专利名称：自供电数字电流继电器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电流继电器，特别涉及一种用于电网保护的自供电数字 电流继电器。
技术背景在电力系统中涉及测量、继电保护等基本要求，最主要的是检测故障和通 过继电器控制开关设备保护跳闸。传统的保护元件多采用机电结构，但这种结构 存在性能差、体积大、成本高、功能单一等缺陷，而且不具备智能。随着微电子 技术、微处理器、网络技术的飞速发展及其在低压电力系统中广泛应用，使得各 种智能低压元件的开发成为可能。授权公告号CN1479423A (申请号为 03134373.1)的中国专利公开了一种低压数字继电器，该项专利集计量、保护、 通讯、控制、监测等功能于一体，包括采样电路、微处理器、继电保护电路、显 示驱动电路、RS 485总路通信接口、掉电保护电路和按键电路等组成。通过对 各项参数的整定，便可实现短路速断、过压报警、欠压报警等功能。但是，该类数字继电器由于需要操作电源，因此不能在无操作电源的变电所、 开闭所、开关柜、充气柜、架空线路、户外带开关的电力分接箱等场所使用，如 果使用蓄电池或其它辅助电源则增加了维护成本。 发明内容为克服现有技术的上述缺点，本实用新型提供一种自供电数字电流继电器， 这种继电器不需要外加任何辅助电源即可工作，同时具有控制精度高、功耗极低、 能实现三段三相电流保护、零序电流保护、可选多条曲线的反时限保护等功能。本实用新型实现上述目的的技术方案为 一种自供电数字电流继电器，包括 从被其保护的电网段上获取能量的自供电电源、主要由微处理器组成的交流采样运算及逻辑电路、以及信号输入与变换调理电路、控制输出与保护跳闸电路、485 通讯、人机交互接口、硬件看门狗和时钟系统组成，其特征是所述的自供电电源 采用电流互感器取电并包括具备自动调节取电比例的旁通短路电路(Q3、 Q5、 Q6、 R28 R35、 C31 C34);所述的上述电路采用单级控制跳闸机构，通过人机交互 接口和交流采样运算及逻辑电路设定保护电流值和保护类型；所述的自供电数字 电流继电器整机所消耗的总功率小于或等于2瓦。所述的信号输入与变换调理电路的输入由1至4个小电流互感器(CT1 CT4) 获得交流采样信号。所述的交流采样信号是4组时，分别为三相和零序交流采样信号。所述的微处理器是超低功耗Flash型16位RISC指令集单片微处理器 MSP430F149。所述的人机交互接口包括液晶显示器(LCD1)、 6个按键(BT1 BT6)、 4个 状态指示灯(LED1 LED4)。与现有技术相比，本实用新型的优点在于不需操作电源(无外接辅助电源 或电源PT)、功耗超低。具有三相电流速断保护、三相电流限时速断保护、三相 定时限过流保护、三相反时限过流保护、零序过流(接地)保护功能；保护电流 和时限可以根据用户需要整定，可选的反时限特性曲线(符合IEC标准的三条可选反时限保护曲线 一般反时限、非常反时限、极度反时限)；跳闸采用脉冲信 号，与专用跳闸机构配套使用；工作状态、故障、过流及跳闸脉冲等均有对应指 示灯指示，具有自动温度补偿、保护精度高、适合各地域户内户外各种场所等优 点。
图1为本实用新型的电路功能图。图2为本实用新型自供电数字电流继电器的自供电电源、信号输入与变换调 理电路、控制输出和保护跳闸电路三个部分的电原理图。图3为本实用新型自供电数字电流继电器的交流采样运算及逻辑电路、485 通讯、人机交互接口、硬件看门狗和时钟系统五个部分的电原理图。 具体实施方案
以下结合附图l、附图2、附图3实施例对本实用新型作进一步详细描述。 如图1所示，自供电数字电流继电器由八个功能性单元构成。信号输入与变 换调理电路1的输出与交流采样运算及逻辑电路2的输入相联接，交流采样运算 及逻辑电路2的输出与控制输出和保护跳闸电路3的输入相联接。485通讯5、 人机交互接口 6、硬件看门狗7和时钟系统8与交流采样运算及逻辑电路2相互 联接，自供电电源4向上述各个单元供电。自供电电源4从电网上获取能量，因此不需操作电源。信号输入与变换调理 电路1和交流采样运算及逻辑电路2结合具有了三相电流速断保护、三相电流限 时速断保护、三相定时限过流保护、三相反时限过流保护、零序过流(接地)保 护功能。保护电流和时限可以根据用户需要整定，可选的反时限特性曲线(一般 反时限、非常反时限、极度反时限)。在交流采样运算及逻辑电路2和控制输出 和保护跳闸电路3两者作用下跳闸釆用单级控制的脉冲信号，并与专用跳闸机构 配套使用。如图2、 3所示，八个功能性单元的工作原理与构成如下-1、信号输入与变换调理电路由CT1 CT4、 R1 R14、 C1 C17、 V1 V4及U2、 U3等元件组成。流经高压电力线路的大电流经过电流互感器感应出较少比 例的被测电流从JP2输入，经过隔离变换(图中CT1 CT4分别为A、 B、 C三相 和零序的电流变换器)将0—5A电流变换成毫安级的小电流，再经并联的精密取 样电阻R1 R4取出测量信号再经滤波R5 R12、 C1 C13和限幅V1 V4到运算 放大器U2内部的四个射随器，经过射随器缓冲后加到单片机的模数转换电路进 行交流采样。U3B为采样基准电路。2、 交流采样运算及逻辑处理电路主要由芯片U1 MSP430F149、振荡时钟 Yl、 C48、 C49及复位电路R42、 C46、 47等组成。本产品使用的主芯片Ul MSP430F149是超低功耗Flash型16位RISC指令集单片微机。因其电压范围宽(1. 8V 3. 6V)，在1MHz 1. 8V条件下工作电流仅为160uA，休眠时为0. luA，这 时RAM中的数据依然能够有效保持，真正达到了微安级。这样的超低功耗特色很 符合自供电产品的低能耗要求，大大降低电源功率消耗同时提高了系统的可靠 性。图中Yl、 C48、 C49构成Ul振荡器的外部时钟，R42、 C46、 C47构成Ul 的上电复位系统，这两部分保证单片微机能正常工作。经调理后的测量信号送到 16位单片微机MSP430F149的AD输入端，由片内12位数模转换器进行交流采样， 由于该芯片的AD是单极性的，且基准电压是2. 5V(芯片工作电压是3. 3V 3. 6V)， 为了满足芯片的这种要求，我们将被测量信号的中心(零点)上移1.25V。根据 输入信号峰峰值不超过2. 5V的原则合理选择信号调理电路中的取样电阻R1 R4 阻值和限幅稳压管(V1 V4)的稳压值，最后由CPU完成每周波32点的交流采样， 经数字滤波后计算出测量值，作为电流保护的判断依据。测量计算后的电流值，与设定好的保护动作电流值进行比较，如果测量值大 于或等于整定值就启动计时，如果到达设定的时间就按设定的保护类型(定时限或反时限)进行保护跳闸，具体依据电力系统继电保护逻辑进行设定。3、 控制输出与保护跳闸Q4、 R23 R27组成跳闸继电器的驱动电路、Ul的 P2.0、 P2. l脚输出跳闸控制信号驱动Ol、 02光电耦合器，由光电耦合器驱动三 极管Q4导通，Q4三极管的导通会使接在JP3外部上的跳闸线圈动作，从而推 动机构使开关跳闸。由于开关跳闸通常需要较大的能量，对于自供电数字继电器 来说，为了 "开源节流"，采用了两个有效方案大大降低跳闸的能量需要 一是 采用短脉冲跳闸， 一个跳闸脉沖的高电平宽度仅为125毫秒， 一个脉冲周期为 250毫秒， 一般情况第一个脉冲就可以成功跳闸。二是跳闸线圈采用专用双稳态 永磁跳闸继电器，跳闸瞬间所需电磁能量较少。电力系统对安全可靠的要求非常 高，因为任何一次停电事故都可能引发严重的后果。为了增加可靠性，防止出现 误动，特在P2.0上接了一个非门U5E，并使用两个光电耦合器，只有在P2.0、P2. 1出现反相脉冲时才有效，避免单片机在复位或故障时同时出现高电平导致 误动。Q4、 R23 R27组成跳闸继电器的驱动电路。4、 自供电电源由F1 F3、 Dl 12、 R15 R20、 C18 C20等组成输入整流 电路；由D17、 U6、 U7、 Ll、 L2、 C35 C40、 R36、 R37等组成的5V电源;Q3、 Q5、 Q6、 R28 R35、 C31 C34及V6等组成旁通电路。由Ql、 V5、 R21 R22、 C21 C29、 D14、 D16、 D18、 D19等组成24V电源。本装置的自供电电源就是从CT 二 次回路取得能量，主要产生DC24V跳闸电源和DC5V的工作电源两部分，两组电 源互相隔离，互不干扰，对系统稳定可靠工作创造条件。三相二次电流经Dl D12整流后，分三路接到24V稳压电路、5V稳压电路及旁通短路电路。其中24V 稳压电路由电阻R21、 R22电容C23、三极管Q1、稳压管V5、 二极管D16及储能 电容C24 C29等组成。得到24V直流电压，主要用途是在保护跳闸时提供足够 的能量以保证驱动线圈成功跳闸。5V电源的产生是由D17、 C35 C40、 R36、 R37、 Ll、 L2及U6、 U7等组成，输入范围较宽，输出5V电源经U7 DC/DC隔离变换后 得到5V稳定直流电压，作为运放U2、看门狗U8、日历时钟U4的5V工作电源。 同时经U10转换成3. 3V作为CPU的工作电源，因为CPU要求用3. 3V的电源。旁 通短路电路是根据输入电流的大小自动调节旁路电流，使取得的电能接近不变， 同时不会增加CT的负荷，这样就大大增加装置的电源稳定性、减小发热、降低 CT容量，不影响产品使用寿命。5、 485通讯由U9、 R48、 R51、 C54等组成，U9是一片工作电压为3. 3V的 485串行通讯控制器，U9由Ul的P3. 4控制。软件设计上按M0DBUS通讯协议编 程，与计算机联机可实现遥测、遥信、遥控及遥设等功能，如通过电脑读取测量 值和故障事件记录，便于事件分析，同时可以通过电脑对装置进行参数设定。6、 人机交互接口 (LCD液晶显示、KEY键盘输入及LED状态指示灯)。液晶 显示器LCD1， R50、 Q4是液晶的背光控制器件，由Ul的P2.7控制。BT1 BT6 是六个按键，分别接到Ul的P4. 0 P4. 5。 LED1 LED4是四个状态指示灯。为便 于现场査看、设置各种参数信息，需要有人机交互的届面，本装置面板上安装一 块4X20的液晶显示器LCD1， R50、 Q4是液晶的背光控制器件，由Ul的P2. 7控 制，在按动按键时背光自动点亮，平时背光关闭。BT1 BT6是六个按键，分别 接到U1的P4.0 P4.5， RP1是对应端口的下拉电阻，当有键按下时，对应端口 出现高电平，否则是低电平。CPU检测按键信息进行相应的处理，达到人机交互 的目的。LED1 LED4是四个状态指示灯，其颜色与意义如下工作指示(绿色)表示装置正常工作，以每秒约2次的速度闪烁；故障报警(红色)当装置出现内部故障时长亮；过流保护(红色)当装置检测到过流(电流超过设定值)时马上亮起；跳闸脉冲(红色)当过流延时时间到，启动跳闸脉冲，此灯与跳闸脉冲同步。7、 硬件看门狗由U8、 C52、 C53、 R43 R46、 R49、 Q7等元件组成。虽然 所选单片机内部有一个软件看门狗，为了确保本系统的正常工作，防止外部干扰 引起死机或程序跑飞，在单片机外部再增加一个硬件看门狗，由U8、 C52、 C53、 R43 R46、 R49、 Q7等元件组成。U8是由一振荡器和14级二进制串行计数位 组成，通过外部简单的RC振荡器，F-l/(2.3RtCt),输出方波时间可选，有2的 4次方，5次方，12次方，13次方，14次方。合理选择R44和C52使之工作于 一个稳定的振荡频率，根据看门狗复位时间选择U8的第5脚输出脉冲经Q7对 CPU复位，由于正常工作时CPU P3. 3经过电容器C53不断对U8进行喂狗，就是 使U8复位(重新计数)， 一旦程序跑飞或单片机故障停机，U8由于没有被喂狗， 计数时间满(约1.6秒)后就给CPU—个复位信号，CPU重新工作起来。8、 时钟系统由U4、 Y2、 C42、 C43及BAT1组成的日历时钟系统，由Ul的 Pl.O、 Pl.l、 P1.2与之联系。由U4、 Y2、 C42、 C43及BAT1组成的日历时钟系 统，由Ul的Pl.O、 Pl.l、 P1.2与之联系，进行串行访问，完成时钟的读取与修 改，因为在事件记录中要记录事件发生的时间，故这部分要保证一定的精度，同 时能由电池BAT1保证其数据连续而不丢失。本实用新型通过自供电电源和以微处理器为主的数字控制器构成了一种自 供电数字电流继电器，具有自供电、免维护、低功耗、控制精度高等特点，广泛 应用于35KV及以下电网中的测量、故障检测和保护。
权利要求1、一种自供电数字电流继电器，包括从被其保护的电网段上获取能量的自供电电源(4)、主要由微处理器组成的交流采样运算及逻辑电路(2)、以及信号输入与变换调理电路(1)、控制输出与保护跳闸电路(3)、485通讯(5)、人机交互接口(6)、硬件看门狗(7)和时钟系统(8)组成，其特征是所述的自供电电源(4)采用电流互感器取电并包括具备自动调节取电比例的旁通短路电路(Q3、Q5、Q6、R28～R35、C31～C34)；所述的上述电路采用单级控制跳闸机构，通过人机交互接口(6)和交流采样运算及逻辑电路(2)设定保护电流值和保护类型；所述的自供电数字电流继电器整机所消耗的总功率小于或等于2瓦。
2、 根据权利要求l所述的自供电数字电流继电器，其特征是所述的信号输 入与变换调理电路(1)的输入由1至4个小电流互感器(CT1 CT4)获得交流 采样信号。
3、 根据权利要求2所述的自供电数字电流继电器，其特征是所述的交流采 样信号是4组时，分别为三相和零序交流采样信号。
4、 根据权利要求l所述的自供电数字电流继电器，其特征是所述的微处理 器是超低功耗Flash型16位RISC指令集单片微处理器MSP430F149。
5、 根据权利要求l所述的自供电数字电流继电器，其特征是所述的人机交 互接口(6)包括液晶显示器(LCD1)、6个按键(BT1 BT6)、4个状态指示灯(LED1 LED4)。
专利摘要本实用新型是一种用于电网保护的自供电数字电流继电器。包括从被其保护的电网段上获取能量的自供电电源、微处理器组成的交流采样运算及逻辑电路、信号输入与变换调理电路、控制输出与保护跳闸电路、485通讯、人机交互接口、硬件看门狗和时钟系统组成。自供电电源采用电流互感器取电并包括具备自动调节取电比例的旁通短路电路(Q3、Q5、Q6、R28～R35、C31～C34)；上述电路采用单级控制跳闸机构，通过人机交互接口和交流采样运算及逻辑电路设定保护电流值和保护类型，自供电数字电流继电器整机所消耗的总功率小于或等于2瓦。本设计具有自供电、免维护、低功耗、控制精度高等特点，广泛应用于35KV及以下电网中的测量、故障检测和保护。
文档编号H02H3/08GK201118193SQ200720184759
公开日2008年9月17日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者吴恩慧, 朱佩龙, 欧阳道生, 瑶 龚 申请人:宁波天安(集团)股份有限公司