统，821-模块EtherCAT主站，822-EtherCAT耦合器，830-调节控制器，910-以太网交换机，920-PC监控终端，8150-DIDO端口，8151-开关量输入端，8152-输入信号隔离模块，8153-输入信号调理模块，8154和8161-EtherCAT从站控制器，8162-输出信号调理模块，8163-输出信号驱动模块，8164-开关量输出端。
具体实施方式
为了能更好地理解本实用新型的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步详细描述。
图2是电能质量调节装置的控制系统的主电路图，包括主控子系统810、通讯耦合子系统820和3n个调节控制器830，其中n≥1；所述的电能质量调节装置800包括3n个功率单元(图中未表示)，分别连接到三相电网100上，所述的调节控制器830分别对应连接到电能质量调节装置800的每个功率单元，主控子系统810通过通讯耦合子系统820分别连接到每个调节控制器830；通讯耦合子系统820包括连接在LVDS接口上的模块EtherCAT主站821，以及至少一个EtherCAT耦合器822，与EtherCAT从站互相连接构成模块EtherCAT网络；调节控制器构成EtherCAT从站，经由EtherCAT耦合器，连接到模块EtherCAT网络，调节保护单元813通过光耦或者光纤隔离，连接到调节控制器830。如图2所示，电能质量调节装置的控制系统的主控子系统810，包括主控EtherCAT网络和主控EtherCAT主站811，以及PTCT输入单元812、调节保护单元813、故障录波单元814、开关量输入单元815和开关量输出单元816。电能质量调节装置的控制系统还包括以太网接口，主控子系统810和通讯耦合子系统820，通过以太网接口和以太网交换机910，连接到本地或远程PC监控终端920。
图1是本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元的一个实施例主电路图，电能质量调节装置的控制系统包括调节保护单元813。本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元包括开关量输入单元815、开关量输出单元816和DIDO端口8150。在图2所示的实施例中，开关量输入单元815和开关量输出单元816，通过LVDS总线连接在所述控制系统中的主控子系统810。开关量输入单元815包含开关量输入端8151和输入信号隔离模块8152，开关量输入端8151通过输入信号隔离模块8152的光耦或光纤隔离，连接到三相电网100；开关量输入单元815包含EtherCAT从站控制器8154，开关量输入单元815通过EtherCAT从站控制器8154连接到调节保护单元813。调节保护单元813，通过DIDO端口8150连接到开关量输出单元816；开关量输出单元816包含输出信号驱动模块8163和开关量输出端8164，输出信号驱动模块8163通过开关量输出端8164连接到三相电网100。
在图1所示的本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元的实施例中，开关量输入单元815包含输入信号调理模块8153；开关量输入端8151通过输入信号隔离模块8152，连接到输入信号调理模块8153；输入信号调理模块8153是CPLD可编程防抖滤波电路和并入串出电路，防抖滤波电路的输出连接到DIDO端口8150，并入串出电路的输出连接到EtherCAT从站控制器8154。如图1所示，开关量输出单元816包含输出信号调理模块8162和EtherCAT从站控制器8161；输出信号调理模块8162包含CPLD可编程串入并出电路，EtherCAT从站控制器8161的输出端连接到串入并出电路的输入端；DIDO端口8150的开关量输入信号和CPLD可编程串入并出电路的输出信号，在输出信号调理模块8162内合并后，通过信号调理模块8162的输出端，连接到输出信号驱动模块8163；输出信号驱动模块8163包含继电器，所述的继电器的接点通过开关量输出端8164连接到三相电网100。
根据本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元的一个实施例，所述的开关量输入输出单元采用板卡式结构，EtherCAT从站控制器8154和8161包含LVDS总线接口；所述的开关量输入输出单元通过LVDS总线接口，连接到所述的调节保护单元813。开关量输入单元815，通过光耦或光纤隔离，连接到三相电网100；开关量输入单元815，通过背板IO端口连接到调节保护单元813；开关量输入单元815可以接入32个数字量输入信号，防抖滤波可防止受干扰的数据传送至系统中。所有输入信号可直接通过背板IO端口传送到主控子系统的各个单元，实现快速开入信号的传递，也可以通过EtherCAT网络打包传输。调节保护单元813，通过背板IO端口连接到开关量输出单元816，并通过开关量输出单元816的继电器连接到三相电网100。开关量输出单元816可以实现14对继电器空节点的输出，用于三相电网100继电保护系统的控制断路器和指示灯。
本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元，采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)构成输入信号调理模块8153和输出信号调理模块8162。CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/0单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性。在本实用新型的电能质量调节装置的开关量输入输出单元中，CPLD用于开关量输入输出的采样时序控制、串并行转换和输入输出逻辑控制，CPLD芯片可采用EPM7128S、XC9510或者LC4128V。在编程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程，编程次数可达1万次，其优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD还可以实现在系统编程，可以根据电能质量调节装置的实际配置修改控制逻辑。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的技术方案，而并非用作为对本实用新型的限定，任何基于本实用新型的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本实用新型的权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电能质量调节装置的开关量输入输出单元，连接在三相电网电能质量调节装置的控制系统，所述的控制系统包括调节保护单元，其特征在于：
所述的开关量输入输出单元包括开关量输入单元、开关量输出单元和DIDO端口；
所述的开关量输入单元包含开关量输入端和输入信号隔离模块，所述的开关量输入端通过输入信号隔离模块的光耦或光纤隔离，连接到三相电网；
所述的开关量输入单元包含EtherCAT从站控制器，所述的开关量输入单元通过EtherCAT从站控制器连接到所述的调节保护单元；
所述的调节保护单元，通过DIDO端口连接到所述的开关量输出单元；
所述的开关量输出单元包含输出信号驱动模块和开关量输出端，所述的输出信号驱动模块通过开关量输出端连接到三相电网。
2.根据权利要求1所述的电能质量调节装置的开关量输入输出单元，其特征在于所述的开关量输入单元包含输入信号调理模块；所述的开关量输入端通过输入信号隔离模块，连接到输入信号调理模块；所述的输入信号调理模块是CPLD可编程防抖滤波电路和并入串出电路，防抖滤波电路的输出连接到DIDO端口，并入串出电路的输出连接到EtherCAT从站控制器。
3.根据权利要求1所述的电能质量调节装置的开关量输入输出单元，其特征在于所述的开关量输出单元包含输出信号调理模块和EtherCAT从站控制器；所述的输出信号调理模块包含CPLD可编程串入并出电路，所述的EtherCAT从站控制器的输出端连接到串入并出电路的输入端；DIDO端口的开关量输入信号和CPLD可编程串入并出电路的输出信号，在输出信号调理模块内合并后，通过信号调理模块的输出端，连接到输出信号驱动模块；所述的输出信号驱动模块包含继电器，所述的继电器的接点通过开关量输出端连接到三相电网。
4.根据权利要求1、2或3所述的电能质量调节装置的开关量输入输出单元，其特征在于所述的开关量输入输出单元采用板卡式结构，所述的EtherCAT从站控制器包含LVDS总线接口；所述的开关量输入输出单元通过LVDS总线接口，连接到所述的调节保护单元。
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