一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器的制造方法
【專利摘要】一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，由MCU主控芯片、模擬量采集調(diào)理模塊、開關(guān)量處理模塊、通信模塊、人機(jī)界面模塊、電源模塊和驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成；模擬量采集調(diào)理模塊采集電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)傳輸給MCU主控芯片，開關(guān)量處理模塊采集斷路器合閘、跳闡開關(guān)量參數(shù)傳輸給MCU主控芯片，通信模塊可以實(shí)現(xiàn)各控制器間的配合，以及將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，人機(jī)界面模塊可供工作人員隨時(shí)查看電網(wǎng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并通過按鍵對控制器做出相關(guān)的調(diào)整和控制；本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，軟件易懂；實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)四遙功能；隔離故障，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行；具有功率方向判斷功能，防止了由分布式電源反向給故障點(diǎn)供電導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性的缺點(diǎn)；具有廣闊的市場應(yīng)用前景和工程應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】
一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器 (一)
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本實(shí)用新型屬于電力系統(tǒng)智能配電網(wǎng)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)對含分布式電源配電網(wǎng)的保 護(hù)，尤其是一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器。 (二)
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力已經(jīng)滲透了每行每業(yè)。電力用戶對電能的要求也是愈 來愈髙。近些年來的幾次大范圍停電事故使人們越來越清楚的認(rèn)識到集中式大電網(wǎng)存在的 弊端；同時(shí)，世界各國都面臨著能源緊缺問題;另外，環(huán)境問題也愈來愈受到各國的重視。具 有清潔、可靠、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)的分布式電源快速發(fā)展起來，與集中式大電網(wǎng)形成互補(bǔ)關(guān)系。分 布式電源和集中式大電網(wǎng)結(jié)合起來的供電方式，需將分布式電源接入到配電網(wǎng)中，這樣，將 對配電網(wǎng)繼電保護(hù)產(chǎn)生一定的影響，為了更好地使分布式電源融入配電網(wǎng)，發(fā)揮分布式電 源的最大價(jià)值，最大限度的提高供電質(zhì)量，必須要研究適用于含分布式電源的配電網(wǎng)的斷 路器控制器，提出合理的解決方案來處理分布式電源接入給配電網(wǎng)保護(hù)帶來的影響問題； 尋找高可靠性、高靈敏度的繼電保護(hù)原理勢在必行。因此，研究含分布式電源配電網(wǎng)的斷路 器控制器具有積極意義。
[0003] 電力系統(tǒng)中，通常采用電流保護(hù)配合重合閘實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)繼電保護(hù)。第一，三段式 電流保護(hù)分為無時(shí)限電流速斷保護(hù)、帶時(shí)限電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過電流保護(hù)。無時(shí)限電 流速斷保護(hù)簡稱速斷保護(hù)，是反應(yīng)電流增大而無延時(shí)動作的電流保護(hù)；帶時(shí)限電流速斷保 護(hù)，又稱為過流II段保護(hù)，按躲過下一級線路速斷保護(hù);定時(shí)限過電流保護(hù)，又稱為過流III 段保護(hù)，按躲過本線路最大負(fù)荷電流整定動作整定值，保護(hù)本級線路和下一級線路的全長， 可同時(shí)作為本線路的近后備保護(hù)和相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)，整定其動作整定值，保護(hù)本線 路全長。第二，大量運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，電力系統(tǒng)中多數(shù)故障都是瞬時(shí)性故障，繼電保護(hù)動作后， 故障點(diǎn)恢復(fù)絕緣，故障自行消除，此時(shí)重新合上斷路器，往往能夠恢復(fù)正常供電，減少停電 時(shí)間。因此，電力系統(tǒng)中往往安裝AAR(自動重合閘裝置），替代人工手動合閘，減少停電時(shí) 間，提尚供電穩(wěn)定性。
[0004] 分布式電源的接入使傳統(tǒng)配電網(wǎng)由單電源供電系統(tǒng)變成了多電源供電系統(tǒng)，與傳 統(tǒng)配電網(wǎng)相比，故障時(shí)，故障電流的大小和方向都會改變，導(dǎo)致傳統(tǒng)繼電保護(hù)方式的保護(hù)范 圍以及各保護(hù)間的配合受到影響。分布式電源接入對傳統(tǒng)繼電保護(hù)的影響可分為以下兩 種:對電流保護(hù)的影響和對重合鬧的影響。
[0005] 鑒于分布式電源的接入對配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)產(chǎn)生的影響，本實(shí)用新型利用自 適應(yīng)三段式電流保護(hù)加功率方向判斷配合通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對含分布式電源配電網(wǎng)的保護(hù)。 自適應(yīng)三段式電流保護(hù)能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)更新保護(hù)整定值，避免了當(dāng)分布式電源接 入點(diǎn)下游或相鄰饋線發(fā)生短路故障時(shí)，由于分布式電源的作用，導(dǎo)致的保護(hù)范圍增大，失去 選擇性的缺點(diǎn)；當(dāng)分布式電源上游發(fā)生故障時(shí)，由于保護(hù)添加了功率方向判斷功能，防止了 由分布式電源反向給故障點(diǎn)供電導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性的缺點(diǎn)；由于添加了通信系統(tǒng)，控制 器之間能相互通信，能很好地實(shí)現(xiàn)對分布式電源接入點(diǎn)上游的故障進(jìn)行保護(hù)，從故障點(diǎn)兩 端切除故障，由分布式電源獨(dú)立給負(fù)載供電，充分發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢，同時(shí)也將停電范 圍減到最小，保證了電網(wǎng)的安全，穩(wěn)定運(yùn)行。因此，本實(shí)用新型提出了一種基于三段式電流 法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器。 (三)【實(shí)用新型內(nèi)容】：
[0006] 本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)了一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控 制器，該控制器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，一方面能實(shí)時(shí)的監(jiān)測電網(wǎng)的電壓、電流等參數(shù)，并將這 些參數(shù)上傳 SCADA，實(shí)現(xiàn)四遙;另一方面，當(dāng)含分布式電源的配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，控制器能準(zhǔn) 確的判斷故障區(qū)域并控制相應(yīng)的斷路器跳鬧，隔離故障，保證非故障區(qū)域正常運(yùn)行。
[0007] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案：一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器， 其特征在于它是由Μ⑶(Micro Control Unit--微控制單元)主控芯片、模擬量采集調(diào)理 模塊、開關(guān)量處理模塊、通信模塊、人機(jī)界面模塊、電源模塊和驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成;其中，所述模 擬量采集調(diào)理模塊采集電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)傳輸給MCU主控芯片，其輸出端與MCU主控芯 片呈單向連接;所述開關(guān)量處理模塊采集斷路器合閘、跳闡開關(guān)量參數(shù)傳輸給MCU主控芯 片，其輸出端與MCU主控芯片呈單向連接;所述電源模塊對控制區(qū)進(jìn)行供電，其與MCU主控芯 片呈單向連接;所述通信模塊可以實(shí)現(xiàn)各控制器間的配合，以及將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，其與Μ⑶主控芯片呈雙向連接;所述人機(jī)界面模塊與Μ⑶主控芯片之間呈雙向 連接，可供工作人員隨時(shí)查看電網(wǎng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并通過按鍵對控制器做出相關(guān)的調(diào)整 和控制;所述驅(qū)動系統(tǒng)的輸入端與MCU主控芯片呈單向連接，其輸出端與斷路器連接。
[0008] 所述MCU主控芯片是美國德州儀器公司所生產(chǎn)的DSP TMS320F2812芯片。
[0009]所述模擬量采集調(diào)理模塊由電壓采集調(diào)理電路、電流采集調(diào)理電路和DSP芯片構(gòu) 成;其中電壓采樣調(diào)理電路是由差分運(yùn)放單元、低通濾波器II單元和限壓電路單元構(gòu)成;所 述差分運(yùn)放單元通過霍爾電壓互感器采集電網(wǎng)電壓信號，其輸出端與低通濾波器II單元和 限壓電路單元依次呈單向連接，最后將采集到的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，并通過一個(gè)限 幅電路將信號傳輸給DSP芯片;所述電流采樣調(diào)理電路是由運(yùn)放單元、低通濾波器I單元和 電壓偏移縮放單元構(gòu)成;所述運(yùn)放單元通過霍爾電流互感器采集電網(wǎng)電流信號，其輸出端 與低通濾波器I單元和電壓偏移縮放單元依次呈單向連接，最后將采集到的交流信號轉(zhuǎn)換 為直流信號，并通過另一個(gè)限幅電路將信號傳輸給DSP芯片;所述DSP芯片的輸出端與MCU主 控芯片的輸入端連接。
[0010] 所述DSP芯片采用MAX6103EUR-T芯片。
[0011] 所述開關(guān)量處理模塊由一個(gè)限流電阻、一個(gè)穩(wěn)壓二極管、一個(gè)吸收電路、一個(gè)濾波 電路、施密特觸發(fā)器和光耦TLP785組成;其中，所述限流電阻的的輸入端通過遙信輸入接受 采集到的開關(guān)信號，其輸出端與穩(wěn)壓二極管連接，所述穩(wěn)壓二極管的輸出端與吸收電路連 接將信號傳輸給吸收電路;所述濾波電路的輸入端與遙信公共端連接，接受采集到的信號， 其輸出端與吸收電路的輸入端連接，所述濾波電路的輸出端與吸收電路的輸入端連接;所 述吸收電路的輸出端與光耦TLP785的輸入端連接，將所得到的采集信號傳送給光耦 TLP785;所述光耦TLP785的輸出端與施密特觸發(fā)器的輸入端連接，所述施密特觸發(fā)器的輸 出端與Μ⑶主控芯片連接，將所得的信號整理成理想矩形波輸入到Μ⑶主控芯片中；當(dāng)輸入 為高電平時(shí)，信號通過限流電阻和穩(wěn)壓二極管使光耦TLP785導(dǎo)通，光耦TLP785輸出的低電 平通過施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換成高電平，并且輸入到Μ⑶主控芯片中，從而MCU主控芯片檢測 到開關(guān)量的輸入。
[0012]所述人機(jī)界面模塊包括液晶顯示屏模塊、LED模塊和操作按鍵模塊，液晶顯示屏模 塊采用金鵬電子有限公司的C系列中文圖形兩用液晶顯示模塊0CMJ4X8C-8,其通過自身所 含的ST7920控制器與MCU主控芯片連接;所述LED模塊采用發(fā)光二極管;所述操作按鍵模塊 為常規(guī)按鍵裝置。
[0013]所述通信模塊包括以太網(wǎng)通信模塊和無線通信模塊，其中以太網(wǎng)通信模塊由以太 網(wǎng)控制芯片、隔離變壓器和電平轉(zhuǎn)換模塊組成，以太網(wǎng)控制芯片的輸出端與隔離變壓器的 一端連接，隔離變壓器的另一端與電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與 MCU主控芯片連接;所述無線通信模塊與MCU主控芯片直接相連。
[0014] 所述電源模塊由輸入EMC(Electro Magnetic compatibility--電磁兼容性）單 元、高壓整流濾波單元、PWM(Pulse-Width Modulation--脈寬調(diào)變)控制單元、功率轉(zhuǎn)換 單元、輸出整流濾波單元、輸出檢測保護(hù)單元、電池活化管理單元、電池充電管理單元、電池 放電管理單元、電池輸入輸出檢測保護(hù)單元構(gòu)成;其中，所述輸入EMC單元、高壓整流濾波單 元、PWM控制單元、功率轉(zhuǎn)換單元、輸出整流濾波單元、輸出檢測保護(hù)單元依此呈順序單向連 接;所述輸入EMC單元的輸入端接收配電網(wǎng)傳輸線路上電壓電流信號;所述輸出檢測保護(hù)單 元的輸出端輸出所檢測線路故障模擬信號給MCU主控芯片;所述輸出整流濾波單元的輸出 端分別與電池充電管理單元的輸入端和電池放電管理單元的輸入端呈單向相連;所述電池 活化管理單元的輸入端接收人工給定PWM控制的要求信號，其輸出端與PWM控制單元的輸入 端連接;所述電池輸入輸出檢測保護(hù)單元的輸入端連接電池充電管理單元的輸出端，其輸 出端則與電池放電管理單元的輸入端及電池活化管理單元的輸入端連接;所述電池輸入輸 出檢測保護(hù)單元與MCU主控芯片呈雙向連接。
[0015] 所述驅(qū)動系統(tǒng)由輸入電阻、M579系列芯片、推挽電路和一個(gè)穩(wěn)壓二級管組成；其 中，輸入驅(qū)動信號經(jīng)輸入電阻進(jìn)入M579系列芯片，M579系列芯片的一個(gè)輸出端直接是IGBT 的集電極電壓，另一個(gè)輸出端與一個(gè)由兩個(gè)三極管組成的推挽電路的輸入端相連接，推挽 電路的輸出端是IGBT所需要的柵極與發(fā)射極之間的門極電壓;推挽電路另一個(gè)輸出端與穩(wěn) 壓二極管的輸入端連接，穩(wěn)壓二極管的輸出端是IGBT的發(fā)射極電壓。
[0016] 本實(shí)用新型的工作方法：
[0017] (1)模擬量采集調(diào)理模塊分別與智能配電網(wǎng)和MCU主控芯片相連，實(shí)時(shí)的采集電網(wǎng) 的電壓、電流等數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為MCU主控芯片能處理的信號；
[0018] (2)開關(guān)量處理模塊分別與智能配電網(wǎng)和Μ⑶主控芯片相連，實(shí)時(shí)采集遠(yuǎn)方位置、 彈黃未儲能、手車工作位置、手車試驗(yàn)位置、接地刀鬧位置、隔離開關(guān)位置等等一系列的開 關(guān)量信號，并通過控制輸出電路將這些數(shù)據(jù)傳送給MCU主控芯片；
[0019] (3)MCU主控芯片需要完成大量數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算以及保證較好的數(shù)據(jù)處理速度和精 度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的保護(hù)功能;還需要強(qiáng)大的通信功能，以方便控制器之間的相互配合以及和監(jiān) 控中心之間的信息交換；
[0020] (4)通信模塊將采集的遙測、遙信、S0E等信息上傳到監(jiān)控中心和調(diào)度中心，同時(shí)， 操作人員在監(jiān)控中心或調(diào)度中心通過通信對斷路器實(shí)現(xiàn)遙控、遙調(diào)操作，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)"四 遙"功能，提升了電力系統(tǒng)自動化水平；
[0021] (5)操作人員可以就地通過人機(jī)界面模塊查看電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)，通過按鍵調(diào)整控 制器的相關(guān)參數(shù)，或者控制斷路器分合鬧；
[0022] (6)驅(qū)動系統(tǒng)接收到Μ⑶主控芯片發(fā)出的PWM信號后，由此信號驅(qū)動斷路器，以實(shí)現(xiàn) 斷路器的開斷與閉合。
[0023] 本實(shí)用新型的工作原理：一種應(yīng)用含分布式電源配電網(wǎng)的斷路器控制器，基于自 適應(yīng)三段式電流保護(hù)加功率方向判斷配合通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對含分布式電源的配電網(wǎng)的繼 電保護(hù)。自適應(yīng)三段式電流保護(hù)能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)更新保護(hù)整定值，由于保護(hù)添加 了功率方向判斷功能，防止了由分布式電源反向給故障點(diǎn)供電導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性的缺 點(diǎn)；由于添加了通信系統(tǒng)，控制器之間能相互通信。MCU主控芯片需要完成大量數(shù)據(jù)采集、運(yùn) 算以及保證較好的數(shù)據(jù)處理速度和精度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的保護(hù)功能;還需要強(qiáng)大的通信功能，以 方便控制器之間的相互配合以及和監(jiān)控中心之間的信息交換。本實(shí)用新型選用美國德州儀 器公司所生產(chǎn)的TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片具有強(qiáng)大的控制能力和信號處理能 力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，整合了A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲器、CAN模塊、串口模塊、事件管 理等外設(shè)。
[0024]適應(yīng)三段式電流保護(hù)具體工作原理如下：
[0025] (1)自適應(yīng)無時(shí)限電流速斷保護(hù)
[0026]自適應(yīng)無時(shí)限電流速斷保護(hù)，能自動分析電網(wǎng)運(yùn)行方式和故障類型，并實(shí)時(shí)自動 完成保護(hù)整定值計(jì)算和更新，甚至無需人工參與。自適應(yīng)無時(shí)限電流速斷保護(hù)的整定值：
[0028] 式中：Κκ表示可靠系數(shù)，預(yù)先設(shè)定;Kd表示故障類型系數(shù);E表示配電網(wǎng)系統(tǒng)等效相 電勢；Zs表示配電網(wǎng)系統(tǒng)電源側(cè)阻抗;Z L表示線路末端到保護(hù)安裝處的阻抗，己知，預(yù)先設(shè) 定。
[0029] 自適應(yīng)無時(shí)限電流速斷保護(hù)整定值自動計(jì)算步驟如下：
[0030] ①判斷故障類型，決定故障系數(shù)Kd。系統(tǒng)發(fā)生不同故障時(shí)，將出現(xiàn)不同的故障分 量。當(dāng)發(fā)生兩相短路故障時(shí)，將出現(xiàn)較大的負(fù)序電流;相反，發(fā)生三相短路時(shí)，只出現(xiàn)較小的 負(fù)序電流。因此，根據(jù)負(fù)序電流的大小可判斷故障類型。三相短路時(shí)，故障類型系數(shù)取為1; 兩相短路時(shí)，
[0031] ②通過故障分量計(jì)算系統(tǒng)阻抗
[0032] ③在線實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)等效相電勢
[0033] E = Um+ImZs
[0034] 式中，Um、Im分別表示線路故障時(shí)，保護(hù)安裝處的電壓和電流值。
[0035] ④根據(jù)公式求得自適應(yīng)無時(shí)限電流速斷保護(hù)的整定值；
[0036] (2)自適應(yīng)帶時(shí)限電流速斷保護(hù)
[0037] 自適應(yīng)帶時(shí)限電流速斷保護(hù)要保護(hù)本線路全長，因此，其保護(hù)整定值：
[0038] ^ZD2=^K^ZDl
[0039] 式中，表示本線路自適應(yīng)帶時(shí)限電流速斷保護(hù)的保護(hù)整定值；表示下一級 線路自適應(yīng)無時(shí)限電流速斷保護(hù)的保護(hù)整定值；欠〖表示自適Γ帶時(shí)限電流速斷保護(hù)可靠 系數(shù)，一般取1.1-12。
[0040] 為實(shí)現(xiàn)與下一級線路自適應(yīng)無時(shí)限電流速斷保護(hù)相互之間的選擇性配合，自適應(yīng) 帶時(shí)限電流速斷保護(hù)設(shè)定一定的動作延時(shí)，一般取為〇.5s。
[0041] (3)自適應(yīng)過電流保護(hù)
[0042]傳統(tǒng)過電流保護(hù)按躲過本線路最大負(fù)荷電流整定其動作整定值。但是，大多數(shù)情 況下，配電網(wǎng)線路負(fù)荷都運(yùn)行在小于最大負(fù)荷的狀態(tài)下。而自適應(yīng)過電流保護(hù)能在線實(shí)時(shí) 監(jiān)測處線路當(dāng)前的負(fù)荷電流，因此，可按躲過當(dāng)前負(fù)荷電流來整定動作整定值：
[0044] 式中，1^(3表示自返回系數(shù)，一般取0.85-0.95;襄【11表示可靠系數(shù)，一般取1.15-1.25 ;Kss表示自啟動系數(shù);II表示當(dāng)前負(fù)荷電流。
[0045] 顯然，跟傳統(tǒng)過電流相比，自適應(yīng)過電流保護(hù)具有更高的靈敏度。
[0046] 自適應(yīng)過電流保護(hù)的動作時(shí)限按照時(shí)限的階梯原則確定，因此越靠近電源側(cè)的保 護(hù)動作時(shí)限越長，故障切除時(shí)間越長;然而，越靠近電源側(cè)故障產(chǎn)生的故障電流越大，造成 的危害越嚴(yán)重。過電流保護(hù)的動作時(shí)限決定了它不能成為靠近電源側(cè)的線路的主保護(hù)。因 此，在配電網(wǎng)中，廣泛采用無時(shí)限電流速斷保護(hù)配合帶時(shí)限電流速斷保護(hù)作為線路的主保 護(hù)，以便快速的切除故障;過電流保護(hù)則一般作為相鄰線路和本線路的后備保護(hù)。
[0047] 當(dāng)然，對于電網(wǎng)終端的線路保護(hù)，由于此時(shí)的過流保護(hù)動作時(shí)限不長，因此，這種 情況下，過電流保護(hù)可以作為主保護(hù)；可以不用配置無時(shí)限電流速斷保護(hù)和定時(shí)限電流速 斷保護(hù)。
[0048]上述所說的功率方向判斷功能可用來判斷智能配電網(wǎng)中功率的流向。當(dāng)分布式電 源接入點(diǎn)上游發(fā)生故障時(shí)，僅采用自適應(yīng)三段式電流保護(hù)還是無法避免故障點(diǎn)靠近分布式 電源側(cè)保護(hù)失去選擇性，誤動作的情況發(fā)生。因此，本文設(shè)計(jì)了功率方向判斷功能，設(shè)定電 流有母線流向線路為正，反之為負(fù)。功率方向?yàn)檎龝r(shí)，自適應(yīng)三段式電流保護(hù)正常保護(hù)；當(dāng) 功率方向?yàn)樨?fù)時(shí)，自適應(yīng)三段式電流保護(hù)閉鎖。功率方向判斷功能能有效的避免分布式電 源接入點(diǎn)上游故障時(shí)，故障點(diǎn)靠近分布式電源側(cè)保護(hù)誤動作的情況發(fā)生。
[0049] 功率方向可通過控制器采集的電壓、電流的相角差進(jìn)行判斷。可通過軟件編程實(shí) 現(xiàn)。
[0050] 上述所說的通信系統(tǒng)即在保護(hù)裝置上設(shè)計(jì)通信模塊，每級線路的保護(hù)裝置的通信 模塊都通過通信通道和下一級保護(hù)裝置的通信模塊連接在一起，實(shí)現(xiàn)各級保護(hù)裝置相互間 的通信。
[0051] 本實(shí)用新型是對斷路器進(jìn)行控制，所以必須具有自己的一套保護(hù)動作原則來指導(dǎo) 開關(guān)的動作。以下即為本實(shí)用新型的保護(hù)動作原則：
[0052] (1)控制器用于分布式電源接入點(diǎn)上游，每一級線路保護(hù)裝置中，如果本級保護(hù)裝 置的自適應(yīng)三段式電流保護(hù)動作，則判定本線路內(nèi)部發(fā)生短路故障。本級線路保護(hù)裝置保 護(hù)動作，跳開相應(yīng)的斷路器。同時(shí)，向下一級線路保護(hù)裝置持續(xù)發(fā)送跳閘信號150毫秒，控制 下一級的保護(hù)裝置跳開其相對應(yīng)的斷路器。
[0053]本線路保護(hù)自適應(yīng)三段式電流保護(hù)動作后，檢測相應(yīng)斷路器是否跳鬧，若是跳鬧 不成功，則發(fā)出斷路器拒動告警信號，由上一級線路保護(hù)的自適應(yīng)過流保護(hù)動作，切除故 障，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)動作。
[0054] 下一級線路保護(hù)檢測到跳鬧命令信號后，跳開相應(yīng)的斷路器，隨后檢測斷路器是 否跳鬧成功，若是跳閘不成功，則給下一級保護(hù)持續(xù)發(fā)送跳鬧命令信號150ms，控制下一級 線路保護(hù)跳閘，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)動作。
[0055] (2)控制器用于分布式電源接入點(diǎn)下游或者相鄰饋線時(shí)，每一級線路保護(hù)裝置，由 于其相當(dāng)于單電源供電系統(tǒng)，所以跟分布式電源接入點(diǎn)上游的每一級線路保護(hù)裝置設(shè)置稍 有不同。本線路保護(hù)自適應(yīng)三段式電流保護(hù)動作后，不需要向下一級線路保護(hù)發(fā)送跳鬧命 令信號。
[0056] 為了方便控制器設(shè)置，實(shí)現(xiàn)控制器用于不同位置的保護(hù)功能，本文將是否需要向 下一級線路保護(hù)發(fā)送跳闡命令信號設(shè)計(jì)成可選擇的投退定值，用戶可通過控制器的人機(jī)界 面對其進(jìn)行選擇。當(dāng)控制器用于分布式電源接入點(diǎn)上游時(shí)，選擇需向下一級線路保護(hù)發(fā)送 跳鬧命令信號；當(dāng)控制器用于分布式電源接入點(diǎn)下游或者相鄰饋線時(shí)，則選擇不需要向下 一級線路保護(hù)發(fā)送跳間命令信號。
[0057]本實(shí)用新型所涉及的動作部分的控制主要放在DSP控制芯片中并通過軟件實(shí)現(xiàn)。 整個(gè)系統(tǒng)程序編寫與調(diào)試DSP代碼的工作都是在集成開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio 3.3 (CCS3.3)中完成的。本實(shí)用新型系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，編寫以C語言為主。本實(shí) 用新型系統(tǒng)的軟件部分主要包括以下幾個(gè)部分:主程序、數(shù)據(jù)采集處理中斷程序、人機(jī)界面 子程序、通信子程序等模塊和繼電保護(hù)中斷程序。其中數(shù)據(jù)采集處理中斷程序?yàn)槎〞r(shí)器中 斷，定時(shí)申請中斷。繼電保護(hù)中斷程序采用高電平觸發(fā)方式，當(dāng)電網(wǎng)當(dāng)前電流I大于自適應(yīng) 過電流保護(hù)動作整定值/f時(shí)，發(fā)出高電平，請求DSP處理繼電保護(hù)中斷。相比較數(shù)據(jù)采集處 理中斷程序，繼電保護(hù)中斷程序優(yōu)先級別更高。
[0058] 本實(shí)用新型的優(yōu)越性和技術(shù)效果在于:①硬件設(shè)計(jì)與軟件相結(jié)合，硬件裝置設(shè)計(jì) 簡單，軟件編程通俗易懂;②該控制器能完成對含有分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并 將采集到的電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絊CADA，實(shí)現(xiàn)四遙功能;③當(dāng)含有分布式電源的配電網(wǎng)發(fā)生 故障時(shí)，該控制器能及時(shí)的隔離故障，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行;④避免了當(dāng)分布式電源接入 點(diǎn)下游或相鄰饋線發(fā)生短路故障時(shí)，由于分布式電源的增助作用，導(dǎo)致的保護(hù)范圍增大，失 去選擇性的缺點(diǎn);⑤當(dāng)分布式電源上游發(fā)生故障時(shí)，由于保護(hù)添加了功率方向判斷功能，防 止了由分布式電源反向給故障點(diǎn)供電導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性的缺點(diǎn);⑥具有廣闊的市場應(yīng)用 前景和工程應(yīng)用價(jià)值。 (四）【附圖說明】
[0059] 圖1為本實(shí)用新型所涉一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器的總 體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0060] 圖2為本實(shí)用新型所涉一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器中模 擬量采集調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0061] 圖3為本實(shí)用新型所涉一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器中開 關(guān)量處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0062]圖4為本實(shí)用新型所涉一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器中通 信模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0063]圖5為本實(shí)用新型所涉一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器中電 源模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0064]圖6為本實(shí)用新型所涉一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器中驅(qū) 動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 (五)【具體實(shí)施方式】：
[0065]實(shí)施例：一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器(見圖1)，其特征在 于它是由MCU(Micro Control Unit--微控制單元)主控芯片、模擬量采集調(diào)理模塊、開關(guān) 量處理模塊、通信模塊、人機(jī)界面模塊、電源模塊和驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成;其中，所述模擬量采集調(diào) 理模塊采集電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)傳輸給MCU主控芯片，其輸出端與MCU主控芯片呈單向連 接;所述開關(guān)量處理模塊采集斷路器合閘、跳闡開關(guān)量參數(shù)傳輸給MCU主控芯片，其輸出端 與MCU主控芯片呈單向連接;所述電源模塊對控制區(qū)進(jìn)行供電，其與MCU主控芯片呈單向連 接;所述通信模塊可以實(shí)現(xiàn)各控制器間的配合，以及將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān) 控，其與MCU主控芯片呈雙向連接;所述人機(jī)界面模塊與MCU主控芯片之間呈雙向連接，可供 工作人員隨時(shí)查看電網(wǎng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并通過按鍵對控制器做出相關(guān)的調(diào)整和控制;所 述驅(qū)動系統(tǒng)的輸入端與MCU呈單向連接，其輸出端與斷路器連接。
[0066] 所述Μ⑶主控芯片是美國德州儀器公司所生產(chǎn)的DSP TMS320F2812芯片(見圖1)。 [0067]所述模擬量采集調(diào)理模塊(見圖2)由電壓采集調(diào)理電路、電流采集調(diào)理電路和DSP 芯片構(gòu)成；其中電壓采樣調(diào)理電路是由差分運(yùn)放單元、低通濾波器II單元和限壓電路單元 構(gòu)成;所述差分運(yùn)放單元通過霍爾電壓互感器采集電網(wǎng)電壓信號，其輸出端與低通濾波器 II單元和限壓電路單元依次呈單向連接，最后將采集到的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，并通 過一個(gè)限幅電路將信號傳輸給DSP芯片;所述電流采樣調(diào)理電路是由運(yùn)放單元、低通濾波器 I單元和電壓偏移縮放單元構(gòu)成;所述運(yùn)放單元通過霍爾電流互感器采集電網(wǎng)電流信號，其 輸出端與低通濾波器I單元和電壓偏移縮放單元依次呈單向連接，最后將采集到的交流信 號轉(zhuǎn)換為直流信號，并通過另一個(gè)限幅電路將信號傳輸給DSP芯片；所述DSP芯片的輸出端 與MCU主控芯片的輸入端連接。
[0068] 所述DSP芯片采用MAX6103EUR-T芯片。
[0069]所述開關(guān)量處理模塊(見圖3)由一個(gè)限流電阻、一個(gè)穩(wěn)壓二極管、一個(gè)吸收電路、 一個(gè)濾波電路、施密特觸發(fā)器、光耦TLP785和組成;其中，所述限流電阻的的輸入端通過遙 信輸入接受采集到的開關(guān)信號，其輸出端與穩(wěn)壓二極管連接，所述穩(wěn)壓二極管的輸出端與 吸收電路連接將信號傳輸給吸收電路;所述濾波電路的輸入端與遙信公共端連接，接受采 集到的信號，其輸出端與吸收電路的輸入端連接，所述濾波電路的輸出端與吸收電路的輸 入端連接;所述吸收電路的輸出端與光耦TLP785的輸入端連接，將所得到的采集信號傳送 給光耦TLP785;所述光耦TLP785的輸出端與施密特觸發(fā)器的輸入端連接，所述施密特觸發(fā) 器的輸出端與MCU連接，將所得的信號整理成理想矩形波輸入到MCU中；當(dāng)輸入為高電平時(shí)， 信號通過限流電阻和穩(wěn)壓二極管使光耦TLP785導(dǎo)通，光耦TLP785輸出的低電平通過施密特 觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換成高電平，并且輸入到MCU主控芯片中，從而MCU檢測到開關(guān)量的輸入。
[0070]所述人機(jī)界面模塊包括液晶顯示屏模塊、LED模塊和操作按鍵模塊，液晶顯示屏模 塊采用金鵬電子有限公司的C系列中文圖形兩用液晶顯示模塊0CMJ4X8C-8,其通過自身所 含的ST7920控制器與MCU連接;所述LED模塊采用發(fā)光二極管;所述操作按鍵模塊為常規(guī)按 鍵裝置。
[0071] 所述通信模塊(見圖4)包括以太網(wǎng)通信模塊和無線通信模塊，其中以太網(wǎng)通信模 塊由以太網(wǎng)控制芯片、隔離變壓器和電平轉(zhuǎn)換模塊組成，以太網(wǎng)控制芯片的輸出端與隔離 變壓器的一端連接，隔離變壓器的另一端與電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，電平轉(zhuǎn)換模塊的 輸出端與MCU連接;所述無線通信模塊與MCU主控芯片直接相連。
[0072] 所述電源模塊（見圖5)由輸入EMC(Electro Magnetic compatibility--電磁兼 容性)單元、高壓整流濾波單元、PWM(Pulse_Width Modulation--脈寬調(diào)變)控制單元、功 率轉(zhuǎn)換單元、輸出整流濾波單元、輸出檢測保護(hù)單元、電池活化管理單元、電池充電管理單 元、電池放電管理單元、電池輸入輸出檢測保護(hù)單元構(gòu)成;其中，所述輸入EMC單元、高壓整 流濾波單元、PWM控制單元、功率轉(zhuǎn)換單元、輸出整流濾波單元、輸出檢測保護(hù)單元依次呈順 序單向連接;所述輸入EMC單元的輸入端接收配電網(wǎng)傳輸線路上電壓電流信號;所述輸出檢 測保護(hù)單元的輸出端輸出所檢測線路故障模擬信號給MCU主控芯片;所述輸出整流濾波單 元的輸出端分別與電池充電管理單元的輸入端和電池放電管理單元的輸入端呈單向相連； 所述電池活化管理單元的輸入端接收人工給定PWM控制的要求信號，其輸出端與PWM控制單 元的輸入端連接;所述電池輸入輸出檢測保護(hù)單元的輸入端連接電池充電管理單元的輸出 端，其輸出端則與電池放電管理單元的輸入端及電池活化管理單元的輸入端連接;所述電 池輸入輸出檢測保護(hù)單元與MCU主控芯片呈雙向連接。
[0073] 所述驅(qū)動系統(tǒng)(見圖6)由輸入電阻、M579系列芯片、推挽電路和一個(gè)穩(wěn)壓二級管組 成;其中，輸入驅(qū)動信號經(jīng)輸入電阻進(jìn)入M579系列芯片，M579系列芯片的一個(gè)輸出端直接是 IGBT的集電極電壓，另一個(gè)輸出端與一個(gè)由兩個(gè)三極管組成的推挽電路的輸入端相連接， 推挽電路的輸出端是IGBT所需要的柵極與發(fā)射極之間的門極電壓；推挽電路另一個(gè)輸出 端與穩(wěn)壓二極管的輸入端連接，穩(wěn)壓二極管的輸出端是IGBT的發(fā)射極電壓。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征在于它是由Μ⑶主控 芯片、模擬量采集調(diào)理模塊、開關(guān)量處理模塊、通信模塊、人機(jī)界面模塊、電源模塊和驅(qū)動系 統(tǒng)構(gòu)成;其中，所述模擬量采集調(diào)理模塊采集電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)傳輸給MCU主控芯片，其 輸出端與MCU主控芯片呈單向連接;所述開關(guān)量處理模塊采集斷路器合閘、跳闡開關(guān)量參數(shù) 傳輸給MCU主控芯片，其輸出端與MCU主控芯片呈單向連接;所述電源模塊對控制區(qū)進(jìn)行供 電，其與MCU主控芯片呈單向連接;所述通信模塊可以實(shí)現(xiàn)各控制器間的配合，以及將數(shù)據(jù) 上傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，其與Μ⑶主控芯片呈雙向連接;所述人機(jī)界面模塊與MCU主 控芯片之間呈雙向連接，可供工作人員隨時(shí)查看電網(wǎng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并通過按鍵對控制 器做出相關(guān)的調(diào)整和控制;所述驅(qū)動系統(tǒng)的輸入端與MCU主控芯片呈單向連接，其輸出端與 斷路器連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述MCU主控芯片是美國德州儀器公司所生產(chǎn)的DSP TMS320F2812芯片。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述模擬量采集調(diào)理模塊由電壓采集調(diào)理電路、電流采集調(diào)理電路和DSP芯片構(gòu)成;其 中電壓采樣調(diào)理電路是由差分運(yùn)放單元、低通濾波器II單元和限壓電路單元構(gòu)成;所述差 分運(yùn)放單元通過霍爾電壓互感器采集電網(wǎng)電壓信號，其輸出端與低通濾波器II單元和限壓 電路單元依次呈單向連接，最后將采集到的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，并通過一個(gè)限幅電 路將信號傳輸給DSP芯片；所述電流采樣調(diào)理電路是由運(yùn)放單元、低通濾波器I單元和電壓 偏移縮放單元構(gòu)成;所述運(yùn)放單元通過霍爾電流互感器采集電網(wǎng)電流信號，其輸出端與低 通濾波器I單元和電壓偏移縮放單元依次呈單向連接，最后將采集到的交流信號轉(zhuǎn)換為直 流信號，并通過另一個(gè)限幅電路將信號傳輸給DSP芯片;所述DSP芯片的輸出端與MCU主控芯 片的輸入端連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述DSP芯片采用MAX6103EUR-T芯片。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述開關(guān)量處理模塊由一個(gè)限流電阻、一個(gè)穩(wěn)壓二極管、一個(gè)吸收電路、一個(gè)濾波電 路、施密特觸發(fā)器和光耦TLP785組成;其中，所述限流電阻的的輸入端通過遙信輸入接受采 集到的開關(guān)信號，其輸出端與穩(wěn)壓二極管連接，所述穩(wěn)壓二極管的輸出端與吸收電路連接 將信號傳輸給吸收電路;所述濾波電路的輸入端與遙信公共端連接，接受采集到的信號，其 輸出端與吸收電路的輸入端連接，所述濾波電路的輸出端與吸收電路的輸入端連接;所述 吸收電路的輸出端與光耦TLP785的輸入端連接，將所得到的采集信號傳送給光耦TLP785; 所述光耦TLP785的輸出端與施密特觸發(fā)器的輸入端連接，所述施密特觸發(fā)器的輸出端與 Μ⑶主控芯片連接，將所得的信號整理成理想矩形波輸入到MCU主控芯片中；當(dāng)輸入為高電 平時(shí)，信號通過限流電阻和穩(wěn)壓二極管使光耦TLP785導(dǎo)通，光耦TLP785輸出的低電平通過 施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換成高電平，并且輸入到Μ⑶主控芯片中，從而Μ⑶主控芯片檢測到開關(guān) 量的輸入。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述人機(jī)界面模塊包括液晶顯示屏模塊、LED模塊和操作按鍵模塊，液晶顯示屏模塊采 用金鵬電子有限公司的C系列中文圖形兩用液晶顯示模塊0CMJ4X8C-8,其通過自身所含的 ST7920控制器與MCU主控芯片連接;所述LED模塊采用發(fā)光二極管;所述操作按鍵模塊為常 規(guī)按鍵裝置。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述通信模塊包括以太網(wǎng)通信模塊和無線通信模塊，其中以太網(wǎng)通信模塊由以太網(wǎng)控 制芯片、隔離變壓器和電平轉(zhuǎn)換模塊組成，以太網(wǎng)控制芯片的輸出端與隔離變壓器的一端 連接，隔離變壓器的另一端與電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接，電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與MCU主 控芯片連接;所述無線通信模塊與MCU主控芯片直接相連。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述電源模塊由輸入EMC單元、高壓整流濾波單元、PWM控制單元、功率轉(zhuǎn)換單元、輸出 整流濾波單元、輸出檢測保護(hù)單元、電池活化管理單元、電池充電管理單元、電池放電管理 單元、電池輸入輸出檢測保護(hù)單元構(gòu)成;其中，所述輸入EMC單元、高壓整流濾波單元、PWM控 制單元、功率轉(zhuǎn)換單元、輸出整流濾波單元、輸出檢測保護(hù)單元依次呈順序單向連接;所述 輸入EMC單元的輸入端接收配電網(wǎng)傳輸線路上電壓電流信號;所述輸出檢測保護(hù)單元的輸 出端輸出所檢測線路故障模擬信號給MCU主控芯片;所述輸出整流濾波單元的輸出端分別 與電池充電管理單元的輸入端和電池放電管理單元的輸入端呈單向相連;所述電池活化管 理單元的輸入端接收人工給定PWM控制的要求信號，其輸出端與PWM控制單元的輸入端連 接;所述電池輸入輸出檢測保護(hù)單元的輸入端連接電池充電管理單元的輸出端，其輸出端 則與電池放電管理單元的輸入端及電池活化管理單元的輸入端連接;所述電池輸入輸出檢 測保護(hù)單元與MCU主控芯片呈雙向連接。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于三段式電流法配合通信系統(tǒng)的斷路器控制器，其特征 在于所述驅(qū)動系統(tǒng)由輸入電阻、M579系列芯片、推挽電路和一個(gè)穩(wěn)壓二級管組成;其中，輸 入驅(qū)動信號經(jīng)輸入電阻進(jìn)入M579系列芯片，M579系列芯片的一個(gè)輸出端直接是IGBT的集電 極電壓，另一個(gè)輸出端與一個(gè)由兩個(gè)三極管組成的推挽電路的輸入端相連接，推挽電路的 輸出端是IGBT所需要的柵極與發(fā)射極之間的門極電壓;推挽電路另一個(gè)輸出端與穩(wěn)壓二極 管的輸入端連接，穩(wěn)壓二極管的輸出端是IGBT的發(fā)射極電壓。
【文檔編號】H02H7/26GK205647018SQ201520965692
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年11月26日
【發(fā)明人】刁嘉, 馬步云, 楊猛, 李明, 王婧, 翟化欣, 趙洲, 吳寒, 史學(xué)偉, 岳巍澎, 臧鵬
【申請人】國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)新源張家口風(fēng)光儲示范電站有限公司