一种具有在线自检功能的开出回路设计

王振华，王志鹏

（许继电气股份有限公司河南许昌461000）

一种具有在线自检功能的开出回路设计

王振华，王志鹏

（许继电气股份有限公司河南许昌461000）

根据《DL/T 769-2001电力系统微机继电保护技术导则》对于微机继电保护装置需要具备在线自动检测功能的要求，设计了一种具有在线自检功能的开出回路，利用三极管驱动继电器，可以同时实现多个开出回路的启动、三极管击穿、继电器断线等在线自动检测功能。包括出口继电器在内的任一元件损坏后，保护装置不但不会误动作，而且能准确定位故障位置和发送异常告警信号。实验结果表明，该电路具有结构简单、功能可靠性高、抗干扰能力强等优点。

开出回路自检；三极管击穿；继电器断线；微机继电保护装置

20世纪80年代末以WXH－11型微机高压线路保护为代表的微机型继电保护产品在国内得到广泛应用，根据《GB/T 15145-2008微机线路保护装置通用技术条件》的要求，微机保护装置需要具备在线自动检测功能。在装置正常运行过程中，出口继电器除外的任何单一电子元器件发生损坏时，必须避免保护误动作，而且能够发送装置异常告警信号。此外，《DL/T 769-2001电力系统微机继电保护技术导则》也要求微机继电保护装置需要具备在线自动检测功能，并明确指出微机继电保护装置硬件设计及其自动检测功能应满足以下原则:1）微机继电保护装置中除了出口继电器以外的任一元件发生时，保护装置不会误动作；2）除了出口继电器以外的任一元件发生损坏后，微机继电保护自检测回路能发出报警或装置异常信号，并给出相关信息指明损坏元件的所在部位，在最不利的情况下也能将硬件定位至模块（插件）；3）硬件损坏后，能够采用方便的手段和方法进行修复或更换[1]。

现有的开出回路自检通常包括以下两种:1）开出击穿即反馈光耦（三极管）击穿，表现为无开出命令的情况下，反馈端反而出现电位变化。其检测包括两个阶段，上电自检和运行中自检，且均容易实现实时检测。2）开出断线即反馈光耦（三极管）断线，表现为有开出命令的情况下，反馈端却未出现电位变化。其检测过程也包括上电自检和运行中自检，运行中自检通常采取定时检测的方法来实现。尽管现有的开出回路自检功能可以满足《DL/T 769-2001电力系统微机继电保护技术导则》的要求，但无法检测到出口继电器是否损坏，不能更加准确地定位故障原因。

1 方案设计

1.1 功能设计

智能终端是智能变电站的重要设备，主要通过向开关量输出回路（以下简称开出回路）发送出口命令（即开出命令）实现对间隔内断路器、隔离刀闸、接地刀闸和快速接地刀闸的控制。智能终端能否通过开出回路正确控制间隔内的这些刀闸设备，关系到智能变电站能否切实现故障的切除和调度控制，进而影响到整个电网的安全稳定的运行。

为了保证微机保护装置的可靠运行，开出回路的在线自动检测功能必须齐全，包括继电器控制开关的击穿自检、继电器线圈或继电器控制开关的断线自检、为继电器供电的电源启动自检[2-10]。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

由于CPU的I/O口信号电平通常为3.3 V，开出回路的继电器额定电压为5 V、12 V或24 V，故CPU的I/O口不能与外部控制电路直接相连。通过电平转换电路，CPU控制电源启动电路和n路开出回路并同时接收反馈回来的自检信号，电源启动电路为n路开出回路提供经启动电源。每一个开出回路的继电器用一个三极管控制通断。当继电器控制开关发生击穿或继电器线圈出现断线时，系统可检测到对应位置的故障信号，并在LCD上显示准确的故障信息且驱动告警电路，提示及时检修维护。

1.2 器件选型

1）继电器

有些开出回路为了减小驱动电流而采用24 V继电器，而CPU的I/O口信号电平通常为3.3 V，3.3 V与24 V电源大多为隔离设计，所以24 V继电器的驱动需要使用光耦进行电平隔离匹配。由于光耦具有瞬态饱和特性，在受到电快速瞬变脉冲群干扰情况下，可能会引起光耦的瞬态饱和而使光耦副边导通，造成继电器误动作[11-12]。此外，相同功率继电器的额定电压越高，其线圈的导线就越细，当继电器遭受冲击电压时线圈易断裂[13-15]。5 V电源可通过LDO芯片生成属于同一网络而不需隔离的3.3 V电源，故宜选用额定电压为5 V的继电器。本设计选用小型、高容量、高灵敏、可进行实际负载通断的DSP继电器，线圈额定电压5 V，线圈电阻83 Ω，吸合电压小于4 V，额定动作电流60 mA，额定消耗功率300 mW。

2）三极管

继电器线圈的通断控制选用三极管2N5551，其最大集电极电流IC为200 mA，集电极-发射极饱和压降VCE（SAT）的最大值为 0.20 V，可满足 DSP 继电器60 mA的额定动作电流要求。

3）MOS管

用于控制启动电源的开关器件选用P沟道MOS管IRF7404，最大连续漏极电流为6.7 A，在漏极电流等于3.2 A时其最大导通电阻为0.040 Ω。在6U机箱尺寸的继电保护装置上，在满足电气绝缘性能的前提下，一个4层电路板开出插件最多可放置40个DSP继电器，所有继电器即使同时动作也仅需2.4 A电流，MOS管IRF7404完全满足设计需求。

4）二极管

电源启动及自检电路与开出回路之间使用二极管进行隔离，选用肖特基二极管MBR20035CT，，其是一款双体二极管，具有很强的通电流能力和较低的导通压降。继电器线圈的续流二极管[16]可选用常用的1N4007。

5）电平转换芯片

选用SN74LVC4245芯片，通过输出使能和方向控制可同时进行8路信号的3.3 V和5 V电平转换，实现CPU与开出回路之间的电平匹配。

2 系统硬件设计

开出自检回路原理图如图2所示，电源VCC为5 V供电。下面分别对继电器供电的电源启动自检、继电器控制开关的击穿自检、继电器线圈和继电器控制开关的的断线自检原理进行扼要说明。

1）电源启动自检

用于跳闸回路的出口继电器的电源需要在电网异常达到一定条件时经启动信号控制。若用于跳闸回路的出口继电器的电源不经启动而直接供电，在电网正常时可能由于三极管的击穿损坏而导致误跳闸。图2所示电路中，电网正常未发出启动信号时，QD为低电平，三极管1Q截止，P沟道MOS管Q0的源极和栅极均为高电平，故Q0也截止，进而三极管2Q也截止，启动自检信号QDZJ为高电平。电网异常发出启动信号时，QD为高电平，三极管1Q导通，P沟道MOS管Q0的源极为高电平、栅极为低电平，故3Q导通、电源VCC经过二极管D0为出口继电器供电，进而三极管2Q也导通，启动自检信号QDZJ为低电平。启动自检信号QDZJ可检测继电器的供电电源是否启动成功。

图2 开出自检回路原理图

2）击穿自检

在QDVCC未经启动和开出信号KC1～KCn为低电平的情况下进行击穿自检，正常情况下MOS管Q0和所有三极管应该是截止的。如果三极管Q1～Qn其中任意一个出现击穿损坏而导通时，其对应的击穿自检信号JCZJ1～JCZJn将由高电平变为低电平，可精确定位到是哪一个三极管发生击穿损坏。若三极管发生击穿损坏，则不能再进行电源启动自检。电阻R4的取值应远大于继电器线圈电阻，可限制流过继电器的电流小于继电器的动作电流，保证三极管击穿导通时继电器不会误动作，且使继电器线圈电阻与电阻R4串联后的分压小于低电平阈值。

3）断线自检

在QDVCC未经启动且完成击穿自检的情况下进行断线自检，此时二极管D0截止。断线自检时依次发送开出信号KC1～KCn，使三极管Q1～Qn逐次导通，正常情况下信号JCZJ1～JCZJn和DXZJ会对应变成低电平。若JCZJn为高电平，说明三极管出现断线损坏而无法正常导通；若JCZJn为低电平、DXZJ为高电平，说明三极管正常，继电器线圈发生断线损坏。此断线自检功能不但可以精准定位到是哪一路出口回路发生断线，而且能够判定是三极管断线还是继电器断线。

3 系统软件设计

开出回路在线检测必须遵循一定控制流程，如果先进行电源启动自检，假如继电器控制开关已经发生击穿短路，就会造成出口误动作。应首先进行继电器控制开关的击穿自检，再进行继电器线圈或继电器控制开关的断线自检，最后进行为继电器供电的电源启动自检，其流程图如图3所示。

开出回路的自检是在没有开出命令时进行的，开出命令的优先级大于自检的优先级，当有开出命令时，必须立即中断自检，转而进行电源启动和出口控制。也可以不设置优先级，定期为开出回路进行自检，在自检期间，不执行开出命令。

4 结论

对该具有在线自检功能的出口回路进行测试，继电器驱动三极管Q1～Qn的导通压降为0.124 V，40个出口回路全部动作时，MOS管Q0的导通压降为0.085 V，肖特基二极管D0的导通压降为0.219 V，0.428 V的额外总压降完全满足5 V供电时继电器不大于4 V的动作电压要求，确保继电器可靠动作。

经试验，将任意一个继电器驱动三极管Q1～Qn的集电极和发射极短路，JCZJ1～JCZJn会对应变为低电平，成功模拟了击穿自检；将任意一个继电器的驱动三极管Q1～Qn或者任意一个继电器J1～Jn去掉，对应的 JCZJ1～JCZJn或 DXZJ1～DXZJn始终为高电平，成功模拟了断线自检；将MOS管Q0去掉，QDZJ始终为高电平，成功模拟了电源启动自检。此外，系统可以准确报告故障位置并发出告警信号，大大提高了系统的可靠性和安全性。

图3 开出回路在线自检流程图

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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稿件编号：201704074

王振华（1975—），男，河南宁陵人，硕士，工程师。研究方向：嵌入式硬件开发。