專利名稱：數(shù)字式電流綜合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種與輸電線路微機差動保護配套使用的數(shù)字式電流綜合器。
背景技術(shù)：
差動保護由于靈敏度高、選擇性好且簡單可靠，是電力系統(tǒng)中最主要的繼電保護方式之一。其工作原理為保護裝置同步采集被保護線路兩端的電流量，運行保護算法并做出判斷故障是否發(fā)生、故障點是否位于被保護線路內(nèi)，從而決定是否出口跳閘。因此，差動保護的正常工作必須借助于通信通道。
傳統(tǒng)的差動保護主要由電磁式、晶體管或集成電路式差動繼電器，配套金屬導引線通信通道構(gòu)成。金屬導引線作為差動保護最早所使用的通信通道，傳送對端線路電流模擬信號，在中短距離時具備經(jīng)濟可靠的特點，至今仍在電力系統(tǒng)保護中有著較為廣泛的應用。
但是，傳統(tǒng)的差動繼電器大多存在裝置笨重、設定復雜、系統(tǒng)老化、功能單一等缺點，無法適應當前的變電站自動化要求，目前大多已經(jīng)被更換為新型的微機差動保護裝置。因此，基于數(shù)字量運算的微機差動保護裝置，如何與基于模擬信號傳輸?shù)慕饘賹б€通信通道配合使用，成為必須解決的問題。
對于該問題，已有多個公司研制了適用于導引線通道的微機差動保護裝置，其實現(xiàn)方式主要有兩種一是全數(shù)字式差動保護裝置，利用金屬導引線向線路對端的微機差動保護裝置傳送數(shù)字信號，不再是傳送模擬信號，但對導引線的質(zhì)量有了較高的要求，且所允許的被保護線路長度較短。該類型的代表產(chǎn)品有東芝公司的GRL150。實際運行經(jīng)驗表明，對于大多數(shù)已經(jīng)架設的導引線來說，并不能可靠的傳送低電平數(shù)字信號，這直接影響了保護裝置的動作可靠性。
另一種是半數(shù)字式差動保護裝置，代表產(chǎn)品有西門子公司生產(chǎn)的7SD600。導引線仍如傳統(tǒng)模式一樣通過環(huán)流向?qū)Χ藗鬟f信息，保護裝置測量本端電流和導引線電流并對其進行數(shù)字化處理，利用微機算法判定系統(tǒng)運行狀況。事實證明，對于導引線通道來說，這種通訊方式遠比前者可靠。但是由于實際系統(tǒng)中通常僅架設兩根導引線以減少投資成本，必須先將三相電流整合成單相電流再送入導引線，現(xiàn)有的此類保護裝置仍然通過傳統(tǒng)的電流綜合器——三相/單相變流器來完成此功能。這種傳統(tǒng)的變流器一般只能實現(xiàn)簡單的電流加減，且一次側(cè)繞組接線方式的改變較為繁瑣，不能靈活設定，使得該類微機導引線差動保護裝置未能充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種數(shù)字式電流綜合器，應用本發(fā)明既充分利用了數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢，可以靈活地實現(xiàn)待傳送信號的數(shù)字調(diào)制，同時也可以充分利用傳統(tǒng)的金屬導引線通信通道構(gòu)成差動保護系統(tǒng)，節(jié)約了成本，可替代傳統(tǒng)三相/單相變流器。
本發(fā)明提出的一種數(shù)字式電流綜合器，其特征在于，該裝置包括電流變換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊和導引線出口模塊；其連接關(guān)系為由電流變換模塊把來自于電流互感器的三相電流信號轉(zhuǎn)換為額定值2.5V的電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集模塊，由數(shù)據(jù)采集模塊高速采集該信號，并對該信號進行快速實時處理成數(shù)字信號后傳給數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊計算得到相應的單相綜合電流值后，送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號送給功率放大模塊，功率放大模塊將該信號放大后經(jīng)導引線出口模塊輸入到金屬導引線中。
本發(fā)明的特點及效果本發(fā)明通過電流變換器(小電流互感器)，把來自于電流互感器(額定電流1安培或者5安培)的三相電流信號轉(zhuǎn)換為2.5V的電壓信號輸出，供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用。對反映三相電流值的電壓信號進行模擬—數(shù)字量轉(zhuǎn)換的高速同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣分辨率為12位，采樣頻率1600赫茲。
采用數(shù)字處理的方法快速計算綜合電流值，向數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。所采用的數(shù)字處理方法計算單相綜合電流可以按照Iout＝L·Ia+M·Ib+N·Ic+P·I1+Q·I2+R·I0格式進行任意簡單的設定，其中Ia、Ib、Ic分別為A相、B相、C相電流相量，I1、I2、I0分別為正序、負序、零序電流相量，L、M、N、P、Q、R分別為各電流值的比例系數(shù)。同時該模塊可以通過RS485與本側(cè)微機差動保護裝置通信，傳送計算的數(shù)字綜合電流值。本發(fā)明將計算得到的一路綜合電流轉(zhuǎn)換成模擬信號，數(shù)字信號分辨率為12位，信號頻率1600赫茲。再輸出的模擬信號放大輸出，使裝置能夠應用于較長的導引線系統(tǒng)中，本發(fā)明的瞬時最高功率可達100瓦，允許的導引線最大電阻為1kΩ。本發(fā)明通過壓敏電阻起過壓保護作用；通過隔離變壓器使本發(fā)明的絕緣等級提高到15kV，防止裝置因?qū)б€發(fā)生異常故障而受損害。
綜上所述，本發(fā)明可以靈活地實現(xiàn)待傳送信號的數(shù)字調(diào)制，同時也可以充分利用傳統(tǒng)的金屬導引線通信通道構(gòu)成差動保護系統(tǒng)，節(jié)約了成本，可替代傳統(tǒng)三相/單相變流器。


圖1為本發(fā)明的構(gòu)成框圖。
圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集模塊的低通濾波電路原理圖。
圖3為本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理模塊的處理流程圖。
圖4為本發(fā)明的偏移放大電路原理圖。
圖5為本發(fā)明的導引線出口模塊電路原理圖。
圖6為本發(fā)明實施例的裝置連接框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
本發(fā)明的硬件構(gòu)成如圖1的虛線框內(nèi)所示，共包括電流變換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊和導引線出口模塊六個部分。其連接關(guān)系為由電流變換模塊把來自于電流互感器的三相電流信號轉(zhuǎn)換為額定值2.5V的電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集模塊，由數(shù)據(jù)采集模塊高速采集該信號，并對該信號進行快速實時處理成數(shù)字信號后傳給數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊計算得到相應的單相綜合電流值后，送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號送給功率放大模塊，功率放大模塊將該信號放大后經(jīng)導引線出口模塊輸入到金屬導引線中。
下面對各模塊的具體構(gòu)成實施例及工作原理進行詳細說明1.電流變換模塊本實施例的電流變換模塊，采用淄博元星電子有限公司的高壓保護用電流互感器TA333系列，該模塊有兩組電流輸入端，分別對應額定電流為1安培和5安培的三相電流互感器。
其中額定電流為1安培的電流互感器采用TA333-20A型號產(chǎn)品，其額定輸出電壓為0-0.3535V，精度等級0.5，線形范圍0-50A，瞬時輸出電壓為0-7.07V，并且可以通過直流衰減分量；額定電流為5安培的電流互感器采用TA333-100A型號產(chǎn)品，其額定輸出電壓為0-0.3535V，精度等級0.5，線形范圍0-250A，瞬時輸出電壓為0-7.07V，可以通過直流衰減分量。
TA333電流互感器的輸出電壓信號經(jīng)低通濾波電路的運算放大器OP07，轉(zhuǎn)換為額定值2.5V的電壓信號，供下一級的數(shù)據(jù)采集模塊使用。其中低通濾波電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路原理在‘數(shù)據(jù)采集模塊’中說明。
2.數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，本實施例由低通濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。
該模塊在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器前設置低通濾波電路，是考慮到導引線差動保護判據(jù)主要基于電流工頻量，且電力系統(tǒng)高頻噪聲和諧波分量可能造成保護誤動作。本實施例采用的低通濾波電路為截止頻率為400Hz的一階同相輸入有源低通濾波電路，其電路原理如圖2所示；上一級電流變換模塊的輸出電壓通過電阻R3及電容C1作用于運算放大器的同相輸入端，反相輸入端由電阻R1連至運算放大器的輸出端，并經(jīng)電阻R2接地。本實施例選用的運算放大器為低失調(diào)、低溫漂的精密運算放大器OP07。
本實施例的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器由AD公司生產(chǎn)的新型微控制器ADuC812芯片所集成的ADC實現(xiàn)。它采集反映一次系統(tǒng)三相電流值的電壓信號，并對其進行模擬—數(shù)字量轉(zhuǎn)換，分辨率為12位，采樣頻率為1600赫茲，即每周波采樣點數(shù)為32。
3.數(shù)據(jù)處理模塊本實施例采用AD公司生產(chǎn)的新型微控制器ADuC812，它具有操作簡單、可靠性高的特點，且內(nèi)部集成了八通道12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和雙通道12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可有效簡化數(shù)據(jù)采集和模擬量輸出系統(tǒng)，提高裝置的工作效率(為了使敘述的條理化更加清晰，將微控制器ADuC812內(nèi)部集成的ADC和DAC分別劃分至數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊中)。
微控制器ADuC812完成讀取電流采樣數(shù)據(jù)，向DAC發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，與微機差動保護裝置通信及綜合電流值計算等功能。其處理流程如圖3所示，具體包括以下步驟(1)啟動程序進行初始化；(2)從數(shù)據(jù)采集模塊讀取反映一次系統(tǒng)三相電流值的采樣數(shù)據(jù)；(3)按照式Iout＝L·Ia+M·Ib+N·Ic+P·I1+Q·I2+R·I0計算綜合電流值，其中Ia、Ib、Ic分別為A相、B相、C相電流相量，I1、I2、I0分別為正序、負序、零序電流相量，L、M、N、P、Q、R分別為各電流值的比例系數(shù)。各系數(shù)可靈活設定以增強本發(fā)明的兼容性。例如，當被保護區(qū)域另一端的電流綜合器輸出為“Iout＝I1+6I2”時，僅需在本端的綜合程序中設定系數(shù)L＝0，M＝0，N＝0，P＝1，Q＝6，R＝0即可實現(xiàn)兩者的兼容，從而使兩端的導引線差動保護裝置可以正常工作(而對于傳統(tǒng)的導引線差動保護裝置來說，必須使用接線非常復雜的相序濾過器才能得到這樣的綜合電流，并且誤差較大)；(4)向數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送綜合電流值Iout；(5)用查詢法判斷RS485通信通道是否可用，若‘否’則等待，若‘是’則與相配套的微機差動保護裝置通信，上傳當前時刻的本端綜合電流數(shù)據(jù)。
(6)通信完畢，返回(2)。
4.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊本實施例由微控制器ADuC812所集成的DAC實現(xiàn)。
微控制器ADuC812內(nèi)部集成的DAC將綜合電流數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)換為0～+5V的模擬量輸出，其分辨率為12位，每周波輸出32個點。
5.功率放大模塊在實際系統(tǒng)中，由于差動保護的導引線通道最長可達十幾公里，因此功率放大模塊是必不可少的。本實施例由偏移放大電路和集成功率放大電路組成兩級放大電路。
偏移放大電路與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出端相連，將單極性的電壓轉(zhuǎn)換為-5V～+5V的雙極性輸出。該電路原理圖如圖4所示，其組成包括運算放大器、電阻和電容；其連接關(guān)系為上一級數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出與運算放大器的反相輸入端之間串聯(lián)電阻R4，偏置電壓+5V經(jīng)電阻R5和R7作用于同相輸入端，電阻R6跨接于運算放大器的輸出端和反相輸入端。本實施例所選用的運算放大器為OP07；令R4＝R7＝10kΩ，R5＝R6＝20kΩ，則有，UOUT=R6(-UDACR4+5R5)=-2UDAC+5]]>因此當輸入UDAC為0～+5V時，就可以得到-5V～+5V的輸出。
在偏移放大電路的運放負輸入端和輸出端之間并聯(lián)電容C2可同時起低通濾波作用，以消除DAC輸出的臺階和毛刺。
集成功率放大電路將數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出作第二級放大。為獲得穩(wěn)定精確的電流輸出，本實施例采用了APEX公司生產(chǎn)的集成功率放大芯片PA01，并引入電流負反饋，其瞬時最高輸出功率可達到100瓦。
6.導引線出口模塊導引線出口模塊的實施例電路原理如圖5所示，包括電阻Ro、可變電阻Rs及由壓敏電阻Rv和隔離變壓器Ti構(gòu)成的保護電路；其中，電阻Ro、壓敏電阻Rv并接在功率放大模塊的兩個輸出端；可變電阻Rs的一端與功率放大模塊的一個輸出端相連，另一端與隔離變壓器Ti的一端相連；隔離變壓器Ti的另一端與功率放大模塊的另一個輸出端相連；其工作過程為功率放大模塊輸出的電流在導引線出口模塊被分成兩部分，一部分流入Ro支路，另一部分流入可變電阻Rs、導引線及導引線對端的電流綜合器。同時，導引線對端的裝置也會分流出部分電流流入導引線、本端的可變電阻Rs和Ro支路，這些電流疊加后即形成導引線上的環(huán)流。其中，可變電阻Rs的作用是匹配導引線電阻，使得應用于不同長度和阻值的導引線時輸出電阻恒等于1000歐姆，以獲得穩(wěn)定的特性。
導引線出口模塊還包括了裝置的保護電路，該保護電路由壓敏電阻Rv和隔離變壓器Ti構(gòu)成；壓敏電阻Rv起過壓保護作用，隔離變壓器Ti使本發(fā)明的絕緣等級提高到15kV，防止裝置因?qū)б€發(fā)生異常故障而受損害。
本發(fā)明工作過程在圖6所示的實施例中，兩根導引線連接被保護線路兩端M、N實現(xiàn)信息交互，采用本發(fā)明的兩個數(shù)字式電流綜合器配置在導引線兩端完成采集電流信號、單相綜合電流值計算、向?qū)б€輸出綜合電流等功能，并通過RS485接口與微機差動保護裝置通信。與本發(fā)明配合的微機差動保護裝置只需要再測量導引線上的電流，即可獲得足夠的信息實現(xiàn)差動保護功能。
事實上，在導引線對端與本端數(shù)字式電流綜合器配合的也可以是傳統(tǒng)導引線差動保護裝置，但是要求兩者的輸入(三相電流)輸出(綜合電流)運算關(guān)系必須完全相同。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式電流綜合器，其特征在于該裝置包括電流變換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊和導引線出口模塊；其連接關(guān)系為由電流變換模塊把來自于電流互感器的三相電流信號轉(zhuǎn)換為額定值2.5V的電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集模塊，由數(shù)據(jù)采集模塊高速采集該信號，并對該信號進行快速實時處理成數(shù)字信號后傳給數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊計算得到相應的單相綜合電流值后，送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號送給功率放大模塊，功率放大模塊將該信號放大后經(jīng)導引線出口模塊輸入到金屬導引線中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流綜合器，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集模塊由低通濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成；該低通濾波電路采用截止頻率為400Hz的一階同相輸入有源低通濾波電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流綜合器，其特征在于所述功率放大模塊由偏移放大電路和集成功率放大電路組成兩級放大電路；其中，偏移放大電路包括運算放大器、電阻(R4、R5、R6、R7)和電容(C2)；其連接關(guān)系為上一級數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的輸出與運算放大器的反相輸入端之間串聯(lián)電阻(R4)，偏置電壓+5V經(jīng)電阻(R5)和電阻(R7)作用于同相輸入端，電阻(R6)跨接于運算放大器的輸出端和反相輸入端；在該運算放大器的負輸入端和輸出端之間并聯(lián)電容C2；所述集成功率放大電路采用集成功率放大芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流綜合器，其特征在于所述導引線出口模塊包括電阻Ro、可變電阻Rs及由壓敏電阻Rv和隔離變壓器Ti構(gòu)成的保護電路；其中，電阻Ro、壓敏電阻Rv并接在功率放大模塊的兩個輸出端；可變電阻Rs的一端與功率放大模塊的一個輸出端相連，另一端與隔離變壓器Ti的一端相連；隔離變壓器Ti的另一端與功率放大模塊的另一個輸出端相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字式電流綜合器，屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，該裝置包括電流變換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊和導引線出口模塊；其連接關(guān)系為由電流變換模塊把來自于電流互感器的三相電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出給數(shù)據(jù)采集模塊，由數(shù)據(jù)采集模塊采集該信號，并快速實時處理成數(shù)字信號后傳給數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊得到相應的單相綜合電流值后，送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號送給功率放大模塊，功率放大模塊將該信號放大后經(jīng)導引線出口模塊輸入到金屬導引線中。本發(fā)明使微機差動保護裝置能夠靈活可靠的應用于金屬導引線通道，也使微機差動保護裝置與傳統(tǒng)導引線差動保護裝置在被保護區(qū)域的兩端配合兼容成為可能。
文檔編號H02H3/32GK101051739SQ200710065390
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者董新洲, 張寧, 薄志謙 申請人:清華大學, 英國阿?，m輸配電保護與控制公司