一种断路器中的固态控制器的制作方法

1.本公开属于开关电力设备控制领域，具体涉及一种断路器中的固态控制器。


背景技术：

2.从现有技术水平和设备信息化程度来看，随着一、二次技术的突破和高级应用子系统的开发，智能化电气设备不但能够实现顺序控制、防误操作等基础应用，还需要能够实现设备运行状态自感知、故障自诊断和智能决策等附加功能，不断提升智能化电气设备的智能化水平，提高电力系统运行的可靠性和效率。
3.断路器作为电力系统中一种广泛应用的设备，其本身具有结构复杂、技术含量高、经济价值高等特点，主要用于开断负荷电流并对系统中的短路、过载等故障进行保护，在电力系统中起着控制与保护双重作用。传统断路器的监测保护多是通过监测其机械系统的动作来实现，主要存在产品一致性较差、参数整定困难、保护精度较低、动作时间较长且没有自检测自诊断功能等问题，不利于实际推广和应用。
4.当前，智能化已是断路器发展的重要方向，作为断路器大脑的智能固态控制器，其智能化程度将直接决定断路器设备的智能化水平。固态开关技术、微机系统技术的迅猛发展为智能固态控制器的发展提供了新的动力。智能固态控制器不仅需要实现传统断路器的各种控制与保护功能，还具有控制保护的多样性、可选择性；同时，智能固态控制器还需要实时显示设备的有关参数，方便运维人员根据现场情况及时调整各项参数，具有自检测和提前预警的功能；另外智能控制器还应提供有线、无线通讯接口，方便与汇控终端、上位机、移动设备进行通信，实现电力系统的遥测、遥控、遥信和遥调的功能。
5.目前主流的智能控制器基本都是abb、施耐德等国际公司占据垄断地位，其产品在机械结构上的操作要求较高，难以与国产断路器设备较好融合使用，同时国产成熟的智能控制器相对较少，导致整体断路器的智能化水平较低；其次，现有固态控制器仍是依靠中控保护信息动作或现场运维人员手动控制，对于设备状态信息(如分合闸电流、位移等)多以显示为主，无法通过设备状态信息实现实时就地状态判别和故障切断，对于断路器运行的可靠性没有任何提升；另外，现有固态控制器缺乏系统性和综合性设计，设备之间缺少信息交互，无法实现设备横向诊断和双向通信。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种断路器中的固态控制器，该固态控制器基于先进固态开关的功率变换技术调控充放电回路参数，优化分合闸过程的操动特性，能够实现永磁机构的智能化控制。
7.为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
8.一种断路器中的固态控制器，包括：
9.信号处理模块、控制模块和igbt放电模块；其中，
10.信号处理模块的输入端外接传感器，输出端连接控制模块的输入端；
11.控制模块的第一输出端连接igbt放电模块的第一输入端，igbt放电模块的输出端连接永磁机构线圈。
12.优选的，所述信号处理模块包括：带通滤波电路，带通滤波电路的输入端外接传感器，输出端连接有信号放大电路。
13.优选的，所述控制模块包括：单片机。
14.优选的，所述igbt放电模块包括：igbt子模块、电阻子模块和二极管。
15.优选的，所述固态控制器还包括功率变换模块，功率变换模块的输入端外接交直流电压源，输出端经分合闸储能电容器组连接igbt放电模块的第二输入端。
16.优选的，所述功率变换模块包括：整流器、flyback变换器、boost变换器和buck变换器。
17.优选的，所述固态控制器还包括状态展示模块，状态展示模块的输入端连接控制模块的第二输出端。
18.优选的，所述状态展示模块包括指示灯和显示屏。
19.优选的，所述固态控制器还包括通讯模块，通讯模块的输入端连接控制模块的第三输出端，输出端连接上位机。
20.与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
21.1、本公开基于先进固态开关的功率变换技术调控充放电回路参数，优化分合闸过程的操动特性，实现永磁机构的智能化控制；
22.2、本公开能够利用多监测量负反馈机制自主实现运行状态监测与参数整定功能，外部接口还可以与终端、上位机等设备进行数据交互，实现电力系统的“四遥”功能。
附图说明
23.图1是本公开一个实施例提供的一种断路器中的固态控制器的结构示意图；
24.图2(a)至图2(b)是图1所示固态控制器中信号处理模块的电路示意图；其中，图2(a)是带通滤波电路，图2(b)是信号放大电路；
25.图3是图1所述固态控制器中igbt放电模块的电路示意图；
26.图4是图1所述固态控制器中功率变换模块的电路示意图。
具体实施方式
27.下面将参照附图1至图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
28.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要
求所界定者为准。
29.为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
30.一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种固态控制器，包括：
31.信号处理模块、控制模块和igbt放电模块；其中，
32.信号处理模块的输入端外接传感器，输出端连接控制模块的输入端；
33.控制模块的第一输出端连接igbt放电模块的第一输入端，igbt放电模块的输出端连接永磁机构线圈。
34.本实施例中，控制器与传感器是分开的，传感器与一次设备融合，通过有线、无线传输的方式将测量到的信号传输至控制器，控制器再做特征提取、状态评估以及故障诊断。以常见的轨道交通27.5kv模块电器为例，其是由真空断路器、电压互感器、电流互感器、隔离开关等组成，固态控制器测量的信号包括负荷信息、温度、行程位移、充电电压以及线圈电流。负荷信息主要为主回路电流、电压等信息，一般直接由电流互感器、电压互感器可得到，而后直接通过有线传输方式将信息传输至控制器；温度是由安装在断路器上的温度传感器得到，温度传感器一般为ct取电，无线传输的方式，直接捆绑在一次设备上；行程位移多由直线位移、角位移传感器等得到，本发明中角位移传感器安装在断路器传动机构的传动轴上，通过测量转动角度以换算出断路器触头行程；充电电压是由电压继电器得到，电压继电器一般与储能电容一起内置于控制箱或柜体内，电压继电器直接测量储能电容两端电压，并通过有线传输的方式将电压信息传输至控制器；线圈电流主要是分合闸电流，该电流信息由霍尔传感器测量所得，该传感器直接串联在分合闸线圈回路中，一般内置于控制箱或柜体内。
35.本实施例所述的固态控制器不仅能够完成传统电磁式控制器的功能，还具备有数据交互、运行状态自感知、闭环调控(即该固态控制器可以依据检测到的信号特征判别断路器运行状态，如果判别出运行状态危险，当即就地关断断路器以保护系统；同时，控制器还可以依据运行状态调整信号的检测密度，如果当前设备状态处于关注状态，控制器会提升信号的监测，以进一步观察设备状态，如果设备状态降为正常，即恢复常规监测密度，如果设备状态继续恶化，即切断设备，实现闭环调控)等功能，以实现对断路器的高级智能控制。其次，本实施例所述固态控制器可以通过智能控制中枢实现设备的状态感知和故障诊断，结合上位侧设备数据资源和管理平台，实现设备的全息感知和数字孪生。最后，本实施例所述固态控制器可以作为汇控网关接入在线监测网络，与上位侧和其他配电设备实现双向通信功能，实时监测配网设备的运行状况，以信息链条的方式构建起泛在电力物联网。
36.另一个实施例中，所述信号处理模块包括：带通滤波电路，带通滤波电路的输入端外接传感器，输出端连接有信号放大电路。
37.本实施例中，带通滤波电路包括电阻r1、r2、电容c1和c2，r1与c2串联，r1与c2之间并联连接有c1，c2和输出端之间并联连接有r2。带通滤波电路接收原始信号ui，输出滤波后的信号u0。
38.信号放大电路包括放大器，放大器的正向输入端通过电容c1连接信号放大电路的输入端，电容c1和信号放大电路的输入端之间设置有电阻r1，电阻r1的另一端接地，c1并联连接有电容c2；放大器的正向输入端还连接有 5v电压，放大器的正向输入端和 5v电压之
间设置有串联连接的电阻r2和r3；放大器的正向输入端和 5v电压之间还设置有并联连接的电容c7和c8；放大器的反向输入端连接有电阻r4，r4的另一端连接有并联连接的电容c3和c4；放大器的输出端依次连接有电容c5和电阻r6，r6的另一端连接信号放大电路的输出端，c5并联连接有电容c6；放大器的输出端和电容c5之间设置有电阻r5，r5的另一端连接电阻r4。
39.正常工作情况下，原始信号分为模拟量和数字量，其中行程位移、线圈电流等为模拟量，信号夹杂着干扰，故而先对采集到的原始信号ui通过带通滤波以去除干扰信号。同时，由于传感器输出的信号多是经过比例缩小，输出信号幅值在mv级别，不利于信号处理和分析，故而再将带通滤波后的信号u0经过信号放大电路输出放大信号u1，以此完成信号的滤波和放大，完成信号的预处理。
40.另一个实施例中，所述控制模块包括：单片机。
41.本实施例中，单片机型号为stm32f103，该设备性能高、功耗低、体积小，内置了特征提取和故障诊断模块化算法，可以对原始特征信号做特征提取，并在此基础上进行设备的状态评价。
42.该控制模块的工作原理如下：在正常情况下，控制模块作为中枢元件，控制信号处理模块对采集到传感信号做预处理，其通过自身内置算法做特征提取、状态评估以及故障诊断，将数据在状态展示模块展示，最后控制通讯模块将相关特征数据、诊断结果上传给上位机做诊断分析。当外部控制信号来临时，控制模块启动igbt放电模块，闭合分合闸放电回路，此时分合闸储能电容器组对永磁机构线圈充电，产生一定电磁力后使断路器完成合闸/分闸动作。
43.另一个实施例中，所述igbt放电模块包括：igbt子模块、电阻子模块和二极管d1，其中，igbt模块包括开关管s1、开关管son1、开关管son2、开关管soff1和开关管soff2，限流电阻子模块包括电阻r1、r2和r3，开关管son1的集电极串联r3后与合闸电容con的正极以及二极管d1的阳极连接，二极管d1的阴极连接至开关管s1和开关管soff1的集电极，开关管s1的发射极连接至分闸电容coff的正极，开关管soff1的发射极和线圈l的负极分别连接至电阻r1的两端，开关管soff2的发射极与分闸电容coff的负极、合闸电容con的负极以及开关管son2的发射极连接，开关管soff2的集电极串联r2后与开关管son1的发射极、线圈l的正极连接，开关管son2的集电极连接至线圈l的负极。
44.本实施例中，igbt放电模块主要用于控制永磁机构分合闸线圈电路的通断。在没有切换信号到来时，s1始终导通。在单片机合闸驱动信号到来后，son1和son2两个igbt器件导通，合闸电容con给分合闸线圈l放电使线圈产生正向电流，从而实现合闸操作。在单片机分闸驱动信号到来后，soff1和soff2两个igbt器件导通，分闸电容coff给分合闸线圈l放电使线圈产生负向电流，从而实现分闸操作。在单片机的切换信号和分闸信号同时到来后，s1关闭，soff1和soff2两个igbt器件导通，合闸电容con代替分闸电容coff给分合闸线圈l放电使线圈产生负向电流，从而实现分闸操作。
45.另一个实施例中，所述固态控制器还包括功率变换模块，功率变换模块的输入端外接交直流电压源，输出端经分合闸储能电容器组连接igbt放电模块的第二输入端。
46.本实施例中，功率变换模块包括整流器、flyback变换器、boost变换器和buck变换器，其中，整流器外接220v(
±
10％)的交直流电压，交直流电压通过整流器输出200v至350v
直流电压，整流器的输出端连接flyback变换器的输入端，flyback变换器将200v至350v范围内的直流电压转换成两路相互隔离的20v电压，分别给boost变换器和buck变换器辅助供电。同时，整流器的输出端还连接boost变换器的输入端，boost在辅助供电到来后，开始启动工作，将200v至350v范围内的直流电压转换成280v至350v范围内(升压过程)。boost变换器的输出端连接至buck变换器的输入端，buck变换器在辅助供电到来后，开始启动工作，在280v至350v的输入电压条件下，将电容器从0v以恒定的电流在15s内充电至220v(降压过程)，至此完成功率变换。分闸电容由3个容值为33mf、耐压为300v的电容器并联组成，合闸电容由1个容值为5.6mf、耐压为300v的电容组成。
47.需要说明的是，以上所述的整流器、flyback变换器、boost变换器和buck变换器均为常规器件，在电路结构上没有创新，因此，本实施例不再对其电路结构做出具体描述。
48.另一个实施例中，所述固态控制器还包括状态展示模块，状态展示模块的输入端连接控制模块的第二输出端。
49.本实施例中，所述状态展示模块包括指示灯和显示屏。
50.另一个实施例中，所述固态控制器还包括通讯模块，通讯模块的输入端连接控制模块的第三输出端，输出端连接上位机。
51.本实施例中，通讯模块采用rj45网口通讯，通讯协议采用modbus-rtu。正常情况下，控制模块将经信号处理模块处理后获得的信号特征值通过通讯模块上传给上位机进行诊断，同时，上位机将诊断结果和控制指令通过通讯模块下放，实现对断路器设备的控制保护。
52.上述对本技术中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本技术的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本技术保护范围之内的其它的技术方案。