一种超级电容器直流电源柜监控装置的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，更具体涉及一种超级电容器直流电源柜监控装置。


背景技术：

2.在变电站中，一次设备通常采用直流电源作为设备的操作电源，直流电源的供电稳定性尤为重要，超级电容器直流电源柜作为新型直流电源柜现在已广泛应用于10kv变电站，超级电容器直流电源柜柜内设备的运行参数的监控尤为重要。若不能及时发现超级电容器直流电源柜的故障，造成欠压、过压、触电等事故。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题在于现有不能及时发现超级电容器直流电源柜的故障，导致出现危险事故。
4.本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的，具体技术方案如下：
5.一种超级电容器直流电源柜监控装置，包括：监控主机、直流电压/电流采集单元、开关量采集单元、交流电压采集单元，所述直流电压/电流采集单元、开关量采集单元、交流电压采集单元与所述监控主机相连，所述直流电压/电流采集单元与直流母线、超级电容器组连接，所述开关量采集单元与充电机输入、充电机输出、母线投切、馈出开关、电容器投切开关、故障报警输出端连接，所述交流电压采集单元与i路进线、ii路进线连接。
6.优选地，所述直流电压/电流采集单元包括每组光耦继电器，至少两个采样电阻，电压采样电路、译码器、第一处理电路、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4，其中，每组光耦继电器包括两路光耦继电器，第一处理电路与译码器的输入端连接，译码器的每路输出端分别与每组第一路光偶继电器、第二路光偶继电器的第一输入端连接，每组第一路光偶继电器、第二路光偶继电器的第二输入端接连接器，第一路光耦继电器的第一输出端通过第一采样电阻与直流母线、超级电容器组的正极连接，第一路光耦继电器的第二输出端与电压采样电路的第一输入端连接，第二路光耦继电器的第一输出端通过第二采样电阻与直流母线、超级电容器组的负极连接，第二路光耦继电器的第二输出端与电压采样电路的第二输入端连接，第一二极管d1的阴极、第二二极管d2的阳极接于电压采样电路的第一输入端，第三二极管d3的阳极、第四二极管d4的阴极接于电压采样电路的第二输入端，第一二极管d1的阳极、第二二极管d2的阴极、第三二极管d3的阴极、第四二极管d4的阳极接地。
7.优选地，所述电压采样电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电容c1、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第一滑动电阻w1、第二电容c2、第三电容c3，第一运算放大器的反相输入端、输出端通过第五电阻r5连接，第一运算放大器的反相输入端通过第一电容c1与第二运算放大器的反相输入端连接，第一运算放大器的反相端为电压采样电路的第一输入端，第二运算放大器的反相端为电压采样电路的第二输入端，第一运算放大
器、第二运算放大器的同相输入端接地，第六电阻r6、第七电阻r7、第一滑动电阻w1固定端依次串联，第一运算放大器的输出端与非串联的第六电阻r6连接，非串联的第一滑动电阻w1固定端与第二运算放大器的输出端连接，第六电阻r6与第七电阻r7的连接点与第二运算放大器的输出端连接，且第二电容c2与串联的第七电阻r7、第一滑动电阻w1并联，即第二电容c2的一端接第七电阻r7的串联端，第二电容c2的另一端接第一滑动电阻w1的非串联固定端，且与第一滑动电阻w1的滑动端连接，并为电压采样电路的输出端，第三电容c3的一端与电压采样电路的输出端连接，第三电容c3的另一端接地。
8.优选地，所述开关量采集单元包括至少一路第一光电耦合器、至少一路第一i/o扩展模块、至少一路第二i/o扩展模块、第二处理器、至少一路第二光电耦合器、通讯模块、至少一个第一发光二极管、至少一路第三光电耦合器、至少一个第一三极管，所述第一光电耦合器的输入端接开关量，第一光电耦合器的输出端与第一i/o扩展模块的i/o端口连接，第一i/o扩展模块的通讯端与第二处理器连接，第二处理器经过第二光电耦合器与通讯模块连接，通讯模块监控主机连接，第二处理器与第二i/o扩展模块的通讯端连接，第二i/o扩展模块的i/o端口经过第一发光二极管与第三光电耦合器的输入端连接，第三光电耦合器的输出端经过第一三极管输出信号。
9.优选地，所述交流电压采集单元包括至少一路电压处理电路、数据转换器、数据处理器、至少一路继电器控制电路，所述电压处理电路的输出端与所述数据转换器的输入端连接，所述数据转换器的输出端与所述数据处理器的输入端连接，所述数据处理器的每一路输出端分别与一路继电器控制电路的输入端连接；
10.所述电压处理电路包括变压器t1、半波整流滤波电路、第六电容c6、第十五电阻r15、第二滑动电阻w2、稳压二极管d6、第七电容c7，所述变压器t1的第一输入端与交流电端连接，所述变压器t1的第二输入端与零线连接，所述变压器t1的输出端与半波整流滤波电路的输入端连接，所述半波整流滤波电路的输出端并联第六电容c6，所述半波整流滤波电路的第一输出端与第十五电阻r15的一端连接，第十五电阻r15的另一端与第二滑动电阻w2的一端连接，所述半波整流滤波电路的第二输出端与第二滑动电阻w2的另一端、第七电容c7的一端连接，第七电容c7的另一端接稳压二极管d6的阴极，稳压二极管d6的阳极接地，第二滑动电阻w2的可变端与第七电容c7的另一端、稳压二极管d6的阴极连接点连接且为电压处理电路的输出端，并与数据转换电路的输入端连接；
11.每路所述继电器控制电路包括第十六电阻r16、第二三极管n2、第三三极管n3、继电器模块，所述数据处理电路的一路输出端通过第十六电阻r16与第二三极管n2的基极连接，所述第二三极管n2的发射极与第三三极管n3的基极连接，第三三极管n3的发射极接地，所述第二三极管n2、第三三极管n3的集电极与继电器模块连接。
12.优选地，所述第一光电耦合器、第三光电耦合器选用tp521
‑
4芯片，第二光电耦合器6n137芯片。
13.优选地，所述第一i/o扩展模块、第二i/o扩展模块选用pcf8574芯片。
14.优选地，所述第二处理器选用at89c2051。
15.优选地，所述数据转换器选用a/d处理芯片tlc2543。
16.优选地，所述数据处理器选用芯片c8051f340芯片。
17.本实用新型相比现有技术具有以下优点：
18.本装置中监控主机配合各采集单元，显示超级电容器直流电源柜系统工作状态以及参数设定，通过对超级电容器直流电源柜系统运行数值的设定，综合判断各采集单元上传的信息，根据与设定值的比较，判断超级电容器直流电源柜系统是否正常运行，超级电容器直流电源柜系统判断直流系统内有异常或故障发生时，根据要求切除或延时切除故障位置并发出报警，同时根据超级电容器直流电源柜系统设定方式自动处理一些短时间、小范围故障，避免了事故的发生使超级电容器直流电源柜运行更加稳定安全。
附图说明
19.图1为本实用新型的一种超级电容器直流电源柜监控装置的原理图。
20.图2为本实用新型的一种超级电容器直流电源柜监控装置的直流电压/电流采集单元的原理图。
21.图3为本实用新型的一种超级电容器直流电源柜监控装置的开关量采集单元的原理图。
22.图4为本实用新型的一种超级电容器直流电源柜监控装置的交流电压采集单元的原理图。
具体实施方式
23.下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
24.如图1所示，一种超级电容器直流电源柜监控装置，包括：监控主机、直流电压/电流采集单元、开关量采集单元、交流电压采集单元，所述直流电压/电流采集单元、开关量采集单元、交流电压采集单元与所述监控主机相连，直流电压/电流采集单元采集直流母线电压/电流、超级电容器电压/电流，开关量采集单元采集充电机输入开关状态、充电机输出开关状态、母线投切开关状态、馈出开关开关状态、电容器投切开关开关状态、故障报警输出，所述交流电压采集单元与i路进线电压、ii路进线电压连接。
25.如图2所示，本实施例中直流电压/电流采集单元采集直流母线电压值、超级电容器组电压值，直流电压/电流采集单元包括每组光耦继电器，包括两路光耦继电器，两个采样电阻，电压采样电路、译码器、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4，其中，光耦继电器1包括两路光耦继电器，本实施例中光耦继电器1、光耦继电器2选用aqw214，aqw214包括两路光耦继电器，处理器1与译码器74hc138的输入端连接，译码器74hc138的引脚10对应的y5输出端与光偶继电器1的引脚2、4连接，光偶继电器1的引脚1、3与连接器jv连接，光偶继电器1的引脚7通过采样电阻r1与直流母线的正极连接，光偶继电器1的引脚8与电压采样电路的第一输入端连接，光偶继电器1的引脚5通过采样电阻r2与直流母线的负极连接，光偶继电器1的引脚6与电压采样电路的第二输入端连接；同理，译码器74hc138的引脚15对应的y0输出端与光偶继电器2的引脚2、4连接，光偶继电器2的引脚1、3与连接器jv连接，光偶继电器2的引脚7通过采样电阻r3与超级电容器组的正极连接，光偶继电器2的引脚8与电压采样电路的第一输入端连接，光偶继电器2的引脚5通过采样电阻r4与超级电容器组的负极连接，光偶继电器2的引脚6与电压采样电路的第二输入端连接，二极管d1的阴极、二极管d2的
阳极接于电压采样电路的第一输入端，二极管d3的阳极、二极管d4的阴极接于电压采样电路的第二输入端，二极管d1的阳极、二极管d2的阴极、二极管d3的阴极、二极管d4的阳极接地。直流母线、超级电容器组通过接外部端子分别与光偶继电器1、光偶继电器2连接。
26.电压采样电路包括运算放大器u1、运算放大器u2、电容c1、电阻r5、电阻r6、电阻r7、滑动电阻w1、电容c2、电容c3，运算放大器u1的反相输入端、输出端通过电阻r5连接，运算放大器u1的反相输入端通过电容c1与运算放大器u2的反相输入端连接，运算放大器u1的反相端为电压采样电路的第一输入端，运算放大器u2的反相端为电压采样电路的第二输入端，运算放大器u1、运算放大器u2的同相输入端接地，电阻r6、电阻r7、滑动电阻w1固定端依次串联，运算放大器u1的输出端与非串联的电阻r6连接，非串联的滑动电阻w1固定端与运算放大器u2的输出端连接，电阻r6与电阻r7的连接点与运算放大器u2的输出端连接，且电容c2与串联的电阻r7、滑动电阻w1并联，即电容c2的一端接电阻r7的串联端，电容c2的另一端接滑动电阻w1的非串联固定端，且与滑动电阻w1的滑动端连接，并为电压采样电路的输出端vout，电容c3的一端与电压采样电路的输出端连接，电容c3的另一端接地。电压采样电路的输出端vout经过处理器处理后，通过rs485通讯芯片max485传输给监控主机。其中，处理器1、rs485通讯芯片图中未示。其中，电阻r1、r2、r3、r4的阻值为1m，电阻r5为10k、电阻r6为10k、电阻r7为1k、滑动电阻w1为500
ω
、电容c1、电容c2的容值为0.1uf、电容c3为1uf。
27.直流电压/电流采集单元会在充电机正常工作时采集母线电压电流和超级电容器组的电压电流，通过直流电压/电流采集单元上传给监控主机的信息，监控主机可通过通讯控制充电机的运行状态，避免了充电机欠压、过压、过流等现象的发生。
28.如图3所示，本实施例中分别采集一路充电机输入开关状态、一路充电机输出开关状态、一路母线投切开关状态、一路馈出开关开关状态、一路电容器投切开关开关状态、一路故障报警输出。
29.开关量采集单元包括至光电耦合器11、光电耦合器12、i/o扩展模块1、i/o扩展模块2、处理器2、光电耦合器2、通讯模块、发光二极管d10、光电耦合器3、三极管n1，光电耦合器11、光电耦合器12的输入端接开关量，光电耦合器11、光电耦合器12的输出端与i/o扩展模块1的i/o端口连接，i/o扩展模块1的通讯端与处理器2连接，处理器2经过光电耦合器2与通讯模块连接，通讯模块监控主机连接，处理器2与i/o扩展模块2的通讯端连接，i/o扩展模块2的i/o端口经过发光二极管d10与光电耦合器3的输入端连接，光电耦合器3的输出端经过三极管n1输出信号。
30.具体的，一个光电耦合器tp521
‑
4芯片只能采集四路开关量信号，所以选用两个光电耦合器tp521
‑
4芯片光电耦合器11、光电耦合器12，光电耦合器11的四路输入端分别接一路充电机输入开关状态、一路充电机输出开关状态、一路母线投切开关状态、一路馈出开关开关状态，光电耦合器12的其中两路分别接一路电容器投切开关开关状态、一路故障报警输出；光电耦合器2选用6n137芯片。通过光电耦合器11、12的采集传输到i/o扩展模块1，通过i /o扩展模块1的通讯端口scl、sda将信号传输给处理器2进行处理，处理器2处理后经过光电耦合器2 传输给通讯模块，其中通讯模块选用max485芯片，再通过通讯模块传输给监控主机进行显示。i/o扩展模块1、i/o扩展模块2选用pcf8574芯片。处理器2选用at89c2051。同时处理器2通过通讯端口scl、sda将命令信号传输给i/o扩展模块2，i/o扩展模块2的输出端接发光二极管d10的阴极，发光二极管d10的阳极接光电耦合器3的输入端，光电耦合器3
也选用tp521
‑
4芯片，光电耦合器3的输出端接三极管n1的基极，发射极接地，三极管n1的集电极为输出信号。各芯片的引脚连接关系图中未示，可根据各芯片的说明书进行连接。
31.开关量采集单元采集柜内开关量的状态，并在监控主机集中显示，方便监控柜内状态，避免触电事件发生。
32.如图4所示，交流电压采集单元包括6路电压处理电路，其中，3路电压处理电路与i路进线电压连接，另3路电压处理电路与ii路进线电压连接，数据转换器、数据处理器、2路继电器控制电路，电压处理电路的输出端与数据转换器的输入端连接，数据转换器的输出端与数据处理器的输入端连接，数据处理器的每一路输出端分别与一路继电器控制电路的输入端连接。
33.电压处理电路1包括变压器t1、半波整流滤波电路、电容c6、电阻r15、滑动电阻w2、稳压二极管d6、电容c7，变压器t1的第一输入端与i路进线电压的第一相连接，变压器t1的第二输入端与零线连接，变压器t1的输出端与半波整流滤波电路的输入端连接，半波整流滤波电路的输出端并联电容c6，半波整流滤波电路的第一输出端与电阻r15的一端连接，电阻r15的另一端与滑动电阻w2的一端连接，半波整流滤波电路的第二输出端与滑动电阻w2的另一端、电容c7的一端连接，电容c7的另一端接稳压二极管d6的阴极，稳压二极管d6的阳极接地，滑动电阻w2的可变端与电容c7的另一端、稳压二极管d6的阴极连接点连接且为电压处理电路的输出端，并与数据转换器的输入端连接。本实施例中只示意了一组电压处理电路，其他电压处理电路2
‑
6的电路结构与电压处理电路1的结构相同，因此电压处理电路2
‑
6电路结构未示。
34.数据转换器包括a/d处理芯片tlc2543以及其外围电路，电压处理电路的输出端ain0与a/d处理芯片tlc2543的信号输入端的引脚1连接，其中，每路的电压处理电路的输出端ain0~ain5分别接a/d处理芯片tlc2543的输入端的引脚1~6连接，a/d处理芯片tlc2543的输出端为数据转换电路的输出端。
35.数据处理器包括芯片c8051f340以及其外围电路，a/d处理芯片tlc2543的输出引脚16、17、18、19分别与处理器芯片c8051f340的输入引脚3、5、4、6连接，处理器芯片c8051f340的输出端作为数据处理电路的输出端。a/d处理芯片tlc2543芯片、处理器芯片c8051f340的外围电路，图中未进行描述，可根据芯片的说明书进行连接。数据处理器通过通讯芯片max485传输给监控主机。其中通讯芯片max485未示。
36.每路继电器控制电路结构相同，本例中以继电器控制电路1为例，继电器控制电路1包括电阻r16、三极管n2、三极管n3、继电器模块1，数据处理电路的一路输出端通过电阻r16与三极管n2的基极连接，三极管n2的发射极与三极管n3的基极连接，三极管n3的发射极接地，三极管n2、三极管n3的集电极与继电器模块1连接。
37.图中，以第一路交流a1相为例见网络a1和n1，交流采样采用小功率降压变压器t1(ac220v/ac12v)，负边ac12v输出经过半波整流滤波电路，变成稳定的直流电压。把直流电压经过电阻r15，w2网络分压后送入a/d芯片tlc2543。为了限制输入tlc2543的电压，保护tlc2543芯片，在分压网络上增加5v的稳压二极管d6和滤波电容c7，起到保护及滤波的作用。最终通过数据处理器芯片c8051f340计算后获得最终采集量，通过数据处理器控制的三极管n2、n3从而控制继电器模块1，控制继电器模块1与i路进线电压的控制电路连接。
38.交流采集单元通过电压采集功能判断交流进线电压是否在正常的工作电压，防止
过压或欠压对柜内元件造成损坏，交流采集单元同时还具有自动切换功能，通过控制可实现对两路电源的切换，保证交流进线工作在稳定的进线电源侧。
39.监控主机具有智能一体式控制单元，可对进线交流电压、母线电压电流、充电机电压电流、超级电容器组电压电流集中显示处理，设置相应的数值范围作为工作范围，超出或低于设定值时监控主机会发出相应的报警提醒并上传相应的报警信息。
40.监控主机配合各采集单元，显示超级电容器直流电源柜系统工作状态以及参数设定，通过对超级电容器直流电源柜系统运行数值的设定，综合判断各采集单元上传的信息，根据与设定值的比较，判断超级电容器直流电源柜系统是否正常运行，超级电容器直流电源柜系统判断直流系统内有异常或故障发生时，根据要求切除或延时切除故障位置并发出报警，同时根据超级电容器直流电源柜系统设定方式自动处理一些短时间、小范围故障。
41.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。