专利名称：数字式电流综合器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，特别涉及一种与输电线路微机差动保护配套使用的数字式电流综合器。
背景技术：
差动保护由于灵敏度高、选择性好且简单可靠，是电力系统中最主要的继电保护方式之一。其工作原理为保护装置同步采集被保护线路两端的电流量，运行保护算法并做出判断故障是否发生、故障点是否位于被保护线路内，从而决定是否出口跳闸。因此，差动保护的正常工作必须借助于通信通道。
传统的差动保护主要由电磁式、晶体管或集成电路式差动继电器，配套金属导引线通信通道构成。金属导引线作为差动保护最早所使用的通信通道，传送对端线路电流模拟信号，在中短距离时具备经济可靠的特点，至今仍在电力系统保护中有着较为广泛的应用。
但是，传统的差动继电器大多存在装置笨重、设定复杂、系统老化、功能单一等缺点，无法适应当前的变电站自动化要求，目前大多已经被更换为新型的微机差动保护装置。因此，基于数字量运算的微机差动保护装置，如何与基于模拟信号传输的金属导引线通信通道配合使用，成为必须解决的问题。
对于该问题，已有多个公司研制了适用于导引线通道的微机差动保护装置，其实现方式主要有两种一是全数字式差动保护装置，利用金属导引线向线路对端的微机差动保护装置传送数字信号，不再是传送模拟信号，但对导引线的质量有了较高的要求，且所允许的被保护线路长度较短。该类型的代表产品有东芝公司的GRL150。实际运行经验表明，对于大多数已经架设的导引线来说，并不能可靠的传送低电平数字信号，这直接影响了保护装置的动作可靠性。
另一种是半数字式差动保护装置，代表产品有西门子公司生产的7SD600。导引线仍如传统模式一样通过环流向对端传递信息，保护装置测量本端电流和导引线电流并对其进行数字化处理，利用微机算法判定系统运行状况。事实证明，对于导引线通道来说，这种通讯方式远比前者可靠。但是由于实际系统中通常仅架设两根导引线以减少投资成本，必须先将三相电流整合成单相电流再送入导引线，现有的此类保护装置仍然通过传统的电流综合器——三相/单相变流器来完成此功能。这种传统的变流器一般只能实现简单的电流加减，且一次侧绕组接线方式的改变较为繁琐，不能灵活设定，使得该类微机导引线差动保护装置未能充分发挥数字技术的优势。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种数字式电流综合器，应用本发明既充分利用了数字技术的优势，可以灵活地实现待传送信号的数字调制，同时也可以充分利用传统的金属导引线通信通道构成差动保护系统，节约了成本，可替代传统三相/单相变流器。
本发明提出的一种数字式电流综合器，其特征在于，该装置包括电流变换模块、数据采集模块、数据处理模块、数模转换模块、功率放大模块和导引线出口模块；其连接关系为由电流变换模块把来自于电流互感器的三相电流信号转换为额定值2.5V的电压信号输出给数据采集模块，由数据采集模块高速采集该信号，并对该信号进行快速实时处理成数字信号后传给数据处理模块，由数据处理模块计算得到相应的单相综合电流值后，送给数模转换模块转换成模拟信号送给功率放大模块，功率放大模块将该信号放大后经导引线出口模块输入到金属导引线中。
本发明的特点及效果本发明通过电流变换器(小电流互感器)，把来自于电流互感器(额定电流1安培或者5安培)的三相电流信号转换为2.5V的电压信号输出，供数据采集系统使用。对反映三相电流值的电压信号进行模拟—数字量转换的高速同步模/数转换，采样分辨率为12位，采样频率1600赫兹。
采用数字处理的方法快速计算综合电流值，向数/模转换模块发送数据。所采用的数字处理方法计算单相综合电流可以按照Iout＝L·Ia+M·Ib+N·Ic+P·I1+Q·I2+R·I0格式进行任意简单的设定，其中Ia、Ib、Ic分别为A相、B相、C相电流相量，I1、I2、I0分别为正序、负序、零序电流相量，L、M、N、P、Q、R分别为各电流值的比例系数。同时该模块可以通过RS485与本侧微机差动保护装置通信，传送计算的数字综合电流值。本发明将计算得到的一路综合电流转换成模拟信号，数字信号分辨率为12位，信号频率1600赫兹。再输出的模拟信号放大输出，使装置能够应用于较长的导引线系统中，本发明的瞬时最高功率可达100瓦，允许的导引线最大电阻为1kΩ。本发明通过压敏电阻起过压保护作用；通过隔离变压器使本发明的绝缘等级提高到15kV，防止装置因导引线发生异常故障而受损害。
综上所述，本发明可以灵活地实现待传送信号的数字调制，同时也可以充分利用传统的金属导引线通信通道构成差动保护系统，节约了成本，可替代传统三相/单相变流器。
图1为本发明的构成框图。
图2为本发明数据采集模块的低通滤波电路原理图。
图3为本发明的数据处理模块的处理流程图。
图4为本发明的偏移放大电路原理图。
图5为本发明的导引线出口模块电路原理图。
图6为本发明实施例的装置连接框图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的硬件构成如图1的虚线框内所示，共包括电流变换模块、数据采集模块、数据处理模块、数模转换模块、功率放大模块和导引线出口模块六个部分。其连接关系为由电流变换模块把来自于电流互感器的三相电流信号转换为额定值2.5V的电压信号输出给数据采集模块，由数据采集模块高速采集该信号，并对该信号进行快速实时处理成数字信号后传给数据处理模块，由数据处理模块计算得到相应的单相综合电流值后，送给数模转换模块转换成模拟信号送给功率放大模块，功率放大模块将该信号放大后经导引线出口模块输入到金属导引线中。
下面对各模块的具体构成实施例及工作原理进行详细说明1.电流变换模块本实施例的电流变换模块，采用淄博元星电子有限公司的高压保护用电流互感器TA333系列，该模块有两组电流输入端，分别对应额定电流为1安培和5安培的三相电流互感器。
其中额定电流为1安培的电流互感器采用TA333-20A型号产品，其额定输出电压为0-0.3535V，精度等级0.5，线形范围0-50A，瞬时输出电压为0-7.07V，并且可以通过直流衰减分量；额定电流为5安培的电流互感器采用TA333-100A型号产品，其额定输出电压为0-0.3535V，精度等级0.5，线形范围0-250A，瞬时输出电压为0-7.07V，可以通过直流衰减分量。
TA333电流互感器的输出电压信号经低通滤波电路的运算放大器OP07，转换为额定值2.5V的电压信号，供下一级的数据采集模块使用。其中低通滤波电路的系统结构和电路原理在‘数据采集模块’中说明。
2.数据采集模块数据采集模块实现数据的采集与模数转换，本实施例由低通滤波电路和模数转换器组成。
该模块在模/数转换器前设置低通滤波电路，是考虑到导引线差动保护判据主要基于电流工频量，且电力系统高频噪声和谐波分量可能造成保护误动作。本实施例采用的低通滤波电路为截止频率为400Hz的一阶同相输入有源低通滤波电路，其电路原理如图2所示；上一级电流变换模块的输出电压通过电阻R3及电容C1作用于运算放大器的同相输入端，反相输入端由电阻R1连至运算放大器的输出端，并经电阻R2接地。本实施例选用的运算放大器为低失调、低温漂的精密运算放大器OP07。
本实施例的模/数转换器由AD公司生产的新型微控制器ADuC812芯片所集成的ADC实现。它采集反映一次系统三相电流值的电压信号，并对其进行模拟—数字量转换，分辨率为12位，采样频率为1600赫兹，即每周波采样点数为32。
3.数据处理模块本实施例采用AD公司生产的新型微控制器ADuC812，它具有操作简单、可靠性高的特点，且内部集成了八通道12位数/模转换器和双通道12位模/数转换器，可有效简化数据采集和模拟量输出系统，提高装置的工作效率(为了使叙述的条理化更加清晰，将微控制器ADuC812内部集成的ADC和DAC分别划分至数据采集模块和数/模转换模块中)。
微控制器ADuC812完成读取电流采样数据，向DAC发送转换数据，与微机差动保护装置通信及综合电流值计算等功能。其处理流程如图3所示，具体包括以下步骤(1)启动程序进行初始化；(2)从数据采集模块读取反映一次系统三相电流值的采样数据；(3)按照式Iout＝L·Ia+M·Ib+N·Ic+P·I1+Q·I2+R·I0计算综合电流值，其中Ia、Ib、Ic分别为A相、B相、C相电流相量，I1、I2、I0分别为正序、负序、零序电流相量，L、M、N、P、Q、R分别为各电流值的比例系数。各系数可灵活设定以增强本发明的兼容性。例如，当被保护区域另一端的电流综合器输出为“Iout＝I1+6I2”时，仅需在本端的综合程序中设定系数L＝0，M＝0，N＝0，P＝1，Q＝6，R＝0即可实现两者的兼容，从而使两端的导引线差动保护装置可以正常工作(而对于传统的导引线差动保护装置来说，必须使用接线非常复杂的相序滤过器才能得到这样的综合电流，并且误差较大)；(4)向数模转换模块发送综合电流值Iout；(5)用查询法判断RS485通信通道是否可用，若‘否’则等待，若‘是’则与相配套的微机差动保护装置通信，上传当前时刻的本端综合电流数据。
(6)通信完毕，返回(2)。
4.数模转换模块本实施例由微控制器ADuC812所集成的DAC实现。
微控制器ADuC812内部集成的DAC将综合电流数据高速转换为0～+5V的模拟量输出，其分辨率为12位，每周波输出32个点。
5.功率放大模块在实际系统中，由于差动保护的导引线通道最长可达十几公里，因此功率放大模块是必不可少的。本实施例由偏移放大电路和集成功率放大电路组成两级放大电路。
偏移放大电路与数模转换模块的输出端相连，将单极性的电压转换为-5V～+5V的双极性输出。该电路原理图如图4所示，其组成包括运算放大器、电阻和电容；其连接关系为上一级数模转换模块的输出与运算放大器的反相输入端之间串联电阻R4，偏置电压+5V经电阻R5和R7作用于同相输入端，电阻R6跨接于运算放大器的输出端和反相输入端。本实施例所选用的运算放大器为OP07；令R4＝R7＝10kΩ，R5＝R6＝20kΩ，则有，UOUT=R6(-UDACR4+5R5)=-2UDAC+5]]>因此当输入UDAC为0～+5V时，就可以得到-5V～+5V的输出。
在偏移放大电路的运放负输入端和输出端之间并联电容C2可同时起低通滤波作用，以消除DAC输出的台阶和毛刺。
集成功率放大电路将数模转换模块的输出作第二级放大。为获得稳定精确的电流输出，本实施例采用了APEX公司生产的集成功率放大芯片PA01，并引入电流负反馈，其瞬时最高输出功率可达到100瓦。
6.导引线出口模块导引线出口模块的实施例电路原理如图5所示，包括电阻Ro、可变电阻Rs及由压敏电阻Rv和隔离变压器Ti构成的保护电路；其中，电阻Ro、压敏电阻Rv并接在功率放大模块的两个输出端；可变电阻Rs的一端与功率放大模块的一个输出端相连，另一端与隔离变压器Ti的一端相连；隔离变压器Ti的另一端与功率放大模块的另一个输出端相连；其工作过程为功率放大模块输出的电流在导引线出口模块被分成两部分，一部分流入Ro支路，另一部分流入可变电阻Rs、导引线及导引线对端的电流综合器。同时，导引线对端的装置也会分流出部分电流流入导引线、本端的可变电阻Rs和Ro支路，这些电流叠加后即形成导引线上的环流。其中，可变电阻Rs的作用是匹配导引线电阻，使得应用于不同长度和阻值的导引线时输出电阻恒等于1000欧姆，以获得稳定的特性。
导引线出口模块还包括了装置的保护电路，该保护电路由压敏电阻Rv和隔离变压器Ti构成；压敏电阻Rv起过压保护作用，隔离变压器Ti使本发明的绝缘等级提高到15kV，防止装置因导引线发生异常故障而受损害。
本发明工作过程在图6所示的实施例中，两根导引线连接被保护线路两端M、N实现信息交互，采用本发明的两个数字式电流综合器配置在导引线两端完成采集电流信号、单相综合电流值计算、向导引线输出综合电流等功能，并通过RS485接口与微机差动保护装置通信。与本发明配合的微机差动保护装置只需要再测量导引线上的电流，即可获得足够的信息实现差动保护功能。
事实上，在导引线对端与本端数字式电流综合器配合的也可以是传统导引线差动保护装置，但是要求两者的输入(三相电流)输出(综合电流)运算关系必须完全相同。
权利要求
1.一种数字式电流综合器，其特征在于该装置包括电流变换模块、数据采集模块、数据处理模块、数模转换模块、功率放大模块和导引线出口模块；其连接关系为由电流变换模块把来自于电流互感器的三相电流信号转换为额定值2.5V的电压信号输出给数据采集模块，由数据采集模块高速采集该信号，并对该信号进行快速实时处理成数字信号后传给数据处理模块，由数据处理模块计算得到相应的单相综合电流值后，送给数模转换模块转换成模拟信号送给功率放大模块，功率放大模块将该信号放大后经导引线出口模块输入到金属导引线中。
2.根据权利要求1所述的电流综合器，其特征在于所述数据采集模块由低通滤波电路和模数转换器组成；该低通滤波电路采用截止频率为400Hz的一阶同相输入有源低通滤波电路。
3.根据权利要求1所述的电流综合器，其特征在于所述功率放大模块由偏移放大电路和集成功率放大电路组成两级放大电路；其中，偏移放大电路包括运算放大器、电阻(R4、R5、R6、R7)和电容(C2)；其连接关系为上一级数模转换模块的输出与运算放大器的反相输入端之间串联电阻(R4)，偏置电压+5V经电阻(R5)和电阻(R7)作用于同相输入端，电阻(R6)跨接于运算放大器的输出端和反相输入端；在该运算放大器的负输入端和输出端之间并联电容C2；所述集成功率放大电路采用集成功率放大芯片。
4.根据权利要求1所述的电流综合器，其特征在于所述导引线出口模块包括电阻Ro、可变电阻Rs及由压敏电阻Rv和隔离变压器Ti构成的保护电路；其中，电阻Ro、压敏电阻Rv并接在功率放大模块的两个输出端；可变电阻Rs的一端与功率放大模块的一个输出端相连，另一端与隔离变压器Ti的一端相连；隔离变压器Ti的另一端与功率放大模块的另一个输出端相连。
全文摘要
本发明涉及数字式电流综合器，属于电力系统领域，该装置包括电流变换模块、数据采集模块、数据处理模块、数模转换模块、功率放大模块和导引线出口模块；其连接关系为由电流变换模块把来自于电流互感器的三相电流信号转换为电压信号输出给数据采集模块，由数据采集模块采集该信号，并快速实时处理成数字信号后传给数据处理模块，由数据处理模块得到相应的单相综合电流值后，送给数模转换模块转换成模拟信号送给功率放大模块，功率放大模块将该信号放大后经导引线出口模块输入到金属导引线中。本发明使微机差动保护装置能够灵活可靠的应用于金属导引线通道，也使微机差动保护装置与传统导引线差动保护装置在被保护区域的两端配合兼容成为可能。
文档编号H02H3/32GK101051739SQ200710065390
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者董新洲, 张宁, 薄志谦 申请人:清华大学, 英国阿海珐输配电保护与控制公司