CN211718380U - 一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路。该电路包括高压电气区域、弱电电气区域、中间电气区域和供电电源电气区域，各个区域之间两两电气隔离(其地电平之间可能存在1000V以上的电压差)。本发明中间电气区域作为“缓冲区域”，在第一级采集隔离模块发生隔离效果降低或者失去隔离效果后，第二级采集隔离模块的存在使得弱电电气区域依然与强电电气区域隔离，充分保证人身安全。通过开关量与模拟信号采集的分区域，使得数字量发生跳变的时候隔离噪声减少对模拟采集的干扰，提高模拟采集的精度。通过供电电源和弱电通信部分的电气隔离，不但增强通信模块的抗干扰能力，而且进一步保证了弱电电气区域的安全。

Description

一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路

技术领域

本实用新型涉及直流电量采集技术领域，更具体地说是一种隔离式直流电压和电流采集以及开关量输入和输出控制电路。

背景技术

电力系统的直流母线电压往往在1000V以上，电流在几百安培甚至几千安培以上，远远超出了人体能够承受的安全电压。断路器作为电力系统中必不可少的装置，除了常规的开闸合闸功能，往往还需要具备电压和电流的采集能力、开关量的输入输出控制能力。对这种强电电压和电流的采集，必须处理好强电和弱电数字信号的隔离。传统的电量采集往往使用一级隔离模块，一旦隔离效果降低或者失去隔离效果，会使得弱电部分带电，这严重威胁着人员的人身安全。断路器的开关量输入一般是对是否合闸的指示、是否故障的指示等；开关量输出一般是对脱扣器进行合闸或者分闸的指令。开关量均位于断路器内部，没有引出装置外面，正常情况下不会被人接触到。

发明内容

本发明的目的是，提供一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路。

具体而言，本发明提供了一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路，其特征在于，包括：强电电气区域、弱电电气区域、中间电气区域和供电电源电气区域，四个区域之间两两电气隔离，第一级隔离电源模块、第二级隔离电源模块、第一级采集隔离模块、带隔离电源的第二级采集隔离模块、开关量输入隔离模块、开关量输出隔离模块、数据处理模块、开关量输入模块、开关量输出模块和通信模块，所述第一级隔离电源模块位于所述供电电源电气区域和所述中间电气区域之间，一侧位于所述供电电源电气区域由外接电源对其进行供电，另一侧位于所述中间电气区域，在该区域中对所述中间电气区域供电和所述第二级隔离电源模块供电；所述第二级隔离电源模块位于所述中间电气区域和所述强电电气区域之间，用于对所述强电电气区域的模块供电；还包括电阻分压电压传感器模块、分流器电流传感器模块以及模数转换模块，所述电阻分压电压传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电压，所述分流器电流传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电流，所述模数转换模块接收所述电压和电流并将其转换成数字信号，所述第一级采集隔离模块位于所述强电电气区域和所述中间电气区域之间，所述数据处理模块接收所述模数转换模块获得数字信号，并经由所述第一级采集隔离模块输出至中间电气区域；所述带隔离电源的第二级采集隔离模块位于中间电气区域和弱电电气区域之间，接收所述第一级采集隔离模块输出的隔离数字信号并转发至所述弱电电气区域；所述开关量输入隔离模块和开关量输出隔离模块位于强电电气区域和所述中间电气区域之间，二者一侧位于所述中间电气区域，一侧位于所述强电电气区域，所述开关量输入模块和开关量输出模块分别输入和输出开关指令并经由所述开关量输入隔离模块和开关量输出隔离模块传送至所述数据处理模块，所述第一级采集隔离模块和所述开关量输入隔离模块为光耦或磁隔离芯片，所述开关量输出隔离模块为光耦或继电器。

优选地，所述第一级隔离电源模块和所述第二级隔离电源模块为源边和副边之间具备电气隔离1000V以上电压能力的隔离电源芯片；所述第一级采集隔离模块、所述开关量输入隔离模块和所述开关量输出隔离模块为通过光隔离或者磁隔离技术手段的信号隔离器件。

优选地，还包括电阻分压电压传感器模块、分流器电流传感器模块以及模数转换模块，所述电阻分压电压传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电压，所述分流器电流传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电流，所述模数转换模块接收所述电压和电流并将其转换成数字信号。

优选地，所述高压电气区域、弱电电气区域、中间电气区域和供电电源电气区域分别接地，并且不共地。

优选地，所述第一级采集隔离模块和所述开关量输入隔离模块为光耦或磁隔离芯片。所述开关量输出隔离模块为光耦或继电器。

优选地，所述带隔离电源的第二级采集隔离模块为集成供电的隔离通信芯片。

优选地，所述带隔离电源的第二级采集隔离模块为CAN隔离收发器或485隔离收发器，所述开关量输出隔离模块为光耦或继电器。

本发明的有益效果体现在：中间电气区域作为“缓冲区域”，在第一级采集隔离模块发生隔离效果降低或者失去隔离效果后，第二级采集隔离模块的存在使得弱电电气区域依然与强电电气区域隔离，充分保证人身安全。通过开关量与模拟信号采集的分区域，使得数字量发生跳变的时候隔离噪声减少对模拟采集的干扰，提高模拟采集的精度。通过供电电源和弱电通信部分的电气隔离，不但通过去耦供电电源的噪声增强通信模块的抗干扰能力，而且进一步保证了弱电电气区域的安全。

附图说明

图1是本发明一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路原理框图。

图2某型号隔离器件工作电压与器件寿命关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

供电电源电气区域为电力系统的辅助电源24V，其来自于电力系统辅助电网，虽然属于弱电电网，但是由于负载的复杂多样性，使得供电电源24V电源品质很差，甚至在极端情况下会引入强电，比如船舶供电系统发生故障的情况下。本发明的采集控制电路就是应用于这种复杂电源情况下的采集控制。

如图1所示，本实施例的隔离式直流电量采集和开关量控制电路包括：高压电气区域、弱电电气区域、中间电气区域和供电电源电气区域，各个区域之间两两电气隔离，分别接地，并且不共地。

具体而言，隔离式直流电量采集和开关量控制电路包括第一级隔离电源模块、第二级隔离电源模块、第一级采集隔离模块、带隔离电源的第二级采集隔离模块、开关量输入隔离模块、开关量输出隔离模块、数据处理模块、开关量输入模块、开关量输出模块和通信模块，所述第一级隔离电源模块位于所述供电电源电气区域和所述中间电气区域之间，一侧位于所述供电电源电气区域由外接电源对其进行供电，另一侧位于所述中间电气区域，在该区域中对所述中间电气区域供电和所述第二级隔离电源模块供电；所述第二级隔离电源模块位于所述中间电气区域和所述强电电气区域之间，用于对所述强电电气区域的模块供电；所述第一级采集隔离模块位于所述强电电气区域和所述中间电气区域之间，所述数据处理模块接收所述模数转换模块获得数字信号，并经由所述第一级采集隔离模块输出至中间电气区域；所述带隔离电源的第二级采集隔离模块位于中间电气区域和弱电电气区域之间，接收所述第一级采集隔离模块输出的隔离数字信号并转发至所述弱电电气区域；所述开关量输入隔离模块和开关量输出隔离模块位于强电电气区域和所述中间电气区域之间，二者一侧位于所述中间电气区域，一侧位于所述强电电气区域，所述开关量输入模块和开关量输出模块分别输入和输出开关指令并经由所述开关量输入隔离模块和开关量输出隔离模块传送至所述数据处理模块。

隔离式直流电量采集和开关量控制电路还包括电阻分压电压传感器模块、分流器电流传感器模块以及模数转换模块，所述电阻分压电压传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电压，所述分流器电流传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电流，所述模数转换模块接收所述电压和电流并将其转换成数字信号。

比如，第一级隔离电源模块由TMR 3-2411HI隔离电源芯片(当然，还可以适当添加外围电路，比如，二极管、电容、电阻等)构成，TMR 3-2411HI具备隔离3000V电压的能力。

第二级隔离电源模块由THB 3-0511隔离电源芯片构成，THB 3-0511 具备隔离6000V电压的能力。

第一级采集隔离模块由ADUM262磁隔离芯片构成，ADUM262具备隔离5000V电压的能力。

带隔离电源的第二级采集隔离模块由CTM1051M构成，CTM1051M 具备隔离2500V电压的能力，同时芯片内部自带隔离电源，该隔离电源可以给弱电区域供电。

通信模块由与CTM1051M配合使用的共模电感、CAN通信终端电阻、TVS芯片等构成。

开关量输入隔离模块由光耦TLP293构成。

开关量输入模块由与TLP293配合的电阻、电容、开关触点构成，仅用于提供开关量输入指令(0或1)。

开关量输出隔离模块由继电器J65/KJZC构成，具有1000V以上的隔离能力。

开关量输出模块由配合继电器的电阻、二极管、三极管等构成。

数据处理模块由DSP芯片TMS320F28335以及外围电路构成。

模数转换器模块由TMS320F28335内置的ADC构成。

电阻分压电压传感器由一系列的分压电路构成。

分流器电流传感器由分流器以及滤波电路构成。

在正常的情况下，该电路通过分压传感器对强电区域的电压和电流波形不断的进行实时的采集，并通过开关量输入模块和开关量隔离输入模块读取当前开关处于分闸、合闸还是故障的状态；在电力系统发生故障的时候(比如发生短路时，电流急剧增大)，该电路能够第一时间通过开关量隔离输出模块和开关量输出模块对外部发出分闸指令，避免或者降低事故的影响。同时，停止模拟量的采集，并把已经采集好的故障时刻前后的电流和电压波形发送到上位机或者控制台，用于分析故障发生的原因。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明之权利范围，因此对发明的具体实施方式进行的种种变更、修改或等同替换均在本发明的权利要求范围之内。

仿真

隔离器件的隔离电压一般标称为XXV@1min(例如TMR 3-2411HI隔离电压为3000V@1min)，这是对器件瞬时电压耐受能力的评价，实验依据是来源于美国国家实验室UL1577标准。在实际工作时，隔离器件的寿命与隔离器件两端的隔离电压值(即所述高压电气区域、弱电电气区域、中间电气区域和供电电源区域之间的电压差)成反比。即随着隔离电压加载的升高，器件寿命会随之减少，如图2所示。

如果没有图1中的中间电气区域，假设由于电力系统发生故障造成强电电气区域与弱电电气区域之间隔离电压超标，N年隔离器件到达器件寿命，如果没有在N年到来前通过电路检修发现隐患并更换电路板，电路的强电电气区域与弱电电气区域的隔离就会失效，极易发生安全事故。

如果采用本发明的隔离式直流电量采集和开关量控制电路，则N年到来后，由于存在第二级隔离，并且中间电气区域与弱电电气区域之间的隔离器件由于处于正常情况下而寿命不会受到减少(处于图2中80年以上的工作寿命)，使得工作电路板的弱电电气区域依然是安全的。通过仿真模拟可知，整个电路的隔离寿命至少提高到2N年。并且，第一级隔离器件在到达N年的寿命时，往往会出现其他故障(例如通信模块功能异常)，这可以提醒工作人员更换电路板。在理想情况下，本发明的电路，可以将安全隐患降到最低。

开关量在发生“0”、“1”跳变的时候，对应的边沿会产生尖峰干扰，也可能使得中间电气区域的地电平发生跳变，本发明将模数转换器所在的强电电气区域与数字输入和数字输出模块所在的中间电气区域进行隔离，使得尖峰干扰和地电平跳变等影响模数转换器工作的因素隔离开，提高了采样精度。本发明中供电电源电气区域与弱电电气区域隔离，如果供电的噪声过大，则能够隔离其对通信模块的影响；如果供电电源在极端的情况下引入强电，则能够保证弱电电气区域的安全。

Claims (5)

1.一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路，其特征在于，包括：强电电气区域、弱电电气区域、中间电气区域和供电电源电气区域，四个区域之间两两电气隔离，第一级隔离电源模块、第二级隔离电源模块、第一级采集隔离模块、带隔离电源的第二级采集隔离模块、开关量输入隔离模块、开关量输出隔离模块、数据处理模块、开关量输入模块、开关量输出模块和通信模块，所述第一级隔离电源模块位于所述供电电源电气区域和所述中间电气区域之间，一侧位于所述供电电源电气区域由外接电源对其进行供电，另一侧位于所述中间电气区域，在该区域中对所述中间电气区域供电和所述第二级隔离电源模块供电；所述第二级隔离电源模块位于所述中间电气区域和所述强电电气区域之间，用于对所述强电电气区域的模块供电；还包括电阻分压电压传感器模块、分流器电流传感器模块以及模数转换模块，所述电阻分压电压传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电压，所述分流器电流传感器模块用于测量强电电气区域目标设备的电流，所述模数转换模块接收所述电压和电流并将其转换成数字信号，所述第一级采集隔离模块位于所述强电电气区域和所述中间电气区域之间，所述数据处理模块接收所述模数转换模块获得数字信号，并经由所述第一级采集隔离模块输出至中间电气区域；所述带隔离电源的第二级采集隔离模块位于中间电气区域和弱电电气区域之间，接收所述第一级采集隔离模块输出的隔离数字信号并转发至所述弱电电气区域；所述开关量输入隔离模块和开关量输出隔离模块位于强电电气区域和所述中间电气区域之间，二者一侧位于所述中间电气区域，一侧位于所述强电电气区域，所述开关量输入模块和开关量输出模块分别输入和输出开关指令并经由所述开关量输入隔离模块和开关量输出隔离模块传送至所述数据处理模块，所述第一级采集隔离模块和所述开关量输入隔离模块为光耦或磁隔离芯片，所述开关量输出隔离模块为光耦或继电器。

2.根据权利要求1所述的一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路，其特征在于，所述第一级隔离电源模块和所述第二级隔离电源模块为源边和副边之间具备电气隔离1000V以上电压能力的隔离电源芯片；所述第一级采集隔离模块、所述开关量输入隔离模块和所述开关量输出隔离模块为通过光隔离或者磁隔离技术手段的信号隔离器件。

3.根据权利要求1所述的一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路，其特征在于，所述强电电气区域、弱电电气区域、中间电气区域和供电电源电气区域分别接地，并且不共地。

4.根据权利要求1所述的一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路，其特征在于，所述带隔离电源的第二级采集隔离模块为集成供电的隔离通信芯片。

5.根据权利要求1所述的一种隔离式直流电量采集和开关量控制电路，其特征在于，所述带隔离电源的第二级采集隔离模块为CAN隔离收发器或485隔离收发器。

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