專利名稱：一種直流保護測控系統的制作方法
技術領域：
本發明所涉及的是一種應用于城市軌道交通領域、地鐵或輕軌牽弓I供電直 流保護測控系統。(二)
背景技術：
根據國家發展與改革委員會與輕軌研究中心提供的規劃資料，2020年中國 將有超過550公里的地鐵線，2050年輕軌和地鐵線路將達到2000公里。但是到 目前為止我國軌道交通的直流系統的保護和控制系統仍然全部采用進口設備， 國內相關行業在這一領域仍然處于空白。直流保護測控裝置是城市軌道交通應 用中繼電保護的關鍵設備，其難點在于在高壓線路上直接釆集微弱信號，既要 保班微弱電信號(<=76uv)的采集精度，又要保證與一次電纜有關的回路間在 電氣上高達6KV的電氣絕緣，同時還要求保護算法精確可靠，保護動作速度快。 目前我國市場上主要采用德國西門子和瑞士賽雪龍的技術裝備，但是由于國外 技術壟斷，設備售價過高，且由于國內外在應用環境和運行方式上的差別，現 在采樣零漂超標準和設備維護手段缺乏等問題沒有得到有效的解決，而設備的 國產化能夠解決這些問題。
發明內容
本發明的目的在于設計一種直流保護測控系統，它可以彌補國內相關行業 的空白，且可以有效解決零漂超標準及設備維護難的問題，是一種數據采集精 度高、保護動作速度快的保護測控系統。本發明的技術方案 一種直流保護測控系統，其特征在于該系統包括直流 分壓單元、隔離放大器單元、保護測控單元、通訊管理單元、安裝有維護分析軟件的中央處理單元及通訊介質六部分；其中，直流分壓單元的輸入端與牽引 網連接，其輸出端與用于電氣隔離和電壓測量的直流隔離放大器輸入端連接； 隔離放大器輸入端一端與直流分壓器連接，另一端與供電系統的分流器連接， 隔離放大器輸出端通過光纖與直流保護測控單元連接。 上述所說的直流分壓單元由高精度高耐壓電阻構成。上述所說的隔離放大器單元是由A/D輸入電路模塊、光纖通信電路模塊、母 線板和機箱組成；A/D輸入電路模塊、光纖通信電路模塊和母線板安裝在機箱內， 且A/D輸入電路模塊的輸入端與直流分壓單元的輸出端和外部供電系統連接，其輸出端通過母線板與光纖通信電路模塊的輸入端連接；光纖通信電路模塊與直 流保護測控單元連接。上述所說的保護測控單元由保護測控CPU模塊、出口控制模塊、開關電源模 塊、母線板、人機接口面板、箱體及人機接口通信電纜構成；其中保護測控CPU 模塊、出口控制模塊、開關電源模塊和母線板安裝于箱體內，保護測控CPU模塊、 出口控制模塊和開關電源模塊與母線板連接，通信接口模塊連接在電源模塊上， 保護測控CPU模塊通過人機接口通信電纜與人機接口模塊連接。上述所說的通信介質采用單模光纖，且采用大規模可編程邏輯器件FPGA作 為光纖傳輸控制器。上述所說的保護測控CPU模塊由CPU小系統及外圍驅動部分、模擬輸入及 信號處理部分、通信擴展部分、電源及模擬量擴展部分、通信接口、控制輸出 接口、和電纜組成；其中電源及模擬量擴展部分、通信接口、控制輸出接口分 別通過電纜和母線板與、出口控制模塊、開關電源模塊和人機接口模塊連接。上述所說的保護測控CPU模塊CPU小系統及外圍驅動部分以MOTOROLA的32 位單片機芯片MC68332ACFC25作為該模塊的主芯片，外圍驅動單元是由芯片 EPM7128STC100、隨791ESE、 STC62WV51216EI、 AM29F400BT-55SI、 74HC245DW、 RS5C348B、 931X86及不少于一個的功率放大器件D23、穩壓管AMS431、 二極管 LL4148和不少于一個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和電容組成，其連接為 常規連接。上述所說的模擬輸入及信號處理部分是由芯片MAX125CEAX、 74HC245DW、 LM78L05、 6N136及不少于一個的功率放大器件D23、不少于一個的限流電阻、 分流電阻、分壓電阻和電容組成，其連接為常規連接。上述所說的通信擴展部分是由高性能通訊芯片和可編程邏輯控制芯片 PT7A6525J、 ST16C2552、 74HC245DW、 EPM7128STC100-5、 MAX202ID、 SN74HC08D及不少于一個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和電容組成，其連接為常規連 接。上述所說的通信接口是由快速光耦器件TLP521-1,WE0S4-50/58A和不少于 一個的分壓電阻、分流電阻、電容組成，其連接為常規連接。上述所說的控制輸出接口是由不少于一組的快速光耦與NPN器件和不少于 一個的二極管LL4148及穩壓管AMS431組成，其中快速光耦采用TLP521-1器件， 其連接為常規連接。上述所說的電源及模擬量擴展部分是由不少于一個的低通濾波加運放回路 組成，每一個低通濾波加運放回路都是由功率放大器件D29和不少于一個的電阻、電容組成，其連接為常規連接。上述所說的人機接口面板線路是由芯片EPM7128STC100、 74HC245DW、 MAX202、 ICL7660、 X9511WS及不少于一個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和 電容組成，其連接為常規連接。本發明的工作原理與工作過程為①直流分壓單元將供電系統電壓分壓， 分出0-±2. 5V的小電壓信號；②直流隔離放大器單元采集供電系統分流器的電 流信號和直流分壓器的電壓信號，通過AD輸入電路模塊轉換位數字量，然后由 光纖通信電路模塊將數字信息通過光纖傳送給保護測控單元；(D保護測控單元 接收直流隔離放大器數字信號后，經過數字濾波和保護算法的計算處理，通過 出口控制模塊實現對直流牽引供電系統饋線的保護控制，通過人機接口模塊將 控制信息和供電系統信息進行直觀的顯示;通過通信接口將各種信息傳送到安 裝有維護分析軟件的中央處理單元。本發明的優越性在于①該發明在吸收國外先進技術的同時，在可靠性、 安全性、快速性、靈敏性、易維護性、抗干擾性等方面釆用創新設計，更好地 滿足了國內城市軌道交通的發展需要；②采樣精度高可達76uv/lLSB ,動態輸 入范圍大可達0-250mv，具有硬軟件配合的零漂和增益自動處理功能，保證城市 軌道交通供電線路應用于各種負荷條件下的采樣數據的準確性；③可以保證供 電饋線電流電壓量的高精度采集和可靠傳輸，以及高壓線路與微機繼電保護裝 置有安全的絕緣距離；④具備可靠保護的同時具備測量和控制功能，實現了保 護測控一體化；⑤機箱全密閉性好，且防護等級高，抗干擾能力強，尤其滿足 了國內城市軌道交通的發展需要。

圖l是本發明所涉一種直流保護測控系統的總體結構框圖；圖2是本發明所涉一種直流保護測控系統中保護測控單元的連接方框圖；圖3是本發明所涉一種直流保護測控系統中保護測控CPU模塊的結構框圖；圖4是本發明所涉一種直流保護測控系統中直流分壓器線路連接圖；圖5是本發明所涉一種直流保護測控系統中隔離放大器的結構框圖；圖6是本發明所涉一種直流保護測控系統的保護測控CPU模塊的外圍驅動模塊的線路連接示意圖；圖7是本發明所涉一種直流保護測控系統的模擬輸入及信號處理單元的線路連接示意圖；圖8是本發明所涉一種直流保護測控系統的通信擴展接口的線路連接示意圖；6圖9是本發明所涉一種直流保護測控系統的通信接口的線路連接示意圖； 圖10是本發明所涉一種直流保護測控系統的控制輸出接口的線路連接示意圖；圖ll是本發明所涉一種直流保護測控系統的電源及模擬量擴展單元的線路 連接示意圖；圖12是本發明所涉一種直流保護測控系統的人機接口面板線路連接示意圖。其中，l為直流分壓單元，2為隔離放大器單元，3為保護測控單元，4為通 訊管理單元，5為光纖通信電路模塊，6為保護測控CPU模塊，7為出口控制模塊，8 為母線板，9為開關電源插件，IO為人機接口通信電纜，ll為信號電纜，12為人 機接口通信電纜，13為箱體，14為模擬輸入及信號處理單元，15為通信采集接 口， 16為外圍驅動單元，17為通信擴展接口。具體實施例方式
-實施例 一種直流保護測控系統(見圖1)，其特征在于它是由直流分壓單元1、直流隔離放大器單元2、保護測控單元3、通訊管理單元4、安裝有維護 分析軟件的中央處理單元及通訊介質五部分組成；其中，直流分壓單元1的輸 入端與外部供電系統線路連接，其輸出端與用于電氣隔離和電壓測量的直流隔 離放大器及光纖通信控制單元2的輸入端連接；隔離放大器及光纖通信控制單 元2的輸出端依通訊介質與直流保護測控單元3連接；直流保護測控單元3的 輸出端分別與通訊接口 4和安裝有維護分析軟件的中央處理單元的輸入端連接。 上述所說的直流分壓器由由高精度耐壓電阻構成(見圖4)。 上述所說的直流隔離放大器單元(見圖5)是由電流D/A模塊1、電壓D/A模 塊2、光纖通信模塊3、電流A/D模塊4、電壓A/D模塊5、測試電流模塊6、電源模 塊7、母線板8和機箱9組成；電流D/A模塊1、電壓D/A模塊2、光纖通信模塊3、 電流A/D模塊4、電壓A/D模塊5、測試電流模塊6、電源模塊7、母線板8安裝在機 箱9內，且電壓A/D模塊的輸入端與直流分壓單元的輸出端連接，其輸出通過母 線板8與光纖通信模塊3的輸入端連接；光纖通信模塊3的輸出與直流保護測控單 元連接。上述所說的保護測控單元3 (見圖2)由保護測控CPU模塊6、出口控制模塊7、 開關電源插件9、母線板8、人機接口面板、箱體13及人機接口通信電纜10構成； 其中保護測控CPU模塊6、出口控制模塊7、開關電源插件9和母線板8安裝于箱體 內，且保護測控CPU模塊6、出口控制模塊7和開關電源插件9與母線板8連接，通 信接口模塊連接在母線板8上，保護測控CPU模塊6通過人機接口通信電纜10與人機接口面板連接。上述所說的通信介質采用通訊單模光纖，且采用大規模可編程邏輯器件FPGA作為光纖傳輸控制器。上述所說的保護測控CPU模塊6 (見圖3)由模擬輸入及信號處理單元14、 電源及模擬量擴展單元、外圍驅動單元16、通信采集接口15、控制輸出接口、 通信擴展接口 17和電纜組成；其中通信采集接口 15、控制輸出接口和通信擴展 接口 17分別通過電纜與保護測控CPU模威6、電源及模擬量擴展單元及外圍驅 動模塊16連接。上述所說的保護測控CPU模塊6 (見圖6)以MOTOROLA的32位單片機芯片 MC68332ACFC25作為該模塊的主芯片，外圍驅動單元16是由芯片 EPM7128STC100、 MAX791ESE、 STC62WV51216EI、 AM29F400BT-55SI、 74HC245DW、 RS5C348B、 93LC86及不少于一個的功率放大器件D23、穩壓管AMS431、 二極管 LL4148和不少于一個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和電容組成，其連接為 常規連接。上述所說的模擬輸入及信號處理單元14 (見圖7)是由芯片MAX125CEAX、 74HC245DW、 LM78L05、 6N136及不少于一個的功率放大器件D23、不少于一個的 限流電阻、分流電阻、分壓電阻和電容組成，其連接為常規連接。上述所說的通信擴展接口 17 (見圖8)是由'高性能通訊芯片和可編程邏輯 控制芯片PT7A6525J、 ST16C2552、 74HC245DW、 EPM7128STC100-5、 MAX202ID、 SN74HC08D及不少于一個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和電容組成，其連接 為常規連接。上述所說的通信采集接口 15 (見圖9)是由快速光耦器件 TLP521-1，WE0S4-50/58A和不少于一個的分壓電阻、分流電阻、電容組成，其連 接為常規連接。上述所說的控制輸出接口 (見圖IO)是由不少于一組的快速光耦與NPN器 件和不少于一個的二極管LL4148及穩壓管AMS431組成，其中快速光耦采用 TLP521-l器件，其連接為常規連接。電源及模擬量擴展單元(見圖ll)是由不 少于一個的低通濾波加運放回路組成，每一個低通濾波加運放回路都是由功率 放大器件D29和不少于一個的電阻、電容組成，其連接為常規連接。上述所說的人機接口面板線路(見圖12)是由芯片EPM7128STC100、 74HC245DW、 MAX202、 ICL7660、 X9511WS及不少于一個的限流電阻、分流電阻、 分壓電阻和電容組成，其連接為常規連接。
權利要求
1、一種直流保護測控系統，其特征在于該系統包括直流分壓單元、隔離放大器單元、保護測控單元、通訊管理單元、安裝有維護分析軟件的中央處理單元及通訊介質六部分；其中，直流分壓單元的輸入端與牽引網連接，其輸出端與用于電氣隔離和電壓測量的直流隔離放大器輸入端連接；隔離放大器輸入端一端與直流分壓器連接，另一端與供電系統的分流器連接，隔離放大器輸出端通過光纖與直流保護測控單元連接。
2、 根據權利要求l中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的直 流分壓單元由高精度高耐壓電阻構成。
3、 根據權利要求l中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的隔 離放大器單元是由A/D輸入電路模塊、光纖通信電路模塊、母線板和機箱組成； A/D輸入電路模塊、光纖通信電路模塊和母線板安裝在機箱內，且A/D輸入電路 模塊的輸入端與直流分壓單元的輸出端和外部供電系統連接，其輸出端通過母 線板與光纖通信電路模塊的輸入端連接；光纖通信電路模塊與直流保護測控單 元連接。
4、 根據權利要求l中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的保 護測控單元由保護測控CPU模塊、出口控制模塊、開關電源模塊、母線板、人機 接口面板、箱體及人機接口通信電纜構成；其中保護測控CPU模塊、出口控制模 塊、開關電源模塊和母線板安裝于箱體內，保護測控CPU模塊、出口控制模塊和 開關電源模塊與母線板連接，通信接口模塊連接在電源模塊上，保護測控CPU 模塊通過人機接口通信電纜與人機接口模塊連接。
5、 根據權利要求1中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的通 信介質采用單模光纖，且采用大規模可編程邏輯器件FPGA作為光纖傳輸控制 器。
6、 根據權利要求4中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的保 護測控CPU模塊由CPU小系統及外圍驅動部分、模擬輸入及信號處理部分、通 信擴展部分、電源及模擬量擴展部分、通信接口、控制輸出接口、和電纜組成； 其中電源及模擬量擴展部分、通信接口、控制輸出接口分別通過電纜和母線板 與、出口控制模塊、開關電源模塊和人機接口模塊連接。
7、 根據權利要求6中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的保護測控CPU模塊CPU小系統及外圍驅動部分以MOTOROLA的32位單片機芯片 MC68332ACFC25作為該模塊的主芯片，外圍驅動單元包括芯片EPM7128STC100、 MAX791ESE、 STC62WV51216EI、 AM29F400BT-55SI、 74HC245DW、 RS5C348B、 93LC86 及不少于一個的功率放大器件D23、穩壓管AMS431、 二極管LL4148和不少于一 個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和電容。
8、 根據權利要求6中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的模 擬輸入及信號處理部分包括芯片MAX125CEAX、 74HC245DW、 LM78L05、 6N136及 不少于一個的功率放大器件D23、不少于一個的限流電阻、分流電阻、分壓電 阻和電容。
9、 根據權利要求6中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的通 信擴展部分包括高性能通訊芯片和可編程邏輯控制芯片PT7A6525J、 ST16C2552、 74HC245DW、 EPM7128STC100-5、隨202ID、 SN74HC08D及不少于一 個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和電容；所說的通信接口包括快速光耦器 件TLP521-1,WE0S4-50/58A和不少于一個的分壓電阻、分流電阻、電容；所說 的控制輸出接口包括不少于一組的快速光耦與NPN器件和不少于一個的二極管 LL4148及穩壓管AMS431,其中快速光耦采用TLP521-1器件。
10、 根據權利要求6中所述的一種直流保護測控系統，其特征在于所說的 電源及模擬量擴展部分包括不少于一個的低通濾波加運放回路，每一個低通濾 波加運放回路都是由功率放大器件D29和不少于一個的電阻、電容組成，其連 接為常規連接；所說的人機接口面板線路是由芯片EPM7128STC100、 74HC245DW、 MAX202、 ICL7660、 X9511WS及不少于一個的限流電阻、分流電阻、分壓電阻和 電容組成。
全文摘要
一種直流保護測控系統，其特征在于該系統包括直流分壓單元、隔離放大器單元、保護測控單元、通訊管理單元、安裝有維護分析軟件的中央處理單元及通訊介質六部分；其優越性在于①可靠性、安全性、快速性、靈敏性、易維護性、抗干擾性好；②采樣精度高可達76uv/1LSB，動態輸入范圍達0-250mv，具有硬軟件配合的零漂和增益自動處理功能，保證城市軌道交通供電線路在各種負荷條件下的采樣數據的準確性；③可以保證供電饋線電流電壓量的高精度采集和可靠傳輸，以及高壓線路與微機繼電保護裝置有安全的絕緣距離；④具備可靠保護的同時具備測量和控制功能，實現了保護測控一體化；⑤機箱全密閉性好，且防護等級高，抗干擾能力強。
文檔編號H02H3/02GK101257201SQ200710300280
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月26日 優先權日2007年2月9日
發明者宋金川, 張忠杰, 朱德敏, 李高翎, 武玉明, 王術合, 金軼鵬 申請人:天津新技術產業園區凱發電氣成套設備有限公司;中鐵電氣化勘測設計研究院;天津東方凱發電氣自動化技術有限公司