专利名称：单总线直流接地故障在线自动监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制技术领域，是一种单总线直流接地故障在线自动监测装 置，应用于电力直流电源系统，完成故障在线监测。
背景技术：
直流电源系统作为电力系统的重要组成部分，它为变电站继电保护及自动 装置、控制信号回路、远动通讯装置及事故照明提供稳定可靠的工作电源。由 于直流回路布线复杂，常常因现场灰尘、潮湿、绝缘老化、元件损坏、不规范 施工等因素引起直流接地。发生一点接地后，因不形成回路，保护装置是不会 误动的，若不及时处理当另一点也接地时，装置有可能误动、拒动、以至损坏 设备，造成大面积停电、直流电源系统瘫痪的严重后果。目前各类监测装置所 采用的技术原理与现场实际情况存在一定的差距，对于直流接地查找不能做到 及时、准确判断,现有的各类监测装置均难以满足现场在线监测的需要。
发明内容
本发明的目的是提供能一种能实时监测直流电源系统运行状态，能对故障
支路的运行参数自动及时检测、准确判断和显示，结构简单，节省I/0口线资
源，成本低廉，便于总线扩展和维护的单总线直流接地故障在线自动监测装置。
本发明的目的是由以下技术方案来实现的 一种单总线直流接地故障在线 自动监测装置，其特征是它包括连接在若干个直流支路5与直流母线4之间 的传感器3及其扩展接口电路6，传感器3通过其扩展接口电路6接于单总线 2上，单总线2与主机1连接，所述的传感器扩展接口电路6包括与单总线2
并联连接的插座Jll、 J12， 二极管D1、 D2，电容C4、 C9，型号为MAX364的四 单刀单掷模拟开关和型号为DS2405的单总线控制开关连接构成;所述的主机1 包括单片机控制电路8、单总线接口电路7、母线间电压测量电路9、母线对地 电压测量电路10和串口扩展电路11，所述的单片机控制电路8包括型号为 ATMEGA16单片机、晶振Y1和复位开关J8，单片机控制电路8通过JTAG接口 与单总线2连接，所述的ATMEGA16单片机分别与单总线接口电路7、母线间电 压测量电路9、母线对地电压测量电路10和串口扩展电路11连接。
所述的单总线接口电路7包括至少一个1 一Wire接口电路，1 一Wire接口电 路包括至少一片型号为DS2482的桥连器挂接在I2C总线上，所述的DS2482桥连 器通过插座RJ45与单总线2连接。
所述的母线间电压测量电路9包括串接于母线4之间的电阻R7、 R8和R18， 电阻R7、 R8构成的分压电路、两个型号为LM358运算放大器构成的电压跟随器 以及电阻R21、电容C6构成的低通滤波电路、型号为6N137高速光耦芯片与型号 为AD654的V/F转换芯片连接，所述的6N137高速光耦芯片的输出端与单片机控 制电路8的ATMEGA16单片机输入端连接。
所述的母线对地电压测量电路10包括串接于母线4与地之间的电阻R7、 R8 和R18，电阻R7、 R8构成的分压电路、两个型号为LM358运算放大器构成的电压 跟随器以及电阻R21、电容C6构成的低通滤波电路、型号为6N137高速光耦芯片 与型号为AD654的V/F转换芯片连接，所述的6N137高速光耦芯片的输出端与单 片机控制电路8的型号为ATMEGA16单片机输入端连接。
所述的串口扩展电路11包括型号为GM8123芯片的输入端与单片机控制电 路8的ATMEGA16单片机输出端连接，所述的GM8123芯片的输出端与打印机12连 接，所述的GM8123芯片的输出端与型号为MAX3223接口芯片输入端连接，所述
的MAX3223接口芯片输出端分别通过插座J6、 J5与触摸屏13、以太网模块14连 接。
所述的单片机控制电路8与时钟日历模块15连接。
所述的单片机控制电路8与型号为E2PR0M存储芯片16连接。
所述的单片机控制电路8与母线分段切换继电器17连接。
所述的单片机控制电路8与不平衡接地继电器18连接。
所述的单片机控制电路8与报警接点继电器19连接。
本发明的单总线直流接地故障在线自动监测装置是利用磁调制漏电流传 感器检测故障支路，采用l一Wire单总线完成现场布线及现场传感器和主机连 接，具有以下有益效果-
1. 克服了传统电桥平衡法无法监测故障支路的缺陷。
2. 避免注入交流信号，出于对系统安全的考虑，直流系统电压的纹波系 数要求<5%，若用注入低频分量法，会增大直流电压纹波，对系统的稳定造 成影响。
3. 监测各个回路的电流变化和绝缘电阻的变化，并且可以用单片机实现 自动检测。
4. 采用单总线能够节省I/O 口线、结构简单、成本低廉、便于总线扩展 和维护等优点。
5. 能够有效的避免用电设备损坏、停电及直流电源系统瘫痪等事故。
图1为单总线直流接地故障在线自动监测装置结构示意图。
图2为主机1方框示意图。
图3为传感器扩展接口电路6原理图。
图4为单总线接口电路7原理图。
图5为单片机控制电路8原理图。
图6为母线间电压测量电路9原理图。
图7为母线对地电压测量电路10原理图。
图8为串口扩展电路ll原理图。
图中l主机，2单总线，3传感器，4母线，5支路，6传感器扩展接口 电路，7单总线接口电路，8单片机控制电路，9母线间电压测量电路，10母 线对地电压测量电路，ll串口扩展电路，12打印机，13触摸屏，14以太网模 块，15时钟日历模块，16E卞R0M存储芯片，17母线分段切换继电器，18不平 衡接地继电器，19报警接点继电器。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
参照图1，单总线直流接地故障在线自动监测装置包括连接在若干个直流 支路5与母线4之间的传感器3及其扩展接口电路6。传感器3通过其扩展接 口电路6接于单总线2上，单总线2与主机1连接。所述的传感器3采用市售 磁调制直流漏电流传感器。
参照图1和2，所述的主机1包括单片机控制电路8，单片机控制电路8通过 JTAG接口与单总线2连接，型号为ATMEGA16单片机分别与单总线接口电路7、母 线间电压测量电路9、母线对地电压测量电路IO、串口扩展电路ll、时钟日历 模块15、型号为E2PR0M存储芯片16、母线分段切换继电器17、不平衡接地继电 器18和报警接点继电器19连接。所述的串口扩展电路11分别与打印机12、触摸 屏13与以太网模块14连接。单片机控制电路8型号为ATMEGA16单片机通过串口 扩展电路11与打印机12连接，可以按用户要求定制打印内容，可以据此査找接地支路5。单片机控制电路8型号为ATMEGA16单片机通过串口扩展电路11与以太 网模块14连接，配置模块参数，实现B/S功能。触摸屏13采用WEINVIEW MT500 系列的7.7寸屏，该触摸屏13具有640X480分辨率，8位彩色深度，主频200M的 RISC嵌入式CPU。使用触摸屏13可以将复杂的人机接口操作任务交给触摸屏13， 使触摸屏13与单片机控制电路8的ATMEGA16单片机之间的通讯量大大縮小，最 多几百个字节。母线分段切换继电器17用来在一段、二段或多段母线4之间自 动切换，或者设定系统参数使主机1只监测其中一段母线4。直流系统中可能存 在正负母线同时接地或绝缘对称下降的情况，此时主机l使用不平衡接地继电 器18，人为制造接地点，使直流系统对地电压失去平衡，从而改变传感器的测 量值，探测出接地支路。报警接点继电器19提供蜂鸣器输出，和一对报警输出 接点以连接现场其它报警设备。
单片机控制电路8的型号为ATMEGA16单片机作为核心控制芯片，单总线接 口电路7的四个l一Wire接口用来与传感器3通讯，测量直流漏电流。时钟日历 模块15提供给ATMEGA16单片机当前的准确时间，记录直流接地故障发生的日 期、时间，同时还可以作长时间定时器，定时提醒主机巡检整个系统，检查直 流系统各个支路5的绝缘情况，记录有绝缘下降趋势的支路，提示用户防患于 未然。E2PR0M存储芯片16存储所有传感器3的信息，包括R0M码，固定偏差，所 在单总线2编号，所测量的支路5编号，是否处于故障状态，是否处于投入状态 等。 一些系统参数及接地故障日志也保存在E2PR0M存储芯片16中。
参照图1和3，所述的传感器扩展接口电路6是按单总线2接口需要在现有磁
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和单总线2信号到传感器3调制电路，返回随被测电流大小线性变化的电压，到 RJ45插座，再经由5类屏蔽线传回主机1。 二极管D1、 D2用来防止压线错误造成
电源反向而烧毁传感器3，电容C4、 C9用来缓冲插接传感器3造成的浪涌电流。 型号为DS2405芯片是一个单总线控制开关，其开漏输出的可编程管脚可通过在 单总线2上寻址该芯片切换状态。连接于单总线2上主机1的ATMEGA16单片机发 出匹配R0M指令及DS2405芯片的64位R0M码后，DS2405芯片即翻转输出管脚的状 态。型号为MAX364芯片是一个高精度的四单刀单掷模拟开关，四个通道都是常 闭的。MAX364芯片作为传感器3调制电路到5类线接口的电子开关，由DS2405芯 片控制。传感器3刚刚上电时，MAX364芯片的控制端均为1，则所有通道断开， 传感器3失电，且不发送电压信号到单总线2上。当被主机1的ATMEGA16单片机 寻址时，DS2405芯片的输出引脚状态翻转为0，则MAX364芯片的所有通道连通， 传感器磁调电路得电压开始工作，并将测量电压发送到单总线2上。
参照图2和4，因为l一Wire协议要求在一个线上既传输时钟又传输数据， 所以它对时序的要求非常严格。四个l一Wire接口将占用单片机大量时间用来 产生严格定时的l一Wire波形。通过各种接口到l一Wire接口的桥接器，用户不 必理会l一Wire的波形如何产生，只要通过熟知的接口发布相应的l一Wire命令 即可，这使编程变得更加容易，l一Wire波形也更加的准确，数据传输的错误 更少，解放了主机处理器。所述的单总线接口电路7包括至少一个l一Wire接口 电路，l一Wire接口电路包括型号为DS2482的桥连器挂接在I2C总线上，型号 为DS2482的桥连器通过RJ45插座与单总线2连接。本单总线接口电路7采用了四 片型号为DS2482 — 100作为I2C总线到四个l一Wire总线的桥接器，从机地址分 别为0x30、 0x32、 0x34、 0x36，每一个型号为DS2482连接一个RJ45插座，共 输出四条单总线2。
参照图2和5，经过分析主机l需求后，本着够用就好的原则，单片机控制 电路8采用了型号为ATMEGA16单片机为中档芯片。它的引脚数为40或44 TQFP， 16K字节的Flash、 512字节的E卞R0M， 2个8位和1 个16位共3个超强功能的定时器/计数器，以及USART、 SPI、多路10位ADC、 WDT、 RTC、 ISP、 IAP、 TWI即I2C、片内高精度RC振荡器等多种功能的接口 。 ATMEGA16 单片机只要连接电源和外部晶振就可以工作。为了使用JTAGICE仿真器，单片 机控制电路8设计了 一个JTAG接口电路和开关J8复位电路。
参照图2和6，所述的母线间电压测量电路9用于测量正负母线4的相对电 压，对于220V直流系统来说， 一般要保证母线间电压在180V 240V之间，如果 越限，则需要报警接点继电器19控制监控系统报警，以便及时提示运行人员调 整浮充电设备。所述的母线间电压测量电路9包括串接于母线4之间的电阻R7、 R8和R18，电阻R7、 R8构成的分压电路、型号为LM358两个运算放大器构成的电 压跟随器以及R21、 C6构成的低通滤波电路、型号为6N137高速光耦芯片与型号 为AD654的V/F转换芯片连接，型号为6N137高速光耦芯片的输出端与单片机控 制电路8的型号为ATMEGA16单片机输入端连接。首先母线间电压测量电路9的基 准电平选为母线的一110V，然后用分压电路取出被测电压值的1/20，再经过两 个LM358运算放大器构成的电压跟随器以及RC低通滤波电路，送入V/F转换芯片 AD654，变为频率信号，最后经高速光耦芯片6N137送到单片机控制电路8的 ATMEGA16单片机计数器输入引脚。由ATMEGA16单片机的测频率程序得到AD654 的输出频率，从而线性的计算出被縮小20倍的电压值，再计算出实际母线间电 压。
参照图2和7，所述的母线对地电压测量电路10用于测量正、负母线4对地 的电压值。由电桥法可知， 一般30V的母线4对地电压偏移值可导致绝缘监察继 电器动作，而由偏移的方向可以判断出直流系统的哪一极发生接地。因此，装 置可以依据此电路测量值和系统设置的参数判断是否发生接地，保证与现场的
绝缘监察继电器同步动作。所述的母线对地电压测量电路10与母线间电压测量
电路9基本相同。'区别仅在于母线对地电压测量电路10的电阻R7、 R8和R18串接 于母线4与地之间。
参照图2和8，由于打印机12、触摸屏13和以太网模块14都需要连接控制电 路8的ATMEGA16单片机的USART串行接口 ，而ATMEGA16单片机却仅有一个标准 USART串口，所以必须设计一个串口扩展电路，将ATMEGA16单片机原有的单串 口扩展为三串口 。本装置采用了国内成都国腾微电子自主研制的芯片GM8123。 GM8123芯片可以将一个全双工的标准串口扩展成3个标准串口，并能通过外部 引脚控制串口扩展模式、单通道工作模式和多通道工作模式，即可以指定一个 子串口和母串口以相同的波特率单一的工作，也可以让所有子串口在母串口波 特率基础上分频同时工作。所述的串口扩展电路11包括型号为GM8123芯片的输 入端与单片机控制电路8的型号为ATMEGA16单片机输出端连接，型号为GM8123 芯片的输出端与打印机12连接，型号为GM8123芯片的输出端与型号为MAX3223 接口芯片输入端连接，型号为MAX3223接口芯片输出分别通过插座J6、 J5与触 摸屏13、以太网模块14连接。串口扩展电路ll的MAX3223接口芯片是Maxim公司 的新型接口芯片。串口扩展电路l 1的MAX3223接口芯片具有无信号时自动进入 待机状态和有信号时自动唤醒功能，节约电源消耗；具有土15KV的静电放电保 护功能；最高250Kbps的数据传输速率。
本发明的单总线直流接地故障在线自动监测装置的软件程序可根据具体 应用场合的目标控制需要，依据自动控制技术和计算机数据处理技术编制，软 件程序编制是本领域技术人员所熟悉的技术。
本发明的单总线直流接地故障在线自动监测装置所用电子元器件均为市 售产品。
本发明的单总线直流接地故障在线自动监测装置的样机经过10月的试用， 实现了对故障支路的运行参数自动及时检测、准确判断和显示，其效果显著。
权利要求
1.一种单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征是它包括连接在若干个直流支路(5)与直流母线(4)之间的传感器(3)及其扩展接口电路(6)，传感器(3)通过其扩展接口电路(6)接于单总线(2)上，单总线(2)与主机(1)连接，所述的传感器扩展接口电路(6)包括与单总线(2)并联连接的插座J11、J12，二极管D1、D2，电容C4、C9，型号为MAX364的四单刀单掷模拟开关和型号为DS2405的单总线控制开关连接构成；所述的主机(1)包括单片机控制电路(8)、单总线接口电路(7)、母线间电压测量电路(9)、母线对地电压测量电路(10)和串口扩展电路(11)，所述的单片机控制电路(8)包括型号为ATMEGA16单片机、晶振Y1和复位开关J8，单片机控制电路(8)通过JTAG接口与单总线(2)连接，所述的ATMEGA16单片机分别与单总线接口电路(7)、母线间电压测量电路(9)、母线对地电压测量电路(10)和串口扩展电路(11)连接。
2. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的单总线接口电路(7)包括至少一个l一Wire接口电路，l一Wire接口 电路包括至少一片型号为DS2482的桥连器挂接在I2C总线上，所述的DS2482桥 连器通过插座RJ45与单总线(2)连接。
3. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的母线间电压测量电路(9)包括串接于母线(4)之间的电阻R7、 R8 和R18，电阻R7、 R8构成的分压电路、两个型号为LM358运算放大器构成的电压 跟随器以及电阻R21、电容C6构成的低通滤波电路、型号为6N137高速光耦芯片 与型号为AD654的V/F转换芯片连接，所述的6N137高速光耦芯片的输出端与单片 机控制电路(8)的ATMEGA16单片机输入端连接。
4. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的母线对地电压测量电路(10)包括串接于母线(4)与地之间的电阻 R7、 R8和R18，电阻R7、 R8构成的分压电路、两个型号为LM358运算放大器构成 的电压跟随器以及电阻R21、电容C6构成的低通滤波电路、型号为6N137高速光 耦芯片与型号为AD654的V/F转换芯片连接，所述的6N137高速光耦芯片的输出端 与单片机控制电路(8)的ATMEGA16单片机输入端连接。
5. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的串口扩展电路(11)包括型号为GM8123芯片的输入端与单片机控制 电路(8)的ATMEGA16单片机输出端连接，所述的GM8123芯片的输出端与打印机(12)连接，所述的GM8123芯片的输出端与型号为MAX3223接口芯片输入端连接， 所述的MAX3223接口芯片输出端分别通过插座J6、 J5与触摸屏(13)、以太网模 块(14)连接。
6. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的单片机控制电路(8)与时钟日历模块(15)连接。
7. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的单片机控制电路(8)与型号为E2PR0M存储芯片(16)连接。
8. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的单片机控制电路(8)与母线分段切换继电器(17)连接。
9. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的单片机控制电路(8)与不平衡接地继电器(18)连接。
10. 根据权利要求l所述的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特征 是所述的单片机控制电路(8)与报警接点继电器(19)连接。
全文摘要
本发明是一种用于电力直流电源系统的单总线直流接地故障在线自动监测装置，其特点是它包括连接在若干个直流支路与母线之间的传感器及其扩展接口电路，传感器通过其扩展接口电路接于单总线上，单总线与主机连接，主机包括单片机控制电路的单片机分别与单总线接口电路、母线间电压测量电路、母线对地电压测量电路、串口扩展电路、时钟日历模块、型号为E<sup>2</sup>PROM存储芯片、母线分段继电器、不平衡接地继电器和报警接点继电器连接，串口扩展电路分别与打印机、触摸屏和以太网模块连接。能实时监测直流电源系统运行状态，对故障支路的运行参数自动及时检测、准确判断和显示，具有结构简单，节省I/O口线资源，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。
文档编号H02H7/26GK101359029SQ20081005122
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月23日 优先权日2008年9月23日
发明者云 吴, 宋人杰, 张洪业, 李红彪, 李虹波, 杨永峰, 滕志军, 罗远翔 申请人:东北电力大学