CN215580540U - 基于can总线的高压开关智能保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于CAN总线的高压开关智能保护系统，包括：零序电压和三相电压测量模块、零序电流和保护电流测量模块、电度计量电流测量模块、对地绝缘测量模块和温度和湿度测量模块均通过CAN总线与保护主控单元通信连接；保护主控单元能根据各测量模块测量的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流和主回路对地绝缘电阻，对高压开关运行状态实时监测和保护；零序电压和三相电压测量模块与三相五柱式变压器连接；零序电流和保护电流测量模块分别与零序电流互感器、保护用电流互感器连接；电度计量电流测量模块与测量用电流互感器连接；电源模块为各模块和单元供电。该保护系统抗干扰性能较强、安装灵活、功能齐备且智能化程度高。

Description

基于CAN总线的高压开关智能保护系统

技术领域

本实用新型涉及高压开关保护领域，尤其涉及一种基于CAN总线的高压开关智能保护系统。

背景技术

高压开关作为输变电系统的一个重要元件，是电网中使用量最多的一次开关设备，而高压开关的工作稳定性，直接影响电网供电的稳定性。

从国内来看，近些年高压开关产品正朝着高电压、大容量、少维护、小型化、组合化方向发展。随着国家电网智能化发展的不断推进，对高压开关也提出了智能化的更高要求。

而要实现高压开关设备的实时监测和智能保护，需要测量三相电压、三相电流、对地绝缘电阻等多个状态量，这就需要有多个电压、电流变送器及相应的调理电路。现有的高压保护系统，都是将变送器采集的电压、电流直接送至集中的调整电路进行统一处理，不仅需要多根线径较粗的传输线，而且也容易对控制器产生电磁干扰，严重影响保护系统的稳定性和可靠性。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供了一种基于CAN总线的高压开关智能保护系统，以解决现有技术中存在的上述技术问题。本实用新型不需要多根传输线，能减少产生电磁干扰，保证系统的稳定性和可靠性，更好地满足供电电网对高压开关智能化的要求。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型实施方式提供一种基于CAN总线的高压开关智能保护系统，包括：

零序电压和三相电压测量模块、三相五柱式变压器、零序电流和保护电流测量模块、零序电流互感器、保护用电流互感器、电度计量电流测量模块、测量用电流互感器、对地绝缘测量模块、温度和湿度测量模块、电源模块和CAN总线、保护主控单元和电源模块；其中，

所述零序电压和三相电压测量模块的输入端与所述三相五柱式变压器电气连接；

所述零序电流和保护电流测量模块的输入端分别与所述零序电流互感器、保护用电流互感器电气连接；

所述电度计量电流测量模块的输入端与所述测量用电流互感器电气连接；

所述零序电压和三相电压测量模块、零序电流和保护电流测量模块、电度计量电流测量模块、对地绝缘测量模块和温度和湿度测量模块均通过所述CAN总线与所述保护主控单元通信连接；

所述保护主控单元能根据各测量模块测量的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流和主回路对地绝缘电阻，对高压开关运行状态实时监测和保护；

所述电源模块，分别与所述零序电压和三相电压测量模块、零序电流和保护电流测量模块、电度计量电流测量模块、对地绝缘测量模块、温度和湿度测量模块和所述保护主控单元电气连接。

与现有技术相比，本实用新型所提供的基于CAN总线的高压开关智能保护系统，至少包括以下有益效果：

由于通过CAN总线将各测量模块通信连接至保护主控单元，不需要布置多根传输线，能减少产生电磁干扰，保证系统的稳定性和可靠性，进而更好地满足供电电网对高压开关智能化的要求；并且，各测量模块能方便的自由摆放于开关柜的合适位置，模块处理器采集的数据通过CAN总线送至嵌入式中央处理芯片进行统一处理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例提供基于CAN总线的高压开关智能保护系统的示意图。

具体实施方式

下面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，这并不构成对本实用新型的限制。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

下面对本实用新型所提供的基于CAN总线的高压开关智能保护系统进行详细描述。本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本实用新型实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本实用新型实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种基于CAN总线的高压开关智能保护系统，包括：

零序电压和三相电压测量模块2、三相五柱式变压器17、零序电流和保护电流测量模块3、零序电流互感器14、保护用电流互感器15、电度计量电流测量模块4、测量用电流互感器16、对地绝缘测量模块5、温度和湿度测量模块6、电源模块7和CAN总线、保护主控单元和电源模块7；其中，

所述零序电压和三相电压测量模块2的输入端与所述三相五柱式变压器17电气连接；

所述零序电流和保护电流测量模块3的输入端分别与所述零序电流互感器14、保护用电流互感器15电气连接；

所述电度计量电流测量模块4的输入端与所述测量用电流互感器16电气连接；

所述零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5和温度和湿度测量模块6均通过所述CAN总线与所述保护主控单元通信连接；

所述保护主控单元能根据各测量模块测量的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流和主回路对地绝缘电阻，对高压开关运行状态实时监测和保护；如可以通过各模块测量的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流以及主回路对地绝缘电阻等参数，根据各参数状态，对高压开关对应进行过载保护、对地绝缘保护和起动闭锁、漏电保护、过压/欠压保护、三相不平衡/断相保护、短路保护等。

所述电源模块7，分别与所述零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5、温度和湿度测量模块6和所述保护主控单元电气连接。

上述系统中，所述保护主控单元包括：

嵌入式中央处理芯片1、组态显示屏8、键盘电路9、继电器驱动电路10、以太网接口电路11、光电转换电路12和执行电路13；其中，

所述嵌入式中央处理芯片1，通过所述CAN总线分别与所述零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5和温度和湿度测量模块6通信连接；

所述光电转换电路12通过所述以太网接口电路11与所述嵌入式中央处理芯片1通信连接；

所述组态显示屏8和键盘电路9分别与所述嵌入式中央处理芯片1通信连接；

所述执行电路13通过所述继电器驱动电路10与所述嵌入式中央处理芯片1电气连接。

上述系统中，所述执行电路13包括：

分别与所述继电器驱动电路10电气连接的电加热单元、散热单元和声光报警器。优选的，散热单元采用无刷直流风扇。通过设置经继电器驱动电路10与嵌入式中央处理芯片1电气连接的执行电路13，在嵌入式中央处理芯片1利用CAN总线读取温度和湿度测量模块6的环境温度、湿度参数，能当温度测量值超过设定阈值时，嵌入式中央处理芯片1将会驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的作为散热单元的无刷直流风扇进行降温；当湿度测量值超过设定阈值时，高性能嵌入式中央处理芯片1将会驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的电加热单元进行除湿。

上述嵌入式中央处理芯片1采用STM32F103ZET6，是一种高性能的嵌入式中央处理芯片；

所述零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5和温度和湿度测量模块6的处理器均采用STM32F042T。

上述系统中，所述保护用电流互感器15采用5P10规格的保护用电流互感器，这样当主回路的运行电流达到10倍额定电流时，测量互感器不会磁饱和，测量电流的误差不大于5％；

所述测量用电流互感器16采用0.2S精确度级的测量用电流互感器，能在1％～120％负荷范围内精度足够高，可以准确测量三相电流的瞬时值。

本实用新型的高压开关智能保护系统，由于各测量模块通过CAN总线连接至保护主控单元，不需要布置多根传输线，能减少产生电磁干扰，保证系统的稳定性和可靠性，进而更好地满足供电电网对高压开关智能化的要求；并且，各测量模块能方便的自由摆放于开关柜的合适位置，模块处理器采集的数据通过CAN总线送至嵌入式中央处理芯片进行统一处理。

为了更加清晰地展现出本实用新型所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本实用新型实施例所提供的基于CAN总线的高压开关智能保护系统进行详细描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于CAN总线的高压开关智能保护系统，该系统是一种多处理器模式的系统，主要包括：保护主控单元、电源模块、CAN总线、零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5、温度和湿度测量模块6、零序电流互感器14、保护用电流互感器15、测量用电流互感器16和三相五柱式变压器17；其中，

零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5和温度和湿度测量模块6均通过CAN总线与保护主控单元通信连接；

电源模块7分别与各测量模块和保护主控单元电气连接，为各测量模块和保护主控单元供电；

零序电压和三相电压测量模块2与三相五柱式变压器17电气连接，能通过三相五柱式变压器17采集三相电压与零序电压；

零序电流和保护电流测量模块3分别与零序电流互感器14、保护用电流互感器15电气连接，能通过保护用电流互感器15、零序电流互感器14分别采集三相电流与零电流；

电度计量电流测量模块4与测量用电流互感器16电气连接，能通过测量用电流互感器16采集三相电流；

对地绝缘测量模块5，能采集对地绝缘电阻；

温度和湿度测量模块6，能采集环境温度、湿度。

所述的保护主控单元，能根据各测量模块采集的三相电压、三相电流、零序电压、零电流、对地绝缘电阻及环境温度、湿度等参数，实现对高压开关运行状态的实时监测和保护。

所述的保护主控单元具体包括：嵌入式中央处理芯片1、组态显示屏8、键盘电路9、继电器驱动电路10、以太网接口电路11、光电转换电路12和执行电路13；其中，

嵌入式中央处理芯片1通过CAN总线分别与零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5和温度和湿度测量模块6通信连接；

光电转换电路12通过以太网接口电路11与嵌入式中央处理芯片1通信连接，能连接外部的光纤通信线路，进行数据交互和远程控制；

组态显示屏8，与嵌入式中央处理芯片1通信连接，能对各测量模块测量的参数进行显示；

键盘电路9，与嵌入式中央处理芯片1通信连接，设定运行参数和保护参数，运行参数主要包括额定电压、额定电流、额定功率等；保护参数主要包括过/欠压比例、过载倍数，短路倍数、对地绝缘电阻下限值、漏电保护动作值及温度上限值、湿度上限值等；

执行电路13经继电器驱动电路10与嵌入式中央处理芯片1电气连接，执行电路13具体包括电加热单元、散热单元(优选采用无刷直流风扇)和声光报警器，能在嵌入式中央处理芯片1利用CAN总线读取温度和湿度测量模块6的环境温度、湿度参数后，当温度测量值超过设定阈值时，由嵌入式中央处理芯片1驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的无刷直流风扇进行降温；当湿度测量值超过设定阈值时，嵌入式中央处理芯片1会驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的电加热单元进行除湿；以及当嵌入式中央处理芯片1接收到测量模块测量的某一参数超越预设的报警值时，由嵌入式中央处理芯片1驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的声光报警器进行声光报警。

上述保护主控单元的各组成部分均通过电源模块7统一供电。

上述保护主控单元的嵌入式中央处理芯片1优选STM32F103ZET6芯片，是一种高性能嵌入式芯片；零序电压和三相电压测量模块2、零序电流和保护电流测量模块3、电度计量电流测量模块4、对地绝缘测量模块5、温度和湿度测量模块6的处理器优选均采用STM32F042T处理，各测量模块可自由摆放于开关柜的合适位置，各测量模块处理器将采集的数据通过CAN总线送至作为中央处理器的嵌入式中央处理芯片1进行统一处理。数据传输基于CAN总线进行，只需要两根传输线即可实现，不仅大大减少了传输线的数量，而且也降低了对传输线线径的要求，更彻底根除了数据传送过程中的电磁干扰。

上述高压开关智能保护系统使用时，利用三相五柱式变压器17采集主回路的三相电压和零序电压数据，送入零序电压和三相电压测量模块2；利用零序电流互感器14、保护用电流互感器15分别采集零序电流、A相电流和C相电流，送入零序电流和保护电流测量模块3；利用测量用电流互感器16采集A相电流、B相电流和C相电流，送入电度计量电流测量模块4；采用保护用电流互感器15和测量用电流互感器16两套电流互感器分别采集主回路的实时电流：保护用电流互感器15采用5P10规格，主回路的运行电流达到10倍额定电流时，测量互感器不会磁饱和，测量电流的误差不大于5％，可有效测量较大倍数的过载电流和短路电流的动作值；测量用电流互感器16采用0.2S精确度级，在1％～120％负荷范围内精度足够高，可以准确测量三相电流的瞬时值。

上述保护主控单元的嵌入式中央处理芯片1利用CAN总线读取各测量模块测量的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流以及主回路对地绝缘电阻等参数，利用反时限原理进行过载保护，按附加直流原理进行对地绝缘保护和起动闭锁，利用附加直流原理和零序功率方向原理进行漏电保护，并可实现过压/欠压保护、短路保护、三相不平衡/断相保护，短路保护的动作时间可有效控制在100ms以下。利用测量的三相电压、三相电流、零序电压和零序电流等瞬时量，可精确计算出供电网络的功率因数和电度计量值。在系统正常运行时，可实时显示三相电压、三相电流的瞬时有效值。

上述保护主控单元的嵌入式中央处理芯片1利用CAN总线读取温/湿度测量模块6的环境温度、湿度参数。当温度测量值超过设定阈值时，高性能嵌入式中央处理芯片1将会驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的无刷直流风扇进行降温；当湿度测量值超过设定阈值时，高性能嵌入式中央处理芯片1将会驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的电加热单元进行除湿。

上述保护主控单元的嵌入式中央处理芯片1能通过以太网接口电路11和光电转换电路12实现基于TCP/IP协议的光纤通信，这样既能实时上传高压开关的运行数据和故障状态，又能全时接收上位机指令并相应动作；数据传输速率高，整体抗干扰性能强，可以实现高压开关设备的远程控制和无人值守。

本实施例的高压开关智能保护系统使用前，用户可先通过键盘电路9进行运行和保护参数的设定。运行参数主要包括额定电压、额定电流、额定功率等；保护参数主要包括过/欠压比例、过载倍数，短路倍数、对地绝缘电阻下限值、漏电保护动作值及温度上限值、湿度上限值等。

高压开关设备运行过程中，本实用新型利用三相五柱式变压器17采集主回路的三相电压和零序电压数据，送入零序电压和三相电压测量模块2；利用零序电流互感器14、保护用电流互感器15分别采集零序电流、A相电流和C相电流，送入零序电流和保护电流测量模块3；利用测量用电流互感器16采集A相电流、B相电流和C相电流，送入电度计量电流测量模块4。系统分别采用两套电流互感器采集主回路的实时电流，保护用电流互感器15采用5P10规格，主回路的运行电流达到10倍额定电流时，测量互感器不会磁饱和，测量电流的误差不大于5％，可有效测量较大倍数的过载电流和短路电流的动作值；测量用电流互感器16采用0.2S精确度级，在1％～120％负荷范围内精度足够高，可以准确测量三相电流的瞬时值；上述实施方式，既可实现对主回路的大倍数过载保护和短路保护，又可以在小电流运行时精确测量高压开关设备的实时电流。

嵌入式中央处理芯片1利用各测量模块传送来的三相电压、三相电流、对地绝缘电阻及环境温度、湿度等参数，通过程序中的算法可实现多种保护。系统利用反时限原理对高压开关设备进行过载保护，按附加直流原理进行对地绝缘保护和起动闭锁，利用附加直流原理和零序功率方向原理进行漏电保护，并可实现过压/欠压保护、短路保护、三相不平衡/断相保护，短路保护的动作时间可有效控制在100ms以下；利用测量的三相电压、三相电流、零序电压和零序电流等瞬时量，可精确计算出供电网络的功率因数和电度计量值。在系统正常运行时，可实时显示三相电压、三相电流的瞬时有效值。

嵌入式中央处理芯片1还可利用CAN总线读取温/湿度测量模块6的环境温度、湿度参数。当温度测量值超过设定阈值时，高性能嵌入式中央处理芯片1将会驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的无刷直流风扇进行降温；当湿度测量值超过设定阈值时，高性能嵌入式中央处理芯片1将会驱动继电器驱动电路10启动执行电路13中的电加热单元进行除湿。

嵌入式中央处理芯片1通过以太网接口电路11和光电转换电路12实现基于TCP/IP协议的光纤通信，既能实时上传开关的运行数据和故障状态，又能全时接收上位机指令并相应动作。数据传输速率高，整体抗干扰性能强，可以实现高压开关设备的远程控制和无人值守。

综上所述，本实用新型的高压开关智能保护系统至少具有以下优点：智能化程度较高，兼有丰富的外部接口；功能先进，安装方便，应用灵活；安全可靠故障率低，抗干扰性能好。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于CAN总线的高压开关智能保护系统，其特征在于，包括：

零序电压和三相电压测量模块(2)、三相五柱式变压器(17)、零序电流和保护电流测量模块(3)、零序电流互感器(14)、保护用电流互感器(15)、电度计量电流测量模块(4)、测量用电流互感器(16)、对地绝缘测量模块(5)、温度和湿度测量模块(6)、电源模块(7)和CAN总线、保护主控单元和电源模块(7)；其中，

所述零序电压和三相电压测量模块(2)的输入端与所述三相五柱式变压器(17)电气连接；

所述零序电流和保护电流测量模块(3)的输入端分别与所述零序电流互感器(14)、保护用电流互感器(15)电气连接；

所述电度计量电流测量模块(4)的输入端与所述测量用电流互感器(16)电气连接；

所述零序电压和三相电压测量模块(2)、零序电流和保护电流测量模块(3)、电度计量电流测量模块(4)、对地绝缘测量模块(5)和温度和湿度测量模块(6)均通过所述CAN总线与所述保护主控单元通信连接；

所述保护主控单元能根据各测量模块测量的三相电压、三相电流、零序电压、零序电流和主回路对地绝缘电阻，对高压开关运行状态实时监测和保护；

所述电源模块(7)，分别与所述零序电压和三相电压测量模块(2)、零序电流和保护电流测量模块(3)、电度计量电流测量模块(4)、对地绝缘测量模块(5)、温度和湿度测量模块(6)和所述保护主控单元电气连接。

2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的高压开关智能保护系统，其特征在于，所述保护主控单元包括：

嵌入式中央处理芯片(1)、组态显示屏(8)、键盘电路(9)、继电器驱动电路(10)、以太网接口电路(11)、光电转换电路(12)和执行电路(13)；其中，

所述嵌入式中央处理芯片(1)，通过所述CAN总线分别与所述零序电压和三相电压测量模块(2)、零序电流和保护电流测量模块(3)、电度计量电流测量模块(4)、对地绝缘测量模块(5)和温度和湿度测量模块(6)通信连接；

所述光电转换电路(12)通过所述以太网接口电路(11)与所述嵌入式中央处理芯片(1)通信连接；

所述组态显示屏(8)和键盘电路(9)分别与所述嵌入式中央处理芯片(1)通信连接；

所述执行电路(13)通过所述继电器驱动电路(10)与所述嵌入式中央处理芯片(1)电气连接。

3.根据权利要求2所述的基于CAN总线的高压开关智能保护系统，其特征在于，所述执行电路(13)包括：

分别与所述继电器驱动电路(10)电气连接的电加热单元、散热单元和声光报警器。

4.根据权利要求3所述的基于CAN总线的高压开关智能保护系统，其特征在于，所述散热单元采用无刷直流风扇。

5.根据权利要求2所述的基于CAN总线的高压开关智能保护系统，其特征在于，所述嵌入式中央处理芯片(1)采用STM32F103ZET6；

所述零序电压和三相电压测量模块(2)、零序电流和保护电流测量模块(3)、电度计量电流测量模块(4)、对地绝缘测量模块(5)和温度和湿度测量模块(6)的处理器均采用STM32F042T。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于CAN总线的高压开关智能保护系统，其特征在于，所述保护用电流互感器(15)采用5P10规格的保护用电流互感器；

所述测量用电流互感器(16)采用0.2S精确度级的测量用电流互感器。

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