CN209929955U - 一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，所述漏电保护器包括：漏电总保护器和漏电中级保护器；漏电保护器通过通信网关与漏电保护系统云端通信连接；漏电中级保护器包括：第一采样模块、第一信号处理模块、第一ADC、第一电源模块、第一试验模块、第一单片机、第一跳闸模块、第一保护开关、第一通信模块；漏电总保护器包括：第二采样模块、第二信号处理模块、第二ADC、第二电源模块、第二试验模块、第二中央处理模块、第二跳闸模块、第二模式选择模块、第二通信模块组成；实现了漏电保护器结构合理，能够满足现有的用电环境的使用需求的技术效果。

Description

一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器

技术领域

本实用新型涉及漏电保护器领域，具体地，涉及一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器。

背景技术

漏电保护器，简称漏电开关，又叫漏电断路器，主要是用来在设备发生漏电故障时以及对有致命危险的人身触电保护，具有过载和短路保护功能，可用来保护线路或电动机的过载和短路，亦可在正常情况下作为线路的不频繁转换启动之用。

现有的漏电保护器结构简单，功能单一，在面对越来越复杂的用电环境时，显得功能不足，不满足现有的用电环境的使用需求，特别是对于尚未完善的农村电网。随着农村电网的不断建设与改造，农村供电条件得到大大改观，电能质量以及供电可靠性都得到极大的改善。全国农村电网已全面推行漏电保护器，用以防止因农村电网低压架空线路运行故障和用电中引起的人、畜直接接触触电和间接接触触电造成的伤亡事故。虽然漏电保护器的全面推广取得了显著的效果，但由于农村电网的特殊性，农村触电事故仍然远高于城市，主要原因是：整体文化水平偏低，缺乏安全用电知识；农村电网条件差，如接线复杂、线路老化、电力设备安装不合理、电力保护装置安装不到位等；管理人员水平不高，管理不善。同时农村电网的特殊性，如季节性明显、临时用电设备多、操作错误违章操作多、漏电保护产品质量差等因素，造成漏电保护80％的动作均是因为非触电原因，漏电保护器经常误动、停电事故频发，最后不得不退出漏电保护器，形成恶性循环，致使整个电网失去漏电保护功能。据统计，部分地区漏电保护投运率不超过70％，漏电保护器完好率不足75％，严重威胁农村电网的运行安全。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，解决了现有的漏电保护器功能单一，智能化程度低，不满足现有的用电环境的使用需求技术问题，实现了漏电保护器结构合理，能够满足现有的用电环境的使用需求的技术效果。

为实现上述实用新型目的，本申请提供了一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，所述漏电保护器包括：

漏电总保护器和漏电中级保护器；漏电保护器通过通信网关与漏电保护系统云端通信连接，漏电保护器与通信网关的通信方式为无线网络(Lora(LoRaWAN)、WIFI技术、电力无线专网)或有线网络，目前普遍的组网方式为无线Lora网络。

漏电中级保护器包括：第一采样模块、第一信号处理模块、第一ADC、第一电源模块、第一试验模块、第一单片机、第一跳闸模块、第一保护开关、第一通信模块；第一采样模块与第一信号处理模块连接，第一信号处理模块与第一ADC连接，第一ADC与第一单片机连接，第一电源模块与第一单片机连接，第一单片机与第一跳闸模块、第一保护开关、第一通信模块均连接，第一通信模块与通信网关连接；

采集模块采集保护电路电压、电流传输给信号处理模块，信号处理模块对信号进行过滤、放大后传输给ADC，ADC将信号转换为数字信号发送给单片机进行分析。单片机接收信号后比对跳闸阈值，如超过跳闸阈值，发布跳闸指令给跳闸模块，切断保护电路电源，从而防止触电事故或漏电事故。试验模块检验漏电保护器能否正确动作，机构是否灵敏可靠，通过试验按钮和电阻组成，当按下按钮后人为产生一定额定值的故障信号触发保护动作。保护开关可以控制漏电保护器的投入与退出，给运维人员在特殊或者极端情况下有可选余地，云平台可通过单片机实现对保护开关的远程控制。通信模块接收单片机已经编码好的数据，与通信网关进行通信，或者接收云端通过通信网关发布的数据传输给单片机。单片机实现整个漏电保护器的计算分析处理功能。单片机接收云平台指令进行参数设置，修改保护动作阈值、动作时间等数据，当接收的采集信号大于所设阈值时，迅速反应，发布跳闸指令给跳闸模块。单片机接收云平台的投入与退出指令，传输给保护开关模块，实现漏电中级保护器的投入与退出。单片机将故障时的电流、电压波形，以及动作的情况传输给云平台，供其分析使用，形成故障报告以及调整保护参数。单片机由电源模块进行供电。

漏电总保护器包括：第二采样模块、第二信号处理模块、第二ADC、第二电源模块、第二试验模块、第二中央处理模块、第二跳闸模块、第二模式选择模块、第二通信模块组成；第二采样模块与第二信号处理模块连接，第二信号处理模块与第二ADC连接，第二ADC与第二中央处理模块连接，第二电源模块与第二中央处理模块连接，第二中央处理模块与第二跳闸模块、第二模式选择模块、第二通信模块均连接，第二通信模块与通信网关连接。

采集模块采集保护电路电压、电流传输给信号处理模块，信号处理模块对信号进行过滤、放大后传输给ADC，ADC将信号转换为数字信号发送给中央处理模块进行分析。中央处理模块接收信号后对采集信号进行分析，对比人体典型触电特征码以及漏电保护阈值，如超过特征码相似度阈值或者漏电保护阈值，发布跳闸指令给跳闸模块，切断保护电路电源，从而防止触电事故或漏电事故。通信模块实现漏电总保护与通信网关的有线和无线通信。试验模块检验漏电保护器能否正确动作，机构是否灵敏可靠，通过试验按钮和电阻组成，当按下按钮后人为产生一定额定值的故障信号触发保护动作。模式选择模块可以控制漏电总保护器线路保护功能的投入与退出，给运维人员在特殊或者极端情况下有可选余地，中央处理模块采用了FPGA+DSP+ARM的高端架构，FPGA负责信号采集功能，DSP负责计算分析功能，ARM负责通信功能，DSP带有EMIF和HPI接口，保证其与FPGA、ARM的无缝连接。ARM从DSP中读取已经编码好的数据通过通信网关上传到云平台。ARM从通信网关接收云平台指令并传输给DSP进行参数设置，修改保护动作阈值、动作时间、人体触电特征码等数据。FPGA采集ADC传来的数字信号，经处理后传输给DSP，DSP进行分析计算，当接收的采集信号大于所设保护阈值时，迅速反应，发布跳闸指令给跳闸模块，中央处理模块由电源模块进行供电。

优选的，第一通信模块通过有线或无线的方式与通信网关连接。

优选的，第二通信模块通过有线或无线的方式与通信网关连接。

优选的，第二中央处理模块包括：FPGA模块、DSP模块、ARM模块，第二ADC与FPGA模块连接，FPGA模块和第二跳闸模块与DSP模块连接，DSP模块与ARM模块连接，ARM模块与通信网关连接。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实用新型中的模块及单片机或处理器中运行的程序均是现有的，本实用新型是将这些现有的模块进行新的组合，形成了新的漏电保护器，使得新的漏电保护器与传统的漏电保护器相比功能更加强大，实现了漏电保护器结构合理，能够满足现有的用电环境的使用需求的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1是本发明漏电中级保护器与漏电总保护器组成的系统图；

图2是本发明漏电中级保护器与漏电总保护器典型布置方案示意图；

图3是本发明漏电中级保护器架构示意图；

图4是本发明漏电总保护器架构示意图；

图5是本申请中FPGA与DSP的连接示意图；

图6是本申请中DSP与ARM的连接示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本申请提供了一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，所述漏电保护器可以组成完整的农网漏电保护系统：

完整的农网漏电保护系统包括：本专利所述漏电中级保护器、本专利所述漏电总保护器、通信网关、农网漏电保护器系统云、客户端。本专利所述漏电中级保护器、漏电总保护器接收农网漏电保护器系统云的指令执行漏电保护任务，同时反馈实时运行状态及采集信息。通信网关实现本专利所述漏电中级保护器、漏电总保护器与农网漏电保护器系统云的通信。客户端包括手机APP、控制中心软件、微信平台等，可以根据客户需要进行配置，用户可以通过客户端查看漏电保护系统的所有数据，同时根据需要配置控制部分。

请参考图2，所述漏电保护器典型布置方案：

漏电总保护器安装至配电变出口处，漏电中级保护器安装至分支线以及集表箱内。漏电中级保护器分为三相漏电中级保护器以及单相漏电中级保护器，三相漏电中级保护器安装至分支线处，单相漏电中级保护器安装至集表箱内。目前已安装的家庭漏电保护器作为末端保护，对该系统进行补充，保护参数以及动作时间参数配置时考虑家庭漏电保护器的末端保护，保证不会同时动作。总保能给中级保护进行后备，中级保护能给末端保护进行后备。方案能有效降低农网漏电总保护器、干线以及分支线误动几率，缩小故障的影响范围，从而缩小停电范围，减少停电经济损失。

请参考图3-图4，本申请提供了一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，所述漏电保护器包括：

漏电总保护器和漏电中级保护器；漏电保护器通过通信网关与漏电保护系统云端通信连接，漏电保护器与通信网关的通信方式为无线网络(Lora(LoRaWAN)、WIFI技术、电力无线专网)或有线网络，目前普遍的组网方式为无线Lora网络。

漏电中级保护器包括：第一采样模块、第一信号处理模块、第一ADC、第一电源模块、第一试验模块、第一单片机、第一跳闸模块、第一保护开关、第一通信模块；第一采样模块与第一信号处理模块连接，第一信号处理模块与第一ADC连接，第一ADC与第一单片机连接，第一电源模块与第一单片机连接，第一单片机与第一跳闸模块、第一保护开关、第一通信模块均连接，第一通信模块与通信网关连接；

采集模块采集保护电路电压、电流传输给信号处理模块，信号处理模块对信号进行过滤、放大后传输给ADC，ADC将信号转换为数字信号发送给单片机进行分析。单片机接收信号后比对跳闸阈值，如超过跳闸阈值，发布跳闸指令给跳闸模块，切断保护电路电源，从而防止触电事故或漏电事故。试验模块检验漏电保护器能否正确动作，机构是否灵敏可靠，通过试验按钮和电阻组成，当按下按钮后人为产生一定额定值的故障信号触发保护动作。保护开关可以控制漏电保护器的投入与退出，给运维人员在特殊或者极端情况下有可选余地，云平台可通过单片机实现对保护开关的远程控制。通信模块接收单片机已经编码好的数据，与通信网关进行通信，或者接收云端通过通信网关发布的数据传输给单片机。单片机实现整个漏电保护器的计算分析处理功能，单片机选取意法半导体STM32F429系列微处理器，集成ARMCortex-M4内核，带FPU功能，主频180MHZ，片内Flash大小为2MB，片内SRAM大小为256+4KB。单片机接收云平台指令进行参数设置，修改保护动作阈值、动作时间等数据，当接收的采集信号大于所设阈值时，迅速反应，发布跳闸指令给跳闸模块。单片机接收云平台的投入与退出指令，传输给保护开关模块，实现漏电中级保护器的投入与退出。单片机将故障时的电流、电压波形，以及动作的情况传输给云平台，供其分析使用，形成故障报告以及调整保护参数。单片机由电源模块进行供电。

漏电总保护器包括：第二采样模块、第二信号处理模块、第二ADC、第二电源模块、第二试验模块、第二中央处理模块、第二跳闸模块、第二模式选择模块、第二通信模块组成；第二采样模块与第二信号处理模块连接，第二信号处理模块与第二ADC连接，第二ADC与第二中央处理模块连接，第二电源模块与第二中央处理模块连接，第二中央处理模块与第二跳闸模块、第二模式选择模块、第二通信模块均连接，第二通信模块与通信网关连接。

FPGA选用Xilinx公司最新推出的低成本现场可编程门阵列Spartan-3E系列中的XC3S500E，其包含有20个Block RAM，每个RAM块中的18KB的模块存储器，是完全同步、真正的双端存储器。ARM芯片选用Samsung公司的S3C4510B，它是基于以太网应用系统的高性价比16/32bit RISC微控制器，内含一个由ARM公司设计的16/32bit ARM7TDMI RISC处理器核，除了ARM7TDMI核以外，S3C4510B还有许多重要的片内外围功能模块，其中就有一个以太网控制器，用于S3C4510B系统与其他设备的网络通信。DSP芯片选用TI公司的TMS320C6416，其是TI公司推出的高速定点DSP，它拥有处理能力强大的CPU、高达1MB的RAM、丰富的外设接口，外设包括CPU访问外围设备提供无缝接口的灵活的外部存储器接口EMIFA和EMIFB，一个使得DSP很容易通过PCI接口无缝连接到一个具有PCI功能的外部主CPU上的PCI接口，一个16/32bit宽的异步并行接口HPI(和PCI共用相同的引脚)，一个提供64bit数据通道访问的增强型EDMA等。

采集模块采集保护电路电压、电流传输给信号处理模块，信号处理模块对信号进行过滤、放大后传输给ADC，ADC将信号转换为数字信号发送给中央处理模块进行分析。中央处理模块接收信号后对采集信号进行分析，对比人体典型触电特征码以及漏电保护阈值，如超过特征码相似度阈值或者漏电保护阈值，发布跳闸指令给跳闸模块，切断保护电路电源，从而防止触电事故或漏电事故。通信模块实现漏电总保护与通信网关的有线和无线通信。试验模块检验漏电保护器能否正确动作，机构是否灵敏可靠，通过试验按钮和电阻组成，当按下按钮后人为产生一定额定值的故障信号触发保护动作。模式选择模块可以控制漏电总保护器线路保护功能的投入与退出，给运维人员在特殊或者极端情况下有可选余地，中央处理模块采用了FPGA+DSP+ARM的高端架构，FPGA负责信号采集功能，DSP负责计算分析功能，ARM负责通信功能，DSP带有EMIF和HPI接口，保证其与FPGA、ARM的无缝连接。ARM从DSP中读取已经编码好的数据通过通信网关上传到云平台。ARM从通信网关接收云平台指令并传输给DSP进行参数设置，修改保护动作阈值、动作时间、人体触电特征码等数据。FPGA采集ADC传来的数字信号，经处理后传输给DSP，DSP进行分析计算，当接收的采集信号大于所设保护阈值时，迅速反应，发布跳闸指令给跳闸模块，中央处理模块由电源模块进行供电。

漏电总保护器电路原理：

请参考图5，电路设计：

1.FPGA与DSP的接口电路

DSP对外有2个EMIF总线接口，分别是64bit的EMIFA和16bit的EMIFB。EMIFA接口具备与8、16、32、64bit系统接口的功能，EMIFB接口端口支持8bit和16bit系统。EMIFA为64bit存储器总线，分成ACE0～ACE3 4个存储空间，每个存储空间可以独立配置，无缝接口具有多种类型的存储器，如SRAM、Flash RAM和DDR RAM等。

将DSP的EMIFA接口连接到FPGA的方法实现DSP与FPGA Block RAM的无缝连接。FPGA的双端Block RAM的一端以存储器模式与DSP通信，另一端与内部FPGA逻辑通信。

EMIFA的64位数据总线ED[63:0]与FPGA Port A的输入输出相连。EMIF的地址输出EA[22:3]与FPGA Port A的地址相连。EMIFA数据的输入与数据的输出均使用EMIF/SOE信号控制。DSP默认生成由ECLKIN、CPU/4时钟或CPU/6时钟衍生的ECLKOUT1，让所有的时序都由ECLKOUT1时钟决定，数据接口速度更快。FPGA Block RAM和额外逻辑将ECLKOUT1时钟既用做读时钟，也用做写时钟，整个FPGA都可由ECLKOUT1时钟驱动，该时钟馈送至数字时钟管理器(DCM)。/BE[7:0]与/CE1的信号组合启用FPGA RAM模块。RAM的读/写选通脉冲是/SADS和/SWE信号的组合。EMIF具有灵活的时序参数，只需要极少的FPGA逻辑，因此，只需最低限度的设计工作，FPGA就可以用做DSP协处理器。

2.ARM与DSP的接口电路

请参考图6，DSP集成有一个16/32bit宽主机接口HPI，HPI通过复位时的自举和器件配置引脚HD5选择采用HPI16还是HPI32。HPI具有两条地址线HCNTRL[1:0]，负责对HPI的内部寄存器进行寻址。HPI只有3个32bit内部寄存器，分别是控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA和数据寄存器HPID。用户只需对上述3个寄存器进行相应的读写操作，就能完成对DSP内存空间的访问。

由于ARM中没有完全符合DSP HPI接口时序的外部接口可以直接使用，因此选用ARM中时序最接近HPI接口时序的外部I/O接口与DSP进行连接。DSP与ARM通过单独的32bit数据线HD0～HD31和8条控制线进行连接。ARM通过HPI接口访问DSP内部的RAM以及其他外部资源。在整个ARM微处理器与DSP芯片通过HPI接口通信和数据交换的过程中，除了中断ARM和清除ARM发过来的中断需要DSP本身参与外，其他操作DSP都处于被动的地位，几乎不用进行其他的操作。所以对于ARM来说，DSP系统单元就相当于一片外接的SDRAM。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，其特征在于，所述漏电保护器包括：

漏电总保护器和漏电中级保护器；漏电保护器通过通信网关与漏电保护系统云端通信连接；漏电中级保护器包括：第一采样模块、第一信号处理模块、第一ADC、第一电源模块、第一试验模块、第一单片机、第一跳闸模块、第一保护开关、第一通信模块；第一采样模块与第一信号处理模块连接，第一信号处理模块与第一ADC连接，第一ADC与第一单片机连接，第一电源模块与第一单片机连接，第一单片机与第一跳闸模块、第一保护开关、第一通信模块均连接，第一通信模块与通信网关连接；漏电总保护器包括：第二采样模块、第二信号处理模块、第二ADC、第二电源模块、第二试验模块、第二中央处理模块、第二跳闸模块、第二模式选择模块、第二通信模块组成；第二采样模块与第二信号处理模块连接，第二信号处理模块与第二ADC连接，第二ADC与第二中央处理模块连接，第二电源模块与第二中央处理模块连接，第二中央处理模块与第二跳闸模块、第二模式选择模块、第二通信模块均连接，第二通信模块与通信网关连接。

2.根据权利要求1所述的用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，其特征在于，第一通信模块通过有线或无线的方式与通信网关连接。

3.根据权利要求1所述的用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，其特征在于，第二通信模块通过有线或无线的方式与通信网关连接。

4.根据权利要求1所述的用于农网漏电保护系统中的漏电保护器，其特征在于，第二中央处理模块包括：FPGA模块、DSP模块、ARM模块，第二ADC与FPGA模块连接，FPGA模块和第二跳闸模块与DSP模块连接，DSP模块与ARM模块连接，ARM模块与通信网关连接。

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