一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器。

背景技术

随着计算机技术、网络技术的快速发展，电力系统的数字化程度越来越高，信息交互越发频繁。为保证电力系统最大程度发挥社会价值，以信息与控制系统为核心的二次设备，必需对可靠性、准确性、安全性提出更高要求，以保证当下电力系统的安全性和稳定性，进而保证社会的可靠供电与用电。

断路器作为输、配电网中的重点设备，与供电可靠性密切相关，对电网安全运行有着重大的影响。目前市场新近衍生出来的新一代断路器的确具备了基本的短路、过载和漏电保护，也实现了数据采集、传输、远程控制等功能，但是由于市场缺少规范化管理，在面对现行配电运维需求时，往往不具备完整的整合方案，特别是在信息安全防护方面，不满足相关的防护要求，这对电力系统的安全性和稳定性构成非常大的隐患。

随着低压配网建设的快速进步与发展，配电网络基础设施在不断完善，配网智能化运维对可靠性、准确性、安全性提出更高要求。正是由于现有安全防护功能的不足，研究一种具备安全防护功能的低压配电智能断路器显得非常重要。

发明内容

本发明主要是为了解决现有断路器安全防护功能不足的问题，提供了一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器，集成了信息安全防护、电流保护、被动式防孤岛保护、并网保护与管理、远程控制、拓扑识别、电能量计量、电能质量分析、地理位置定位、历史数据记录与查询、兼容多种方式数据通信于一体，满足新形势下配电系统中对重要部件的可靠性、准确性、安全性要求，同时能够快速传输各类信息，对智能运维系统等领域有非常重要的实际应用意义，有利于保证当下电力系统的安全性和稳定性，进而保证社会的可靠供电与用电。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器，包括微处理器及与所述微处理器电连接的安全防护模块、电流保护模块和电能计量模块，所述安全防护模块支持国密SM1、SM2、SM3算法；所述微处理器还电连接有发电侧并网管理模块、自动分合闸模块和断路器位置状态模块；所述低压配电智能微型断路器还包括与所述微处理器电连接的被动式防孤岛保护模块、拓扑识别模块和可插拔通信模块；所述微处理器还连接有独立时钟模块、数据存储模块和北斗定位模块。本发明提供了一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器，包括微处理器及与微处理器连接的安全防护模块、电流保护模块、电能计量模块、被动式防孤岛保护模块、发电侧并网管理模块、自动分合闸模块、断路器位置状态模块、独立时钟模块、数据存储模块、拓扑识别模块、可插拔通信模块、北斗定位模块和备用电源模块，集成了信息安全防护、电流保护、被动式防孤岛保护、并网保护与管理、远程控制、拓扑识别、电能量计量、电能质量分析、地理位置定位、历史数据记录与查询、兼容多种方式数据通信于一体，满足新形势下配电系统中对重要部件的可靠性、准确性、安全性要求，同时能够快速传输各类信息，对智能运维系统等领域有非常重要的实际应用意义；采用模块化设计，方便根据实际需要进行顺序调整、合并或删减，实用性强；解决了现有断路器安全防护功能不足的问题，有利于保证当下电力系统的安全性和稳定性，进而保证社会的可靠供电与用电。

作为优选，所述安全防护模块支持国密SM1、SM2、SM3算法，进行感知终端设备与云主站、边缘计算设备之间的身份认证，进行感知终端设备与云主站、边缘计算设备之间数据的完整性、机密性、可用性保护，进行感知终端设备本地存储数据的机密性、完整性保护。安全防护模块实现数据完整性、机密性、可用性保护，使得本发明具备信息安全防护功能。

作为优选，所述电流保护模块包括依次电连接的电流传感器、运算放大器电路和A/D转换器，所述A/D转换器集成于微处理器内部，所述电流传感器包括一次电流传感器和剩余电流传感器，所述剩余电流传感器被所有一次侧电流穿过。电流保护模块实现了对一次侧相线电流、剩余电流实施不同特性的保护，使得本发明具备电流保护功能。

作为优选，所述电能计量模块包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器和所述电压传感器分别连接抗混叠滤波电路后依次连接全差分放大电路和A/D采样电路，所述全差分放大电路和所述A/D采样电路集成于专用计量芯片内部，所述专用计量芯片与微处理器电连接。电能计量模块将采集的信号接入专用计量芯片，通过该专用计量芯片内部集成功能与算法，实现了对一次侧各相电压有效值、电流有效值、相位、频率、功率、谐波数据的采集和特征指标分析，以及电能量的计算，使得本发明具备电能量计量功能。

作为优选，所述自动分合闸模块包括电机、电机驱动芯片和齿轮操作机构，所述电机为交流220V供电的交流电机，通过微处理器控制电磁继电器进行驱动，通过电机转动控制所述齿轮操作机构运转，进行断路器的分闸、合闸操作。自动分合闸模块实现了断路器自动分合闸操作，使得本发明具备断路器位置状态远程控制功能。

作为优选，所述断路器位置状态模块包括行程开关和开关量检测电路，当断路器处于合闸状态时，所述行程开关闭合，所述开关量检测电路输出逻辑低电平；当断路器处于分闸状态时，所述行程开关断开，所述开关量检测电路输出逻辑高电平；电平信息最终输入到微处理器以感知断路器分、合闸位置状态。断路器位置状态模块实现了断路器合闸、分闸位置状态的识别，使得本发明具备断路器位置状态智能识别功能。

作为优选，所述发电侧并网管理模块根据电能计量模块中的电压检测电路对断路器进线端与出线端电压进行实时监测，只有电网侧电压与频率均正常，且发电侧无输出电压时才允许合闸。发电侧并网管理模块使得本发明具备并网保护与管理功能。

作为优选，所述被动式防孤岛保护模块根据电流保护模块和电能计量模块所获取的电压幅值、频率、相位实时数据进行故障研判，分析出电压幅值摆动率、电压频率摆动率、电压相位摆动率，与智能断路器系统设定的整定值进行比较，如果其中一项计算结果大于对应的整定值，微处理器则发出执行分闸操作命令，通过自动分合闸模块完成分闸操作。被动式防孤岛保护模块使得本发明具备被动式防孤岛保护功能。

作为优选，所述拓扑识别模块包括特征电流发生电路和特征电流检测与解析电路，所述特征电流发生电路包括桥式整流电路、稳压电路、限流电路和833Hz调制驱动电路，所述稳压电路稳压25V电源作为驱动电路的工作电源，微处理器通过定时器发送833Hz调制信号，通过光耦隔离驱动高压MOS开关管，从而在相应的电力线路上产生特征电流信号；所述特征电流检测与解析电路利用电能计量模块结合专用算法，检测电力线路上产生的特征电流信号并解析获得特征码。特征电流发生电路实现了断路器通过既定的调制方式形成特征电流信号馈送到电力线的应用。特征电流检测与解析电路检测特征电流信号，通过内部集成算法进行相应的解调处理，最终将电力线上的特征电流信号还原为解码后数据信息。拓扑识别模块使得本发明具备拓扑识别功能。

作为优选，所述低压配电智能微型断路器还包括与所述微处理器电连接的备用电源模块，所述备用电源模块包括超级电容器、充电限流电阻和续流二极管，当系统正常供电时，主电源通过充电限流电阻对超级电容进行持续充电，直到超级电容的电压接近供电电压；当系统电源失电时，经过充电储能后的超级电容通过续流二极管维持系统的短时供电。备用电源模块在系统断电后，通过存储的能量维持系统短时间内正常运行，保证系统可靠运行。

因此，本发明的优点是：

(1)集成了信息安全防护、电流保护、被动式防孤岛保护、并网保护与管理、远程控制、拓扑识别、电能量计量、电能质量分析、地理位置定位、历史数据记录与查询、兼容多种方式数据通信于一体，满足新形势下配电系统中对重要部件的可靠性、准确性、安全性要求；

(2)能够快速传输各类信息，对智能运维系统等领域有非常重要的实际应用意义；

(3)采用模块化设计，方便根据实际需要进行顺序调整、合并或删减，实用性强；

(4)解决了现有断路器安全防护功能不足的问题，有利于保证当下电力系统的安全性和稳定性，进而保证社会的可靠供电与用电。

附图说明

图1是本发明实施例中一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器的结构示意图。

图2是本发明实施例中电流保护模块的结构示意图。

图3是本发明实施例中运算放大器电路的结构示意图。

图4是本发明实施例中电能计量模块的结构示意图。

图5是本发明实施例中断路器位置状态模块的结构示意图。

图6是本发明实施例中特征电流发生电路的结构示意图。

图7是本发明实施例中备用电源模块的结构示意图。

1、微处理器2、安全防护模块3、电流保护模块4、电能计量模块5、被动式防孤岛保护模块6、发电侧并网管理模块7、自动分合闸模块8、断路器位置状态模块9、独立时钟模块10、数据存储模块11、拓扑识别模块12、可插拔通信模块13、北斗定位模块14、备用电源模块15、电流传感器16、运算放大器电路17、A/D转换器18、A/D采样电路19、电压传感器20、抗混叠滤波电路21、专用计量芯片22、行程开关。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器，包括微处理器1及与微处理器1电连接的安全防护模块2、电流保护模块3和电能计量模块4，安全防护模块2支持国密SM1、SM2、SM3算法；微处理器1还电连接有发电侧并网管理模块6、自动分合闸模块7和断路器位置状态模块8；低压配电智能微型断路器还包括与微处理器1电连接的被动式防孤岛保护模块5、拓扑识别模块11和可插拔通信模块12；微处理器1还连接有独立时钟模块9、数据存储模块10和北斗定位模块13。本实施例提供了一种具备安全防护功能的低压配电智能微型断路器，如图1所示，包括微处理器1及与微处理器1连接的安全防护模块2、电流保护模块3、电能计量模块4、被动式防孤岛保护模块5、发电侧并网管理模块6、自动分合闸模块7、断路器位置状态模块8、独立时钟模块9、数据存储模块10、拓扑识别模块11、可插拔通信模块12、北斗定位模块13和备用电源模块14，集成了信息安全防护、电流保护、被动式防孤岛保护、并网保护与管理、远程控制、拓扑识别、电能量计量、电能质量分析、地理位置定位、历史数据记录与查询、兼容多种方式数据通信于一体，满足新形势下配电系统中对重要部件的可靠性、准确性、安全性要求，同时能够快速传输各类信息，对智能运维系统等领域有非常重要的实际应用意义；采用模块化设计，方便根据实际需要进行顺序调整、合并或删减，实用性强；解决了现有断路器安全防护功能不足的问题，有利于保证当下电力系统的安全性和稳定性，进而保证社会的可靠供电与用电。

安全防护模块2支持国密SM1、SM2、SM3算法，可实现感知终端设备与云主站、边缘计算设备之间的身份认证，可实现感知终端设备与云主站、边缘计算设备之间数据的完整性、机密性、可用性保护，可实现感知终端设备本地存储数据的机密性、完整性保护。安全防护模块2实现数据完整性、机密性、可用性保护。

如图2所示，电流保护模块3包括依次电连接的电流传感器15、运算放大器电路16和A/D转换器17，A/D转换器17集成于微处理器1内部，电流传感器15包括一次电流传感器和剩余电流传感器，剩余电流传感器被所有一次侧电流穿过。电流保护模块3实现了对一次侧相线电流、剩余电流实施不同特性的保护。电流传感器15采用非易饱和环形闭合磁心制作的感应线圈，当电流穿过磁心时，利用电磁感应原理，感应线圈将产生成比例的弱电流信号，将弱电流信号串联高精度的电流采样电阻，就可以获得成线性关系的电压信号。如图3所示，将所获得的电压信号，经过运算放大器电路16进行滤波、放大处理后输入到微处理器1的A/D转换器17，结合微处理器1的功能配置与软件算法，实现对真实电流的校准与计算，再通过软件实时处理，实现了各相电流的三段式特性保护功能和剩余电流保护功能。

如图4所示，电能计量模块4包括电流传感器15和电压传感器19，电流传感器15和电压传感器19分别连接抗混叠滤波电路20后依次连接全差分放大电路和A/D采样电路18，全差分放大电路和A/D采样电路18集成于专用计量芯片21内部，专用计量芯片21与微处理器1电连接。电流传感器15采用高稳定性非晶环形闭合磁心制作的感应线圈，当电流穿过磁心时，利用电磁感应原理，感应线圈将产生成比例的弱电流信号，将弱电流信号串联高精度的电流采样电阻，就可以获得成线性关系的电压信号。电压传感器19采用低温漂系数的高精度电阻进串联方式，通过分压电阻获取与一次电压成线性关系的弱电压信号。将该电压信号接入专用计量芯片21应用推荐的抗混叠滤波电路20，再连接到专用计量芯片21内部的A/D采样电路18通道，通过该专用计量芯片21内部集成功能与算法，实现了对一次侧各相电压有效值、电流有效值、相位、频率、功率、谐波数据的采集和特征指标分析，以及电能量的计算。

自动分合闸模块7包括电机、电机驱动芯片和齿轮操作机构，电机为交流220V供电的交流电机，通过微处理器1控制电磁继电器进行驱动，通过电机转动控制齿轮操作机构运转，进行断路器的分闸、合闸操作。自动分合闸模块7实现了断路器自动分合闸操作。

如图5所示，断路器位置状态模块8包括行程开关22和开关量检测电路，当断路器处于合闸状态时，行程开关22闭合，开关量检测电路输出逻辑低电平；当断路器处于分闸状态时，行程开关22断开，开关量检测电路输出逻辑高电平；电平信息最终输入到微处理器1以感知断路器分、合闸位置状态。断路器位置状态模块8实现了断路器合闸、分闸位置状态的识别。断路器处于合闸、分闸两种不同位置状态情况下，行程开关22将被触动行程按钮，合闸状态检测信号表现出不同的逻辑电平。该逻辑电平接入微处理器1后，通过微处理器1的数字I/O端口进行软件功能配置与应用，识别出断路器的合闸、分闸两种不同位置状态。

发电侧并网管理模块6根据电能计量模块4中的电压检测电路对断路器进线端与出线端电压进行实时监测，只有电网侧电压与频率均正常，且发电侧无输出电压时才允许合闸。

被动式防孤岛保护模块5根据电流保护模块3和电能计量模块4所获取的电压幅值、频率、相位实时数据进行故障研判，分析出电压幅值摆动率、电压频率摆动率、电压相位摆动率，与智能断路器系统设定的整定值进行比较，如果其中一项计算结果大于对应的整定值，微处理器1则发出执行分闸操作命令，通过自动分合闸模块7完成分闸操作。

拓扑识别模块11包括特征电流发生电路和特征电流检测与解析电路，如图6所示，特征电流发生电路包括桥式整流电路、稳压电路、限流电路和833Hz调制驱动电路，稳压电路稳压25V电源作为驱动电路的工作电源，微处理器1通过定时器发送833Hz调制信号，通过光耦隔离驱动高压MOS开关管，从而在相应的电力线路上产生特征电流信号；特征电流检测与解析电路利用电能计量模块4结合专用算法，检测电力线路上产生的特征电流信号并解析获得特征码。特征电流发生电路实现了断路器通过既定的调制方式形成特征电流信号馈送到电力线的应用。特征电流检测与解析电路利用电能计量模块4所具备的数据采集功能，检测特征电流信号，通过内部集成算法进行相应的解调处理，最终将电力线上的特征电流信号还原为解码后数据信息。微处理器1根据电能计量模块4所获取的特征电流信号还原为解码后数据信息，进行逻辑判断，从而产生记录。系统平台获取所有记录信息后进行台区识别。

如图7所示，备用电源模块14包括超级电容器、充电限流电阻和续流二极管，当系统正常供电时，主电源通过充电限流电阻对超级电容进行持续充电，直到超级电容的电压接近供电电压；当系统电源失电时，经过充电储能后的超级电容通过续流二极管维持系统的短时供电。备用电源模块14在系统断电后，通过存储的能量维持系统短时间内正常运行，保证系统可靠运行。

独立时钟模块9是指一种包括高稳定度的32.768KHz的数字温度补偿晶体振荡器的集成芯片。数据存储模块10是一类非易失性存储器。可插拔通信模块12适合Q/GDW 1355-2013国家电网公司企业标准规定要求的通用模块或外形尺寸一致的定制模块。北斗定位模块13包括卫星定位天线、GNSS导航单元、微处理单元，各个部分集成于一体。

以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。