一种交流窜入直流监测装置的制作方法

本实用新型涉及直流电力设备监测设备领域，具体地，涉及一种交流窜入直流监测装置。

背景技术：

直流电源系统在换流站、变电站中有着重要的作用，它能提供可靠地、不间断的为站内的重要设备提供装置电源及控制电源，例如继电保护装置、通信设备、自动监控系统、断路器、刀闸控制电源直流照明等。直流系统是保障电力系统安全稳定运行的关键。

直流系统中交流窜入交流危害最大，引起直流系统金属性接地，绝缘监测装置工作异常；引起厂站系统监控装置误发大量告警信息，而且频繁刷新；引起继电保护装置保护出口中间继电器误动、尤其是变压器非电量保护误动或引发直流熔丝熔断造成全站保护拒动事故，严重的可导致机组停运、线路跳闸，甚至可导致全厂或全站停电事故，对社会造成大面积停电事故。引发交流窜入直流故障得原因众多。绝缘电缆的损坏，交流供电回路的电缆与直流电源的供电回路电缆放在一起，使得交流电缆和直流电缆的内芯发生直接或者间接电气接触，从而导致交流电源窜入直流电源系统。人为的操作失误，错误地将交流电接到直流系统供电回路中去，从而导致发生交流电源窜入直流电源系统事故。设备内部故障，由于设备内部电源部分隔离故障或者其它故障，如室外端子箱由于下雨受潮或者进水，导致交流电源窜扰到直流系统中。

2012年3月国家电网公司修定《国家电网公司十八项重大反事故措施》中第5.1.18项“防止变电站交流电源窜入直流电源事故”中明确提出直流电源系统要增加具有交流窜入直流电源的报警和测记装置，并且定期检查其可靠性和有效性。

图1是交流窜入直流系统示意图，根据窜入点不同分为：交流窜入A、B点时导致的正、负母线直流接地的直接窜入以及交流窜入C点时导致的正、负母线电阻接地的经过过渡电阻窜入。现有设备能直接监测出交流窜入A、B点时的正、负母线的直流接地，但是当交流窜入C点时的正、负母线电阻接地，由于负荷等效电阻R1、R2和窜入交流幅值的不同，现有监测设备可能不会报警，从而引发交流窜入直流故障危害。同时传统的直流传入交流监测设备存在故障报警不及时，故障报警不准确的情况，同时不能查看交流电压、直流电压波形记录以及纹波系数对于故障判断的不能提供足够的依据。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的交流窜入直流监测系统存在监测不准确，报警不及时、不准确的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种交流窜入直流监测装置，解决了现有的交流窜入直流监测系统存在监测不准确，实现了通过本申请中的交流窜入直流监测装置能够准确及时的对交流窜入直流进行监测和报警的技术效果。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种交流窜入直流监测仪，包括：数据采集单元、光电隔离单元、CPU、报警输出单元、声光报警单元、电源模块、时钟单元、存储器、复位单元、显示器、通讯单元。

所述数据采集单元能够采集直流母线上的交流信号、直流信号以及纹波信号，数据采集单元芯片型号为ADS8361。所述光电隔离单元将高压与低压分开，保护系统和装置的安全性和稳定性。光电隔离单元由三个双通道高速逻辑输出光电耦合器HCPL2630，以及一个单通道高速逻辑输出光电耦合器6N137组成。所述CPU型号为ATmega128L。所述报警输出单元实现交流窜入、系统故障的报警功能，提供两组常开无缘干接点(交流窜入直流报警接点、系统故障报警接点)。所述声光报警单元实现交流窜入、系统故障的声光报警功能。所述电源模块为整个装置提供最基础的电能，电源模块型号为IF1205S-1W。所述时钟单元实时记录报警时间，并且不受设备掉电影响，同时可手动校准系统时钟，时钟单元型号为SD2400EPI。所述存储器实时存储报警信息，支持掉电保存，存储器型号为FM24W256-G。所述复位单元型号为x5043。所述显示器为4.3寸全彩触摸液晶显示屏。所述通讯单元包括1路RS485通讯端口，供其他监控设备采集和系统集成，通讯单元型号为SN75LBC184DR。

直流窜入交流故障危害大，发生几率高，因此直流系统增加“交流窜入直流监测设备”是迫在眉睫的事情。针对以上问题，本实用新型的目的是提供一种交流窜入直流监测装置，采用信号隔离、高速采样、交直流状态分析等，实现交流窜入检测报警、直流电压监测和纹波测量等功能，实时显示当前测量值，当发生异常状况时声光报警，并提供干接点输出端口和RS485通讯端口，可将监测信息实时上传至上位机。

所述数据采集单元能够采集直流母线上的交流信号、直流信号以及纹波信号，包括数据采集电路以及A/D转换电路。所述直流采集以及交流采集利用电容的“隔直通交”特性进行采集。所述纹波信号采集利用电容的“隔直通交”特性进行分离、提取。所述数据采集单元测量参数为：窜入交流电压测量精度±2％；交流窜入直流监测反应时间<1S；直流电压测量范围0～300V，分辨率0.1V；直流电压测量精度±1％；直流电源纹波系数0～99.99％。所述调理电路为差分放大电路，具有高输入阻抗、低噪声、低漂移、高共模抑制比的特点。所述数据采集电路通过放大器实现电源隔离。所述A/D转换电路为模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。所述A/D转换电路考虑模数转换器参考电源的温度稳定性不佳的因素，利用电压基准芯片作为外部基准电压源施加于模数转换器基准电压引脚作为参考电源使用。

所述光电隔离单元将高压与低压分开，提高系统和装置的安全性和稳定性。

所述CPU将数据采集单元得来的信号处理获得交流窜入直流电压数值，并对比设定交流窜入报警阀值判断故障情况后在界面上显示出来，如果发生故障会进行报警。

所述报警输出单元路实现交流窜入、系统故障的报警功能，提供交流窜入故障以及系统故障的常开无缘干接点。所述干接点继电器触点容量为AC250V/3A。

所述声光报警单元实现交流窜入、系统故障的声光报警功能。

所述电源模块为整个装置提供最基础的电能，能够提供5V、9V、12V、15V的输出。

所述时钟单元实时记录报警时间，并且不受设备掉电影响，同时可手动校准系统时钟。所述CPU能通过时钟单元通讯，进行时钟校准。

所述存储器实时存储报警信息，支持掉电保存。所述CPU能将数据传输给存储器进行保存，同时能提取存储器中的数据进行查看。所述存储器数据存储容量为1000条。

所述复位单元具有上电复位、低电压复位控制以及看门狗定时器功能。

所述显示器采用4.3寸全彩触摸液晶显示屏，实时显示当前正、负母线对地电压波形图、电压测量值、报警值，且可查看历史记录；全中文菜单式操作，简单易用。

所述通讯单元为1路RS485通讯端口，供其他监控设备采集和系统集成。所述CPU能通过通讯接口与主机及其他监控设备联机通讯。

所述交流窜入直流监测仪具有实时监测、历史记录、报警设置、时钟校准、通讯参数、系统说明等软件模块。

所述交流窜入直流监测仪无需改动原有直流系统绝缘监测装置，直接加装于直流屏即可，且体积小，并提供“面板嵌入式安装”、“背挂卡扣式安装”、“背面螺丝固定安装”三种安装方式，安装、接线非常方便。

本实用新型的优点在于：

1.可靠性：电路、程序优化设计，元器件选材考究，采用工业级嵌入式处理器和高精度、高速度A/D转换芯片，测量精度高、抗干扰能力强，数据采集快速、准确，无漏报、误报现象。

2.安全性：采用光电隔离、电源隔离、通讯端口隔离及模拟、数字隔离技术，并充分考虑直流正负母线与地之间的绝缘，确保设备的安全性、可靠性和检测的准确性，且不影响直流系统的安全运行。

3.安装便捷：设备无需改动原有直流系统绝缘监测装置，直接加装于直流屏即可，且体积小，可以面板嵌入式安装、背挂卡扣式安装、背面螺丝固定安装，安装、接线非常方便。

4.功能性：不仅能通过交流窜入直流监测交流窜入直流故障，并进行实时报警，同时能自动记录故障波形、直流电源的纹波系数，通过波形可以分析“正母窜入”、“负母窜入”还是“正负母之间窜入”。

5.通信性：具有干接点输出端口和RS485通讯端口，可将监测信息实时上传至上位机或供其他监控设备采集、系统集成。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的数据采集流程示意图；

图4是本发明的数据采集单元电路结构示意图；

图5是本发明的光电隔离单元电路结构示意图；

图6是本发明的CPU结构示意图；

图7是本发明的报警输出单元电路结构示意图；

图8是本发明的声光报警单元电路结构示意图；

图9是本发明的电源模块电路结构示意图；

图10是本发明的时钟模块电路结构示意图；

图11是本发明的存储器电路结构示意图；

图12是本发明的复位单元电路结构示意图；

图13是本发明的通讯单元电路结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种交流窜入直流监测装置，解决了现有的交流窜入直流监测系统存在监测不准确，实现了通过本申请中的交流窜入直流监测装置能够准确及时的对交流窜入直流进行监测和报警的技术效果。

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图2所示，是本发明交流窜入直流监测仪的结构示意图。

如图2所示，本发明包括：数据采集单元、光电隔离单元、CPU、报警输出单元、声光报警单元、电源模块、时钟单元、存储器、复位单元、显示器、通讯单元。数据采集单元接收CPU的命令进行数据采集，并将采集的数据传输给CPU进行分析处理。光电隔离单元将高压与低压分开，提高系统和装置的安全性和稳定性。报警输出单元以及声光报警单元实现交流传入故障与系统故障的有效报警。电源模块为整个装置提供最基础的电能。时钟单元为CPU提供系统时钟依据，同时可以通过时钟单元手动校准系统时钟。CPU将分析得到的数据保存到存储器，存储器能接收CPU的指令提取查找存储器中的数据进行查看。CPU接收复位单元的指令进行复位。CPU接收用户在显示器上的按键指令进行相应程序，同时将所需显示的结构在显示器上进行显示。CPU能通过通讯接口与主机及其他监控设备联机通讯。

请参阅图3所示，是本发明交流窜入直流监测仪的数据采集流程示意图。

如图3所示，数据采集模块包括：电容、电源隔离、A/D转换电路、光电隔离电路。

交流传入直流监测流程为：首先利用电容的“隔直通交”特性提取交流电压，通过放大器进行电源隔离，得到的信号传入A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号。得到数字信号经过光电隔离电路，将高压与低压分开，保护系统和装置的安全性和稳定性，最终传入CPU进行分析计算。

直流电压采样流程为：首先提取母线电压，利用放大器进行电源隔离，得到的信号传入A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号。得到数字信号经过光电隔离电路，将高压与低压分开，保护系统和装置的安全性和稳定性，最终传入CPU进行分析计算。

纹波电压采样流程为：首先进行分离、提取纹波电压，利用放大器进行电源隔离，得到的信号传入A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号。得到数字信号经过光电隔离电路，将高压与低压分开，保护系统和装置的安全性和稳定性，最终传入CPU进行分析计算。

请参阅图4所示，是本发明交流窜入直流监测仪的数据采集单元电路结构示意图。

表1 ADS8361工作模式配置

如图4所示为数据采集单元，ADC型号为ADS8361，它是美国德州仪器公司(TI)开发的一款高速、低能耗、最高采样速率为500kSPS的16位高速并行接口的高性能模数转换芯片。电容C13“隔直通交”采集交流信号，剩下两路分别采集直流信号以及纹波信号。运算放大器U6B、U10B、U10A隔离前后级电路，实现电源隔离，防止母线电压干扰电路。交流信号、直流信号、纹波信号分别输入ADC的CH B1+、CH B0+、CH A0+引脚。数字电源BVDD接+5V，模拟电源AVDD接+5VDC。控制信号M1接高电平，控制信号M0接低电平，控制信号A0接光电隔离单元的ADSA0信号，由CPU38引脚PC3(A11)的CPUA0信号控制。因此，如表1所示，当A0为高电平时，ADC采集A0、B0通道的纹波信号与直流信号，当A0为低电平时，ADC采集B1通道的交流信号。CONVST引脚是A/D转换脉冲，接隔离单元的CONVST信号，由CPU39引脚PC4(A12)的CPUCST信号控制A/D转换及数据读取，当CONVST从低电平切换到高电平时，A/D将从采样状态切换到保持模式，并且与外部时钟的状态无关。RD引脚是A/D串行输出的同步脉冲，接隔离单元的ADSRD信号，由CPU40引脚PC5(A13)的CPUAD信号控制。引脚是A/D的片选信号，接隔离单元的ADSCS信号，由CPU41引脚PC6(A14)的CPUCS信号控制，当为低电平时，串行输出A和串行输出B输出有效，当为低电平时，串行输出无效。CLOCK引脚用于输入采样时钟，接隔离单元的CLOCK信号，由CPU通过42引脚PC7(A15)的CPUCLK信号提供。BUSY引脚通过ABUSY信号输出给光电隔离单元，并通过CPUBUSY信号输出到CPU45引脚PA6(AD6)。SDATA A引脚串行输出，通过SDAA信号输出给光电隔离单元，并通过CPUSDA信号输出到CPU44引脚PA7(AD7)。

请参阅图5所示，是本发明交流窜入直流监测仪的光电隔离单元电路结构示意图。

如图5所示光电隔离单元由三个双通道高速逻辑输出光电耦合器HCPL2630，以及一个单通道高速逻辑输出光电耦合器6N137组成，光电隔离单元将高压与低压分开，保护系统和装置的安全性和稳定性。HCPL2630与6N137原理相同，通过信号输入使得发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。电路中针对接收电路增加上拉电阻，同时增加电压+5V、VCC保证输出稳定可靠。第一块HCPL2630(U11)输入连接数据采集单元23、21引脚，接收SDAA、ABUSY信号，输出接CPU的44、45引脚，输出CPUSDA、CPUBUSY信号。第二块HCPL2630(U26)输入接CPU的42、41引脚，接收CPUCLK、CPUCS信号，输出连接数据采集单元20、19引脚，输出CLOCK、ADSCS信号。第三块HCPL2630(U23)输入接CPU的40、39引脚，接收CPUAD、CPUCST信号，输出连接数据采集单元18、17引脚，输出ADSRD、CONVST信号。6N137(U8)输入接CPU的38引脚，接收CPUA0信号，输出连接数据采集单元18、16引脚，输出ADSA0信号。

请参阅图6所示，是本发明交流窜入直流监测仪的CPU结构示意图。

如图6所示CPU采用ATMEL公司的ATmega128L，它是一款基于AVR RISC结构的低功耗、高性能的8位微控制器芯片。ATmega128L具有以下特点：内部采用Harvard结构，在使用16M时钟时，速度可达16MIPS；具有丰富的资源和极低的能耗；具有片内128KB的程序存储器(Flash)，4KB的数据存储器(SRAM)，可外扩到64KB和4KB的E²PROM；方便开发与调试的接口，8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器，UART、SPI、I²C总线接口，JTAG口；具有6种不同等级的低能耗操作模式，每种模式具有不同的能耗；外形很小，可以减小节点的尺寸。

引脚PA1、PA2控制“常开无缘干接点”报警信号的输出。引脚PA6、PA7、PC3～PC7实现与数据采集单元的控制与通信，其中引脚PA6、PA7接收数据采集单元采集后经过光电隔离器处理后的信号；引脚PC3～PC7实现对数据采集单元的控制。引脚PB2～PB6、—实现与复位电路的控制通信，其中引脚PB2、PB4、PB6对复位电路进行控制，PB5是复位电路的串行输入，PB3接收复位电路的串行输出，引脚为复位输入引脚，接收复位电路的复位信号。引脚XTAL1和XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出。PG0为声光报警电路的输入，控制声光报警器的工作。引脚PE0、PE1实现RS485通讯功能，PE0接收外部通讯信号，PE1控制通讯信号的接受与否。引脚PC0、PC1、PG1、PD6实现与时钟电路的控制与通信，其中引脚PC1、PD6接时钟电路的串行输入，引脚PC0、PG1接时钟电路的串行输入/输出脚。引脚PG1、PD7、PD6实现与存储器的控制与通信，其中引脚PG1接存储器的串行输入/输出脚实现数据的存储与读取，引脚PD7、PD6实现CPU对于存储器的控制。

请参阅图7所示，是本发明交流窜入直流监测仪的报警输出单元电路结构示意图。

如图7所示为报警输出电路，报警输出电路实现交流窜入、系统故障的报警功能，其输入与CPU的PA1、PA2引脚相连。当出现交流窜入故障或者系统故障时，CPU通过WAR1、WAR2报警信号变为高电平，三极管导通，继电器线圈通电，常开开关闭合，实现交流传入故障以及系统故障的报警功能。

请参阅图8所示，是本发明交流窜入直流监测仪的声光报警单元电路结构示意图。

如图8所示为声光报警电路，声光报警电路实现交流窜入、系统故障的声光报警功能，其输入与CPU的PG0引脚相连.当发生交流窜入故障或者系统故障时，CPU通过ALMSP信号变为高电平，三极管导通，声光报警器通电工作，实现声光报警功能。

请参阅图9所示，是本发明交流窜入直流监测仪的电源单元电路结构示意图。

电源模块为整个装置提供最基础的电能，直接影响到整个系统的工作性能。电源模块型号为IF1205S-1W，电源模块输入为+12V电压，能够提供5V、9V、12V、15V的输出。

请参阅图10所示，是本发明交流窜入直流监测仪的时钟单元电路结构示意图。

如图10所示为时钟模块，时钟模块选择SD2400EPI时钟芯片，它是一种具有内置晶振、支持IIC串行接口的高精度实时时钟芯片，CPU可通过5位地址寻址来读写片内32字节寄存器的数据(包括时间寄存器、报警寄存器、控制寄存器、通用SRAM寄存器)。VBAT为外加备用电池引脚，VDD为正电源引脚。SCL引脚为串行时钟输入脚，CPU通过PC2(A10)引脚的SCL信号进行控制。SDA引脚为串行数据输入/输出脚，CPU通过PC0(A8)的SDA信号进行数据读写。NC/SDAE引脚为NVSRAM串行数据输入/输出引脚，CPU通过PG1引脚的SDAE信号进行读写。NC/SCLE引脚为NVSRAM串行时钟输入脚，CPU通过PD6(T1)引脚的SCLE信号进行控制。

请参阅图11所示，是本发明交流窜入直流监测仪的存储器电路结构示意图。

如图11所示为存储器，存储器选择FM24W256-G，它是一种铁电存储器(FRAM)，容量为256K bit。FRAM是由RAMTRON公司研制的新型存存储器，它的核心技术是铁电晶体材料，具有RAM和ROM的优点，读写速度快并可以像非易失性存储器一样使用。WP引脚为写保护引脚，由CPU通过PD7(T2)引脚的WP24信号进行控制。SCL引脚为串行时钟输入脚，CPU通过PD6(T1)引脚的SCLE信号进行控制。SDA引脚为串行数据输入/输出脚，CPU通过PG1的SDAE信号进行数据读写。

请参阅图12所示，是本发明交流窜入直流监测仪的复位单元电路结构示意图。

如图12所示为复位电路，复位电路选择XICOR公司的x5043芯片，它具有上电复位、低电压复位控制以及看门狗定时器功能。上电复位功能是指加电时芯片内部的上电复位电路被激活，从而使RET引脚有效，上电复位功能可避免CPU在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。低电位复位控制功能是指工作时，低电压复位电路可以监测供电电压VCC，若电源电压跌落至预置的最小值以下时，RET引脚有效，从而避免CPU在电源失效或断开的情况下工作。看门狗定时器的作用是通过监视/WDI引脚输入情况来监视CPU是否激活，由于工作时CPU必须周期性的触发/WDI引脚以避免RET信号激活而使电路复位，所以/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发，否则进行复位操作。/WDI引脚为片选引脚，由CPU通过PB4(OC0)引脚的CS5043信号进行控制。SO引脚为串行输出引脚，CPU通过SO5043信号由PB3(MISO)引脚进行接收。引脚为写保护引脚，由CPU通过PB2(MOSI)引脚的WP5043信号进行控制。RET/引脚为复位输出引脚，连接CPU的引脚，控制CPU的复位操作。SCK引脚为串行时钟引脚，CPU通过PB6(OC1B)引脚的SCK5043信号进行输入。SI引脚为串行输入引脚，CPU通过PB5(OC1A)引脚的SI5043信号进行输入。

请参阅图13所示，是本发明交流窜入直流监测仪的通讯单元电路结构示意图。

如图13所示为RS485通讯模块，RS485通讯模块选择SN75LBC184DR芯片，它是符合SN5176行业标准的差分收发器，内置高能量瞬变噪声保护装置。通讯模块具有光电隔离单元，能够实现光电隔离，光电隔离单元有两个单通道高速逻辑输出光电耦合器6N137组成。RO引脚通过光电隔离单元与CPU的PE0(PDI/RXD0)引脚相连，与DE引脚通过光电隔离单元与CPU的PE1(PDO/TXD0)引脚相连，VCC引脚接电源，A、B引脚接RS485接口端子。当TXD0为高电平时光电隔离器U20不导通，D11为高电平，三极管Q7导通，使能DE、为低电平，此时RO输出数据，CPU通过RXD0信号读取信息。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。