專利名稱：自供電數(shù)字電流繼電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電流繼電器，特別涉及一種用于電網(wǎng)保護(hù)的自供電數(shù)字 電流繼電器。
技術(shù)背景在電力系統(tǒng)中涉及測量、繼電保護(hù)等基本要求，最主要的是檢測故障和通 過繼電器控制開關(guān)設(shè)備保護(hù)跳閘。傳統(tǒng)的保護(hù)元件多采用機(jī)電結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu) 存在性能差、體積大、成本高、功能單一等缺陷，而且不具備智能。隨著微電子 技術(shù)、微處理器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在低壓電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，使得各 種智能低壓元件的開發(fā)成為可能。授權(quán)公告號CN1479423A (申請?zhí)枮?03134373.1)的中國專利公開了一種低壓數(shù)字繼電器，該項專利集計量、保護(hù)、 通訊、控制、監(jiān)測等功能于一體，包括采樣電路、微處理器、繼電保護(hù)電路、顯 示驅(qū)動電路、RS 485總路通信接口、掉電保護(hù)電路和按鍵電路等組成。通過對 各項參數(shù)的整定，便可實現(xiàn)短路速斷、過壓報警、欠壓報警等功能。但是，該類數(shù)字繼電器由于需要操作電源，因此不能在無操作電源的變電所、 開閉所、開關(guān)柜、充氣柜、架空線路、戶外帶開關(guān)的電力分接箱等場所使用，如 果使用蓄電池或其它輔助電源則增加了維護(hù)成本。 發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本實用新型提供一種自供電數(shù)字電流繼電器， 這種繼電器不需要外加任何輔助電源即可工作，同時具有控制精度高、功耗極低、 能實現(xiàn)三段三相電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、可選多條曲線的反時限保護(hù)等功能。本實用新型實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為 一種自供電數(shù)字電流繼電器，包括 從被其保護(hù)的電網(wǎng)段上獲取能量的自供電電源、主要由微處理器組成的交流采樣運算及邏輯電路、以及信號輸入與變換調(diào)理電路、控制輸出與保護(hù)跳閘電路、485 通訊、人機(jī)交互接口、硬件看門狗和時鐘系統(tǒng)組成，其特征是所述的自供電電源 采用電流互感器取電并包括具備自動調(diào)節(jié)取電比例的旁通短路電路(Q3、 Q5、 Q6、 R28 R35、 C31 C34);所述的上述電路采用單級控制跳閘機(jī)構(gòu)，通過人機(jī)交互 接口和交流采樣運算及邏輯電路設(shè)定保護(hù)電流值和保護(hù)類型；所述的自供電數(shù)字 電流繼電器整機(jī)所消耗的總功率小于或等于2瓦。所述的信號輸入與變換調(diào)理電路的輸入由1至4個小電流互感器(CT1 CT4) 獲得交流采樣信號。所述的交流采樣信號是4組時，分別為三相和零序交流采樣信號。所述的微處理器是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片微處理器 MSP430F149。所述的人機(jī)交互接口包括液晶顯示器(LCD1)、 6個按鍵(BT1 BT6)、 4個 狀態(tài)指示燈(LED1 LED4)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于不需操作電源(無外接輔助電源 或電源PT)、功耗超低。具有三相電流速斷保護(hù)、三相電流限時速斷保護(hù)、三相 定時限過流保護(hù)、三相反時限過流保護(hù)、零序過流(接地)保護(hù)功能；保護(hù)電流 和時限可以根據(jù)用戶需要整定，可選的反時限特性曲線(符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的三條可選反時限保護(hù)曲線 一般反時限、非常反時限、極度反時限)；跳閘采用脈沖信 號，與專用跳閘機(jī)構(gòu)配套使用；工作狀態(tài)、故障、過流及跳閘脈沖等均有對應(yīng)指 示燈指示，具有自動溫度補(bǔ)償、保護(hù)精度高、適合各地域戶內(nèi)戶外各種場所等優(yōu) 點。


圖1為本實用新型的電路功能圖。圖2為本實用新型自供電數(shù)字電流繼電器的自供電電源、信號輸入與變換調(diào) 理電路、控制輸出和保護(hù)跳閘電路三個部分的電原理圖。圖3為本實用新型自供電數(shù)字電流繼電器的交流采樣運算及邏輯電路、485 通訊、人機(jī)交互接口、硬件看門狗和時鐘系統(tǒng)五個部分的電原理圖。 具體實施方案
以下結(jié)合附圖l、附圖2、附圖3實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 如圖1所示，自供電數(shù)字電流繼電器由八個功能性單元構(gòu)成。信號輸入與變 換調(diào)理電路1的輸出與交流采樣運算及邏輯電路2的輸入相聯(lián)接，交流采樣運算 及邏輯電路2的輸出與控制輸出和保護(hù)跳閘電路3的輸入相聯(lián)接。485通訊5、 人機(jī)交互接口 6、硬件看門狗7和時鐘系統(tǒng)8與交流采樣運算及邏輯電路2相互 聯(lián)接，自供電電源4向上述各個單元供電。自供電電源4從電網(wǎng)上獲取能量，因此不需操作電源。信號輸入與變換調(diào)理 電路1和交流采樣運算及邏輯電路2結(jié)合具有了三相電流速斷保護(hù)、三相電流限 時速斷保護(hù)、三相定時限過流保護(hù)、三相反時限過流保護(hù)、零序過流(接地)保 護(hù)功能。保護(hù)電流和時限可以根據(jù)用戶需要整定，可選的反時限特性曲線(一般 反時限、非常反時限、極度反時限)。在交流采樣運算及邏輯電路2和控制輸出 和保護(hù)跳閘電路3兩者作用下跳閘釆用單級控制的脈沖信號，并與專用跳閘機(jī)構(gòu) 配套使用。如圖2、 3所示，八個功能性單元的工作原理與構(gòu)成如下-1、信號輸入與變換調(diào)理電路由CT1 CT4、 R1 R14、 C1 C17、 V1 V4及U2、 U3等元件組成。流經(jīng)高壓電力線路的大電流經(jīng)過電流互感器感應(yīng)出較少比 例的被測電流從JP2輸入，經(jīng)過隔離變換(圖中CT1 CT4分別為A、 B、 C三相 和零序的電流變換器)將0—5A電流變換成毫安級的小電流，再經(jīng)并聯(lián)的精密取 樣電阻R1 R4取出測量信號再經(jīng)濾波R5 R12、 C1 C13和限幅V1 V4到運算 放大器U2內(nèi)部的四個射隨器，經(jīng)過射隨器緩沖后加到單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn) 行交流采樣。U3B為采樣基準(zhǔn)電路。2、 交流采樣運算及邏輯處理電路主要由芯片U1 MSP430F149、振蕩時鐘 Yl、 C48、 C49及復(fù)位電路R42、 C46、 47等組成。本產(chǎn)品使用的主芯片Ul MSP430F149是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片微機(jī)。因其電壓范圍寬(1. 8V 3. 6V)，在1MHz 1. 8V條件下工作電流僅為160uA，休眠時為0. luA，這 時RAM中的數(shù)據(jù)依然能夠有效保持，真正達(dá)到了微安級。這樣的超低功耗特色很 符合自供電產(chǎn)品的低能耗要求，大大降低電源功率消耗同時提高了系統(tǒng)的可靠 性。圖中Yl、 C48、 C49構(gòu)成Ul振蕩器的外部時鐘，R42、 C46、 C47構(gòu)成Ul 的上電復(fù)位系統(tǒng)，這兩部分保證單片微機(jī)能正常工作。經(jīng)調(diào)理后的測量信號送到 16位單片微機(jī)MSP430F149的AD輸入端，由片內(nèi)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交流采樣， 由于該芯片的AD是單極性的，且基準(zhǔn)電壓是2. 5V(芯片工作電壓是3. 3V 3. 6V)， 為了滿足芯片的這種要求，我們將被測量信號的中心(零點)上移1.25V。根據(jù) 輸入信號峰峰值不超過2. 5V的原則合理選擇信號調(diào)理電路中的取樣電阻R1 R4 阻值和限幅穩(wěn)壓管(V1 V4)的穩(wěn)壓值，最后由CPU完成每周波32點的交流采樣， 經(jīng)數(shù)字濾波后計算出測量值，作為電流保護(hù)的判斷依據(jù)。測量計算后的電流值，與設(shè)定好的保護(hù)動作電流值進(jìn)行比較，如果測量值大 于或等于整定值就啟動計時，如果到達(dá)設(shè)定的時間就按設(shè)定的保護(hù)類型(定時限或反時限)進(jìn)行保護(hù)跳閘，具體依據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)邏輯進(jìn)行設(shè)定。3、 控制輸出與保護(hù)跳閘Q4、 R23 R27組成跳閘繼電器的驅(qū)動電路、Ul的 P2.0、 P2. l腳輸出跳閘控制信號驅(qū)動Ol、 02光電耦合器，由光電耦合器驅(qū)動三 極管Q4導(dǎo)通，Q4三極管的導(dǎo)通會使接在JP3外部上的跳閘線圈動作，從而推 動機(jī)構(gòu)使開關(guān)跳閘。由于開關(guān)跳閘通常需要較大的能量，對于自供電數(shù)字繼電器 來說，為了 "開源節(jié)流"，采用了兩個有效方案大大降低跳閘的能量需要 一是 采用短脈沖跳閘， 一個跳閘脈沖的高電平寬度僅為125毫秒， 一個脈沖周期為 250毫秒， 一般情況第一個脈沖就可以成功跳閘。二是跳閘線圈采用專用雙穩(wěn)態(tài) 永磁跳閘繼電器，跳閘瞬間所需電磁能量較少。電力系統(tǒng)對安全可靠的要求非常 高，因為任何一次停電事故都可能引發(fā)嚴(yán)重的后果。為了增加可靠性，防止出現(xiàn) 誤動，特在P2.0上接了一個非門U5E，并使用兩個光電耦合器，只有在P2.0、P2. 1出現(xiàn)反相脈沖時才有效，避免單片機(jī)在復(fù)位或故障時同時出現(xiàn)高電平導(dǎo)致 誤動。Q4、 R23 R27組成跳閘繼電器的驅(qū)動電路。4、 自供電電源由F1 F3、 Dl 12、 R15 R20、 C18 C20等組成輸入整流 電路；由D17、 U6、 U7、 Ll、 L2、 C35 C40、 R36、 R37等組成的5V電源;Q3、 Q5、 Q6、 R28 R35、 C31 C34及V6等組成旁通電路。由Ql、 V5、 R21 R22、 C21 C29、 D14、 D16、 D18、 D19等組成24V電源。本裝置的自供電電源就是從CT 二 次回路取得能量，主要產(chǎn)生DC24V跳閘電源和DC5V的工作電源兩部分，兩組電 源互相隔離，互不干擾，對系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作創(chuàng)造條件。三相二次電流經(jīng)Dl D12整流后，分三路接到24V穩(wěn)壓電路、5V穩(wěn)壓電路及旁通短路電路。其中24V 穩(wěn)壓電路由電阻R21、 R22電容C23、三極管Q1、穩(wěn)壓管V5、 二極管D16及儲能 電容C24 C29等組成。得到24V直流電壓，主要用途是在保護(hù)跳閘時提供足夠 的能量以保證驅(qū)動線圈成功跳閘。5V電源的產(chǎn)生是由D17、 C35 C40、 R36、 R37、 Ll、 L2及U6、 U7等組成，輸入范圍較寬，輸出5V電源經(jīng)U7 DC/DC隔離變換后 得到5V穩(wěn)定直流電壓，作為運放U2、看門狗U8、日歷時鐘U4的5V工作電源。 同時經(jīng)U10轉(zhuǎn)換成3. 3V作為CPU的工作電源，因為CPU要求用3. 3V的電源。旁 通短路電路是根據(jù)輸入電流的大小自動調(diào)節(jié)旁路電流，使取得的電能接近不變， 同時不會增加CT的負(fù)荷，這樣就大大增加裝置的電源穩(wěn)定性、減小發(fā)熱、降低 CT容量，不影響產(chǎn)品使用壽命。5、 485通訊由U9、 R48、 R51、 C54等組成，U9是一片工作電壓為3. 3V的 485串行通訊控制器，U9由Ul的P3. 4控制。軟件設(shè)計上按M0DBUS通訊協(xié)議編 程，與計算機(jī)聯(lián)機(jī)可實現(xiàn)遙測、遙信、遙控及遙設(shè)等功能，如通過電腦讀取測量 值和故障事件記錄，便于事件分析，同時可以通過電腦對裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。6、 人機(jī)交互接口 (LCD液晶顯示、KEY鍵盤輸入及LED狀態(tài)指示燈)。液晶 顯示器LCD1， R50、 Q4是液晶的背光控制器件，由Ul的P2.7控制。BT1 BT6 是六個按鍵，分別接到Ul的P4. 0 P4. 5。 LED1 LED4是四個狀態(tài)指示燈。為便 于現(xiàn)場査看、設(shè)置各種參數(shù)信息，需要有人機(jī)交互的屆面，本裝置面板上安裝一 塊4X20的液晶顯示器LCD1， R50、 Q4是液晶的背光控制器件，由Ul的P2. 7控 制，在按動按鍵時背光自動點亮，平時背光關(guān)閉。BT1 BT6是六個按鍵，分別 接到U1的P4.0 P4.5， RP1是對應(yīng)端口的下拉電阻，當(dāng)有鍵按下時，對應(yīng)端口 出現(xiàn)高電平，否則是低電平。CPU檢測按鍵信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，達(dá)到人機(jī)交互 的目的。LED1 LED4是四個狀態(tài)指示燈，其顏色與意義如下工作指示(綠色)表示裝置正常工作，以每秒約2次的速度閃爍；故障報警(紅色)當(dāng)裝置出現(xiàn)內(nèi)部故障時長亮；過流保護(hù)(紅色)當(dāng)裝置檢測到過流(電流超過設(shè)定值)時馬上亮起；跳閘脈沖(紅色)當(dāng)過流延時時間到，啟動跳閘脈沖，此燈與跳閘脈沖同步。7、 硬件看門狗由U8、 C52、 C53、 R43 R46、 R49、 Q7等元件組成。雖然 所選單片機(jī)內(nèi)部有一個軟件看門狗，為了確保本系統(tǒng)的正常工作，防止外部干擾 引起死機(jī)或程序跑飛，在單片機(jī)外部再增加一個硬件看門狗，由U8、 C52、 C53、 R43 R46、 R49、 Q7等元件組成。U8是由一振蕩器和14級二進(jìn)制串行計數(shù)位 組成，通過外部簡單的RC振蕩器，F(xiàn)-l/(2.3RtCt),輸出方波時間可選，有2的 4次方，5次方，12次方，13次方，14次方。合理選擇R44和C52使之工作于 一個穩(wěn)定的振蕩頻率，根據(jù)看門狗復(fù)位時間選擇U8的第5腳輸出脈沖經(jīng)Q7對 CPU復(fù)位，由于正常工作時CPU P3. 3經(jīng)過電容器C53不斷對U8進(jìn)行喂狗，就是 使U8復(fù)位(重新計數(shù))， 一旦程序跑飛或單片機(jī)故障停機(jī)，U8由于沒有被喂狗， 計數(shù)時間滿(約1.6秒)后就給CPU—個復(fù)位信號，CPU重新工作起來。8、 時鐘系統(tǒng)由U4、 Y2、 C42、 C43及BAT1組成的日歷時鐘系統(tǒng)，由Ul的 Pl.O、 Pl.l、 P1.2與之聯(lián)系。由U4、 Y2、 C42、 C43及BAT1組成的日歷時鐘系 統(tǒng)，由Ul的Pl.O、 Pl.l、 P1.2與之聯(lián)系，進(jìn)行串行訪問，完成時鐘的讀取與修 改，因為在事件記錄中要記錄事件發(fā)生的時間，故這部分要保證一定的精度，同 時能由電池BAT1保證其數(shù)據(jù)連續(xù)而不丟失。本實用新型通過自供電電源和以微處理器為主的數(shù)字控制器構(gòu)成了一種自 供電數(shù)字電流繼電器，具有自供電、免維護(hù)、低功耗、控制精度高等特點，廣泛 應(yīng)用于35KV及以下電網(wǎng)中的測量、故障檢測和保護(hù)。
權(quán)利要求1、一種自供電數(shù)字電流繼電器，包括從被其保護(hù)的電網(wǎng)段上獲取能量的自供電電源(4)、主要由微處理器組成的交流采樣運算及邏輯電路(2)、以及信號輸入與變換調(diào)理電路(1)、控制輸出與保護(hù)跳閘電路(3)、485通訊(5)、人機(jī)交互接口(6)、硬件看門狗(7)和時鐘系統(tǒng)(8)組成，其特征是所述的自供電電源(4)采用電流互感器取電并包括具備自動調(diào)節(jié)取電比例的旁通短路電路(Q3、Q5、Q6、R28～R35、C31～C34)；所述的上述電路采用單級控制跳閘機(jī)構(gòu)，通過人機(jī)交互接口(6)和交流采樣運算及邏輯電路(2)設(shè)定保護(hù)電流值和保護(hù)類型；所述的自供電數(shù)字電流繼電器整機(jī)所消耗的總功率小于或等于2瓦。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自供電數(shù)字電流繼電器，其特征是所述的信號輸 入與變換調(diào)理電路(1)的輸入由1至4個小電流互感器(CT1 CT4)獲得交流 采樣信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自供電數(shù)字電流繼電器，其特征是所述的交流采 樣信號是4組時，分別為三相和零序交流采樣信號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自供電數(shù)字電流繼電器，其特征是所述的微處理 器是超低功耗Flash型16位RISC指令集單片微處理器MSP430F149。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自供電數(shù)字電流繼電器，其特征是所述的人機(jī)交 互接口(6)包括液晶顯示器(LCD1)、6個按鍵(BT1 BT6)、4個狀態(tài)指示燈(LED1 LED4)。
專利摘要本實用新型是一種用于電網(wǎng)保護(hù)的自供電數(shù)字電流繼電器。包括從被其保護(hù)的電網(wǎng)段上獲取能量的自供電電源、微處理器組成的交流采樣運算及邏輯電路、信號輸入與變換調(diào)理電路、控制輸出與保護(hù)跳閘電路、485通訊、人機(jī)交互接口、硬件看門狗和時鐘系統(tǒng)組成。自供電電源采用電流互感器取電并包括具備自動調(diào)節(jié)取電比例的旁通短路電路(Q3、Q5、Q6、R28～R35、C31～C34)；上述電路采用單級控制跳閘機(jī)構(gòu)，通過人機(jī)交互接口和交流采樣運算及邏輯電路設(shè)定保護(hù)電流值和保護(hù)類型，自供電數(shù)字電流繼電器整機(jī)所消耗的總功率小于或等于2瓦。本設(shè)計具有自供電、免維護(hù)、低功耗、控制精度高等特點，廣泛應(yīng)用于35KV及以下電網(wǎng)中的測量、故障檢測和保護(hù)。
文檔編號H02H3/08GK201118193SQ200720184759
公開日2008年9月17日 申請日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日
發(fā)明者吳恩慧, 朱佩龍, 歐陽道生, 瑤 龔 申請人:寧波天安(集團(tuán))股份有限公司