一种直流控制保护系统用I/O装置的制作方法

本发明涉及一种直流控制保护系统用I/O装置。
背景技术：
：在直流输电控制保护系统中，直流场、交流场一次设备与控制保护主机间，以及控制保护主机之间需要传递大量的实时设备状态信号、功能逻辑信号，如一个特高压直流工程的用量达近万个。由于现场恶劣的电磁干扰环境，为防止误变位导致错误逻辑的产生，进而导致保护误动作而酿成事故，换流站运行方要求屏与屏之间的信号传递禁止采用低电压等级信号如DC24V，而应采用DC220V或DC110V高电压等级。但作为直流控制保护系统核心的控制保护主机为自身抗干扰需要全部采用的是DC24V低电压等级的状态电平接口，因而在状态信号进出屏柜时必须增加状态信号隔离模块——I/O继电器模块进行衔接，以实现电信号隔离、高/低电压等级电平的正常匹配与转换。目前我们在工程现场采用的I/O继电器模块有两种型式，一是电磁继电器形式、一是固态继电器形式，但无论哪种输出形式，模块的输入回路均为传统的自然导通与自然断开设计。图1为在现有直流输电控制保护当中使用的电磁式I/O继电器模块的构成原理示意图。输入直流信号回路包含有输入限流控制单元、LED状态指示单元、隔离及输出接口。输入限流控制单元一般包含几个电阻，用以在确保后级隔离器件驱动力的同时限制输入电流、输入功率及发热量。LED状态灯用以指示原边电流流通情况。隔离及输出为常规电磁继电器方式，原边输入电流流入电磁继电器的电磁线圈产生电磁效应，电磁铁吸引内部衔铁运动，带动机械触点动作而产生触点闭合。反之，电磁线圈失电，电磁吸力消失，带动机械触点回归而产生触点断开。这种固有的电磁与机械特性存在，导致模块的开通动作电压多在70％～85％额定值范围，断开动作电压则在10％～30％额定值范围，远不能满足电网运行规程中所规定的55％～70％额定值动作电压值的要求。同时，如果输入电流较为薄弱的话，电磁线圈所在的电流回路中有电流，但是流过的电流并不能达到使触点吸合的要求，也就不能使触点的通断状态与通入电流保持一致，这些薄弱信号均属于干扰信号，但是该模块无法有效抵挡这些干扰信号，从而对现场人员造成错误的判断与分析。图2为在现有直流输电控制保护当中使用的固态I/O继电器模块的构成原理示意图。输入直流信号回路包含有输入限流控制单元、LED状态指示单元、隔离及驱动单元、输出接口。同图1所示，输入限流控制单元电阻用以确保后级隔离器件驱动力并限制输入电流、输入功率及发热量，LED状态灯用以指示原边电流流通情况。不同的是隔离方式为光电方式。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，进而受光器的输出端流出或产生光电压，从而实现了“电—光—电”转换，可以起到有效的信号隔离与抗干扰作用。如线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通而发光，光敏三级管导通。光耦合器的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性，而光耦合器的输出特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，因而光耦器件的导通情况受二极管正向导通电流、三极管电流传输比CTR、集电极电流Ic以及环境温度等因素影响，使光耦的导通动作电流、关断动作电流有很大的不均匀性、分散性，导致现有模块批量生产时的动作电压值分散性、不确定性，远不能满足电网规程的55％～70％额定值动作电压值要求，特别是在关断时动作电压较低，导致系统极易受干扰信号的影响而出现误动作。同时已有继电器模块的LED动作指示状态与实际通断状态不一致：模块LED灯点亮时，输出不一定导通；输出关断时，LED仍点亮及弱亮，这经常造成运行人员对I/O通道状态的判断错乱。现有的模块设计技术中并不能进行输入信号的动作电压点的检测及通断控制，不能消除以上设计缺陷与应用问题，从而对直流系统的安全运行构成了极大的危害与威胁。技术实现要素：本发明的目的是提供一种直流控制保护系统用I/O装置，用以解决现有的I/O模块动作值超标，特别是关断动作电压较低，导致抗干扰性能较差的问题。为实现上述目的，本发明的方案包括一种直流控制保护系统用I/O装置，包括隔离驱动模块，隔离驱动模块包括隔离元件，所述隔离元件的原边回路中串设有装置信号输入端和输入限流模块，所述隔离元件的原边回路中还串设有信号电平监测模块，所述输入限流模块和信号电平监测模块构成信号输入监视控制单元，所述输入限流模块用于将外部输入信号电流控制在一定范围内，所述信号电平监测模块的信号输入端对应连接所述装置信号输入端，用于在外部输入信号的电压幅值达到设定值时输出相应的信号；所述隔离元件的副边输出连接输出端口模块。所述隔离元件的原边回路中还串设有LED指示模块。所述输入限流模块包括依次连接的过压抑制部分、RC滤波部分、电阻部分和稳压部分。所述信号电平监测模块包括一条串设有分压电阻和至少一个辅助电阻的分压支路，所述分压支路连接所述装置信号输入端，所述分压电阻的分压端输出控制连接一个控制开关，所述控制开关串设在所述隔离元件的原边回路中。所述隔离元件为光电隔离元件，该光电隔离元件的副边为光伏二极管阵列，用于根据光电隔离元件的原边发出的光信号产生一定电压的电能信号，所述隔离驱动模块还包括一个控制开关，所述光伏二极管阵列输出控制连接所述控制开关，用于根据产生的电能信号控制所述控制开关导通，所述输出端口模块对应连接所述控制开关的阳极和阴极。所述隔离元件为一个继电器模块，所述隔离元件的原边为所述继电器模块的控制线圈，副边为所述继电器模块的一个常开触点，所述输出端口模块对应连接所述常开触点的两端。所述过压抑制部分为过压抑制器VZ1，所述RC滤波部分为RC滤波电路，电阻部分为电阻R2，所述稳压部分为稳压管Z1，所述输入限流模块的输入端连接所述过压抑制器VZ1，所述过压抑制器VZ1依次输出连接磁珠BZ1、RC滤波电路、电阻R2和稳压管Z1。所述分压支路上串设有分压电阻RF4，以及辅助电阻RF3、辅助电阻RF2和辅助电阻RF1，所述分压电阻RF4的两端并联有电容C1和稳压管Z1，所述分压电阻RF4的高电位端通过稳压管Z2控制连接控制开关G1，所述控制开关G1的控制端与阴极之间连接有电阻R0，所述控制开关G1反向并联有二极管D1。所述隔离驱动模块还包括与所述光伏二极管阵列并联设置的电阻R1、电容C1和稳压管Z2，所述控制开关的阳极与阴极之间连接有阻容串联支路和过电压抑制器VZ1，所述阻容串联支路上串设有电阻R2和电容C2。所述隔离驱动模块还包括与常开触点并联设置的阻容串联支路和过电压抑制器VZ1，所述阻容串联支路上串设有电阻R1和电容C1。本发明提供的直流控制保护系统用I/O装置中，输入信号通过输入限流模块输出到隔离模块的原边，同时，信号电平监测模块检测输入信号的电压幅值，只有当电压幅值到达一定值时，该监测模块的输出端才会输出一定的信号，使限流模块、隔离模块的原边和监测模块形成一个电流通路，隔离模块的原边就会控制副边导通；如果输入信号比较薄弱的话，即关断工作电压较低时，其电压幅值没到一定值，该监测模块的输出端就不会输出信号，那么，限流模块、隔离模块的原边和监测模块就无法形成一个电流通路，隔离模块的原边就不会控制副边导通。所以，该装置能够在关断动作电压超标时，即过低时，防止I/O装置动作。因此，该装置能够有效滤除掉电压薄弱信号，有效抵挡薄弱信号对该装置造成的干扰，从而避免对现场人员造成错误的判断与分析。所以，该装置的抗干扰性能较强。附图说明图1是是现有直流输电控制保护用电磁式I/O继电器模块的内部电路结构图；图2是现有直流输电控制保护用固态式I/O继电器模块的内部电路结构图；图3是本发明提供的I/O继电器装置的结构示意图；图4是输入限流模块的电路结构示意图；图5是信号电平监测模块的电路结构示意图；图6是固态式I/O继电器装置中的信号隔离输出控制单元的电路结构示意图；图7是电磁式I/O继电器装置中的信号隔离输出控制单元的电路结构示意图；图8是I/O继电器装置的输入输出动作状态示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。本发明提供的I/O装置可以适用于直流输电系统中的控制保护系统中，但也可以适用于其他输电系统或者状态信号传输系统。并且，由于该I/O装置通常应用在继电保护中，所以，本实施例将该I/O装置称为I/O继电器装置。如图3所示，该I/O继电器装置包括信号输入监视控制单元和信号隔离输出控制单元。其中，信号输入监视控制单元包含输入限流电路与信号电平监测电路，信号隔离输出控制单元包括隔离驱动电路和输出接口电路。输入限流电路设有信号输入端，该信号输入端对应连接继电器装置的信号输入端。信号电平监测电路同样设有信号输入端，其同样对应连接继电器装置的信号输入端。该输入限流电路的输出端通过一个LED指示灯连接到隔离驱动电路中的隔离元件的原边的一端，原边的另一端连接信号电平监测电路的信号输出端。输入限流电路用于将外部输入的控制信号中的电流及功率信息控制在合理的范围；信号电平监测电路用于检测外部输入的控制信号的电压幅值大小，并在电压幅值大于一个设定值时输出相应的信号，以进行对以输入限流电路的输出端、LED指示灯、隔离元件的原边、以及信号电平监测电路的信号输出端构成的电流回路的开通控制。所以，该信号电平监测电路还可以称为阈值检测控制电路。隔离驱动电路中的隔离元件的副边输出连接输出接口电路，该输出接口电路为两个输出端，这两个输出端就是该I/O继电器装置的输出端。在本实施例中，对于上述几个电路，分别给出一种具体的电路结构实施方式，当然，本发明提供的继电器装置并不局限于上述具体的电路结构，只要能够实现对应的功能，其他具体的电路结构也在本发明的保护范围之内。另外，图4至图7分别是四个电路的结构图，由于这四个电路相互之间为独立的电路结构，所以，这四个电路图中的图标可以共用。如图4所示，固态方式继电器装置中的输入限流电路包括过压抑制器VZ1、磁珠BZ1、电阻R1、电容C1、电阻R2和稳压二极管Z1。过压抑制器VZ1连接信号输入端DC+与DC-之间，电容C1与电阻R1构成RC滤波电路，稳压管Z1用于对后级低压电路的过压保护，过压抑制器VZ1依次连接磁珠BZ1、RC滤波电路、电阻R2、稳压二极管Z1和发光二极管L1。该输入限流电路的+输出端用于连接在隔离元件的原边的一端。额定电压信号输入时的输入电流值计算公式为：其中，UN-IN为信号输入额定电压，UF-OC为隔离输出控制单元的隔离元件的原边管正向压降，UF-LED为发光二极管正向压降。对于电磁方式继电器装置，则隔离光耦的原边管正向压降UF-OC应相应更改为电磁继电器的原边线圈额定值UCOIL，其额定信号输入电压时的输入电流值计算公式为：如图5所示，为根据本发明实施的一种继电器模块阈值检测控制电路，包括电阻RF1、电阻RF2、电阻RF3、电阻RF4、电容C1、稳压二极管Z1、稳压二极管Z2、电阻R0、晶体开关管G1和二级管D1。电阻RF1、电阻RF2、电阻RF3、电阻RF4串联后构成一条分压电路，该分压电路连接至输入信号的正极性与负极性端，其中，电阻RF4为分压电阻，其他三个电阻只是用于辅助，以形成该分压电路。稳压二极管Z1和电容C1均与电阻RF4并联，电阻RF4的高电位端，即不是接地或者不接直流负极的一端，该高电位端经稳压二极管Z2后控制连接到开关管G1的控制极。稳压二极管Z2为控制的关键器件，选用精密稳压二极管，如型号选用BZT55-B9V1。开关管G1以新一代高压高速NPN三极管为例。电阻R0一端连接三极管G1的控制极，另一端连接至输入信号的负极性端(即三极管G1的发射极)。三极管G1反向并联二级管D1。三极管G1为具备高直流增益hFE、高VCEO(不低于300V)、低VCEsat的小型化晶体管，稳压二极管的稳压误差对动作点值的影响较大，误差不低于B级。输入信号先经电阻RF1、电阻RF2、电阻RF3和电阻RF4串联分压，分压后的电压UDV即电阻RF4两端的电压，当UDV的电压值大于稳压二极管Z2的稳定电压VZ后，三极管G1的基极为高电平，从而使得三极管G1的集电极和发射极输出导通。其中电容C1与分压电阻配合用于滤波，稳压二极管Z1用于抑制瞬时过电压以保护后级低电压电路，电阻R0用于三极管非导通状态下的关断下拉控制，二极管D1用于三极管G1的反向保护。三极管G1的动作电压阈值UON的相关计算公式为：所以，只有当电阻RF4两端的电压，即输入信号的电压幅值到达以一定值时，三极管G1才导通。并且，三极管G1的集电极连接隔离元件的原边的另一端，即输入限流电路的+输出端、隔离元件的原边和三极管G1构成一个电流回路，只有当三极管G1导通时，该电流回路才导通，隔离元件以及后续的电路才能够输出相应的信号。本实施例中，给出两种信号隔离输出控制单元的电路结构，其中，如图6所示，为一种固态式信号隔离输出控制单元中的隔离驱动电路与输出接口电路的电路结构示意图；如图7所示，为一种电磁式信号隔离输出控制单元中的隔离驱动电路与输出接口电路结构示意图。下面一一进行说明：如图6所示，隔离驱动电路中的隔离元件为光电耦合器IC1，那么，光电耦合器IC1的原边为发光二极管，但是，一般或传统光耦器件的副边光接受器为光敏三极管，而与传统光耦不同的是，该光电耦合器IC1内部光接受器为光伏二极管阵列，本身在光照射的情况下能够产生一定驱动功率的直流电压。隔离驱动电路的原边，即发光二极管的两端分别连接输入限流电路的+输出端和信号电平监测电路的+输出端，并且，隔离驱动电路的原边与稳压管Z1并联，稳压管Z1为可起到反极性保护光电耦合器IC1的作用。电阻R1、电容C1、稳压管Z2分别并联在隔离驱动电路的副边，即光伏二极管阵列的两端，起稳定电压与抗干扰作用。光电耦合器IC1的副边输出控制连接开关管G1的控制极，该图6中的开关管G1以MOSFET管为例，即光电耦合器IC1的副边输出控制连接MOSFET管G1的栅极。由电阻R2和电容C2构成的阻容串联电路以及过电压抑制器VZ1均与MOSFET管G1并联，用可对MOSFET管G1进行瞬态过电压保护以抑制尖峰电压。当光电耦合器IC1的原边所在的电流回路导通，内部有电流时，电流流经光电耦合器IC1内部的发光二极管，以红外发光二极管为例，产生一定强度的红外光，后级的光敏检测器为光伏二极管阵列，其在经红外光照射后可产生具有一定幅值与能量的开路电压施加到MOSFET管G1的栅极，使MOSFET管G1导通。该开路电压值一般在10V左右，负载电流在10～20uA，可满足一般的开关管的驱动能力要求。反之，当光电耦合器IC1的原边所在的电流回路关断时，就没有电流流过红外发光二极管，光伏二极管阵列也就无法产生电压并输出到MOSFET管G1的栅极，MOSFET管G1关断。另外，MOSFET管G1的漏极一般接外部直流电源的正极，源极串接到后面信号通路始端，MOSFET管G1导通则后级信号回路导通，MOSFET管G1关断则后级信号回路断开。如图7所示，隔离元件为电磁继电器K1，所以，该隔离元件的原边对应着继电器K1的控制线圈，副边对应着该继电器的常开触点。继电器K1的控制线圈与稳压管Z1并联设置，具有抑制吸收线圈反向电动势的作用。而由电阻R1和电容C1构成的阻容串联电路与过电压抑制器VZ1均并联在常开触点的两端，过电压抑制器VZ1用以对该常开触点进行瞬态过电压保护。图6表达的是采用光电隔离器件的固态继电器形式，图7表达的则是采用传统的电磁继电器形式。二者应用中各有优缺点。固态继电器采用光电隔离方式，相应速度快，触点输出无抖动无电弧，动作稳定性与安全性高；电磁继电器动作时间慢、触点抖动大，但其触点为无极性方式、电压适应范围广、成本低，因而工程应用中会根据不同需求进行选用。图7中的K1即为常规电磁继电器，其输出的触点为硬接点，即是一个机械开关型式，外部回路导通时只需将此开关串接入后面信号回路即可，不需要提供任何驱动电源。以下给出一个具体应用实例。图5中的RF1的阻值为54KΩ，RF2的阻值为27KΩ，RF3的阻值为7.5KΩ，RF4的阻值为15KΩ，稳定电压VZ＝VZ2+VBE，其中，VZ2为稳压二极管Z2的稳定电压，VBE为三极管G1的基极与发射极间电压。除了稳压二极管Z2之外，电容C1为滤波作用，稳压二极管Z1为过压保护作用、R1为弱下拉功能，均三极管G1的导通控制无关。动作电压阈值UON相关的计算公式为：即当UDV电压升高到61.47％额定电压时，电压通过稳压二极管Z2给到三极管G1的基极，三极管G1的集电极与发射极间导通，则三极管G1所在的电流回路开通，后级光电耦合器IC1的副边产生一定的电压，从而驱动后级电路输出。符合设计规定的61％～62％额定输入电压值范围要求。另外考虑器件的参数误差，如电阻精度、稳压管精度等，实际应用中的导通动作电压阈值均位于61％～62％额定输入电压值范围。根据以上对导通动作电压阈值的分析，知其导通动作电压阈值均位于61％～62％额定输入电压值范围。由于一般开关半导体器件类，如三极管G1的关断电压具有一定的迟滞性，即有一定的滞环电压，其关断时的电流或电压值稍小于其导通时的电流值或电压值。本发明中的滞环电压基本维持在向下1％范围，因而关断动作电压阈值小于导通动作电压阈值61％～62％额定输入电压值范围，普遍位于60％～61％额定输入电压值范围，实际批量测试也证明了这一点。所以，对于图6所示的固态式信号隔离输出控制单元，当该继电器装置的DC+与DC-间施加DC110V电压时，UON≥67.1V～68.2V(61％～62％额定输入电压值)，信号电平监测中阈值检测控制点电压Ub≥9.1V(三极管G1的导通动作电压阈值)，三极管G1导通，输入限流控制回路与信号电平监测电路之间的电流回路接通，LED指示灯点亮，光电隔离器IC1的红外发光二极管导通，光电隔离器IC1的光伏二极管阵列经红外光照射产生约10V开路电压，MOSFET管G1栅极Ug为高电平，MOSFET管G1导通，该继电器装置的两个输出端导通。当DC+与DC-间解除DC110V电压时，UON≤66V～67V(60％～61％额定输入电压值)，信号电平监测中阈值检测控制点电压Ub≤9.1V(三极管G1的导通动作电压阈值)，三极管G1关断，输入限流控制回路与信号电平监测电路之间的电流回路切断，LED指示灯熄灭，光电隔离器IC1的红外发光二极管关断，光电隔离器IC1的光伏二极管阵列两端10V开路电压消失，MOSFET管G1的栅极Ug为低电平，MOSFET管G1关断，该继电器装置的两个输出端关断。对于图7所示的电磁式信号隔离输出控制单元，当该继电器装置的DC+与DC-间施加DC110V电压时，UON≥67.1V～68.2V(61％～62％额定输入电压值)，信号电平监测中阈值检测控制点电压U2≥9.1V(三极管G1的导通动作电压阈值)，三极管G1导通，输入限流控制回路与信号电平监测电路之间的电流回路接通，LED指示灯点亮，电磁继电器K1的原边线圈带电，常开触点闭合，该继电器装置的两个输出端导通。当该继电器装置的DC+与DC-间解除DC110V电压时，UON≤66V～67V(60％～61％额定输入电压值)，信号电平监测中阈值检测控制点电压U2≤9.1V(导通动作电压阈值)，三极管G1关断，输入限流控制回路与信号电平监测电路之间的电流回路切断，LED指示灯熄灭，电磁继电器K1的原边线圈失电，常开触点恢复断开状态，该继电器装置的两个输出端关断。图8所示为本发明实施例的I/O继电器装置的输入输出动作状态图。在本实施例中，无论装置的隔离形式是光电式或是电磁式，装置导通时继电器与光电器件均工作于额定电流值附近，避免了基于器件自导通点或动作点的边缘参数分散、不确定问题。并且，通过对器件参数的选取，能够使装置的导通动作电压阈值普遍位于61％～62％额定输入电压值范围，与预先设定并计算的动作点值相一致，而关断动作电压阈值普遍位于60％～61％额定输入电压值范围，具备1～2V的有益迟滞特性。完全满足电网运行规程中55％～70％额定电压值动作的要求，从而有效避免了因光电器件导通分散性、电磁继电器吸合电压高、释放电压过低的原有弊端。上述对I/O继电器装置的结构进行了描述，并且结合应用实例对I/O继电器装置的工作原理进行了说明。所以，本发明提供的I/O继电器装置实现的是两个控制保护主机间状态信号的远距离传输时高低电压等级状态信号的隔离、变换与电压等级适配功能。系统中的两台保护主机端状态信号电压等级为24VDC，因而需要至少两种类型的I/O转换，一种类型是输入端信号为24VDC电压等级，经隔离转换适配到DC220V或DC110V高电压等级信号输出端；另一种类型是输入端信号为DC220V或DC110V电压等级，经隔离转换适配到24VDC低电压等级输出端。简而言之，本发明提供的I/O继电器装置有两种类型，这两种类型的输入端和输出端连接的电压等级不同：一种类型的I/O装置的输入端为24VDC等级，输出端为DC220V或DC110V电压等级；另一种I/O装置的输入端为DC220V或DC110V等级，输出端为24VDC电压等级，如表1所述。表1输入端口输出端口第一种I/O装置DC110V(或DC220V)DC24V第二种I/O装置DC24VDC110V(或DC220V)上述实施例中，输入限流控制单元与隔离元件之间的连接线路上串设有LED指示灯，通过该LED指示灯能够直观地表示该电流回路中是否存在电流，当然，这只是一种优化的实施方式，作为其他的实施例，该LED指示灯还可以不设置。以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3