专利名称：一种断路器电子式控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及低压电器配电领域，更具体的说，涉及ー种断路器电子式控制器。
背景技术：
目前低压电器领域电子式控制器经历了三个阶段第一阶段控制器采用如电阻、电容、ニ极管、三极管、运算放大器等模拟器件构建电源、信号、执行等电路，控制器通过对电流互感器的电流信号进行处理及比较，实现长延
时和瞬时两段保护功能。第一阶段电子式控制器质量不稳定，保护性能不好，目前基本已经不再米用。第二阶段控制器采用以8位或16位单片机为核心，外围扩展A/D转换器、EEPROM存储器、I/o接ロ芯片、信号处理电路、电源电路等集成电路构成控制电路，控制器通过对电流互感器采样及信号处理，经过A/D转换输入到单片机，单片机对转换后的数据进行计算及处理，可以实现长延时、短延时、瞬时、接地四段保护功能，同时控制器还可以实现电流及时间显示，整定值设定，数据存储等功能。第二阶段电子式控制器为现在断路器主导产品，实现基本四段保护功能，但功能比较单一，不能实现其他电カ參数的測量及保护，满足不了智能电网电カ监控的需求。针对上述电子控制器的不足，目前各大厂商都在开发测量參数更多，如电流、电压、频率、功率、功率因素、谐波等电能參数，能实现全选择性保护的新一代控制器，包括长延时、短延时、瞬时、接地、区域联锁、负载监控、漏电等保护功能。随着测量參数的增加以及控制功能的増加，造成开发难度大、开发周期长、开发成本高，并且软件设计复杂，对处理器的运算速度要求较高，使得现有的新一代产品测量精度及保护精度无法保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供ー种保护更全面、并且测量精度和保护精度更高的、开发难度低的断路器电子式控制器。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的ー种断路器电子式控制器，包括用于采集电能信息的传感器単元；与传感器单元耦合的測量计算电能參数的測量计算单元；与測量计算单元耦合的处理器単元；与处理器单元耦合的用于控制断路器动作的脱扣单元；为电子式控制器提供工作电源的电源单元；所述测量计算单元为电能计量芯片，对传感器单元传输过来电能信息进行测量计算得出数字化的电能參数；所述处理器单元从测量计算单元中读取测量计算后电能參数，进行逻辑处理后操控所述脱扣单元实现电路保护。优选的，所述传感器単元包括电流采集模块、电压采集模块、温度传感器和漏电流互感器；所述测量计算单元包括运算模块，与运算模块耦合的第二模/数转换模块，所述电流采集模块和电压采集模块通过第二模/数转换模块与所述采集运算模块耦合；所述温度传感器和漏电流互感器与处理器単元的第一模/数转换模块耦合。优选的，所述传感器単元包括电流采集模块、电压采集模块、温度传感器和漏电流互感器；所述测量计算单元包括运算模块，与运算模块耦合的第二模/数转换模块，所述电流采集模块、电压采集模块、温度传感器和漏电流互感器通过第二模/数转换模块与所述采集运算模块耦合。优选的，所述测量计算单元包括电流有效值计算模块、电压有效值计算模块、频率计算模块、有功功率计算模块、无功功率 计算模块、视在功率计算模块、功率因数计算模块、相位计算模块、相序计算模块、电能计算模块和谐波计算模块。測量计算单元对采集上来的电能、温度等信息进行综合分析，并计算出具体參数供处理器单元进行分析判断，大幅简化了处理器単元的负担，提高处理器单元的决策能力，进ー步提高测量精度和保护精度。优选的，所述处理器単元包括四段电流保护模块、电压保护模块、频率保护模块、漏电保护模块、区域联锁模块、负载监控模块、相序保护模块、逆功率保护模块和參数设置模块。优选的，所述断路器电子式控制器还包括用于提供数据存储、时钟信号、外部通信、信号输入/输出的外围电路単元；用于数据显示、状态显示、数据输入的人机接ロ単元；所述外围电路单元和人机接ロ単元与处理器単元的接ロ电路耦合。优选的，所述电源単元包括提供电源的电源供给单元，与电源供给单元连接进行电源转换提供可输出不同等级直流电源的电源电路单元；所述电源供给单元包括并联的共同给电子式控制器提供电源的变压器和三相速饱和互感器；所述电源供给单元包括依次连接的整流电路、稳压电路、DC-DC降压电路。优选的，所述脱扣単元包括耦合连接的脱扣电路単元和脱扣执行単元；所述脱扣电路单元受处理器単元操控驱动脱扣执行单元对断路器进行脱扣动作；所述脱扣电路单元包括与处理器单元耦合的脱扣驱动电路和断线检测电路，与电流采集模块耦合的MCR处理电路；脱扣执行単元包括磁通变换器和执行机构，磁通变换器一端跟脱扣驱动模块和断线检测模块耦合，另一端跟执行机构耦合。优选的，所述电流采集模块包括空心互感器，所述测量计算单元还包括数字积分器，所述空心互感器通过所述数字积分器跟所述第二模/数转换模块耦合。优选的，所述测量计算单元通过SPI或I2C总线与所述处理器单元耦合。本发明采用測量计算单元和处理器単元的架构，測量计算单元采用电能计量芯片专职负责数据的采集和计算，提供完善的电能參数数据，处理器単元对测量计算单元提供的数据进行逻辑判断，然后驱动脱扣电路单元作出相应的动作，提供更全面的选择性保护。測量计算单元由专业的厂商研发制作，电量测量的时效性及精度更高，也减低了控制器的开发难度；而处理器単元无需对数据进行复杂的计算，仅对数据进行逻辑判断，提升了决策判断速度，降低了开发难度。
图I是本发明实施例一的原理示意图；图2是本发明实施例ニ的原理示意图；图3是本发明人机接ロ单元示意其中100、处理器单元；110、第一模/数转换模块；200、测量计算单元；210、第二模/数转换模块；220、运算模块；300、传感器単元；310、电流采集模块；320、电压采集模块；330、漏电流互感器；340、温度传感器；400、电源供给单元；500、电源电路单元；600、脱扣电路单元；700、脱扣执行单元；800、人机接ロ单元；900、外围电路单元；901、液晶模块；902、LED状态指示模块；903、键盘输入模块。
具体实施例方式本发明提供了ー种断路器，所述断路器包括ー种断路器电子式控制器，该断路器电子式控制器包括用于采集电能信息的传感器単元；与传感器单元耦合的測量计算电能參数的測量计算单元；与測量计算单元耦合的处理器単元；与处理器单元耦合的用于控制断路器动作的脱扣单元；为电子式控制器提供工作电源的电源单元； 所述测量计算单元为电能计量芯片，对传感器单元传输过来电能信息进行测量计算得出数字化的电能參数；所述处理器単元从测量计算单元中读取测量计算后电能參数，进行逻辑处理后操控所述脱扣单元实现电路保护。本发明采用測量计算单元和处理器単元的架构，測量计算单元专职采用电能计量芯片负责数据的采集和计算，提供完善的电能參数数据，处理器単元对测量计算单元提供的数据进行逻辑判断，然后驱动脱扣电路单元作出相应的动作，提供更全面的选择性保护。測量计算单元由专业的厂商研发制作，电量测量的时效性及精度更高，也减低了控制器的开发难度；而处理器単元无需对数据进行复杂的计算，仅对数据进行逻辑判断，提升了决策判断速度，降低了开发难度。下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进ー步说明。实施例一如图I所示、所述断路器电子式控制器包括处理器単元100、測量计算单元200、传感器单元300、电源单元、脱扣单元、外围电路単元800、人机接ロ単元900。传感器単元300包括跟测量计算单元200耦合的电流采集模块310、电压采集模块320，以及跟处理器単元100耦合的漏电流互感器330和温度传感器340。电流采集模块310选用空心互感器，每相线路使用I个，总共有A/B/C/N四个，可以检测断路器主电路A/B/C/N相电流；电压采集模块320选用三相电压传感器，可以检测三相线电压及相电压；漏电流互感器330和温度传感器340可以分别检测主电路漏电电流、环境温度。測量计算单元200为电能计量芯片，如三相电能计量芯片、単相电能计量芯片或者其它定制的电能计量芯片。本实施例选用的是三相电能计量芯片，当选用单相电能计量芯片时对应的电流采集模块310和电压采集模块320也应为单相的，当选用定制的电能计量芯片时应配置相对应的传感器単元300。所述三相电能计量芯片内部集成数字积分器、第ニ模/数转换模块210、采集运算模块220、SPI/I2C总线；空心互感器通过数字积分器跟第ニ模/数转换模块210耦合，三相电压传感器直接跟第二摸/数转换模块210耦合，第二模/数转换模块210与采集运算模块220耦合。由于空芯互感器感应出来的信号为微分信号，所以必须经过数字积分器处理进行还原，本实施方式的电流采集模块310也可以选用铁芯互感器，这样就可取消数字积分器，直接跟第二摸/数转换模块210耦合。本实施方式的的电压采集模块320也可以直接通过降压电路降压处理后与第二模/数转换模块210耦合。采集运算模块220选用DSP数据处理器，其内部集成了电流有效值计算模块、电压有效值计算模块、频率计算模块、有功功率计算模块、无功功率计算模块、视在功率计算模块、功率因数计算模块、相位计算模块、相序计算模块、电能计算模块和谐波计算模块等，能提供全电能參数測量，參数测量计算完成后可以通过SPI或I2C总线实时传输给处理器单元100进行逻辑运算。第二模/数转换模块210可以采用24位及以上的ADC转换器，測量计算单元200的测量动态范围达到1000 I,测量精度可以达到O. 1%。电能參数存储于測量计算单元200的寄存器内，并且实时更新，处理器単元100可以通过SPI或I2C总线方式读取测量计算单元200寄存器相应地址的各种数据，減少处理器単元100的运算量。本实施例处理器単元100选用单片机(MCU)，当然也可以选用数字信号处理 (DSP)。MCU集成有连接有第一模/数转换模块110，以及包括I/O接ロ、I2C总线、UART接ロ在内的接ロ电路。传感器单元300的漏电流互感器330和温度传感器340与MCU的第一摸/数转换模块110耦合。所述断路器电子式控制器还包括用于提供数据存储、时钟信号、外部通信、信号输入/输出的外围电路単元900 ;用于数据显示、状态显示、数据输入的人机接ロ単元800。人机接ロ単元800包括耦合到处理器単元100的I2C总线的数据存储器和时钟电路，耦合到UART接ロ的通讯电路，以及耦合到I/O接ロ的输入/输出模块。数据存储器主要提供断路器电子式控制器各种设置參数、故障数据、监控记录等数据存储；时钟电路提供实时年、月、日、时、分、秒数据；通讯电路是断路器电子式控制器与上位机系统、电子式控制器与电子式控制器之间、电子式控制器与其他系统之间实现数据交换的电路；输入/输出模块可以为继电器或光耦的形式，提供各种报警、控制等指令输出和开关状态输入，如过载报警、短路报警、负载监控功能、区域联锁功能、双电源转换功能的实现均需输入/输出电路来实现。外围电路900包括耦合到处理器单元100的I/O接ロ的液晶模块901，LED状态指示模块902，键盘输入模块903 (參见图3)。用户通过键盘输入模块903对断路器电子式控制器各种參数进行设置；断路器电子式控制器通过液晶模块901和LED状态指示模块902进行信息、数据、状态的显示及指示，反馈给用户。所述外围电路还可以包括与处理器単元100的接ロ电路连接的振荡器电路、基准电压电路、复位电路；振荡器电路决定了处理器単元100和測量计算单元200运行速度；基准电压电路为各种信号采集运算的基准；复位电路为处理器单元100和測量计算单元200上电自动复位和手动复位时的电路。所述测量计算单元200通过SPI或I2C总线与处理器単元100耦合，通过SPI或I2C总线接受来自测量计算单元200的电量信息，以及从第一摸/数转换模块110读取的主电路漏电电流和环境温度信息，经过处理器单元100的四段电流保护模块、电压保护模块、频率保护模块、漏电保护模块、区域联锁模块、负载监控模块、相序保护模块、逆功率保护模块和參数设置模块等逻辑运算模块的逻辑处理，通过I/o接口下发给脱扣单元实现电路保护。当处理器単元100运算处理后的电參数达到或超过保护设置阀值时，将通过I/O接ロ通知脱扣单元执行脱扣操作，如过载长延时保护、短延时保护、瞬时保护、接地故障保护、接通电流脱扣保护、电流不平衡保护、中性极过电流保护、电压不平衡保护、过电压保护、欠电压保护、频率(过频、欠频)保护、相序保护、逆功率保护。
所述脱扣単元包括耦合连接的脱扣电路单元600和脱扣执行単元700 ;所述脱扣电路单元600受处理器単元100操控驱动脱扣执行単元700对断路器进行脱扣动作；所述脱扣电路単元600包括与处理器単元100耦合的脱扣驱动模块和断线检测模块，与电流采集模块310耦合的MCR处理电路，MCR是指接通电流脱扣保护；脱扣执行単元包括磁通变换器和执行机构，磁通变换器一端跟脱扣驱动模块和断线检测模块耦合，另一端跟执行机构耦合。脱扣驱动模块既可以响应处理器単元100的操作指令，也可以响应MCR处理电路的操作指令，然后将操作指令传送给磁通变换器，进而驱动执行机构执行具体的分/合闸动作。MCR处理电路直接采集电流采集模块的电流信息，可以及时响应严重的电流故障更快速地切断断路器。断线检测模块可以让处理器单元100监控线路状況，决策更可靠。所述电源单元包括提供电源的电源供给单元400，与电源供给单元连接进行电源转换提供可输出不同等级直流电源的电源电路单元500 ;所述电源供给单元包括共同给电、子式控制器提供电源的变压器和三相速饱和互感器，变压器和三相速饱和互感器为并联关系，可以直接采用单向ニ级管并联，哪边电压高就自动采用哪边的电源；所述电源供给单元包括依次连接的整流电路、稳压电路、DC-DC降压电路，将交流电源转换为不同电压的直流电源，以适应各种电路对电源电压的需要，如+24V、+5V、-5V、+3. 3V等，以满足控制器各模块、芯片的用电需求。所述变压器和三相速饱和互感器分别与两个整流电路连接后与稳压电路连接。实施例ニ如图2所示，本实施方式跟实施例一的区别在于，传感器単元300的漏电流互感器330和温度传感器340跟测量计算单元200的第二模/数转换模块210耦合，这样所有的数据采集、计算都由測量计算单元200完成，进ー步减轻了处理器単元100的运算负担，有利于提升处理器単元100的决策速度，进ー步提高保护精度。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进ー步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种断路器电子式控制器，其特征在于，包括 用于采集电能信息的传感器单元；与传感器单元耦合的测量计算电能参数的测量计算单元；与测量计算单元耦合的处理器单元；与处理器单元耦合的用于控制断路器动作的脱扣单元；为电子式控制器提供工作电源的电源单元； 所述测量计算单元为电能计量芯片，对传感器单元传输过来电能信息进行测量计算得出数字化的电能参数；所述处理器单元从测量计算单元中读取测量计算后电能参数，进行逻辑处理后操控所述脱扣单元实现电路保护。
2.如权利要求I所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述传感器单元包括电流采集模块、电压采集模块、温度传感器和漏电流互感器；所述测量计算单元包括运算模块，与运算模块耦合的第二模/数转换模块，所述电流采集模块和电压采集模块通过第二模/数转换模块与所述采集运算模块耦合；所述温度传感器和漏电流互感器与处理器单元的第一模/数转换模块耦合。
3.如权利要求I所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述传感器单元包括电流采集模块、电压采集模块、温度传感器和漏电流互感器；所述测量计算单元包括运算模块，与运算模块耦合的第二模/数转换模块，所述电流采集模块、电压采集模块、温度传感器和漏电流互感器通过第二模/数转换模块与所述采集运算模块耦合。
4.如权利要求I所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述测量计算单元包括电流有效值计算模块、电压有效值计算模块、频率计算模块、有功功率计算模块、无功功率计算模块、视在功率计算模块、功率因数计算模块、相位计算模块、相序计算模块、电能计算模块和谐波计算模块。
5.如权利要求I所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述处理器单元包括四段电流保护模块、电压保护模块、频率保护模块、漏电保护模块、区域联锁模块、负载监控模块、相序保护模块、逆功率保护模块和参数设置模块。
6.如权利要求I所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述断路器电子式控制器还包括用于提供数据存储、时钟信号、外部通信、信号输入/输出的外围电路单元；用于数据显示、状态显示、数据输入的人机接口单元；所述外围电路单元和人机接口单元与处理器单元的接口电路耦合。
7.如权利要求I所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述电源单元包括提供电源的电源供给单元，与电源供给单元连接进行电源转换提供可输出不同等级直流电源的电源电路单元；所述电源供给单元包括并联的共同给电子式控制器提供电源的变压器和三相速饱和互感器；所述电源供给单元包括依次连接的整流电路、稳压电路、DC-DC降压电路。
8.如权利要求I所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述脱扣单元包括耦合连接的脱扣电路单元和脱扣执行单元；所述脱扣电路单元受处理器单元操控驱动脱扣执行单元对断路器进行脱扣动作； 所述脱扣电路单元包括与处理器单元耦合的脱扣驱动电路和断线检测电路，与电流采集模块耦合的MCR处理电路；脱扣执行单元包括磁通变换器和执行机构，磁通变换器一端跟脱扣驱动模块和断线检测模块耦合，另一端跟执行机构耦合。
9.如权利要求3或4所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述电流采集模块包括空心互感器，所述测量计算单元还包括数字积分器，所述空心互感器通过所述数字积分器跟所述第二模/数转换模块耦合。
10.如权利要求I 9任一所述的一种断路器电子式控制器，其特征在于，所述测量计算单元通过SPI或I2C总线与所述处理器单元耦合。
全文摘要
一种断路器电子式控制器，包括用于采集电能信息的传感器单元；与传感器单元耦合的测量计算电能参数的测量计算单元；与测量计算单元耦合的处理器单元；与处理器单元耦合的用于控制断路器动作的脱扣单元；为电子式控制器提供工作电源的电源单元；所述测量计算单元为电能计量芯片，对传感器单元传输过来电能信息进行测量计算得出数字化的电能参数；所述处理器单元从测量计算单元中读取测量计算后电能参数，进行逻辑处理后操控所述脱扣单元实现电路保护。测量计算单元采用电能计量芯片专职负责数据的采集和计算，提高电量测量的时效性及精度，处理器单元无需对数据进行复杂的计算，提升了电路保护的判断速度，同时降低了开发难度。
文档编号H02H1/00GK102738764SQ20121023392
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者刘敏, 肖磊, 萧红卫, 陈建余, 马世刚 申请人:浙江正泰电器股份有限公司