專利名稱：電力設備用微機繼電保護裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力設備上所用的微機繼電保護裝置。
電力設備用微機繼電保護裝置是利用微機技術，通過分析計算電力設備的各狀態量，判斷該電力設備是否有故障，并在有故障時發出命令將其從電力系統中切除的自動裝置。該裝置包括數據采集系統、CPU主板、繼電器組開關量輸出和人機界面等部分。數據采集系統將電力設備的狀態量(電流、電壓等模擬量)轉換成CPU可識別的數字量發送給各CPU主板，各CPU主板根據編制好的程序對接收到的數據分析計算，當判斷電力設備有故障時發出信號，由繼電器組放大后驅動電力斷路器將故障設備從電力系統中切除。運行人員利用裝置的人機界面可以設置裝置參數，測試裝置性能，獲取裝置動作事件信息。
現有微機繼電保護裝置的數據采集系統主要有使用A/D轉換芯片和壓頻轉換(VFC)芯片兩種形式。這兩種形式都存在一些缺點阻礙了保護性能的進一步提高。現在廣泛使用的A/D轉換器分辨率一般為12位，實際有效分辨率僅有11位左右，使保護的電流電壓精確工作范圍只能達到200倍以下。其前置低通濾波一般采用兩階無源阻容網絡，幅頻特性較為平緩，難以兼顧既能濾除高頻分量又不使所需的工頻和二次諧波等低頻分量衰減太多，而且由于電容的精度較差，使得相頻特性不穩定，不能保證通道間相位的一致性。其與CPU的接口一般采用并行總線，不能實現多CPU共享一套模數轉換系統，而且A/D轉換器由CPU直接控制，CPU開銷較大。另一種模數轉換系統采用壓頻轉換方式，即由VFC芯片把模擬電壓信號轉換為頻率與之成正比的方波，CPU通過計算時間T內方波的脈沖數來實現模數轉換。由于考慮抗干擾因素，最高工作頻率受到限制。在最高工作頻率一定時轉換時間T與分辨率成正比，使得提高分辨率必然以犧牲轉換速度為代價，反之也然。由于每個模擬量各需一個壓頻轉化通道，難以保證通道間的一致性，因而在對精度要求較高時都要用人工調整每個通道的增益和零漂。另外由于CPU得到的是高頻脈沖信號，不能對其檢錯和糾錯，使保護裝置在有干擾時可能產生錯誤的動作行為。綜上原因，現有微機繼電保護裝置的數據采集系統都不能同時滿足高速、高精度、高可靠性、多CPU共享、免調試等要求。
此外，現有微機繼電保護裝置的人機界面(MMI)都不太友善。最大的顯示器同時僅能顯示4行，每行8個漢字，運行人員理解顯示信息時較為困難。MMI板與CPU板間一般用RS232接口通訊，波特率很難超過9600bps，使需傳輸大塊數據時響應速度很慢。而且通訊規約只能采用Polling(輪流檢測)方式，CPU的事件必須等到人機界面詢問時才能上傳，難以滿足電力監控系統對事件上傳速度的要求。
本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種可同時滿足高速、高精度、高可靠性、多CPU共享、免調試等要求的電力設備用微機繼電保護裝置。
本實用新型的技術解決方案一種電力設備用微機繼電保護裝置，它包括有多路電壓電流傳感器及其多組低通濾波器以及多個主控制板，各主控制板的輸入接電力設備的開關狀態輸出，其特征在于多組低通濾波器的輸出均接有各自的采樣保持器，各采樣保持器的輸出通過多路模擬開關接至模數轉換器A/D的輸入，它還有一模數轉換微控制器MCU，A/D的輸出與MCU的輸入相連，MCU的A/D控制輸出接模數轉換器A/D的控制端，MCU的通道控制輸出接多路模擬開關的控制端，MCU的采樣控制輸出接各采樣保持器的控制端，MCU的串行輸出同時與各主控制板的串行通信接口相連，各主控制板接有由顯示器、鍵盤等組成的人機界面，它們的輸出通過繼電器組送出控制信號，以控制電力設備中的斷路器。
本實用新型在數據采集系統和人機界面上作了較大的改進。在數據采集系統中，低通濾波采用有源低通濾波芯片，濾波電容集成在芯片內部，幅頻特性和相頻特性的離散性遠小于由分離器件構成的低通濾波回路，各通道的一致性很好，而且幅頻特性較為陡峭，能在有用的低頻分量基本不衰減的情況下較好地濾除高頻分量。A/D轉換采用高速16位A/D轉換芯片，使保護的精確工作范圍提高到800倍。同時，本實用新型增加了一個A/D管理專用CPU，負責控制采樣保持器、多路模擬開關和A/D轉換器，并從A/D轉換器讀取轉換結果加入校驗碼后通過串行通訊廣播給各CPU主板。這樣，實現了多個CPU主板共享一套數據采集系統。而且CPU主板從串行口讀取A/D轉換結果，不用再控制數據采集系統，節省了很多CPU時間。另外傳到CPU主板的是經編碼的數據，CPU可以對其檢錯和糾錯，大大提高了抗干擾能力。由于整個數據采集系統沒有使用精度較低的電容，不需調試就能達到1％的精度要求。
此外，本實用新型的人機界面(MMI)采用了能顯示8行，每行15個漢字的液晶顯示器，可同時顯示大量的裝置信息，使運行人員使用時非常方便。人機界面與CPU主板間采用國際流行的CAN總線，通信速率可高至1Mbps，而且CPU主板能主動上傳信息給人機界面，可滿足電力系統對事件上傳的實時性要求，具有高速、高精度、高可靠性、多CPU共享、免調試等特性，應用前景十分廣闊。
以下將結合附圖對本實用新型作進一步說明。


圖1是本實用新型的原理框圖；圖2是本實用新型的多路電壓傳感器電原理圖；圖3是本實用新型多路電流傳感器電原理圖；圖4是本實用新型的低通濾波、采樣保持、多路模擬開關、模數轉換器電原理圖；圖5是本實用新型的多組低通濾波器電原理圖；圖6是本實用新型的模數轉換微控制器電原理圖；圖7是本實用新型的主控制板電原理圖；圖8是本實用新型的模數轉換微控制器與各主控制板之間的接口電路電原理圖；圖9是本實用新型的繼電器組電原理圖。
如圖1，本實用新型包括有多路電壓電流傳感器及其多組低通濾波器以及多個主控制板(即CPU主板)，各主控制板的輸入接電力設備的開關狀態輸出，本實用新型的特點是多組低通濾波器的輸出均接有各自的采樣保持器，各采樣保持器的輸出通過多路模擬開關接至模數轉換器A/D的輸入，它還有一模數轉換微控制器MCU，A/D的輸出與MCU的輸入相連，MCU的A/D控制輸出接模數轉換器A/D的控制端，MCU的通道控制輸出接多路模擬開關的控制端，MCU的采樣控制輸出接各采樣保持器的控制端，MCU的串行輸出同時與各主控制板的串行通信接口相連，各主控制板接有由顯示器、鍵盤等組成的人機界面(MMI)，它們的輸出通過繼電器組送出控制信號，以控制電力設備中的斷路器。
圖2是本實用新型的多路電壓傳感器電原理圖，它們由多個變壓器TVA、TVB、TVC、TVO、TVX組成，它們的輸入與電力設備中的電壓互感器輸出相連，以測量電力設備的電壓信號量，它們的輸出接低通濾波器。
圖3是多路電流傳感器的電原理圖，它們亦由多個變壓器TAA、TAB、TAC、TAO組成，它們的輸入與電力設備中的電流互感器輸出相連，以測量電力設備的電流信號量，它們的輸出接低通濾波器。
多路電壓傳感器和多路電流傳感器的輸出通過接口插座J1與多組低通濾波器F1-F12的輸入對應相連，多組低通濾波器F1-F12見圖5，它們的電路結構均相同，均由低通濾波集成芯片(型號可為UAF12)及其外圍電阻構成，多組低通濾波器F1-F12的輸出與采樣保持器S1-S3的多路輸入對應相連，見圖4，S1-S3的電路結構均相同，均由采樣集成電路(型號可為AD684)構成，它們的輸出均與多路模擬開關D8的輸入端連接，D8由多路模擬開關集成芯片(型號可為AD7506)構成，它的輸出通過由運放D10組成的緩沖電路與模數轉換器D7的輸入相連，D7由模數轉換集成電路(型號可為ADS7807)構成，D7的輸出接至模數轉換微控制器MCU。MCU的電路如圖6所示，它由微控制器D1(型號可為PIC16C76)、與門電路D5A-D5D、接口電路D3、D4(型號可為MAX232)和三態緩沖器D6A-D6D(型號可為74LS125)組成，D1的控制端輸出SH1、SH2、SH3分別與三個采樣保持器S1-S3的采樣控制端相連，以控制S1-S3的工作狀態，D1的輸出端A0-A3與多路模擬開關D8的通道選擇輸入端相連，以控制多路模擬開關D8的通道選擇，D1的輸出端R/C與模數轉換器D7的啟動轉換輸入端相連，以啟動模數轉換器D7開始轉換。D1的數據輸出端DATA和時鐘輸出端SDO接與門電路D5A-D5D的輸入，D5A-D5D的輸出通過接口電路D3、D4與主控制板相連，D1的同步信號輸出端SYN接三態緩沖器D6A-D6D的輸入端，D6A-D6D的輸出亦與主控制板相連。
主控制板有多個，其電路結構均相同，如圖7，它均由中央處理器CPU(型號可為MC68332)、隨機存貯器RAM(型號可為62C1024)、只讀存貯器ROM(型號可為27C1024)、總線控制器CAN(型號可為SJA1000)、閃速存貯器FLASH(型號可為29C1024)、開關量輸入緩沖器D9-D11(型號均可為74LS245)組成，CAN、FLASH及D9-D11均與CPU的數據總線和地址總線相連，各主控制板的開關量輸入即開關量輸入緩沖器D9-D11的輸入端均通過各自的光電隔離器(如采用型號為TLP121)與電力設備的開關量輸出對應相連，各主控制板的模擬量輸入即中央處理器CPU的串行通信輸入端通過各自的接口電路D12、D13(型號可為MAX232)與模數轉換微控制器MCU的輸出相連，其中接口電路D12、D13如圖8，D12、D13的輸入分別與MCU中的接口電路D3、D4的輸出和三態緩沖器D6A-D6D的輸出相連，D12、D13的輸出就與對應主控制板中中央處理器CPU的串行通信輸入端SCK、MOSI、TPUO相連。各主控制板的輸出均從其中央處理器CPU的輸出端送出，它們通過各自的光電隔離器(亦可采用型號為TLP121的光電耦合器)與繼電器組相連，各主控制板中的總線控制器CAN均連接一起與人機界面MMI的控制總線相連。
繼電器組如圖9，它由繼電器QDJ1A、QDJ2A、HHJA、PTDXA、FJA、CHXJA、CHXJB、CXJA、CXJB、CKJQA、LJ3A、GJA組成，它們的線圈輸入分別與各主控制板中中央處理器CPU的對應輸出端相連，它們的輸出通過各自的常開觸點CXJD、CHXJD、GJB、PTDXB、HHJB引出接電力設備的對應開關量輸入端，以控制電力設備切除故障。
本實用新型的工作過程如下，電力設備的電壓、電流信號通過多路電壓傳感器TVA、TVB、TVC、TVO、TVX和電流傳感器TAA、TAB、TAC、TAO送到各自的低通濾波器F1-F12進行低通濾波，然后送至采樣保持器S1-S3，這時S1-S3在模數轉換微控制器MCU的控制下對電流電壓信號進行采樣保持，然后送到多路模擬開關D8，D8仍在MCU的控制下依次選擇各電流電壓信號送至模數轉換器D7，D7在MCU的控制下將電壓電流信號由模擬量轉化成數字量送至模數轉換微控制器MCU，MCU將該數字信號經編碼送到各主控制板的中央處理器CPU。同時，電力設備的一些開關量信號通過各主控制板的開關量輸入緩沖器D9-D11也送至各自的中央處理器CPU，各CPU對輸入的電流電壓信號及開關量信號實時進行分析判斷，當判斷電力設備發生故障時，就發出控制命令通過繼電器組控制電力設備切除故障。本實用新型的人機界面MMI由于與各主控制板的總線控制器CAN相連，故能修改各主控制板的參數，并顯示動作信息，該顯示信息可實時上傳，不必等待MMI的詢問，反應速度快，工作效率高。
權利要求1.一種電力設備用微機繼電保護裝置，它包括有多路電壓電流傳感器及其多組低通濾波器以及多個主控制板，各主控制板的輸入接電力設備的開關狀態輸出，其特征在于多組低通濾波器的輸出均接有各自的采樣保持器，各采樣保持器的輸出通過多路模擬開關接至模數轉換器A/D的輸入，它還有一模數轉換微控制器MCU，A/D的輸出與MCU的輸入相連，MCU的A/D控制輸出接模數轉換器A/D的控制端，MCU的通道控制輸出接多路模擬開關的控制端，MCU的采樣控制輸出接各采樣保持器的控制端，MCU的串行輸出同時與各主控制板的串行通信接口相連，各主控制板接有由顯示器、鍵盤等組成的人機界面，它們的輸出通過繼電器組送出控制信號，以控制電力設備中的斷路器。
2.根據權利要求1所述的電力設備用微機繼電保護裝置，其特征在于多路電壓傳感器和多路電流傳感器的輸出通過接口插座J1與多組低通濾波器F1-F12的輸入對應相連，F1-F12的電路結構均相同，均由低通濾波集成芯片及其外圍電阻構成，多組低通濾波器F1-F12的輸出與采樣保持器S1-S3的多路輸入對應相連，S1-S3的電路結構均相同，均由采樣集成電路構成，它們的輸出均與多路模擬開關D8的輸入端連接，D8由多路模擬開關集成芯片構成，它的輸出通過由運放D10組成的緩沖電路與模數轉換器D7的輸入相連，D7由模數轉換集成電路構成，D7的輸出接至模數轉換微控制器MCU，MCU由微控制器D1、與門電路D5A-D5D、接口電路D3、D4和三態緩沖器D6A-D6D組成，D1的控制端輸出SH1、SH2、SH3分別與三個采樣保持器S1-S3的采樣控制端相連，以控制S1-S3的工作狀態，D1的輸出端A0-A3與多路模擬開關D8的通道選擇輸入端相連，以控制多路模擬開關D8的通道選擇，D1的輸出端R/C與模數轉換器D7的啟動轉換輸入端相連，以啟動模數轉換器D7開始轉換，D1的數據輸出端DATA和時鐘輸出端SDO接與門電路D5A-D5D的輸入，D5A-D5D的輸出通過接口電路D3、D4與主控制板相連，D1的同步信號輸出端SYN接三態緩沖器D6A-D6D的輸入端，D6A-D6D的輸出亦與主控制板相連。
3.根據權利要求1所述的電力設備用微機繼電保護裝置，其特征在于主控制板有多個，其電路結構均相同，均由中央處理器CPU、隨機存貯器RAM、只讀存貯器ROM、總線控制器CAN、閃速存貯器FLASH、開關量輸入緩沖器D9-D11組成，CAN、FLASH及D9-D11均與CPU的數據總線和地址總線相連，各主控制板的開關量輸入即開關量輸入緩沖器D9-D11的輸入端均通過各自的光電隔離器與電力設備的開關量輸出對應相連，各主控制板的模擬量輸入即中央處理器CPU的串行通信輸入端通過各自的接口電路D12、D13與模數轉換微控制器MCU的輸出相連，其中接口電路D12、D13的輸入分別與MCU中的接口電路D3、D4的輸出和三態緩沖器D6A-D6D的輸出相連，D12、D13的輸出就與對應主控制板中中央處理器CPU的串行通信輸入端SCK、MOSI、TPUO相連，各主控制板的輸出均從其中央處理器CPU的輸出端送出，它們通過各自的光電隔離器與繼電器組相連，各主控制板中的總線控制器CAN均連接一起與人機界面MMI的控制總線相連。
4.根據權利要求1所述的電力設備用微機繼電保護裝置，其特征在于繼電器組由繼電器QDJ1A、QDJ2A、HHJA、PTDXA、FJA、CHXJA、CHXJB、CXJA、CXJB、CKJQA、LJ3A、GJA組成，它們的線圈輸入分別與各主控制板中中央處理器CPU的對應輸出端相連，它們的輸出通過各自的常開觸點CXJD、CHXJD、GJB、PTDXB、HHJB引出接電力設備的對應開關量輸入端，以控制電力設備切除故障。
專利摘要本實用新型涉及一種電力設備用微機繼電保護裝置,其多組低通濾波器的輸出均接有各自的采樣保持器,各采樣保持器的輸出通過多路模擬開關接至模數轉換器A/D的輸入,它還有一模數轉換微控制器MCU,A/D的輸出與MCU的輸入相連,MCU的A/D控制輸出接A/D的控制端,MCU的通道控制輸出接多路模擬開關的控制端,MCU的采樣控制輸出接各采樣保持器的控制端,MCU的串行輸出同時與各主控制板的串行通信接口相連,各主控制板的輸出通過繼電器組送出控制信號,以控制電力設備中的斷路器。
文檔編號H02H7/00GK2368206SQ9922802
公開日2000年3月8日 申請日期1999年4月21日 優先權日1999年4月21日
發明者尹秋帆 申請人:國家電力公司南京電力自動化設備總廠