一种基于IGBT实现的接触网隔离开关监控单元的制作方法

一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元
技术领域
1.本发明涉及接触网牵引供电领域，更具体地，涉及一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元。


背景技术：

2.现行的接触网隔离开关监控单元实现方案大体可分为两种类型：1、光纤式；2、直控式。光纤式实现方案指放置于牵引所、at所或分区所内的通信管理设备，通过光纤与接触网沿线的隔离开关机构箱内的监控单元交互，完成隔离开关状态采集和合分闸控制；直控式实现方案指通信管理设备和监控单元设备均置于牵引所、at所或分区所内，隔离开关机构的控制线和状态线通过线缆接入所内相关设备，完成隔离开关状态采集和合分闸控制。
3.直控式实现方案是目前趋于主流的实现方案，接触网沿线仅保留纯机械的、抗干扰能力强、故障率极低的隔离开关操作机构，涉及数据通信和逻辑判断的监控单元置于工作环境、电磁环境相对优越许多的所内，通过直流电直接驱动操作机构，并读回操作机构状态，这种方式，在所内即可直接获取接触网隔离开关的当前状态，并进行相应控制。
4.直控式方案使用直流电对操作机构进行直接控制，由于电流比较大，普通的继电器无法满足应用要求，之前的实现方案一般采用接触器进行间接控制和信号读取，监控单元外置辅助耗材较多，电气线路复杂，且增加了实施成本。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中直控式接触网隔离开关监控单元存在外置耗材多，电气线路复杂，成本较高的技术问题。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元，包括：主cpu、通信处理电路、遥信采集电路、遥控处理电路、辅助cpu及igbt驱动电路；
7.所述主cpu通过通信处理电路与通信管理单元通信，并控制所述遥信采集电路周期性采集开关设备状态信号，且通过遥控处理电路遥控外部设备；
8.所述辅助cpu用于接收所述主cpu输出的控制信号，以控制所述igbt驱动电路驱动隔离开关动作，实现接触网隔离控制。
9.可选地，所述监控单元的所有通信接口均采用隔离通信芯片或隔离器件，实现信号电气隔离。
10.可选地，所述遥信采集电路先经过稳压二极管后，再通过光耦隔离将遥信信号输入到主cpu，主cpu周期性的对相应的遥信输入端口进行扫描，并对产生变位的遥信信号进行软件消抖，完成遥信信号采集。
11.可选地，所述监控单元还包括模式选择开关，当模式选择开关处于远动状态时，主cpu触发的控制信号有效，以触发辅助cpu驱动隔离开关输出，此时按钮触发的控制信号无效；当模式选择开关处于就地状态时，按钮触发的控制信号有效，以触发辅助cpu驱动隔离开关输出，主cpu触发的控制信号无效；当模式选择开关处于禁止状态时，主cpu触发的控制
信号和按钮触发的控制信号均无效。
12.可选地，所述隔离开关的状态信号经过压敏电阻、自恢复保险、tvs保护，经限流、分压电阻分压、光耦隔离后，再经过施密特触发输入反相器缓冲后，输入到主cpu完成状态采集。
13.可选地，在两线控制模式时，隔离开关的状态信号及主cpu输出的控制信号采用分时复用方式进行信号传输。
14.可选地，在两线控制模式时，主cpu读取隔离开关的状态信号时具体包括：首先，在隔离开关驱动正极线上输出经过限流的高电平，查看隔离开关相关遥信状态，撤销高电平输出；然后在隔离开关驱动负极线上输出经过限流的高电平，查看隔离开关相关遥信状态，撤销高电平输出；其中，所述高电平不足以驱动隔离开关动作。
15.可选地，所述辅助cpu周期性的读取面板配置的过流阈值和合分闸输出时限，当接收到主cpu或者按钮触发的控制信号后，控制igbt电路输出，并实时的采集输出电流，当输出电流大于面板的配置电流时，即时关断igbt输出，防止隔离开关电机损坏；若输出电流正常，则持续输出直到达到面板配置的输出时限后，关闭igbt输出，完成隔离开关驱动控制。
16.可选地，所述遥控处理电路采用继电器方案，触点容量为ac220v 5a/dc30v 5a，以干接点的形式输出。
17.可选地，将外部闭锁信号接入至所述igbt驱动电路，以控制igbt驱动器选通；当闭锁信号有效时，igbt驱动电路中+3.3vb无电，igbt驱动器无输出；当闭锁信号无效时，igbt驱动电路中+3.3vb有电，当辅助cpu控制信号有效时，igbt驱动器选通，igbt驱动器驱动输出。
18.有益效果：本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元，包括：主cpu、通信处理电路、遥信采集电路、遥控处理电路、辅助cpu及igbt驱动电路；主cpu通过通信处理电路与通信管理单元通信，并控制遥信采集电路周期性采集开关设备状态信号，且通过遥控处理电路遥控外部设备；辅助cpu用于接收主cpu输出的控制信号，以控制igbt驱动电路驱动隔离开关实现接触网送电或掉电。通过取消外围耗材，彻底简化外围电气线路，减少连接节点数量，减少信号传递环节，增加隔离开关驱动的安全性和成功率；直接采集隔离开关传递的开关位置信号，减少之前的信号转换环节，减少信号采集的故障率，完成隔离开关状态获取和合分闸控制。
附图说明
19.图1为本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元的结构框图；
20.图2为本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元的接线示意图；
21.图3为本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元的驱动隔离开关信号流程图的示意图；
22.图4为本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元的主cpu电路示意图；
23.图5为本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元的遥信处理原理图；
24.图6为本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元的辅助cpu电路示意图；
25.图7为本发明提供的一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元的igbt驱动原理图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
27.如图1至图7所示，本发明实施例提供了一种基于igbt实现的接触网隔离开关监控单元，包括：主cpu、通信处理电路、遥信采集电路、遥控处理电路、辅助cpu及igbt驱动电路；主cpu通过通信处理电路与通信管理单元通信，并控制遥信采集电路周期性采集开关设备状态信号，且通过遥控处理电路遥控外部设备；辅助cpu用于接收主cpu输出的控制信号，以控制igbt驱动电路驱动隔离开关实现接触网送电和掉电，即控制igbt驱动电路驱动隔离开关动作，实现接触网隔离控制。通过取消外围耗材，彻底简化外围电气线路，减少连接节点数量，减少信号传递环节，增加隔离开关驱动的安全性和成功率；直接采集隔离开关传递的开关位置信号，减少之前的信号转换环节，减少信号采集的故障率，完成隔离开关状态获取和合分闸控制。
28.可选的方案，所述监控单元还包括模式选择开关，当模式选择开关处于远动状态时，主cpu触发的控制信号有效，以触发辅助cpu驱动隔离开关输出，此时按钮触发的控制信号无效；当模式选择开关处于就地状态时，按钮触发的控制信号有效，以触发辅助cpu驱动隔离开关输出，主cpu触发的控制信号无效；当模式选择开关处于禁止状态时，主cpu触发的控制信号和按钮触发的控制信号均无效。
29.通过本地触发信号，控制模式选择开关选择对应的状态：远方、禁止或就地。然后接入外部闭锁信号，若闭锁信号有效则动作取消结束。若闭锁信号无效，则辅助cpu控制驱动igbt电路输出，以实现接触网隔离。同时，通过输出过流自检，若过流则动作取消，保证电路安全；或者，若动作时间到，同样动作结束。
30.具体地，通过模式选择开关可以确定当前设备的工作模式，当设备处于远方工作模式时，远方请求动作信号有效；当设备处于就地工作模式时，本地按钮触发信号有效；当设备处于禁止状态时，其他两种信号均无效。闭锁信号有效时，动作请求信号无效。cpu接收到动作请求信号后，从面板读取驱动动作时间和过流阈值，并控制igbt导通，开始驱动隔离开关动作；在此过程中，cpu实时读取驱动电流，当驱动电流大小超过设定的阈值时，即时切断驱动输出，防止隔离开关电机损坏；当驱动时间达到面板设定的动作时间时，cpu控制igbt停止驱动输出，完成本次控制操作。
31.上述直控方案中，隔离开关需使用dc220v进行驱动，且最大电流可达到8a左右，而传统的继电器触点容量一般为ac220v 5a/dc30v 5a，直流驱动电压、电流均不能满足隔离开关的驱动要求。本发明中，使用igbt作为隔离开关的驱动器件。如图7所示。
32.其中，igbt_hz为合闸控制信号，经过三级管cq3、cq4反相后，控制igbt驱动器u29和u32动作，继而控制igbt模块u28和u31导通；u28导通后，dc220v正极可直接输出到隔离开关电机正极上，且输出线路中串接电流传感器u30，以便cpu实时采集输出电流，在隔离开关
电机堵转或故障时，即时切断驱动输出，避免隔离开关电机的进一步损坏；u31导通后，dc220v负极与隔离开关电机负极导通，完成驱动回流，实现隔离开关驱动闭环。
33.以上为本发明驱动隔离开关合闸动作的实现原理，驱动隔离开关分闸动作的实现原理与上图类似，不再赘述。
34.除上述隔离开关驱动电路，本发明还将远动控制和就地控制相结合，除了支持通信管理机通过通信报文远程控制隔离开关驱动电路动作外，还可以通过设备面板上的模式旋钮，切换至就地工作状态，并通过装置面板上的合分闸按钮进行本地控制隔离开关驱动电路动作，方便日常维护和检修。
35.可选的方案，所述外部闭锁信号接入至所述igbt驱动电路，以控制igbt驱动器选通；当闭锁信号有效时，igbt驱动电路中+3.3vb无电，igbt驱动器无输出；当闭锁信号无效时，igbt驱动电路中+3.3vb有电，当辅助cpu控制信号有效时，igbt驱动器选通，igbt驱动器正常驱动输出。支持闭锁信号输入，当闭锁信号有效时，隔离开关任何形式的驱动动作均无法生效。
36.可选的方案，监控单元支持使用两线模式驱动隔离开关并读取隔离开关状态。直控方案的实现，需要将隔离开关的驱动线缆和信号线缆从接触网沿线引至所内，距离较远，线缆成本增加。为解决此问题，常用的解决办法为通过驱动线缆来传递隔离开关信号，且将合分闸驱动线缆中一条线缆作为公共线，总计使用三根线缆实现隔离开关的动作驱动和信号读取。而使用两线模式驱动隔离开关并读取隔离开关状态则采用分时复用的方式实现功能：当驱动隔离开关动作时，不采集隔离开关状态；待隔离开关动作结束，通过在驱动线路上加载正反信号，判别隔离开关的当前状态。
37.在一个具体的实施场景中，监控单元，包括：主cpu电路、通信电路、遥信采集电路、通用遥控输出电路、辅助cpu电路、隔离开关驱动电路和隔离开关状态采集电路。其中，主cpu电路负责监控单元主体功能的实现，包括与通信管理设备(通信管理单元，英文全称intelligent communication gateway，中文全称通信管理机)的数据通信，遥信状态采集，遥控控制输出和其他的一些逻辑控制等。支持多种通信方式，包括eth网络接口，can总线接口、rs485总线接口和console维护接口，匹配多种通信管理机接口类型；cpu外置spi串行flash，用于存储设备运行参数、日志记录等信息；外置i2c接口rtc(实时时钟)，确保系统时钟准确性。
38.可选的方案，所有通信接口均采用隔离通信芯片或隔离器件，实现信号电气隔离；通信总线对地和通信总线之间增加tvs器件和自恢复保险，增加通信接口的抗干扰、抗浪涌能力，确保通信的稳定性、通信报文的正确性。
39.可选的方案，遥信采集电路采用dc24v遥信作为通用遥信采集点，完成一些开关类设备的信号采集和状态监控；信号输入后，经过自恢复保险和tvs，完成信号输入的emc防护；经过稳压二极管后，通过光耦隔离将遥信信号输入到主cpu；主cpu周期性的对相应的遥信输入端口进行扫描，并对产生变位的遥信信号进行软件消抖，完成遥信信号采集。
40.可选的方案，遥控处理电路即通用遥控输出采用常用的继电器方案，触点容量ac220v 5a/dc30v 5a，以干接点的形式输出，用于完成一般的遥控输出功能。主cpu通过通信处理电路接收遥控操作指令，使用先选择后执行的方式进行，监控单元接收到通信管理机发送的选择指令后，先选通继电器线圈到地的通路，并读回控制输出状态，确保输出正
确，此时，继电器不供电，无法动作；当接收到通信管理机发送的执行指令后，通过选通电源继电器，给继电器供电，继电器吸合；当继电器吸合时间达到配置的时限后，cpu控制电源继电器和输出继电器停止输出，完成遥控控制输出。
41.可选的方案，辅助cpu电路主要完成隔离开关驱动输出控制。辅助cpu周期性的读取面板配置的过流阈值和合分闸输出时限，当接收到主cpu或者按钮触发的控制信号后，控制igbt电路输出，并实时的采集输出电流，当输出电流大于面板的配置电流时，即时关断igbt输出，防止隔离开关电机损坏；若输出电流正常，则持续输出直到达到面板配置的输出时限后，关闭igbt输出，完成隔离开关驱动控制。
42.可以通过人为预设过流阈值和合分闸输出时限，通过面板进行输入配置即可。
43.通过面板上的模式选择开关，可以使能或禁止远动触发或按钮触发控制信号。当模式选择开关处于远动状态时，主cpu触发的控制信号有效，可以触发辅助cpu驱动隔离开关输出，按钮触发的控制信号无效；当模式选择开关处于就地状态时，按钮触发的控制信号有效，可以触发辅助cpu驱动隔离开关输出，主cpu触发的控制信号无效；当模式选择开关处于禁止状态时，主cpu触发的控制信号和按钮触发的控制信号均无效。
44.闭锁信号用于控制igbt驱动器选通。如图7所示，当闭锁信号有效时，igbt驱动电路中+3.3vb无电，igbt驱动器无输出，igbt无法正常工作；当闭锁信号无效时，igbt驱动电路中+3.3vb有电，当辅助cpu控制信号有效时，igbt驱动器选通，igbt驱动器正常驱动输出。
45.当辅助cpu输出控制信号有效时，igbt驱动器(u29和u32)同时选通，igbt芯片(u28和u31)同时导通，使隔离开关驱动正极(dc220v)和负极(dc220vg)输出到监控单元输出接点上，驱动隔离开关动作。
46.可选的方案，隔离开关的位置信号经过压敏电阻、自恢复保险、tvs保护，经限流、分压电阻分压、光耦隔离后，经过施密特触发输入反相器缓冲后，输入到主cpu完成状态采集；遥信采集软件流程与dc24v遥信采集流程相同。
47.监控单元支持通过两根线缆驱动隔离开关，并读回隔离开关状态。此时，驱动隔离开关动作和读取隔离开关状态信号两个功能互斥，分时复用；读取隔离开的关状态信号时，需进行两次操作，首先，在隔离开关驱动正极线上输出经过限流的高电平(不足以驱动隔离开关动作)，查看隔离开关相关遥信状态，撤销高电平输出；然后在隔离开关驱动负极线上输出经过限流的高电平，查看隔离开关相关遥信状态，撤销高电平输出。从图3可以看出，当隔离开关处于合闸位时，分闸通路的回路方向会导通，而合闸通路的回路方向不导通；反之，当隔离开关处于分闸位时，合闸通路的回路方向导通，而分闸通路的回路方向不导通；而当隔离开关处于未到位状态时，合闸通路和分闸通路的回路方向均导通。因此，在正反回路方向分别施加经过限流的高电平，可以在隔离开关状态采集端接收到相应的信号，从而判断当前隔离开关处于的位置状态。读取隔离开关状态必须在非驱动隔离开关时进行，当监控单元开始驱动隔离开关动作时，读取隔离开关状态的操作将暂停。
48.需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
49.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
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rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
50.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
51.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
52.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
53.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
54.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。