一種具有在線自檢功能的開出回路設計

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計

王振華，王志鵬

（許繼電氣股份有限公司河南許昌461000）

根據《DL/T 769-2001電力系統微機繼電保護技術導則》對于微機繼電保護裝置需要具備在線自動檢測功能的要求，設計了一種具有在線自檢功能的開出回路，利用三極管驅動繼電器，可以同時實現多個開出回路的啟動、三極管擊穿、繼電器斷線等在線自動檢測功能。包括出口繼電器在內的任一元件損壞后，保護裝置不但不會誤動作，而且能準確定位故障位置和發送異常告警信號。實驗結果表明，該電路具有結構簡單、功能可靠性高、抗干擾能力強等優點。

開出回路自檢；三極管擊穿；繼電器斷線；微機繼電保護裝置

20世紀80年代末以WXH－11型微機高壓線路保護為代表的微機型繼電保護產品在國內得到廣泛應用，根據《GB/T 15145-2008微機線路保護裝置通用技術條件》的要求，微機保護裝置需要具備在線自動檢測功能。在裝置正常運行過程中，出口繼電器除外的任何單一電子元器件發生損壞時，必須避免保護誤動作，而且能夠發送裝置異常告警信號。此外，《DL/T 769-2001電力系統微機繼電保護技術導則》也要求微機繼電保護裝置需要具備在線自動檢測功能，并明確指出微機繼電保護裝置硬件設計及其自動檢測功能應滿足以下原則:1）微機繼電保護裝置中除了出口繼電器以外的任一元件發生時，保護裝置不會誤動作；2）除了出口繼電器以外的任一元件發生損壞后，微機繼電保護自檢測回路能發出報警或裝置異常信號，并給出相關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行修復或更換[1]。

現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，表現為無開出命令的情況下，反饋端反而出現電位變化。其檢測包括兩個階段，上電自檢和運行中自檢，且均容易實現實時檢測。2）開出斷線即反饋光耦（三極管）斷線，表現為有開出命令的情況下，反饋端卻未出現電位變化。其檢測過程也包括上電自檢和運行中自檢，運行中自檢通常采取定時檢測的方法來實現。盡管現有的開出回路自檢功能可以滿足《DL/T 769-2001電力系統微機繼電保護技術導則》的要求，但無法檢測到出口繼電器是否損壞，不能更加準確地定位故障原因。

1 方案設計

1.1 功能設計

智能終端是智能變電站的重要設備，主要通過向開關量輸出回路（以下簡稱開出回路）發送出口命令（即開出命令）實現對間隔內斷路器、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的這些刀閘設備，關系到智能變電站能否切實現故障的切除和調度控制，進而影響到整個電網的安全穩定的運行。

為了保證微機保護裝置的可靠運行，開出回路的在線自動檢測功能必須齊全，包括繼電器控制開關的擊穿自檢、繼電器線圈或繼電器控制開關的斷線自檢、為繼電器供電的電源啟動自檢[2-10]。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

由于CPU的I/O口信號電平通常為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。通過電平轉換電路，CPU控制電源啟動電路和n路開出回路并同時接收反饋回來的自檢信號，電源啟動電路為n路開出回路提供經啟動電源。每一個開出回路的繼電器用一個三極管控制通斷。當繼電器控制開關發生擊穿或繼電器線圈出現斷線時，系統可檢測到對應位置的故障信號，并在LCD上顯示準確的故障信息且驅動告警電路，提示及時檢修維護。

1.2 器件選型

1）繼電器

有些開出回路為了減小驅動電流而采用24 V繼電器，而CPU的I/O口信號電平通常為3.3 V，3.3 V與24 V電源大多為隔離設計，所以24 V繼電器的驅動需要使用光耦進行電平隔離匹配。由于光耦具有瞬態飽和特性，在受到電快速瞬變脈沖群干擾情況下，可能會引起光耦的瞬態飽和而使光耦副邊導通，造成繼電器誤動作[11-12]。此外，相同功率繼電器的額定電壓越高，其線圈的導線就越細，當繼電器遭受沖擊電壓時線圈易斷裂[13-15]。5 V電源可通過LDO芯片生成屬于同一網絡而不需隔離的3.3 V電源，故宜選用額定電壓為5 V的繼電器。本設計選用小型、高容量、高靈敏、可進行實際負載通斷的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的額定動作電流要求。

3）MOS管

用于控制啟動電源的開關器件選用P溝道MOS管IRF7404，最大連續漏極電流為6.7 A，在漏極電流等于3.2 A時其最大導通電阻為0.040 Ω。在6U機箱尺寸的繼電保護裝置上，在滿足電氣絕緣性能的前提下，一個4層電路板開出插件最多可放置40個DSP繼電器，所有繼電器即使同時動作也僅需2.4 A電流，MOS管IRF7404完全滿足設計需求。

4）二極管

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

5）電平轉換芯片

選用SN74LVC4245芯片，通過輸出使能和方向控制可同時進行8路信號的3.3 V和5 V電平轉換，實現CPU與開出回路之間的電平匹配。

2 系統硬件設計

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

1）電源啟動自檢

用于跳閘回路的出口繼電器的電源需要在電網異常達到一定條件時經啟動信號控制。若用于跳閘回路的出口繼電器的電源不經啟動而直接供電，在電網正常時可能由于三極管的擊穿損壞而導致誤跳閘。圖2所示電路中，電網正常未發出啟動信號時，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，進而三極管2Q也截止，啟動自檢信號QDZJ為高電平。電網異常發出啟動信號時，QD為高電平，三極管1Q導通，P溝道MOS管Q0的源極為高電平、柵極為低電平，故3Q導通、電源VCC經過二極管D0為出口繼電器供電，進而三極管2Q也導通，啟動自檢信號QDZJ為低電平。啟動自檢信號QDZJ可檢測繼電器的供電電源是否啟動成功。

圖2 開出自檢回路原理圖

2）擊穿自檢

在QDVCC未經啟動和開出信號KC1～KCn為低電平的情況下進行擊穿自檢，正常情況下MOS管Q0和所有三極管應該是截止的。如果三極管Q1～Qn其中任意一個出現擊穿損壞而導通時，其對應的擊穿自檢信號JCZJ1～JCZJn將由高電平變為低電平，可精確定位到是哪一個三極管發生擊穿損壞。若三極管發生擊穿損壞，則不能再進行電源啟動自檢。電阻R4的取值應遠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作電流，保證三極管擊穿導通時繼電器不會誤動作，且使繼電器線圈電阻與電阻R4串聯后的分壓小于低電平閾值。

3）斷線自檢

在QDVCC未經啟動且完成擊穿自檢的情況下進行斷線自檢，此時二極管D0截止。斷線自檢時依次發送開出信號KC1～KCn，使三極管Q1～Qn逐次導通，正常情況下信號JCZJ1～JCZJn和DXZJ會對應變成低電平。若JCZJn為高電平，說明三極管出現斷線損壞而無法正常導通；若JCZJn為低電平、DXZJ為高電平，說明三極管正常，繼電器線圈發生斷線損壞。此斷線自檢功能不但可以精準定位到是哪一路出口回路發生斷線，而且能夠判定是三極管斷線還是繼電器斷線。

3 系統軟件設計

開出回路在線檢測必須遵循一定控制流程，如果先進行電源啟動自檢，假如繼電器控制開關已經發生擊穿短路，就會造成出口誤動作。應首先進行繼電器控制開關的擊穿自檢，再進行繼電器線圈或繼電器控制開關的斷線自檢，最后進行為繼電器供電的電源啟動自檢，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進行的，開出命令的優先級大于自檢的優先級，當有開出命令時，必須立即中斷自檢，轉而進行電源啟動和出口控制。也可以不設置優先級，定期為開出回路進行自檢，在自檢期間，不執行開出命令。

4 結論

對該具有在線自檢功能的出口回路進行測試，繼電器驅動三極管Q1～Qn的導通壓降為0.124 V，40個出口回路全部動作時，MOS管Q0的導通壓降為0.085 V，肖特基二極管D0的導通壓降為0.219 V，0.428 V的額外總壓降完全滿足5 V供電時繼電器不大于4 V的動作電壓要求，確保繼電器可靠動作。

經試驗，將任意一個繼電器驅動三極管Q1～Qn的集電極和發射極短路，JCZJ1～JCZJn會對應變為低電平，成功模擬了擊穿自檢；將任意一個繼電器的驅動三極管Q1～Qn或者任意一個繼電器J1～Jn去掉，對應的 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自檢。此外，系統可以準確報告故障位置并發出告警信號，大大提高了系統的可靠性和安全性。

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：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。