矿用低压馈电开关智能保护器及其保护方法

技术领域

本发明涉及供电开关综合监控技术领域，尤其涉及一种矿用低压馈电开关智能保护器及其保护方法。

背景技术

随着煤矿现代化程度的不断提高和井下供电距离的增加，对煤矿井下供电系统可靠性、安全性和连续性的要求也越来越高；低压馈电开关综合保护是煤矿井下低压供电系统的主保护，其供电的可靠性、安全性直接关系到原煤的生产和人身的安全。低压馈电开关综合保护就是连接配电设备和用电机器之间的一个保护装置。

低压馈电开关综合保护中的核心部件为低压馈电开关保护器，其主要功能用于实现井下电网的故障检测与保护。现有技术中，低压馈电开关保护器只能测量一种电流电压输入信号，如只能测量二次电压为额定交流100V和二次电流为额定交流5A的信号，或二次电压为额定交流10V和二次电流为额定交流0.185A的信号。当低压供电系统存在2种或2种以上电流电压输入信号时，会安装多种低压馈电开关保护器与配电设备连接，来实现对当前电流电压输入信号的测量，虽然低压馈电开关保护器及连接电缆线路上都清楚地标注上额定电压值，为日常操作和安全供电提供极为有利的条件，但是稍有疏忽还是有可能发生送错电、停错电，甚至是接错低压馈电开关保护器电缆线等事故，影响低压馈电开关保护器的使用。因此亟需研发一种能测量多种电压电流输入信号的低压馈电开关保护器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有低压馈电开关保护器只能测量一种电流电压输入信号，使得低压供电系统安全性能差的技术问题，本发明提供一种矿用低压馈电开关智能保护器，能够测量多种电流电压输入信号，满足不同二次电流电压输入信号的低压馈电开关需要，提高了井下供电的可靠性和安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种矿用低压馈电开关智能保护器，矿用低压馈电开关智能保护器包括：

用于将外部交流电压信号转换为至少一个直流电压信号的开关电源模块；

用于将配电线路上输入的高电压信号转换为低电压信号、以及将输入的高电流信号转换为低电流信号的电压/电流互感器；

用于根据输入的低电压信号和低电流信号切换电压通道和电流通道，测量当前电压输入信号和电流输入信号的自适应调整模块；

用于对所述矿用低压馈电开关智能保护器的控制逻辑，对所述自适应调整模块通道切换控制的主控模块；

所述电压/电流互感器与所述自适应调整模块连接，所述开关电源模块和所述自适应调整模块均与所述主控模块连接。

进一步，具体地，所述自适应调整模块包括：

用于电压通道切换，测量当前电压输入信号的自适应电压调整单元；

用于电流通道切换，测量当前电流输入信号的自适应电流调整单元；

所述自适应电压调整单元与电压互感器连接，所述自适应电流调整单元与电流互感器连接，所述自适应电压调整单元和所述自适应电流调整单元均与所述主控模块连接；

所述主控模块基于所述电压信号控制所述自适应电压调整单元进行电压通道切换，所述主控模块基于所述电流信号控制所述自适应电流调整单元进行电流通道切换。

进一步，具体地，所述主控模块包括：

用于将所述电压信号和所述电流信号转换为数字信号的AD转换单元；

用于存储保护定值、通信参数以及记录事件的存储单元；

用于对所述矿用低压馈电开关智能保护器的控制逻辑的程序控制单元；

用于获取数字信号，处理所述数字信号，进而对所述自适应电压调整单元和所述自适应电流调整单元进行通道切换控制的CPU单元；

用于接收和发送数据信息的I/O接口单元；

用于与外部设备通信的串行通信接口单元；

所述AD转换单元、所述存储单元、所述程序控制单元、所述I/O接口单元以及所述串行通信接口单元均与所述CPU单元连接，所述自适应电压调整单元和所述自适应电流调整单元均与所述AD转换单元连接。

进一步，具体地，所述自适应电压调整单元对当前电压输入信号测量，电压输入信号为额定交流二次电压信号100V或10V二次电压信号；

所述自适应电流调整单元对当前电流输入信号测量，电流输入信号为额定交流5A二次电流信号或0.185A二次电流信号。

进一步，具体地，所述自适应电压调整单元包括自适应电压调整电路和第一滤波整形电路；

所述电压互感器和所述CPU单元均与所述自适应电压调整电路连接；

所述自适应电压调整电路和所述AD转换单元均与所述第一滤波整形电路连接。

进一步，具体地，所述自适应电压调整电路包括第一继电器和分压电路；

所述第一继电器和所述分压电路均与所述电压互感器连接，所述CPU单元和所述分压电路均与所述第一继电器连接。

进一步，具体地，所述自适应电流调整单元包括电流测量电路、自适应电流调整电路和第二滤波整形电路；

所述电流互感器和所述CPU单元均与所述电流测量电路连接；

所述电流互感器、所述电流测量电路321和所述CPU单元均与所述自适应电流调整电路连接；

所述自适应电流调整电路和所述AD转换单元均与所述第二滤波整形电路连接。

进一步，具体地，所述自适应电流调整电路包括第二继电器和两个电流处理电路；

两个所述电流处理电路均与所述第二继电器连接，所述电流互感器和所述CPU单元还均与所述第二继电器连接。

进一步，具体地，所述矿用低压馈电开关智能保护器还包括：

用于执行外部开关动作的执行模块；

用于采集外部开关状态及非电量保护状态的信号反馈模块；

用于与外部设备通信的通信模块；

所述执行模块和所述信号反馈模块均与所述I/O接口单元连接，所述通信模块与所述串行通信接口单元连接。

一种采用如上所述的矿用低压馈电开关智能保护器的矿用低压馈电开关保护方法，包括以下步骤：

上电初始化；

电压/电流互感器分别将配电线路上输入的高电压信号转换为低电压信号、以及将输入的高电流信号转换为低电流信号；

主控模块采集并处理低电压信号和低电流信号，对自适应调整模块通道切换控制；

所述自适应调整模块执行所述主控模块传输的切换控制信号，对电压通道和电流通道切换，测量当前电压输入信号和电流输入信号。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的矿用低压馈电开关智能保护器自适应输入的电压信号和电流信号，通过设置的自适应调整模块能够测量当前不同的电压输入信号和电流输入信号，保证主控模块接收到的输入信号一直处于正常的测量范围，测量精度高，满足不同二次电流电压输入信号的低压馈电开关需要，解决了现有低压馈电开关保护器不能测量多种输入的电压信号和电流信号的问题；

(2)当低压供电系统存在2种或2种以上电压时，会安装多种低压馈电开关保护器来测量对应的电流电压输入信号，相对于现有技术，本申请安装时由于不用考虑与电流电压输入信号匹配，避免了送错电、停错电/接错电压等级电缆线等事故，使得矿用低压馈电开关智能保护器与输入的电压信号和电流信号不匹配导致的矿用低压馈电开关智能保护器损坏可能性，提高了井下供电的可靠性和安全性；

(3)本发明的矿用低压馈电开关智能保护器通过设置的自适应调整模块能够测量当前电压输入信号和电流输入信号，可以适配多种低压馈电开关，避免了由于保护器与电压/电流互感器不兼容时损坏保护器，减少了低压供电系统内保护器的安装型号，便于安装。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一电压自适应调整单元的结构示意图。

图3是本发明实施例一电流自适应调整单元的结构示意图。

图中1、开关电源模块；3、自适应调整模块；4、主控模块；5、执行模块；6、信号反馈模块；7、通信模块；21、电压互感器；22、电流互感器；31、自适应电压调整单元；311、自适应电压调整电路；312、第一滤波整形电路；3111、分压电路；32、自适应电流调整单元；321、电流测量电路；322、自适应电流调整电路；323、第二滤波整形电路；3221、电流处理电路；41、AD转换单元；42、存储单元；43、程序控制单元；44、CPU单元；45、I/O接口单元；46、串行通信接口单元。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本申请实施例提供了一种矿用低压馈电开关智能保护器，如图1-3所示，矿用低压馈电开关智能保护器包括：

用于将外部交流电压信号转换为至少一个直流电压信号的开关电源模块1；

用于将配电线路上输入的高电压信号转换为低电压信号、以及将输入的高电流信号转换为低电流信号的电压/电流互感器；

用于根据输入的低电压信号和低电流信号切换电压通道和电流通道，测量当前电压输入信号和电流输入信号的自适应调整模块3；

用于对矿用低压馈电开关智能保护器的控制逻辑，对自适应调整模块3通道切换控制的主控模块4；

电压/电流互感器与自适应调整模块3连接，开关电源模块1和自适应调整模块3均与主控模块4连接。

在本实施例中，开关电源模块1上设置有220V交流输入插座，用以获取外部220V的交流电压信号，经开关电源模块1处理后输出至少一个直流电压信号，用以给各个模块供电。

在本实施例中，自适应调整模块3包括：

用于电压通道切换，测量当前电压输入信号的自适应电压调整单元31；

用于电流通道切换，测量当前电流输入信号的自适应电流调整单元32；

自适应电压调整单元31与电压互感器21连接，自适应电流调整单元32与电流互感器22连接，自适应电压调整单元31和自适应电流调整单元32均与主控模块4连接；主控模块4基于电压信号控制自适应电压调整单元31进行电压通道切换，自适应电压调整单元31的电压通道切换，实现对当前电压输入信号测量；主控模块4基于电流信号控制自适应电流调整单元32进行电流通道切换，自适应电压调整单元31的电流通道切换，实现对当前电流输入信号测量。

在本实施例中，主控模块4包括：用于将电压信号和电流信号转换为数字信号的AD转换单元41。进一步的，电力线路的电流、电压、频率等均是模拟信号，由于CPU单元44只能处理数字信号，故模拟信号必须通过AD转换单元41转换为数字信号才能输入至CPU单元44中，AD转换单元41包括采样保持器和AD转换器，经采样保持器采集电压信号和电流信号，将符合AD转换器输入要求的模拟信号输入至AD转换器转换为数字信号。

用于存储保护定值、通信参数以及记录事件的存储单元42，CPU单元44启动或者断电再上电或者掉电后，存储单元42的数据会保持为启动或者断电或者掉电之前的数值。

用于对矿用低压馈电开关智能保护器的控制逻辑的程序控制单元43；

用于获取数字信号，处理数字信号，进而对自适应电压调整单元31和自适应电流调整单元32进行通道切换控制的CPU单元44；

用于接收和发送数据信息的I/O接口单元45，进一步的通过设置的I/O接口单元45用于控制外部开关动作和进行相关试验，每个I/O接口单元45的输出通道是对断路器实现控制的数据传输通道，输出通道满足驱动开关和相关试验的要求，也满足自适应电流电压通道调整的控制要求。

用于与外部设备通信的串行通信接口单元46，串行通信接口单元46采用但不限于RS485接口，优选RS485接口，以实现与外部设备之间有效、快速以及准确的数据传输，且抗扰能力好，提高井下通信的安全。

AD转换单元41、存储单元42、程序控制单元43、I/O接口单元45以及串行通信接口单元46均与CPU单元44连接，自适应电压调整单元31和自适应电流调整单元32均与AD转换单元41连接。

更进一步的，矿用低压馈电开关智能保护器还包括：

用于执行外部开关动作的执行模块5，与I/O接口单元45连接，执行模块5用以接收并执行I/O接口单元45传输的外部开关动作信号。

用于采集外部开关状态及非电量保护状态的信号反馈模块6，与I/O接口单元45连接，I/O接口单元45获取信号反馈模块6采集外部开关状态及非电量保护状态，并将获取的状态数据传输至CPU单元44处理。

用于与外部设备通信的通信模块7，与串行通信接口单元46连接，实现现场通信，如将串行通信接口单元46通过RS485总线与监控主机通信连接。

需要说明的是，井下环境复杂，干扰信号多，每个I/O接口单元45采用光耦进行隔离，以提高抗干扰能力。

在本实施例中，自适应电压调整单元31测量当前电压输入信号，电压输入信号为额定交流二次电压信号100V或10V二次电压信号；自适应电流调整单元32测量当前电流输入信号，电流输入信号为额定交流5A二次电流信号或0.185A二次电流信号。

主控模块4基于电压信号控制自适应电压调整单元31进行电压通道切换，使自适应电压调整单元31自动测量当前的电压输入信号。具体的，如图2所示，自适应电压调整单元31包括自适应电压调整电路311和第一滤波整形电路312；电压互感器21和CPU单元44均与自适应电压调整电路311连接；自适应电压调整电路311和AD转换单元41均与第一滤波整形电路312连接；进一步的，自适应电压调整电路311包括第一继电器和分压电路3111；第一继电器和分压电路3111均与电压互感器21连接，CPU单元44和分压电路3111均与第一继电器连接。

第一滤波整形电路312对电压信号调理和滤波处理，使其符合AD转换器输入要求的模拟信号，并输入至AD转换单元41，第一滤波整形电路312去除噪声和干扰成分，同时对信号进行形状调整，提高信号质量，保证正确的信号传输和处理。

电压互感器21采集的电压信号会先输入至自适应电压调整电路311，分压电路3111按输入电压最大值配置，对电压输入信号测量时，CPU单元44采样峰峰值应当为整个AD量程的三分之二，以提高测量精度。

以当前电压输入信号为额定交流二次电压信号10V举例说明，当实际CPU单元获取的电压输入信号为额定交流二次电压信号10V时，CPU单元44将缩小采样峰峰值至整个AD量程的十分之一以下，CPU单元44实时计算采样值，当采样峰峰值小于整个AD量程的十分之一时，CPU单元44控制第一继电器吸合，对电压通道切换，分压电路3111中的部分分压电阻短接，根据分压电路3111中配置好的采样分压电阻值，使CPU单元44采样峰峰值将恢复为整个AD量程的三分之二，从而达到自适应测量当前电压输入信号的目的。

另外，第一继电器初始状态为断开状态，若当前电压输入信号为额定交流二次电压信号100V，实际CPU单元获取的电压输入信号为额定交流二次电压信号100V，第一继电器为断开状态，且不用对电压通道切换，直接测量当前电压输入信号。

在本实施例中，主控模块4基于电流信号控制自适应电流调整单元32进行电流通道切换，使自适应电流调整单元31自动测量当前的电流输入信号。具体的，如图3所示，自适应电流调整单元32包括电流测量电路321、自适应电流调整电路322和第二滤波整形电路323；电流互感器22和CPU单元44均与电流测量电路321连接；电流互感器22、电流测量电路321和CPU单元44均与自适应电流调整电路322连接；自适应电流调整电路322和AD转换单元41均与第二滤波整形电路323连接。进一步的，自适应电流调整电路322包括第二继电器和两个电流处理电路3221；两个电流处理电路3221均与第二继电器连接，电流互感器22和CPU单元44还均与第二继电器连接。

第二滤波整形电路323对电流信号调理和滤波处理，使其符合AD转换器输入要求的模拟信号，并输入至AD转换单元41，第二滤波整形电路323去除噪声和干扰成分，同时对信号进行形状调整，提高信号质量，保证正确的信号传输和处理。

需要说明的是，额定交流5A二次电流信号由于电流大、线径粗、匝数少，直流电阻正常小于0.2Ω，额定交流0.185A二次电流信号电流小、线径细、匝数多，直流电阻正常大于2Ω。

具体的，当矿用低压馈电开关智能保护器上电时，自适应电流调整电路322和电流测量电路321与电流互感器22之间均处于断开状态，CPU单元44首先控制电流测量电路321导通，将电流测量电路321的直流测量电压加到电流互感器22二次线圈。通过电流测量电路321选择合适的采样电阻，CPU单元44通过测量匹配电阻上的分压，可以计算出电流互感器22直流电阻，根据计算出的直流电阻值确定是电流互感器为5A互感器还是0.185A的互感器，控制电流自适应调整电路中的第二继电器动作，对电流通道切换，进而使对应的一个电流处理电路3221工作，从而达到自适应测量当前电流输入信号的目的。

两个电流处理电路3221分别为第一电流处理电路3221和第二电流处理电路3221，第一电流处理电路3221用于额定交流5A二次电流信号的处理，第二电流处理电路3221用于额定交流0.185A二次电流信号的处理。

进一步的，电流测量电路321包括第三继电器和采样电阻，CPU单元44首先控制第三继电器闭合，使得电流测量电路321导通，使电流测量电路321的直流测量电压加到电流互感器22二次线圈，便于CPU单元44计算出电流互感器22直流电阻，以便于确定电流互感器的型号，提高了测量的准确性。

本发明的矿用低压馈电开关智能保护器自适应输入的电压信号和电流信号，通过设置的自适应调整模块3能够测量当前不同的电压输入信号和电流输入信号，保证主控模块4接收到的输入信号一直处于正常的测量范围，保证了测量精度，满足不同二次电流电压输入信号的低压馈电开关需要，解决了现有低压馈电开关保护器不能适应多种输入的电压信号和电流信号的问题；当低压供电系统存在2种或2种以上电压时，会安装多种低压馈电开关保护器以适应对应电流电压输入信号，相对于现有技术，本申请安装时由于不用考虑与电流电压输入信号匹配，避免了送错电、停错电/接错电压等级电缆线等事故，使得矿用低压馈电开关智能保护器与输入的电压信号和电流信号不匹配导致的矿用低压馈电开关智能保护器损坏可能性，提高了井下供电的可靠性和安全性；本发明的矿用低压馈电开关智能保护器通过设置的自适应调整模块3能够测量当前电压输入信号和电流输入信号，可以适配多种低压馈电开关，避免了由于矿用低压馈电开关智能保护器与电压/电流互感器不兼容时损坏保护器，减少了低压供电系统内保护器的安装型号，便于安装。

实施例2

基于与前述实施例一中一种矿用低压馈电开关智能保护器同样发明构思，本申请实施例还提供了矿用低压馈电开关智能保护器的保护方法，包括以下步骤：

上电初始化；

电压/电流互感器分别将配电线路上输入的高电压信号转换为低电压信号、以及将输入的高电流信号转换为低电流信号；

主控模块4采集并处理低电压信号和低电流信号，对自适应调整模块3通道切换控制；

自适应调整模块3执行主控模块4传输的切换控制信号，对电压通道和电流通道切换，测量当前电压输入信号和电流输入信号。

前述图1实施例一中的一种矿用低压馈电开关智能保护器的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的一种矿用低压馈电开关智能保护器的保护方法，通过前述对一种矿用低压馈电开关智能保护器的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中一种矿用低压馈电开关智能保护器的保护方法实施方法，所以为了说明书的简洁，此处不再详述。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。