一種具有在線自檢功能的開出回路設(shè)計(jì)

王振華，王志鵬

（許繼電氣股份有限公司河南許昌461000）

一種具有在線自檢功能的開出回路設(shè)計(jì)

王振華，王志鵬

（許繼電氣股份有限公司河南許昌461000）

根據(jù)《DL/T 769-2001電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)于微機(jī)繼電保護(hù)裝置需要具備在線自動(dòng)檢測(cè)功能的要求，設(shè)計(jì)了一種具有在線自檢功能的開出回路，利用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)開出回路的啟動(dòng)、三極管擊穿、繼電器斷線等在線自動(dòng)檢測(cè)功能。包括出口繼電器在內(nèi)的任一元件損壞后，保護(hù)裝置不但不會(huì)誤動(dòng)作，而且能準(zhǔn)確定位故障位置和發(fā)送異常告警信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

開出回路自檢；三極管擊穿；繼電器斷線；微機(jī)繼電保護(hù)裝置

20世紀(jì)80年代末以WXH－11型微機(jī)高壓線路保護(hù)為代表的微機(jī)型繼電保護(hù)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)《GB/T 15145-2008微機(jī)線路保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》的要求，微機(jī)保護(hù)裝置需要具備在線自動(dòng)檢測(cè)功能。在裝置正常運(yùn)行過程中，出口繼電器除外的任何單一電子元器件發(fā)生損壞時(shí)，必須避免保護(hù)誤動(dòng)作，而且能夠發(fā)送裝置異常告警信號(hào)。此外，《DL/T 769-2001電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》也要求微機(jī)繼電保護(hù)裝置需要具備在線自動(dòng)檢測(cè)功能，并明確指出微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)及其自動(dòng)檢測(cè)功能應(yīng)滿足以下原則:1）微機(jī)繼電保護(hù)裝置中除了出口繼電器以外的任一元件發(fā)生時(shí)，保護(hù)裝置不會(huì)誤動(dòng)作；2）除了出口繼電器以外的任一元件發(fā)生損壞后，微機(jī)繼電保護(hù)自檢測(cè)回路能發(fā)出報(bào)警或裝置異常信號(hào)，并給出相關(guān)信息指明損壞元件的所在部位，在最不利的情況下也能將硬件定位至模塊（插件）；3）硬件損壞后，能夠采用方便的手段和方法進(jìn)行修復(fù)或更換[1]。

現(xiàn)有的開出回路自檢通常包括以下兩種:1）開出擊穿即反饋光耦（三極管）擊穿，表現(xiàn)為無開出命令的情況下，反饋端反而出現(xiàn)電位變化。其檢測(cè)包括兩個(gè)階段，上電自檢和運(yùn)行中自檢，且均容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。2）開出斷線即反饋光耦（三極管）斷線，表現(xiàn)為有開出命令的情況下，反饋端卻未出現(xiàn)電位變化。其檢測(cè)過程也包括上電自檢和運(yùn)行中自檢，運(yùn)行中自檢通常采取定時(shí)檢測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)。盡管現(xiàn)有的開出回路自檢功能可以滿足《DL/T 769-2001電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》的要求，但無法檢測(cè)到出口繼電器是否損壞，不能更加準(zhǔn)確地定位故障原因。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

智能終端是智能變電站的重要設(shè)備，主要通過向開關(guān)量輸出回路（以下簡(jiǎn)稱開出回路）發(fā)送出口命令（即開出命令）實(shí)現(xiàn)對(duì)間隔內(nèi)斷路器、隔離刀閘、接地刀閘和快速接地刀閘的控制。智能終端能否通過開出回路正確控制間隔內(nèi)的這些刀閘設(shè)備，關(guān)系到智能變電站能否切實(shí)現(xiàn)故障的切除和調(diào)度控制，進(jìn)而影響到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

為了保證微機(jī)保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行，開出回路的在線自動(dòng)檢測(cè)功能必須齊全，包括繼電器控制開關(guān)的擊穿自檢、繼電器線圈或繼電器控制開關(guān)的斷線自檢、為繼電器供電的電源啟動(dòng)自檢[2-10]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

由于CPU的I/O口信號(hào)電平通常為3.3 V，開出回路的繼電器額定電壓為5 V、12 V或24 V，故CPU的I/O口不能與外部控制電路直接相連。通過電平轉(zhuǎn)換電路，CPU控制電源啟動(dòng)電路和n路開出回路并同時(shí)接收反饋回來的自檢信號(hào)，電源啟動(dòng)電路為n路開出回路提供經(jīng)啟動(dòng)電源。每一個(gè)開出回路的繼電器用一個(gè)三極管控制通斷。當(dāng)繼電器控制開關(guān)發(fā)生擊穿或繼電器線圈出現(xiàn)斷線時(shí)，系統(tǒng)可檢測(cè)到對(duì)應(yīng)位置的故障信號(hào)，并在LCD上顯示準(zhǔn)確的故障信息且驅(qū)動(dòng)告警電路，提示及時(shí)檢修維護(hù)。

1.2 器件選型

1）繼電器

有些開出回路為了減小驅(qū)動(dòng)電流而采用24 V繼電器，而CPU的I/O口信號(hào)電平通常為3.3 V，3.3 V與24 V電源大多為隔離設(shè)計(jì)，所以24 V繼電器的驅(qū)動(dòng)需要使用光耦進(jìn)行電平隔離匹配。由于光耦具有瞬態(tài)飽和特性，在受到電快速瞬變脈沖群干擾情況下，可能會(huì)引起光耦的瞬態(tài)飽和而使光耦副邊導(dǎo)通，造成繼電器誤動(dòng)作[11-12]。此外，相同功率繼電器的額定電壓越高，其線圈的導(dǎo)線就越細(xì)，當(dāng)繼電器遭受沖擊電壓時(shí)線圈易斷裂[13-15]。5 V電源可通過LDO芯片生成屬于同一網(wǎng)絡(luò)而不需隔離的3.3 V電源，故宜選用額定電壓為5 V的繼電器。本設(shè)計(jì)選用小型、高容量、高靈敏、可進(jìn)行實(shí)際負(fù)載通斷的DSP繼電器，線圈額定電壓5 V，線圈電阻83 Ω，吸合電壓小于4 V，額定動(dòng)作電流60 mA，額定消耗功率300 mW。

2）三極管

繼電器線圈的通斷控制選用三極管2N5551，其最大集電極電流IC為200 mA，集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE（SAT）的最大值為 0.20 V，可滿足 DSP 繼電器60 mA的額定動(dòng)作電流要求。

3）MOS管

用于控制啟動(dòng)電源的開關(guān)器件選用P溝道MOS管IRF7404，最大連續(xù)漏極電流為6.7 A，在漏極電流等于3.2 A時(shí)其最大導(dǎo)通電阻為0.040 Ω。在6U機(jī)箱尺寸的繼電保護(hù)裝置上，在滿足電氣絕緣性能的前提下，一個(gè)4層電路板開出插件最多可放置40個(gè)DSP繼電器，所有繼電器即使同時(shí)動(dòng)作也僅需2.4 A電流，MOS管IRF7404完全滿足設(shè)計(jì)需求。

4）二極管

電源啟動(dòng)及自檢電路與開出回路之間使用二極管進(jìn)行隔離，選用肖特基二極管MBR20035CT，，其是一款雙體二極管，具有很強(qiáng)的通電流能力和較低的導(dǎo)通壓降。繼電器線圈的續(xù)流二極管[16]可選用常用的1N4007。

5）電平轉(zhuǎn)換芯片

選用SN74LVC4245芯片，通過輸出使能和方向控制可同時(shí)進(jìn)行8路信號(hào)的3.3 V和5 V電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CPU與開出回路之間的電平匹配。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

開出自檢回路原理圖如圖2所示，電源VCC為5 V供電。下面分別對(duì)繼電器供電的電源啟動(dòng)自檢、繼電器控制開關(guān)的擊穿自檢、繼電器線圈和繼電器控制開關(guān)的的斷線自檢原理進(jìn)行扼要說明。

1）電源啟動(dòng)自檢

用于跳閘回路的出口繼電器的電源需要在電網(wǎng)異常達(dá)到一定條件時(shí)經(jīng)啟動(dòng)信號(hào)控制。若用于跳閘回路的出口繼電器的電源不經(jīng)啟動(dòng)而直接供電，在電網(wǎng)正常時(shí)可能由于三極管的擊穿損壞而導(dǎo)致誤跳閘。圖2所示電路中，電網(wǎng)正常未發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，QD為低電平，三極管1Q截止，P溝道MOS管Q0的源極和柵極均為高電平，故Q0也截止，進(jìn)而三極管2Q也截止，啟動(dòng)自檢信號(hào)QDZJ為高電平。電網(wǎng)異常發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，QD為高電平，三極管1Q導(dǎo)通，P溝道MOS管Q0的源極為高電平、柵極為低電平，故3Q導(dǎo)通、電源VCC經(jīng)過二極管D0為出口繼電器供電，進(jìn)而三極管2Q也導(dǎo)通，啟動(dòng)自檢信號(hào)QDZJ為低電平。啟動(dòng)自檢信號(hào)QDZJ可檢測(cè)繼電器的供電電源是否啟動(dòng)成功。

圖2 開出自檢回路原理圖

2）擊穿自檢

在QDVCC未經(jīng)啟動(dòng)和開出信號(hào)KC1～KCn為低電平的情況下進(jìn)行擊穿自檢，正常情況下MOS管Q0和所有三極管應(yīng)該是截止的。如果三極管Q1～Qn其中任意一個(gè)出現(xiàn)擊穿損壞而導(dǎo)通時(shí)，其對(duì)應(yīng)的擊穿自檢信號(hào)JCZJ1～JCZJn將由高電平變?yōu)榈碗娖剑删_定位到是哪一個(gè)三極管發(fā)生擊穿損壞。若三極管發(fā)生擊穿損壞，則不能再進(jìn)行電源啟動(dòng)自檢。電阻R4的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于繼電器線圈電阻，可限制流過繼電器的電流小于繼電器的動(dòng)作電流，保證三極管擊穿導(dǎo)通時(shí)繼電器不會(huì)誤動(dòng)作，且使繼電器線圈電阻與電阻R4串聯(lián)后的分壓小于低電平閾值。

3）斷線自檢

在QDVCC未經(jīng)啟動(dòng)且完成擊穿自檢的情況下進(jìn)行斷線自檢，此時(shí)二極管D0截止。斷線自檢時(shí)依次發(fā)送開出信號(hào)KC1～KCn，使三極管Q1～Qn逐次導(dǎo)通，正常情況下信號(hào)JCZJ1～JCZJn和DXZJ會(huì)對(duì)應(yīng)變成低電平。若JCZJn為高電平，說明三極管出現(xiàn)斷線損壞而無法正常導(dǎo)通；若JCZJn為低電平、DXZJ為高電平，說明三極管正常，繼電器線圈發(fā)生斷線損壞。此斷線自檢功能不但可以精準(zhǔn)定位到是哪一路出口回路發(fā)生斷線，而且能夠判定是三極管斷線還是繼電器斷線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

開出回路在線檢測(cè)必須遵循一定控制流程，如果先進(jìn)行電源啟動(dòng)自檢，假如繼電器控制開關(guān)已經(jīng)發(fā)生擊穿短路，就會(huì)造成出口誤動(dòng)作。應(yīng)首先進(jìn)行繼電器控制開關(guān)的擊穿自檢，再進(jìn)行繼電器線圈或繼電器控制開關(guān)的斷線自檢，最后進(jìn)行為繼電器供電的電源啟動(dòng)自檢，其流程圖如圖3所示。

開出回路的自檢是在沒有開出命令時(shí)進(jìn)行的，開出命令的優(yōu)先級(jí)大于自檢的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)有開出命令時(shí)，必須立即中斷自檢，轉(zhuǎn)而進(jìn)行電源啟動(dòng)和出口控制。也可以不設(shè)置優(yōu)先級(jí)，定期為開出回路進(jìn)行自檢，在自檢期間，不執(zhí)行開出命令。

4 結(jié)論

對(duì)該具有在線自檢功能的出口回路進(jìn)行測(cè)試，繼電器驅(qū)動(dòng)三極管Q1～Qn的導(dǎo)通壓降為0.124 V，40個(gè)出口回路全部動(dòng)作時(shí)，MOS管Q0的導(dǎo)通壓降為0.085 V，肖特基二極管D0的導(dǎo)通壓降為0.219 V，0.428 V的額外總壓降完全滿足5 V供電時(shí)繼電器不大于4 V的動(dòng)作電壓要求，確保繼電器可靠動(dòng)作。

經(jīng)試驗(yàn)，將任意一個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)三極管Q1～Qn的集電極和發(fā)射極短路，JCZJ1～JCZJn會(huì)對(duì)應(yīng)變?yōu)榈碗娖剑晒δM了擊穿自檢；將任意一個(gè)繼電器的驅(qū)動(dòng)三極管Q1～Qn或者任意一個(gè)繼電器J1～Jn去掉，對(duì)應(yīng)的 JCZJ1～JCZJn或 DXZJ1～DXZJn始終為高電平，成功模擬了斷線自檢；將MOS管Q0去掉，QDZJ始終為高電平，成功模擬了電源啟動(dòng)自檢。此外，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確報(bào)告故障位置并發(fā)出告警信號(hào)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖3 開出回路在線自檢流程圖

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Design of output circuit with the function of online self-inspection

WANG Zhen-hua，WANG Zhi-peng
（XJ Electric Co.，Ltd，Xuchang461000，China）

According to demands of DL/T 769-2001 Technical guide for microprocessor-based protection equipment of power system for on-line self-inspection function，an output circuit with the function of selfinspection for microcomputer relay protection device in power system，using a triode to drive the relay，can achieve on-line self-inspection functions of start，triode breakdown，relay broken line for multiple output circuits.If any component including output relays is damaged，the device not only can prevent misoperation，but also can find out the malfunction location accurately and send the abnormal alarm signal.The experimental results show that the circuit has the advantages of simple structure，high reliability and strong immunity from interference.

output circuit self-inspection；triode breakdown；relay broken line；microprocessor relay device

TN86

A

1674-6236（2017）23-0186-04

2017-04-12稿件編號(hào)：201704074

王振華（1975—），男，河南寧陵人，碩士，工程師。研究方向：嵌入式硬件開發(fā)。