CN210428134U - 一种发电机励磁装置信号扩展器 - Google Patents

Abstract

一种发电机励磁装置信号扩展器，包括主控芯片，所述主控芯片用于处理励磁数据信号并进行传输，所述的主控芯片连接有CAN总线接口、RS485总线接口和以太网接口，所述的CAN总线接口连接有CAN总线网络，所述的RS485总线接口连接有RS485总线网络，所述的以太网接口连接有以太网网络。本实用新型的硬件简单，且灵活可靠，采用CAN总线网络实现与励磁调节器的实时通讯，进而实现扩展I/O接口的目的，并且可以通过显示屏监视和控制励磁信号扩展接口的状态，开关量输入回路作为输入端，RS485总线串行通信接口和以太网接口作为励磁设备与上位机的通信接口，可以把励磁设备的数据传递给电站监控设备。

Description

一种发电机励磁装置信号扩展器

技术领域

本实用新型涉及电力系统同步发电机励磁装置控制系统技术领域，尤其是励磁装置信号检测和网络传输技术方面的一种发电机励磁装置信号扩展器。

背景技术

发电机励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称，一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成，励磁系统的主要作用为根据发电机负荷的变化来相应的调节励磁电流，以维持机端电压的给定值，控制并列运行各发电机间的无功功率分配，提高发电机并列运行的静态稳定性，提高发电机并列运行的暂态稳定性，并且在发电机内部出现故障时，进行保护以减小故障的损失程度，根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

在电力系统中，发电机的容量越来越大，相对配套的励磁设备也相对增多，因此励磁设备需要监控和采集的信号也越来越多。而励磁控制系统也肩负着数据采集、数据处理、逻辑判断和网络通讯等众多任务，占用了大量的硬件资源，限制了励磁设备的信号接口数量。如果重新开发设计励磁控制单元，不仅开发周期长，成本高，而且单纯的扩展励磁设备接口会造成励磁设备的控制系统的臃肿和资源浪费。

所以，为了弥补上述励磁装置的缺陷，亟需设计一种便捷的快速扩展励磁信号的发电机励磁装置扩展接口装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速灵活扩展励磁信号接口的发电机励磁装置信号扩展器。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种发电机励磁装置信号扩展器，包括：

主控芯片，所述主控芯片用于处理励磁数据信号并进行传输；

CAN总线接口，所述的CAN总线接口连接所述主控芯片，所述的CAN总线接口用于将主控芯片连接在CAN总线网络上；

RS485总线接口，所述的RS485总线接口连接所述主控芯片，所述的RS485总线接口用于将主控芯片连接在RS485总线网络上；

以太网接口，所述的以太网接口连接所述主控芯片，所述的以太网接口用于将主控芯片连接在以太网上；

开关量输入接口，所述的开关量输入接口连接所述主控芯片，所述的开关量输入接口用于将输入的开关量信号输送至主控芯片中进行数据处理；

开关量输出接口，所述的开关量输出接口的一端连接所述主控芯片，所述开关量输出接口的另一端连接外部电气设备，所述的开关量输出接口用于将主控芯片处理完的数据传输至外部电气设备以控制其工作；

励磁状态信号从所述的开关量输入接口传输至主控芯片中进行数据处理后，通过CAN总线网络传输至所述的励磁调节器的主控单元，励磁调节器的励磁控制信号通过CAN总线网络从励磁调节器的主控单元传输至主控芯片，再经由所述的开关量输出接口传送至外部电气设备，控制电气设备的启停。

优选的，所述的RS485总线接口连接RS485总线网络，所述的以太网接口连接以太网网络。

优选的，所述的RS485总线网络上连接有电站监控设备，所述的以太网网络上还连接有所述的电站监控设备，所述的电站监控设备通过以太网网络与所述的以太网接口相连，所述的电站监控设备通过RS485总线网络与所述的RS485总线接口相连。

优选的，所述的主控芯片的型号为DSPIC30F6014A。

优选的，所述的主控芯片还连接有电源模块，所述的电源模块用于给主控芯片供电。

优选的，所述的主控芯片还连接有模拟量数据测量接口，所述的模拟量数据测量接口用于将数据的模拟量信号转换为数字量信号并传递至主控芯片中。

优选的，所述的开关量输入接口的数量有16个，所述的开关量输出接口的数量有16个。

优选的，所述的模拟量数据测量接口的数量有6个。

优选的，所述的以太网接口采用的型号为HR901170A，并在以太网接口处增设有铁氧体磁环，以降低其信号干扰。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型的硬件简单，且灵活可靠，极大的方便了励磁设计的工作，采用CAN总线网络实现与励磁调节器的实时通讯，进而实现扩展I/O接口的目的，并且可以通过显示屏监视和控制励磁信号扩展接口的状态，开关量输入回路作为输入端，而开关量输出回路作为驱动本地电气设备的硬件接口，RS485总线串行通信接口和以太网接口作为励磁设备与上位机的通信接口，可以把励磁设备的数据传递给电站监控设备。

2、本实用新型可用于分布式励磁设备中，就近检测设备状态，并通过网络通信将信号传输给上位机，消除了远程硬接线检测信号状态所造成的线缆繁多，易受干扰的隐患，并且采用双CAN总线网络传输数据，增强了励磁控制系统网络的可靠性。并且可以灵活扩展励磁控制器信号接口，避免了励磁控制器的结构臃肿，而且具有多种通信接口，可以满足励磁设备的大多数要求。

3、本实用新型采用DSPIC30F6014A作为核心处理器，外扩16路开关量输入接口，16路开关量输出接口，6路模拟量数据测量接口，两路CAN总线网络通信接口，一路RS485总线通信接口和一路以太网通信接口。通过RS485总线接口与电厂DCS系统进行通讯，交互数据，完成电厂对励磁设备信号的监控，通过以太网接口与电厂DCS系统进行数据交互，16路开关量输出接口可以通过励磁调节器显示器任意修改和定义，操作方便灵活。

附图说明

图1是本实用新型的发电机励磁系统的结构示意图；

图2是本实用新型的各个接口和模块之间的连接关系示意图；

图3是本实用新型的开关量输入接口的电路示意图；

图4是本实用新型的开关量输出接口的电路示意图；

图5是本实用新型的模拟量数据测量接口的交流信号整流电路的电路示意图；

图6是本实用新型的模拟量数据测量接口的直流信号滤波电路的电路示意图；

图7是本实用新型的RS485总线接口的驱动电路的电路示意图；

图8是本实用新型的CAN总线接口的驱动电路的电路示意图；

图9是本实用新型的以太网接口的控制器的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

如图1和图2所示，本实用新型所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，包括主控芯片，所述主控芯片用于处理励磁数据信号并进行传输，所述的主控芯片连接有CAN总线接口、RS485总线接口和以太网接口，所述的CAN总线接口连接有CAN总线网络，所述的CAN总线接口用于将主控芯片连接在CAN总线网络上。所述的RS485总线接口连接有RS485总线网络，所述的RS485总线接口用于将主控芯片连接在RS485总线网络上。所述的以太网接口连接有以太网网络，所述的以太网接口用于将主控芯片连接在以太网上。

主控芯片上还连接有开关量输入接口和开关量输出接口，所述的开关量输入接口用于将输入的开关量信号输送至主控芯片中进行数据处理，所述的开关量输出接口还连接有外部电气设备，所述的开关量输出接口用于将主控芯片处理完的数据传输至外部电气设备以控制其工作。此外，主控芯片还连接有模拟量数据测量接口，所述的模拟量数据测量接口用于将数据的模拟量信号转换为数字量信号并传递至主控芯片中，模拟量如是交流信号，则进行整流处理为直流信号后传送至主控芯片中，模拟量如是直流信号，则进行放大滤波处理后传输至主控芯片中。在主控芯片上还连接有电源模块，所述的电源模块用于给主控芯片供电。

进一步，如附图1所示，所述的CAN总线网络上还连接有励磁调节器，所述的励磁调节器通过CAN总线网络与所述的CAN总线接口相连，励磁调节器为发电机励磁装置的调节器，也为励磁装置终端，可以用来调节励磁装置的状态，励磁装置信号扩展器通过一系列的总线接口将励磁信号扩展器串联在总线网络上，进行统一信号管理。所述的RS485总线网络上还连接有电站监控设备，所述的电站监控设备还连接在所述的以太网网络上，所述的电站监控设备通过以太网网络与所述的以太网接口相连，所述的电站监控设备通过RS485总线网络与所述的RS485总线接口相连，电站监控设备在工作中相当于上位机，用于收集各个励磁装置的励磁信号和工作状态，均在电站监控设备上进行数据显示，并根据具体的工作状况来进行不同操作，电站监控设备的工作原理同现有技术领域中的发电机励磁系统的监控设备相同，均为起到监控系统子设备工作状态的作用，故在此不再赘述。

进一步，如附图2所示，所述的主控芯片的型号为DSPIC30F6014A，其为现有芯片，故其电路图在此不再公开。开关量输入接口和开关量输出接口的数量均为16个，所述的模拟量数据测量接口的数量为6个。

进一步，如附图3所示为本实用新型的开关量输入接口的电路示意图，开关量输入信号多为24V，而主控芯片DSPIC30F6014A的开关量的引脚的工作电压为5V，为了实现外部信号与主控芯片的连接，需要进行信号的电平转换，即将24V转换为5V，为了提高开关量信号的可靠性，故在所述的开关量输入接口的外设回路中采用高速光耦芯片PS2801，该芯片具有信号单向传输的特性，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，传输效率高。

进一步，如附图4所示为本实用新型的开关量输出接口的电路示意图，开关量输出信号主要是用来驱动发光二极管和继电器，以显示微机励磁装置的运行状态，开关量输出信号的设计原理与开关量输入信号的外设回路相同，但是由于PS2801的驱动能力有限，不足以驱动继电器动作，因此在开关量输出回路引入了三极管Q11来增大驱动能力，在主控芯片上电复位时，由于信号不稳定，容易误动作，所以在开关量输出接口的电路中增加两组“非”门74LS04和74LS14，可以有效防止误动作。

进一步，如附图5所示为本实用新型的模拟量数据测量接口的交流信号整流电路的电路示意图，由于交流信号不能被直接测量，所以就需要经过整流桥电路将交流信号整流为直流信号，然后经过分压电路LM258降低电压使其满足测量范围，再通过滤波电路抑制信号中的交流成分和电磁干扰的成分，最后将直流信号传递至主控芯片中。

进一步，如附图6所示为本实用新型的模拟量数据测量接口的直流信号滤波电路的电路示意图，直流信号经过LM258差分放大器的比例放大，增大电压值以提高测量精度，然后通过滤波电路抑制信号中的交流成分和电磁干扰的成分，最后将处理完的直流信号传递至主控芯片中。

进一步，如附图7所示为本实用新型的RS485总线接口的驱动电路的电路示意图，RS485总线接口的驱动电路采用半双工两线制，收发器采用SN65LBC184D芯片，其性能稳定，具有很强的抗电流冲击能力，带载能力强，而且拥有一些针对限流和开路等故障的保护措施，可以有效保证器件工作的可靠性。且为了提高抗干扰性，还采用3片高速光耦6N137芯片使通讯芯片和主控芯片的电源隔离，使通讯更为可靠。为了加强对接收信号驱动的能力，收发器信号在进入光耦前先经过DM7407M芯片，可以增强带负载的能力。在RS485总线接口的设计中，考虑到总线匹配问题，所以在总线两端的差分端口A与B之间跨接有120Ω的匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的射、吸收噪声，有效地抑制了噪声的干扰。

进一步，如附图8所示为本实用新型的CAN总线接口的驱动电路的电路示意图，选用VP1050器件作为CAN总线协议控制器和物理总线之间的接口，对CAN总线协议控制器提供差动接收能力，对传输总线提供差动发送能力。在VP1050与主控芯片之间接入高速光电隔离芯片6N137，主要是出于安全考虑，以便提高系统的可靠性。

进一步，如附图9所示为本实用新型的以太网接口的控制器的电路示意图，以太网接口的控制器采用ENC28J60型号，其由多个模块组成，SPI模块通过四条数据线(SI、SO、SCK、CS)和主控芯片相连。采用主从模式(MOSI)进行通讯，ENC28J60为从机，主控芯片为主机。ENC28J60芯片与主控芯片通过7根连线连接，分别是SI、SO、SCK引脚连接主控芯片的SPI口，RESET和CS引脚连接主控芯片的I/O口，由主控芯片控制ENC28J60的复位和片选信号，INT、WOL引脚连接主控芯片的INT3和INT4口。

ENC28J60芯片的工作电源为3.3V，而主控芯片的工作电源为5V，当主控芯片DSPIC30F6014A的SPI接口和中断信号由ENC28J60的3.3V CMOS输出(SO、WOL和INT)驱动时,会导致不兼容，所以采用SN74LVC4245芯片进行3.3V和5V电平之间的转换。

以太网接口的型号采用的是HR901170A，该组件内部集成有RJ45网络接口，也有抑制干扰、实现信号隔离和转换的铁氧体变压器，支持10Mbps的自适应网络连接。为降低信号干扰，故在以太网接口HR901170A的电源接口处加入铁氧体磁环。

具体实施时，将主控芯片的CAN总线接口连接CAN总线网络，RS485总线接口连接RS485总线网络，以太网接口连接以太网网络，励磁调节器连接CAN总线网络，并在以太网网络和RS485总线网络上设置有电站监控设备。主控芯片的开关量输出接口和开关量输入接口均连接电气设备，电气设备的实时工作状态经过开关量输入电路进行隔离，再经过滤波电路输送至主控芯片中，模拟量数据测量接口实现对电气设备的模拟量信号的测量和监视，并从电站监控设备中进行显示，通过励磁调节器与主控芯片之间的CAN总线的相连，励磁调节器可以将命令信号由CAN总线网络传输至开关量输入接口再传递至主控芯片，并从开关量输出接口输出至电气设备，来远程控制电气设备的工作状态。在励磁系统中，还可以根据励磁设备需要监控信号的多少来增减励磁装置信号扩展器，方便其灵活使用。

本实用新型的硬件简单，且灵活可靠，极大的方便了励磁设计的工作，采用CAN总线网络实现与励磁调节器的实时通讯，进而实现扩展I/O接口的目的，并且可以通过显示屏监视和控制励磁信号扩展接口的状态，开关量输入回路作为输入端，而开关量输出回路作为驱动本地电气设备的硬件接口，RS485总线串行通信接口和以太网接口作为励磁设备与上位机的通信接口，可以把励磁设备的数据传递给电站监控设备。发电机励磁装置信号扩展器可用于分布式励磁设备中，就近检测设备状态，并通过网络通信将信号传输给上位机，消除了远程硬接线检测信号状态所造成的线缆繁多，易受干扰的隐患，并且采用双CAN总线网络传输数据，增强了励磁控制系统网络的可靠性。并且可以灵活扩展励磁控制器信号接口，避免了励磁控制器的结构臃肿，而且具有多种通信接口，可以满足励磁设备的大多数要求。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于，包括：

主控芯片，所述主控芯片用于处理励磁数据信号并进行传输；

CAN总线接口，所述的CAN总线接口连接所述主控芯片，所述的CAN总线接口用于将主控芯片连接在CAN总线网络上，所述的CAN总线接口连接CAN总线网络，所述的CAN总线网络上还连接有励磁调节器，所述的励磁调节器通过CAN总线网络与所述的CAN总线接口相连；

RS485总线接口，所述的RS485总线接口连接所述主控芯片，所述的RS485总线接口用于将主控芯片连接在RS485总线网络上；

以太网接口，所述的以太网接口连接所述主控芯片，所述的以太网接口用于将主控芯片连接在以太网上；

开关量输入接口，所述的开关量输入接口连接所述主控芯片，所述的开关量输入接口用于将输入的开关量信号输送至主控芯片中进行数据处理；

开关量输出接口，所述的开关量输出接口的一端连接所述主控芯片，所述开关量输出接口的另一端连接外部电气设备，所述的开关量输出接口用于将主控芯片处理完的数据传输至外部电气设备以控制其工作；

励磁状态信号从所述的开关量输入接口传输至主控芯片中进行数据处理后，通过CAN总线网络传输至所述的励磁调节器的主控单元，励磁调节器的励磁控制信号通过CAN总线网络从励磁调节器的主控单元传输至主控芯片，再经由所述的开关量输出接口传送至外部电气设备，控制电气设备的启停。

2.根据权利要求1所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的RS485总线接口连接RS485总线网络，所述的以太网接口连接以太网网络。

3.根据权利要求2所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的RS485总线网络上连接有电站监控设备，所述的以太网网络上还连接有所述的电站监控设备，所述的电站监控设备通过以太网网络与所述的以太网接口相连，所述的电站监控设备通过RS485总线网络与所述的RS485总线接口相连。

4.根据权利要求1所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的主控芯片的型号为DSPIC30F6014A。

5.根据权利要求1所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的主控芯片还连接有电源模块，所述的电源模块用于给主控芯片供电。

6.根据权利要求1所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的主控芯片还连接有模拟量数据测量接口，所述的模拟量数据测量接口用于将数据的模拟量信号转换为数字量信号并传递至主控芯片中。

7.根据权利要求1所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的开关量输入接口的数量有16个，所述的开关量输出接口的数量有16个。

8.根据权利要求6所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的模拟量数据测量接口的数量有6个。

9.根据权利要求1所述的一种发电机励磁装置信号扩展器，其特征在于：所述的以太网接口采用的型号为HR901170A，并在以太网接口处增设有铁氧体磁环，以降低其信号干扰。

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