专利名称：电气保护和控制系统的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及到在发电和输配电领域中使用的保护和控制系统的改进，特别涉及到一种改进的状态探测装置结构，用来监视构成这种系统一部分的各装置的状态，例如是继电器，断路器，断流器，绝缘子和类似的保护性开关装置。
例如，公知的保护继电器包括适当的电路，用来监视电力系统电路的状态，从而确定在何时令电路的断路器跳闸。保护继电器的输出触点可以用来直接驱动断路器的跳闸线圈，或者是通过与检测到一种现象的继电器相联系的状态探测装置向另一个保护继电器发信号。用来将保护继电器(或任何其他外部设备)的输出触点连接到另一个保护继电器的状态探测装置的这种电路被称为状态电路。这种状态电路需要有外部电源才能工作。
保护继电器电路是由与被保护电路保持独立的电源来驱动的。在多数情况下，保护继电器是由一个独立的电池电源供电的。根据设备的种类，采用的电源有24/27V，30/34V，48/54V，110/125V或是220/250V。这种电源也被用来为状态电路供电。在任何具体设备中都可以采用一种以上的电池电压。
为了改善可靠性，通常将保护继电器装在不通风的外壳中。因而就要求从根本上降低装在这种外壳中的电路的功率耗散。
典型的保护继电器包括能够使许多保护继电器和其他有关的外部设备之间相互作用的状态探测装置。状态探测装置可以和装在不通风外壳内的保护继电器电路是一个整体。
保护继电器可以使用传送到状态探测电路的信号配合着自身的监视电路获得的数据来确定在何时通过它的输出触点启动跳闸动作。状态探测装置具有两种限定的状态一种状态指示“有效信号”，此时出现在其输入端上的信号高于一个给定的门限值，另一种状态指示“无信号”，此时没有电压，或者是有一个小于门限值的电压。
当然，状态探测装置也可以用来监视除继电器之外的其他装置的输出状态。可以将其装在各种各样的控制或监视系统中，或者是用在需要故障监视或一般状态监视的其他任何场合。
状态探测装置的设计必须满足多方面的限制。它需要在电池电压上能够承受噪声，不会产生错误信号，同时又要在检测到真实信号时提供快速响应。如果将其装在一个密封的外壳内，它消耗的功率应该尽量小，并且应该能够便于改用不同的电池电压来操作。
有几种现有技术的状态探测装置结构已经能够在一定范围内适应不同额定值的电源电压。有一种公知的结构是采用由电池电压供电的衡流电路。电路从电池电源吸取恒定的电流，用来驱动一个光电隔离器。只要吸取的电流能超过光电隔离器的导通门限，光电隔离器就产生“有效信号”输出。这是由光电隔离器的电流变换比而决定的。如果没有电池电压或是因下降过多而使电路不能吸取电流，光电隔离器就不产生输出，反映出没有信号。
采用衡流电路的问题在于电路在高电源电压时比低电源电压要消耗更多的功率(因为功率＝电流乘以电压)。因此，具有足够的灵敏度能够用最低预期电池电压(例如24/27伏)工作的衡流式电路在最高预期输入电压(例如220/250伏)时就会产生过多的功率耗散。
按照另一种结构，有人提出按照固定的周期对输入电压周期性采样。电流在采样间隔的时间段可以通过光电隔离器。在电路中采用适当选值的线性元件诸如电阻和电容来设定电流电平。只要能知道用户的系统中规定的电池电压，就可以提供采用最合适的线性元件的各种电路来满足用户的需求。这样就能将保持最小的功率消耗。遗憾的是，这样会限制电路只能使用规定的电源电压，如果使用不同的电路就可能会损坏。
本发明的目的是至少在局部上克服现有技术的系统中存在的上述缺点。
按照本发明的第一方面提供了一种在发电和输配电领域中使用的保护和控制系统，该系统包括用来监视系统中的至少一个设备状态的状态探测装置(100)；该装置包括变换装置，适合接收一个代表设备状态的输入信号，并且将这一输入信号变换成脉宽调制信号，脉宽调制信号的符号-间隔比随着输入信号的值而减小，以及比较装置，用来将脉宽调制信号的符号-间隔比和一个参考值相比较，并且在比较结果满足预定标准时产生一个状态指示信号。
在本发明所提供的装置中，输入信号被变换成一种脉宽调制的波形，波形的符号-间隔比随着输入电压增大而变化。如果让符号-间隔比随着输入信号值的增大例如是输入电压的增大而减小，就能够保证低电压时的功率耗散类似高电压时的功率耗散。
脉宽调制信号的每一个循环内可能包括单个导通期(符号)和单个关断期(间隔)。当然也可以设想采用其它的脉宽调制波形。
产生状态信号的设备可以包括任何设备，装置或电路，从中可以获得指示诸如开关状态或电压电平等的信号。它可以是一种包括保护继电器的设备，其状态信号包括代表继电器开关状态的信号。这样的状态信号能够指示继电器触点的开、关状态。
或者是可以设想状态探测电路的输入是来自其他设备的信号。例如它可以是从需要监视的电路中的一点获取的电压。它可以直接或间接地测量电池电压，例如是和一个继电器或其它设备有关的电源电池。在这种情况下可以用状态探测装置来监视电池电压。
状态探测装置的典型输入信号是DC电压。或者也可以是交流电压。在后一种情况下，变换装置可以与一个整流器相关联，在输入到变换装置之前整流器将交流电压变换成一个DC电压信号。无论哪一种情况，脉宽调制波形的符号-间隔比都随着电压值的增大而减小。
该装置最好包括为比较装置提供一个用户规定的预置参考值的装置。这样就能通过改变参考值而使这种装置适应不同的输入电压。不需要更换具体的元件，从而可以通过为需要监视的信号选择适当的参考值，以便于用这种装置来监视各种设备的状态。按照惯例可以将参考值存储在存储器中，用比较装置访问存储器，从中读出预置的参考值。存储器可以是一种电子存储器，例如是静态或动态随机存储器。
该装置进一步包括一个光电隔离器，用来将提供给比较装置的输入信号从电气上与变换装置隔离。
该装置还可以包括用连接到变换装置输入端的电池电源产生一个内部低压电源的装置。它可以包括一个电压调节器，并且可以为比较装置提供一个电源。
变换装置可以包括适合输出脉宽调制信号的定时器电路装置。定时器电路装置包括一个产生周期性控制信号例如是脉冲波形的非稳态第一定时器/振荡器电路，为一个输出脉宽调制信号的单稳态第二定时器/振振荡器电路提供一个触发器。
变换装置还可以进一步包括一个在电路上串连的开关装置，一个电阻，和一个电容，用连接的开关装置接收输入信号，从而在开关装置闭合时，电容按照一个由输入信号的值(和元件值)决定的速度充电，用第二定时器/振荡器电路的输出控制开关装置的打开和闭合。还可以包括跨接在电容上的第二开关装置，在第二开关装置闭合时，电容通过它放电，而在第二开关装置打开时不会放电，这样就能让电容通过第一开关装置充电，第二开关装置的打开和闭合也是由第二定时器/振荡器电路的输出控制的。两个开关装置的动作是相反的，也就是当一个打开时另一个就闭合。
可以为电容提供监视装置，用来向第二定时器/振荡器电路输出电容两端充电电压的大小，第二定时器/振荡器电路具有门限装置，当电容两端的电压达到门限值时，使第二定时器/振荡器的状态信号输出无效。
第二定时器/振荡器电路输出的脉宽调制信号可以为光电隔离器提供一个输入，使光电隔离器向比较装置输出一个脉宽调制输出信号。当第二定时器/振荡器电路的输出超过隔离导通电压时，光电隔离器的输出得以维持，在低于这个隔离导通电压时则无效。
比较装置可以包括一个计数器(203)和装置(204)，装置(204)根据脉宽调制信号的状态用一个时钟信号(202)递增计数器。可以周期性地更新计数信号，例如每毫秒更新一次。
可以提供一个仅仅在脉宽调制信号(113)处在高电平时才用时钟信号(202)递增计数器的装置。或者是可以在脉宽调制信号的每个符号-间隔比对期间用一个时钟信号(202)使计数器递增。无论何种情况，都具有在脉宽调制信号的每个符号-间隔比对的结尾使计数器复位到起始值例如是零的装置。
比较装置可以将计数器(203)在脉宽调制信号的脉冲结尾处的输出和参考值相比较，用来比较脉宽调制信号和参考值。如果计数器(203)的输出超过了参考值，这种超过了参考值是预定的标准，比较装置就可以产生状态指示信号。这一信号指示脉冲过长也就是状态探测装置输入端的电压过低(即符号-间隔比过高)。
或者是在计数器(203)的输出达到由参考值确定的一个值时由比较装置将脉宽调制信号的状态和一种预期的状态相比较，上述预期状态是预定的标准。例如，如果在计数器达到一个参考值时脉冲尚未结束，就可以用来指示状态探测装置输入端的电压过低。
在进一步的实施例中可以提供一种装置，在脉宽调制信号结束时将计数器(203)的输出转换成一个代表状态探测装置输入端的实际电压的数字值。
不难看出，如果采用不同的参考值，这种装置就能容易适用于不同的电池电压。不需要改变电气元件值，并且可以优化功率耗散。
按照本发明的第二方面提供了一种如前述权利要求所述的保护和控制系统，其中的状态探测装置(100)是状态受到监视的一种保护开关设备的一部分。
可以将保护开关装置装在一个不通风外壳内。
状态探测装置的输出可以提供给一个指示器，例如是一个灯泡或者是微处理器。微处理器提供的信号可以和其它状态探测装置的输出一起用于后续处理。电池的额定电压可以高于24伏或是低于250伏，而绝对电压高于16.2伏或是低于300伏。
以下要参照附图用举例的方式来描述本发明的一个实施例，在附图中
图1表示一种保护方案的示意图，其中包括具有本发明的状态探测装置的一个保护继电器；图2是状态探测装置的主要组成元件的一个示意图；图3是构成状态探测装置中的变换电路的电路元件的一个示意图；图4的曲线表示变换电路在工作中从各个点上产生的波形；图5的示意图表示状态探测装置中的比较电路的各种功能性元件；以及图6的曲线代表比较电路内部的输出电压波形，并且表示了通过信号处理来确定电压状态的方式。
如图1所示，用来保护一段线路1或一件设备的一种典型保护方案包括多个保护继电器2，3和外部监视和控制设备的其他部件4。一或多个断路器可以和被保护的设备串连，以便控制电流。因此，如图所示，断路器的操作是由第一保护继电器2到跳闸电路6的输出5来控制的。
这种保护方案一般都是由电池电源8供电，以保证电源的高度安全。
如图1所示的典型例子，当一个保护继电器3(或是任何其他外部设备4)需要修改另一个保护继电器2的操作而不是直接触发一个断路器时，就需要使用状态探测装置100。在图示的实施例中，从一个保护继电器3的触点10的输出9被用来将一个辅助电池电源切换到另一个保护继电器2的状态探测装置100。然后，保护继电器2就可以使用这一附加信息结合从自身的监视电路16获得的数据来确定如何动作。然后可以用保护继电器2的输出触点12来操作视觉或听觉报警装置(未示出)，和/或启动一个断路器跳闸。如果设备具有远程通信工具，就可以沿着通信线路向中央监视站传送信号。
在附图2中示意性地表示了状态探测装置100。
状态探测装置100包括两个主要电路。首先将一个输入信号(在这种情况下就是来自电池或第二继电器3的状态输出的DC电压)提供给一个输入或是变换电路101。如图所示，这是通过直接连接到电池而获得的，但是也可以通过一个桥式整流器用AC电压进行状态探测。变换电路101包括用来产生脉宽调制信号的装置，其中的脉冲宽度是由输入到变换电路101的信号的幅值来决定的。
然后通过一个光电隔离器102将脉宽调制信号提供给一个测量或比较电路103，它根据光电隔离器输出的脉冲宽度产生一个状态指示输出信号104。在图示的实施例中，如果出现在其输入端的电压高于规定的门限，状态输出就是高电平，如果没有电压或是出现的电压低于门限，就输出低电平。这一状态信号104被变换成可供继电器的主机微处理器105通过总线接口读取的适当信号。也可以设想产生其他形式的数字输出。
在图3中更加具体地表示了变换电路101，它是由两个定时器/振荡器电路111，112构成的，二者都是555定时器集成电路，前一个构成一个非稳态振荡器。这样就能产生一个固定频率和占空周期的脉冲输出波形。脉冲波形为第二定时器电路112提供一个触发信号，启动第二定时器电路112按照提供给输入电路的输入电压来产生脉宽调制信号。
同时，第二定时器电路112的输出113被连接到由一个N-沟道FET和一个检测电阻(未示出)构成的恒流源。恒流源被用来驱动一个开关晶体管105的基极。晶体管105的一侧(发射极)被直接连接到输入电压Vin，而另外一侧通过一个电阻106连接到一个电容107的一侧。电容107的另一侧连接到变换电路101的公共接地点。
当提供给第二定时器电路112的触发输入端的输入波形从低电平切换到高电平时，晶体管就会导通，使电流流经输入端对电容107充电。与电容107和晶体管105串连连接的电阻106可以限制对电容充电的速度。
在晶体管维持导通(也就是第一定时器111的输出维持在高电平)时，电容107会持续充电。充电的速度是由输入电压信号的幅值来决定的。
一个分压器108被跨接在电容107上，从分压器108的一个抽头109将一个与电容107两端成比例的电压提供给第二定时器电路112的门限输入端。这样，一旦电容107上的电压达到一个预定的门限电平，第二定时器电路112的输出就会变成低电平。这样就会关断开关晶体管105，并且同时使电容通过一个和定时器电路112集成在一起的晶体管开关(未示出)放电。开关晶体管105维持关断并且电容107持续放电，直至第二定时器电路112的触发输入端从第一定时器电路111接收到下一个脉冲时为止。
光电隔离器102还被连接到第二定时器电路112的输出113。这一光电隔离器102包括一个二极管，它在受到激励时点亮一个光电晶体管。一旦开关晶体管105导通，光电隔离器102就会受到激励。在晶体管105关断时，光电隔离器102就被去激励。光电隔离器102的输出是一个数字脉宽调制信号。光电隔离器输出的脉冲宽度是由变换电路操作结果产生的输入电压来确定的。
两个定时器电路由一个从输入电压Vin产生的电源电压Vaux供电。利用一个N沟道FET产生一个额定值为10伏的粗调输出。这一粗调电压被提供给一个串连调节器产生平滑的5伏电源Vreg。用一个整流二极管保证整个电路的输入极性。
电路的整体保护是由一个跨接在输入端上的Metal OxideVaristor(MOV)110完成的。
反复充、放电的定时电容107的介质是这样选择的，它在符合电路工作环境的温度范围内具有稳定的值。例如是具有COG(NPO)介质的1级多层陶瓷电容。这是一种温度补偿型的电容，并且一般来说没有老化的特性。与电容串连的电阻值是这样选择的，应该让定时器112有时间使电容放电，并且使电路能够稳定在所有预期的输入电压。
因为电容107的充电电流是在刚刚达到门限电压时被关断的(被开关晶体管105关断)，电路的功率耗散最小。
实际的开关晶体管105是由一个用上述的恒流源驱动的HV(高压)晶体管构成的，而这一恒流源是由第二555定时器的输出驱动的一个HV N-沟道FET和一个检测电阻构成的。
光电隔离器可以在变换电路和比较电路之间提供超过2.5kV rms.的隔离。显而易见，可以根据工作要求和需要保护的程度来增、减。
输入电路101的输出114是以数字脉宽调制信号的形式对输入电压Vin的编码。它被提供给测量电路103(图2)。在附图4中表示了输入电路的工作波形。
按照附图5所示的方框图，测量电路103是用可编程逻辑的硬件实现的。每个比较电路103需要有一个输入用来从输入电路101接收调制信号并且需要由一个输出104来提供状态信号。采用一个控制输入200对一组预定的参考(比较)常数201进行选择，并且用一个时钟信号202来驱动一个计数器203。状态探测装置的一种用途是作为电力系统的微处理器式保护继电器中的一部分，在这种情况下，测量电路可以通过一个总线接口电路连接到微处理器总线。
比较电路103包括一个计数器203，它是在来自输入电路101的波形114变成高电平也就是符号而不是间隔时通过时钟同步电路204被触发的。然后，计数器203在脉冲有效的过程中计数。计数器在到达下一个脉冲时被复位到零并且被重新触发。
用比较电路205来比较保存在计数器203中的值和选定的参考值201。有五个参考值可供三条控制线200来选择。
例如是在电力系统保护继电器的情况下，可以用联系着继电器的微处理器来驱动控制线200。这样就能通过保护继电器的用户接口适当地进行有选择的设定。
在计数器203的输出值达到预定的参考值时，就向一个状态寄存器206发送一个核对信号。然后马上由寄存器测量从输入电路提供的脉冲的状态。这是用附图6的曲线表示的。上面的曲线表示，如果在进行比较时脉冲波形仍然有效，就将状态寄存器206的输出设定到“无信号”(状态＝关断)。图6中下面的曲线表示，如果在进行比较时脉冲波形无效，就将状态寄存器206的输出设定到“有效信号”(状态＝导通)。
按照一种变更方式，可以将计数器203改成在来自光电隔离器的脉冲消失之前一直计数。然后通过将计数器值与预定的参考值相比较来核对输入电压的状态，并且产生一个适当的输出状态。或者是在来自光电隔离器的脉冲消失时记录计数器值，并且转换成一个代表实际输入电压的数字值。
实际上可以看出，上述的状态探测装置能够用大于3毫安的电流测量很大范围(12-300伏)内的电压，同时维持功率耗散小于0.2瓦。这是因为输入电压已经被转换成了宽度随着输入电压上升而减小的脉冲波形，将这一脉冲的宽度和固定的参考值相比较，为装置提供一个导通/关断输出状态。因此，电压越高，电路的切换时间就越短，从而有效地减少了功率耗散。
权利要求
1.一种在发电和输、配电中使用的保护和控制系统，该系统包括连接成监视系统中的至少一个设备的状态的状态探测装置(100)；该装置的特征在于变换装置(101)，适合接收一个代表设备状态的输入信号，并且将这一输入信号变换成脉宽调制信号，脉宽调制信号的符号-间隔比随着输入信号的值而减小，以及比较装置(103，205)，用来将脉宽调制信号的符号-间隔比和一个参考值相比较，并且在比较结果满足预定标准时产生一个状态指示信号。
2.按照权利要求1的保护和控制装置，其特征是状态探测装置的输入信号包括直流电压。
3.按照权利要求1的保护和控制装置，其特征是状态探测装置的输入信号包括交流电压，变换装置(101)与一个整流器相关联，该整流器在交流电压输入到变换装置之前将交流电压变换成直流电压。
4.按照前述任何一项权利要求的保护和控制装置，其特征是状态探测装置包括为比较装置(205)提供一个可由用户限定的预定参考值(201)的装置(208)。
5.按照前述任何一项权利要求的保护和控制装置，其特征是将参考值存储在存储器(208)中，用比较装置(205)访问存储器。
6.按照前述任何一项权利要求的保护和控制装置，其特征是进一步包括一个光电隔离器(102)，用来将提供给比较装置(103)的输入信号从电气上与变换装置(101)隔离。
7.按照前述任何一项权利要求的保护和控制装置，其特征是状态探测装置进一步包括用来从变换装置(101)的输入产生一个内部低压电源的装置(Vaux，Vreg)。
8.按照前述任何一项权利要求的保护和控制装置，其特征是变换装置(101)包括适合输出脉宽调制信号的定时器电路装置。
9.按照权利要求8的保护和控制装置，其特征是定时器电路装置包括一个产生周期性控制信号的非稳态第一定时器/振荡器电路(111)，为一个输出脉宽调制信号(113)的单稳态第二定时器/振荡器电路(112)提供一个触发器。
10.按照权利要求9的保护和控制装置，其特征是变换装置(101)进一步包括在电路上串连的一个开关装置(105)，一个电阻(106)，和一个电容(107)，用连接的开关装置接收输入信号，从而在开关装置闭合时，电容按照一个由输入信号的值决定的速度充电，用第二定时器/振荡器电路(112)的输出控制开关装置(105)的打开和闭合。
11.按照权利要求10的保护和控制装置，其特征是变换装置(101)进一步包括跨接在电容(107)上的第二开关装置，在第二开关装置闭合时，电容通过它放电，而在第二开关装置打开时不会放电，这样就能让电容通过第一开关装置(105)充电，第二开关装置的打开和闭合也是由第二定时器/振荡器电路(112)的输出控制的。
12.按照权利要求11的保护和控制装置，其特征是电容(107)具有一个监视装置(108，109)，用来向第二定时器/振荡器电路(112)输出电容两端充电电压的大小，第二定时器/振荡器电路具有门限装置，当电容两端的电压达到门限值时，使第二定时器/振荡器的状态信号输出无效。
13.按照权利要求8到12之一的保护和控制装置，其特征是第二定时器/振荡器电路(112)输出的脉宽调制信号(113)为光电隔离器(102)提供一个输入，从而使光电隔离器向比较装置(103)输出一个脉宽调制输出信号(114)。
14.按照前述任何一项权利要求的保护和控制转置，其特征是比较装置包括一个计数器(203)和装置(204)，装置(204)根据脉宽调制信号(113)的状态用一个时钟信号(202)使计数器递增。
15.按照权利要求14的保护和控制装置，其特征是具有一个仅仅在脉宽调制信号(113)处在高电平时才用时钟信号(202)使计数器递增的装置(204)。
16.按照权利要求14的保护和控制装置，其特征是具有一个在脉宽调制信号的每个符号-间隔比对期间用一个时钟信号(202)使计数器递增的装置(204)。
17.按照权利要求15或16的保护和控制装置，其特征是具有在脉宽调制信号的每个符号-间隔比对的结尾使计数器(203)复位到起始值的装置。
18.按照权利要求15或16的保护和控制装置，其特征是比较装置(103)通过将计数器(203)在脉宽调制信号的脉冲结尾处的输出和参考值(201)相比较，用来比较脉宽调制信号和参考值。
19.按照权利要求18的保护和控制装置，其特征是如果计数器(203)的输出超过了参考值，这种超过预定的参考值是预定标准，比较装置(103)就可以产生状态指示信号。
20.按照权利要求18的保护和控制装置，其特征是在计数器(203)的输出达到由参考值确定的一个值时，由比较装置将脉宽调制信号的状态和一种预期的状态相比较，上述预期状态是预定标准。
21.按照权利要求15或16的保护和控制装置，其特征是具有一个装置，在脉宽调制信号结束时将计数器(203)的输出转换成代表状态探测装置输入端的实际电压的数字值。
22.按照前述任何一项权利要求的保护和控制装置，其特征是状态探测装置(100)是状态受到监视的一种保护开关设备的一部分。
23.按照权利要求22的保护和控制装置，其特征是保护开关装置被装在一个不通风外壳内。
全文摘要
一种保护和控制系统包括用来监视这一保护和控制系统中的一个设备状态的状态探测装置(100),例如是一个高压电路中的保护继电器。状态探测装置包括一个变换装置(101),它将一个输入信号变换成脉宽调制信号,以及一个比较装置(103),用来监视脉宽调制信号,以确定设备的状态。脉宽调制信号的符号－间隔比随着输入电压的增大而减小,在输入电压的范围内尽量减少功率耗散。状态探测装置可以和一个保护开关装置构成一个整体,也可以设想用在其他场合。
文档编号H02J13/00GK1307387SQ0111138
公开日2001年8月8日 申请日期2001年2月1日 优先权日2000年2月1日
发明者R·T·普里斯 申请人:阿尔斯通公司