一种基于模拟输入电路的供电电源切换装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于模拟输入电路的供电电源切换装置，包括模拟输入电路、互感器隔离电路、过零比较电路、32位中央处理器、开关量信号输入电路、光电隔离电路、PLD逻辑器件电路、动作断路器电路、打印输出电路、液晶显示、键盘输入电路及通信管理电路。本实用新型的自适应开关位置以及电气参数的变化量，对于来自系统本身的“晃电”与真正的故障或失压实时监测、判断并可靠处理，为目前国内领先的技术之一，并达到国际要求。
【专利说明】
—种基于模拟输入电路的供电电源切换装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电源切换装置，具体涉及一种基于模拟输入电路的供电电源切换
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【背景技术】
[0002]目前企业大多使用备有电源自投装置简称“备自投”(ΒΖΤ)。即当工作电源开关非保护跳闸时，备用电源开关需自动合闸；备用电源自投装置，作为完成这一功能的自动装置，其对于电力系统的安全运行于企业的生产发挥了巨大的作用，目前不失为最有效的自动装置之一，但备自投装置动作时间比较过长，已经不适应企业对电源安全和自动化提高的要求？主要原因有五，一是装置判断起动太迟；二是装置起动后将备用电源投入的时间太长；三是不能准确判断合闸时机时的相位；四是切换方式单一，选择性差；五是切换时对整个电网的冲击过大，容易出现重大安全事故，引起系统震荡，造成系统大面积停电。追根溯源，主要是我国工业企业的网络结构特点所决定的，工业企业总降和中低压变电站目前使用的备自投装置几乎百分之百套用电网变电站的备自投装置工作原理，并没有针对工业企业的需求和技术特点进行原理、功能、性能的专门性设计和开发但这又是两个完全不同的系统。
[0003]另外，由于我国电力系统的现状，普遍大、中型企业时常面临系统“晃电”的困扰，一、二次的系统“晃电”严重时候造成全厂大面积的停电或运行设备瘫痪。经济损失难以估计，这些问题困扰着企业的生产者和管理者，也对备自投装置的功能革新提出了迫切的要求，急需要一种全新的装置来代替备用电源切换装置。
实用新型内容
[0004]本实用新型针对上述问题，提供一种基于模拟输入电路的供电电源切换装置。
[0005]本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是:一种基于模拟输入电路的供电电源切换装置，包括模拟输入电路、互感器隔离电路、过零比较电路、中央处理器、开关量信号输入电路、光电隔离电路、PLD逻辑器件电路、动作断路器电路、打印输出电路、液晶显示、键盘输入电路及通信管理电路；所述中央处理器分别连接过零比较电路、光电隔离电路、打印输出电路、液晶显示、键盘输入电路及通信管理电路；所述模拟输入电路输出端连接互感器隔离电路；所述互感器隔离电路输出端连接过零比较电路；所述开关量信号输入电路输出端连接光电隔离电路；所述光电隔离电路输出端分贝连接中央处理器和PLD逻辑器件电路；所述PLD逻辑器件电路输出端连接动作断路器电路；所述动作短路器电路输入/输出端连接上位机。
[0006]所述模拟输入电路包括用于将非电模拟信号转化为电信号的信号变换器、与信号变换器连接的A/D转换器、对输入模拟信号进行采样、保持的采样保持器。
[0007]本实用新型的优点:使用上述装置后，判断起动切换时间快，达到1ms ;判断起动后将备用电源投入的时间快，达到50ms以内；除过断路器故障原因；事实检测系统相位，准确判断合闸时机时的相位；企业电网保证在在30°以内合闸；切换方式灵活，根据现场实际需要，菜单多种可供选择，安全可靠性高；切换时对整个电网的冲击小，不会出现重大安全事故，防止系统震荡，绝对避免系统大面积停电以及“晃电”影响；在装置上可实现人为系统正常倒闸操作，完全消除或避免以前传统倒闸方式带来的安全隐患，保证电网运行安全；完全替代现有备用电源自投装置或快速切换装置，接线简单，安装方便；实现安全自动切换，达到无人值班，智能化运行；多种通讯方式与规约转换，可迅速介入互联网，实施远程监控。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0009]图1为本实用新型的原理框图；
[0010]图2为本实用新型中电网单母线分段系统图。
【具体实施方式】
[0011]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0012]参考图1，如图1所示的一种基于模拟输入电路的供电电源切换装置，包括模拟输入电路、互感器隔离电路、过零比较电路、32位中央处理器、开关量信号输入电路、光电隔离电路、PLD逻辑器件电路、动作断路器电路、打印输出电路、液晶显示、键盘输入电路及通信管理电路；所述32位中央处理器分别连接过零比较电路、光电隔离电路、打印输出电路、液晶显示、键盘输入电路及通信管理电路；所述模拟输入电路输出端连接互感器隔离电路；所述互感器隔离电路输出端连接过零比较电路；所述开关量信号输入电路输出端连接光电隔离电路；所述光电隔离电路输出端分贝连接32位中央处理器和PLD逻辑器件电路；所述PLD逻辑器件电路输出端连接动作断路器电路；所述动作短路器电路输入/输出端连接上位机。
[0013]—、模拟量信号输入回路叙述
[0014]模拟量主要是指来自电气设备的电流、电压、有功功率、无功功率、等都属于模拟量。
[0015]模拟量输入通道由信号变换器、多路模拟开关、采样保持器、A/D转换器等部分组成。
[0016]I)隔离变换器
[0017]隔离变换器的功能，是把各种非电模拟信号变换为A/D转换器能够接受的电信号，如电流信号、电压信号等，还可以根据需要对这些输出信号值的变化范围进行规范化，以便A/D转换器处理。
[0018]2)多路模拟开关
[0019]在本装置中，采用十几路模拟信号共用一只A/D转换器，可以降低通道及系统的成本，提高A/D转换器的利用率，这种情况下，必须利用多路模拟开关轮流切换各路被测控的模拟信号。
[0020]3)采样保持器
[0021]模拟量输入通道的核心功能，就是对输入的模拟量进行A/D转换。在输入模拟量值确定的情况下，A/D转换器输出的数字量也是确定的，但当A/D转换器接收的模拟量随时间变化，称为模拟输入信号，且变化很快时，则在A/D转换的过程中，被转换的信号量值就是不确定的，这种不确定性，会引起一定的孔径误差，为了减小孔径误差的影响，可在A/D转换之前，利用采样保持电路构成采样保持器对输入模拟信号进行采样、保持操作。
[0022]LF398是采样保持器集成电路芯片。
[0023]4)A/D 转换器
[0024]A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，也是必不可少的部件。
[0025]二、开关量信号输入回路叙述
[0026]I)开关量的输入电路由信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路组成。开关量的输入电路比较多，大致可分两类:一类是装在装置面板上的各种触点的输入，如用于装置调试或运行中定期检查的键盘触点；另一类是从装置外部经过端子排引入装置的触点，如断路器和隔离开关的辅助触点、用于运行切换的各种压板、连接片坐寸ο
[0027]2)开关量的隔离分为
[0028]1.光电隔离
[0029]2.继电器隔离断路器、隔离开关、继电器的辅助触点和变压器分接头开关位置等开关信号，输入至微机时，可通过继电器隔离。
[0030]3.继电器和光电耦合器双重隔离在线路比较长、干扰比较严重的场合，可以同时采用继电器和光电耦合器双重隔离，以曾强隔离的效果，即现场开关的辅助触点先经过继电器隔离，继电器的辅助触点再经过光电耦合器隔离，然后输入至微机。这种双中隔离对提高抗干扰能力和消除开关动作时的抖动具有很好的效果。
[0031]3)开关量采集的抗干扰有硬件和软件两种措施:
[0032]1.硬件抗干扰措施称为去抖电路，是为了消除开关操作时产生的抖动。去抖电路有多种形式，最常用的是采用双稳态触发短路，利用正反馈作用使状态迅速翻转达到去抖目的。
[0033]2.软件抗干扰措施主要是适当的增加延时，以都开触点抖动的影响。开关量的采集方式，可以采用定时查询方式，也可采用中断方式。
[0034]4)开关变为的识别开关量的状态通常用二进制数来表示，例如用“O”表示“断开”，用“ I ”代表“闭合”。而变电所得开关量数目通常很多，要确定某一开关是否产生变位，就需要用开关原来的状态和现在的状态进行某种逻辑运算，从而筛选出产生变位的开关。
[0035]三、CPU中央处理器
[0036]微型计算机的CPU (Central Processing Unit,中央处理器)是单片机的核心部件，由控制单元、算术逻辑单元和寄存器单元等部分组成，实现逻辑运算。根据数据总线的宽度和一次可处理的数据字节长度可分为8位CPU、16位CPU和32位CPU等。本装置采用32位中央处理器。
[0037]CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。
[0038]实现本装置的主要部件是把中央微处理器、存储器和I/O接口电路等大规模电路芯片及必要的外围电路组装在一块印刷电路板上的微型计算机系统，实现其各自的切换功倉泛。
[0039]四、输入电路
[0040]输入设备是用来将程序和数据输入到微型计算机的内存储器，也可以用来在微型计算机运行程序时实现人机对话，本装置指键盘和通讯管理模块。
[0041]I)键盘
[0042]键盘电路非编码矩阵式键盘，设有16个按键，按照4行4列构成，在行和列交叉处接入开关式按键。每次按下一个按键是由相应的芯片处理按键的相应，并记录。
[0043]2)通讯
[0044]RS-485是一种抗干扰能力强、能有效延伸数据传输距离、便于实现多种通信的串行通信方式。其接口标准是一种多发送器的电路标准，它扩展了 RS-422A的性能，允许双导线上I个发送器驱动32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器，通讯距离可达1200m，这时传输速率为100kb/S，用中继器，可再延长距离。
[0045]而且RS-485电路允许公用电话线通信，半双工的通讯方式又可节省信号线，所以特别适合远距离通信。
[0046]以太网接口技术是一种共享总线技术，以太网通过介质介入控制MAC来驱动和控制网上每个节点接入网中介质。MAC处理所有以太网的数据接收和发送，包括冲突检测、前同步码的产生和检测、CRC产生和检测。在主机一方，从高层来的接收数据帧经MAC送到物理层，由此帧被转换为数据包，然后将其发送到网上:在网络一方，从网上介质来的信息包经物理层变换为帧后，经MAC控制送入上层处理该帧相适应的软件。
[0047]五、输出电路
[0048]输出设备是微型单片机把运算结果按照事先编程要求以显示或保存的形式体现出来。最常用的输出设备是显示器和打印机，本装置是液晶显示器和针式打印机。
[0049]本实用新型的装置启动方式及逻辑:
[0050]1.线路电压起动，装置事实检测电压变化量，当线路三相电压出现异常或失去电源，即检测电压低于线路电压整定值且线路电流小于过流闭锁值，起动降压逻辑。
[0051]2.低频起动，装置事实检测电压和频率变化量，当线路三相电压出现异常和失去电源，同时系统频率也出现下降，即检测电压低于线路电压整定值和频率低于系统频率整定值且线路电流小于过流闭锁值，起动降压和频率逻辑。
[0052]3.逆功率起动，当工业系统母线带有发电机运行时，发电机此时负担本母线大部分负荷，用户从系统接收有功。但当系统失去电源时，发动机就会给系统倒送电，为防止出现系统故障，装置将起动逆功率。
[0053]4.开关位置起动，当系统正常运行时，因工作电源合位开关突然出现变位时，为保证供电可靠性，装置需要合上备用电源开关，此时开关位置起动。
[0054]5.保护跳闸起动，线路上的保护装置在处理系统区外故障而跳开本线路工作电源，装置起动合备用电源。
[0055]本实用新型的装置动作方式:
[0056]装置在正确启动后，会按照事先设定的逻辑顺序对工作电源和备用电源开关进行动作，以保证系统安全、可靠。
[0057]1.并联切换
[0058]先合备用电源开关，确认备用电源开关合上后，再分工作电源开关。在此动作过程中系统会短时间合环。并联方式适用于正常情况下同频系统的两个电源之间的切换，可用于进线检修时的人工倒闸或故障后手动恢复。并联方式还分为并联自动方式和并联半自动方式。并联自动方式是指装置在合闸后，经过整定延时，自动跳开工作电源开关。并联半自动方式是指装置在合闸后，由手动跳开工作电源开关。
[0059]具体到系统单母分段系统接线下，以从IDL并联切换到2DL为例，此时3DL在合位。手动起动后，若并联条件满足，装置先合上2DL开关，此时工作电源、备用电源两个电源短时合环，经整定延时(并联跳闸延时)后装置再跳开1DL。
[0060]2.串联切换
[0061]先分工作电源开关，确认工作电源分开后，再合备用电源开关。串联方式适用于事故和开关误跳情况下电源的自动切换。
[0062]具体到系统单母分段系统接线下，以从IDL并联切换到2DL为例，此时3DL在合位。手动起动后，若并联条件满足，装置先跳开IDL开关，然后再合上2DL开关，此时工作电源、备用电源两个电源不存在合环情况。
[0063]3.同时切换
[0064]装置同时发跳工作电源开关和合备用电源开关命令，适用与系统正常倒负荷使用。同并联切换逻辑。
[0065]本实用新型的装置实现方式如图2所示，系统运行正常时，I段母线和II母线由工作电源供电，即工作电源开关和母联开关均在合闸位置，1DU3DL在合位，备用电源开关2DL在分闸位置，当工作电源由于故障失去电源后，装置经短时正确判断后跳开工作电源，合上备用电源，即跳开1DL，合上2DL。反之亦然。
[0066]装置实现方式取决于装置对系统各个参数的准确判断和设置方式，具体包括如下实现方式:
[0067]1.速动切换
[0068]速动切换为本装置最优势、也是切换使用成功率最高的切换方式之一，一般达到80%以上，即能保证系统安全，又不使用电等设备不会受到较大冲击和扰动。
[0069]其中判断条件:第一:线路电压的不能低于系统电压的80%及以上；第二:母线与待投电压|dz| “切换压差”在20%以内；第三:母线与待投电压|dq| “切换角差”必须在30°以内。
[0070]速动切换是整个切换合闸方式最快的合闸方式，其中完成整个开关动作时间在10ms左右，保证了备用电源的可靠动作，保证系统用电的恢复。
[0071]2.同期跟踪切换
[0072]假如装置失去速动切换机会，装置会迅速转入同期跟踪切换，以实现恢复供电的最佳时机，母线电压与待合闸电压之间的同期合闸点至关重要，其判据装置跟踪其合闸点的时机为重点，围绕开关事先设定的固有合闸时间为参考，选定一个“预期超前相角”只要这个“预期超前相角”在装置设定的允许相角内，就可以找到同期点的位置发合备用电源命令，此时对电网冲击最小，也不会使用电负荷受到影响。
[0073]3.余压切换
[0074]系统电压随着切换失败次数而逐步减小，在母线电压降到大约30%左右，此时的切换进入余压切换，但由于停电时间过长，不做为本装置首先的切换方式。但在有些特定系统会使用，此时切换没有严格的判据，对系统也影响不大。
[0075]4.安全延时切换
[0076]系统的安全延时切换，是对于余压切换的补充，目前随着备用电源自投装置的大量替换，此种切换方式也用，所以本装置少涉及。
[0077]本实用新型提供一种全新的企业电源切换方式-供电电源平稳切换装置，通过使用该装置可以实现变电站(配电室)无人值守，由于外电网的短路、“晃电”、空投等造成瞬时或常时间工作电源停电，装置自动检测系统电压、电流、频率、功率的事实变化量，在整个用电系统的电压不至于损失的情况下，安全快速投入备用电源或母联开关，使得系统重新进入正常运行状态，使得整个电网安全运行。现代真空断路器的发展，分、合闸的时间最快可以达到30-50ms，这为供电平稳切换装置实现提供可能，电力系统的安全性和可靠性，要求人员素质和供电设备自动化不断提高，单靠人为的操作难以胜任，数字化变电站已经深入企业，通过自动跟踪、检测、判断、执行的供电电源平稳切换装置配合其他自动化监控软件，真正实现变电站(配电室)的数字化、智能化，保证电网的安全性和可靠性。
[0078]装置判断起动切换时间快，达到1ms ;装置判断起动后将备用电源投入的时间快，达到50ms以内；除过断路器故障原因；事实检测系统相位，准确判断合闸时机时的相位；企业电网保证在在30°以内合闸；切换方式灵活，根据现场实际需要，菜单多种可供选择，安全可靠性高；切换时对整个电网的冲击小，不会出现重大安全事故，防止系统震荡，绝对避免系统大面积停电以及“晃电”影响；在装置上可实现人为系统正常倒闸操作，完全消除或避免以前传统倒闸方式带来的安全隐患，保证电网运行安全；完全替代现有备用电源自投装置或快速切换装置，接线简单，安装方便；实现安全自动切换，达到无人值班，智能化运行；多种通讯方式与规约转换，可迅速介入互联网，实施远程监控。
[0079]本实用新型的自适应开关位置以及电气参数的变化量，对于来自系统本身的“晃电”与真正的故障或失压实时监测、判断并可靠处理，为目前国内领先的技术之一，并达到国际要求。
[0080]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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于模拟输入电路的供电电源切换装置，其特征在于，包括模拟输入电路、互感器隔离电路、过零比较电路、中央处理器、开关量信号输入电路、光电隔离电路、PLD逻辑器件电路、动作断路器电路、打印输出电路、液晶显示、键盘输入电路及通信管理电路；所述中央处理器分别连接过零比较电路、光电隔离电路、打印输出电路、液晶显示、键盘输入电路及通信管理电路；所述模拟输入电路输出端连接互感器隔离电路；所述互感器隔离电路输出端连接过零比较电路；所述开关量信号输入电路输出端连接光电隔离电路；所述光电隔离电路输出端分别连接中央处理器和PLD逻辑器件电路；所述PLD逻辑器件电路输出端连接动作断路器电路；所述动作断路器电路输入/输出端连接上位机，所述模拟输入电路包括用于将非电模拟信号转化为电信号的信号变换器、与信号变换器连接的A/D转换器、对输入模拟信号进行采样、保持的采样保持器。
【文档编号】H02J9/06GK204068420SQ201420485500
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】朱临战 申请人:西安博惠通用电气自动化有限公司