机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法与流程

本发明涉及机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法，属于柔性直流输配电技术领域以及直流配电领域。

背景技术：

随着传统化石能源短缺与环境问题的不断加剧，能够实现间歇式可再生能源大规模接入的多端高压直流输电技术得到了快速的发展，也在一定程度上激励了柔性直流技术在配电侧的延伸，促进了直流配电网应用的增强。直流电网的发展对可靠性与稳定性提出了更高的要求，其中面临的巨大挑战就是短路电流的开断问题。迫切的需求与巨大的挑战促进了高压直流断路器的研究与发展。

直流断路器可分为三种类型：固态直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。其中，机械式直流断路器由于成本低、损耗小、分断能力强等优势有着良好的研究和应用背景。

机械式高压直流断路器的控制与保护系统涉及到短路电流的快速识别、电磁斥力机构的快速动作、系统状态反馈指示、信息交互传输等方面，对机械式高压直流断路器控制与保护系统的可靠性与稳定性提出了较高的要求。近年来对机械式高压直流断路器控制与保护系统虽有研究，但存在整体功能不完善，性能可靠性低，不能直接应用到产品中，无法满足挂网使用的需求。

技术实现要素：

为了保证短路电流的快速识别与判断，保证系统的可靠性与稳定性，维持直流电网的平稳运行，本发明提供了一种机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法。

为保证机械式高压直流断路器控制与保护系统的技术效果，本发明提供的技术方案如下：一种机械式高压直流断路器控制与保护系统，包括中央处理器模块以及与其连接的电流采集判断模块、电压信息采集模块、动作控制模块、斥力电容充电模块、状态反馈指示模块、电源模块、信息交互与记录模块、防死机模块；

所述的中央处理器模块，负责信息的统一处理与相关动作指令的发出；

所述的电流采集判断模块，包括电流信息采集单元和电流检测处理单元，电流信息采集单元由罗氏线圈与霍尔电流传感器及其对应的信号调理电路组成，其中罗氏线圈负责采集电流变化率，霍尔电流传感器负责采集电流幅值，采集参数通过信号调理电路后进入电流检测处理单元；电流检测处理单元综合电流变化率与电流幅值判断是否发生短路并将相应的状态量反馈给中央处理器模块；

所述的电压信息采集模块，采集机械式高压直流断路器拓扑结构中换流电容的电压并将电压信息数字量传输给中央处理器模块；所述的动作控制模块，包括光纤隔离单元及与其连接的主断路器永磁机构、主断路器电磁斥力机构、辅助断路器和换流开关，根据中央处理器模块的指令实现主断路器永磁机构的分合闸、主断路电磁斥力机构的分闸、辅助断路器的分合闸和换流开关的导通或关断；主断路器电磁斥力机构负责故障电流下的分闸，主断路器永磁机构负责合闸和额定电流下的分闸。动作控制模块通过光纤隔离输出相应指令，实现良好的电气隔离，保障系统安全；

所述的斥力电容充电模块,通过充电机给斥力电容充电，其中斥力电容与主断路器电磁斥力机构配套，为斥力线圈提供电流，中央处理器模块通过串口通信控制充电机实现斥力电容充电，并获取斥力电容电压信息；

所述的状态反馈指示模块，显示主断路器分合闸状态、辅助断路器的分合闸状态、温湿度、斥力电容电压信息、换流电容电压信息并设置按钮完成主断路器分合闸、辅助断路器分合闸操作；

所述的电源模块，为整个控制与保护系统提供电源；

所述的信息交互与记录模块，根据需要实现与外部的通信以及系统运行信息的记录；

所述的防死机模块，防止中央处理器模块进入死机状态。

所述的机械式高压直流断路器拓扑结构包括用于切断剩余电流的辅助断路器及三条并联支路，第一条支路由用于导通系统正常工作电流的主断路器构成，主断路器采用电磁斥力和永磁相耦合的操动机构，主断路器出线端与辅助断路器的进线端相连；第二条支路为换流支路，包括换流电抗、换流开关、充电电阻、换流电容，换流电抗一端接主断路器进线端，换流电抗另一端与换流开关的一端相连，换流开关的另一端接换流电容正极与充电电阻的一端，充电电阻的另一端接地，换流电容负极与辅助断路器的进线端相连；第三条支路为能量释放支路，包括避雷器，避雷器一端与主断路器进线端相连，避雷器另一端与辅助断路器的进线端相连。

优选的，主断路器采用真空断路器。

优选的，避雷器采用系统电压等级相配合的金属氧化物避雷器。

优选的，所述的电流采集判断模块中的电流检测处理单元负责短路电流检测与相应状态量输出，其工作流程是，当电流上升率高于整定值e时，启动短路电流检测。在规定的延时时间内，如果电流上升率di/dt始终高于整定值e时，则输出短路电流保护信号；如果电流上升率di/dt回落，但电流上升率di/dt高于整定值f，低于整定值e，且电流增量高于整定值k，同样输出短路电流保护信号；如果电流上升率di/dt低于整定值f，则退出短路电流检测保护。

优选的，所述的电源模块包括工作电源单元、备用电源单元和电源转换单元，为整个控制与保护系统提供电源，并在工作电源工作异常的情况下提供备用电源。

机械式高压直流断路器分为额定工作状态、短路电流开断过程、额定电流开断过程和充电过程共四种工作状态。

在机械式高压直流断路器四种工作状态中，短路电流开断过程是非常关键的，控制与保护系统的工作流程是：

1当系统发生短路故障时，电流采集判断模块检测到系统出现短路电流，并将状态量传给中央处理器模块。

2中央处理器模块发送指令给主断路器的电磁斥力机构，主断路器触头打开。

3主断路器触头达到一定开距，即主断路器触头间隙达到能够承受瞬态开断电压(transientinterruptionvoltage,tiv)的合适开距，中央处理器模块发送指令使换流开关导通。

4按照相关时序，中央处理器模块发送指令给辅助断路器进行关断，切断剩余电流。

5状态反馈指示模块显示短路电流开断成功或失败。

为保证机械式高压直流断路器工作的稳定性与后期升级维护的便利性，机械式高压直流断路器控制与保护系统软件编程采用分层架构，从底层的模块驱动到顶层的功能模块进行合理的规划。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的技术方案为了保证短路电流的快速检测与判断，设计了电流采集判断模块，保障了短路电流检测判断的可靠性。

2.在多个方面增加系统整体工作的可靠性。软件采用分层架构，增强了软件的简洁性与维护性，并支持工作模式与调试模式；硬件上，系统使用双电源供电，保证电源供应稳定性。增加防死机模块防止系统出现死机。

3.机械式高压直流断路器不同工作状态的动作流程清晰合理，便于控制。

附图说明

图1是本发明一种机械式高压直流断路器拓扑结构简要图。

图2是本发明一种机械式高压直流断路器控制与保护系统方案设计框图。

图3是本发明一种机械式高压直流断路器控制与保护系统电流检测处理单元短路电流检测流程图。

图4是本发明一种机械式高压直流断路器控制与保护系统中央处理器的软件架构图。

图5是本发明一种机械式高压直流断路器控制与保护系统短路电流开断流程图。

具体实施方式

为使相关人员更好的理解本发明，下面会结合附图对本发明进行更加详细的阐释与说明，从而更好的应用到相关领域。

直流断路器是为了保证直流电网运行的稳定性，能够切断短路电流的重要设备。机械式高压直流断路器控制与保护系统就是根据设计流程合理控制断路器拓扑结构中各部件的状态。机械式高压直流断路器主要由主断路器支路、换流支路、避雷器支路和辅助断路器组成。

如图1所示，机械式高压直流断路器拓扑结构包括用于切断剩余电流的辅助断路器bcb及三条并联支路，第一条支路由用于导通系统正常工作电流的主断路器vcb构成，主断路器vcb采用真空断路器。主断路器vcb采用电磁斥力和永磁相耦合的操动机构，主断路器vcb出线端与辅助断路器bcb的进线端相连；第二条支路为换流支路，包括换流电抗lc、换流开关sc、充电电阻rc、换流电容cc，换流电抗lc一端接主断路器vcb进线端，换流电抗lc另一端与换流开关sc的一端相连，换流开关sc的另一端接换流电容cc正极与充电电阻rc的一端，充电电阻rc的另一端接地，换流电容cc负极与辅助断路器bcb的进线端相连；第三条支路为能量释放支路，包括避雷器mov，避雷器mov一端与主断路器vcb进线端相连，避雷器mov另一端与辅助断路器bcb的进线端相连。避雷器mov采用系统电压等级相配合的金属氧化物避雷器。

如图2所示，一种机械式高压直流断路器控制与保护系统，包括中央处理器模块以及与其连接的电流采集判断模块、电压信息采集模块、动作控制模块、斥力电容充电模块、状态反馈指示模块、电源模块、信息交互与记录模块、防死机模块；各个功能模块会通过中央处理器模块进行统一的信息交互与处理。

所述的中央处理器模块，负责信息的统一处理与相关动作指令的发出；

所述的电流采集判断模块，包括电流信息采集单元和电流检测处理单元，电流信息采集单元由罗氏线圈与霍尔电流传感器及其对应的信号调理电路组成，其中罗氏线圈负责采集电流变化率，霍尔电流传感器负责采集电流幅值，采集参数通过信号调理电路后进入电流检测处理单元；电流检测处理单元综合电流变化率与电流幅值判断是否发生短路并将相应的状态量反馈给中央处理器模块；

所述的电压信息采集模块，采集机械式高压直流断路器拓扑结构中换流电容cc的电压并将电压信息数字量传输给中央处理器模块；

所述的动作控制模块，包括主断路器永磁机构、主断路器电磁斥力机构、辅助断路器bcb和换流开关sc，根据中央处理器模块的指令实现主断路器永磁机构的分合闸、主断路电磁斥力机构的分闸、辅助断路器bcb的分合闸和换流开关sc的导通或关断。主断路器电磁斥力机构负责故障电流下的分闸，主断路器永磁机构负责合闸和额定电流下的分闸。动作控制模块通过光纤隔离输出相应指令，实现良好的电气隔离，保障系统安全；

所述的斥力电容充电模块,通过充电机给斥力电容充电，其中斥力电容与主断路器电磁斥力机构配套，为斥力线圈提供电流。中央处理器模块通过串口通信控制充电机实现斥力电容充电，并获取斥力电容电压信息；

所述的状态反馈指示模块，显示主断路器分合闸状态、辅助断路器的分合闸状态、温湿度、斥力电容电压信息、换流电容电压信息等参数。并设置按钮完成主断路器分合闸、辅助断路器分合闸等操作；

所述的电源模块，包括工作电源单元、备用电源单元和电源转换单元，为整个控制与保护系统提供电源，并在工作电源工作异常的情况下提供备用电源；

所述的信息交互与记录模块，根据需要实现与外部的通信以及系统运行信息的记录；

所述的防死机模块，防止中央处理器模块进入死机状态。

如图3所示，一种机械式高压直流断路器控制与保护系统电流采集判断模块中的电流检测处理单元负责短路电流检测与相应状态量输出，其工作流程是，当电流上升率高于整定值e时，启动短路电流检测。在规定的延时时间内，如果电流上升率di/dt始终高于整定值e时，则输出短路电流保护信号；如果电流上升率di/dt回落，但电流上升率di/dt高于整定值f，低于整定值e，且电流增量高于整定值k，同样输出短路电流保护信号；如果电流上升率di/dt低于整定值f，则退出短路电流检测保护。

如图4所示，本发明在断路器的软件设计上采用了分层的思想，整个软件架构从上到下依次为应用层、基础层和驱动层。驱动层负责对底层硬件电路和芯片的访问以及不同的读写驱动，基础层主要包括系统参数配置程序、电压检测等功能程序，不同功能的串口驱动与模数转换驱动；基础层位于驱动层的上层，主要负责将相对应的驱动层封装成程序服务单元，给顶层的应用层提供简单灵活的接口，便于实现不同功能。

为了保证系统的安全性和后期维护的便利性，在机械式高压直流断路器控制与保护系统的软件架构支持使用工作模式和调试模式两种工作模式，在工作模式下系统支持多种功能的实现，而在调试模式下可快速有效的获取机械式高压直流断路器的工作参数与状态，并进行相关的测试，便于后期的维护与升级。

断路器根据功能可分为四种工作状态：额定工作状态、短路电流开断过程、额定电流开断过程和充电过程。

在机械式高压直流断路器四种工作状态中，短路电流开断过程是非常关键的。

如图5所示，根据上述的机械式高压直流断路器控制与保护系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、电流采集判断模块是否检测到系统出现短路电流，若否，则继续检测；若是，则将状态量发送给中央处理器模块并进入步骤二；

步骤二、中央处理器模块发送分闸信号给主断路器电磁斥力机构；

步骤三、主断路器vcb触头达到一定开距，中央处理器模块发送导通信号给换流开关sc；主断路器触头达到一定开距指主断路器vcb触头间隙达到能够承受瞬态开断电压(transientinterruptionvoltage,tiv)的合适开距；

步骤四、按照相关时序，中央处理器模块发送分闸信号给辅助断路器bcb进行关断，切断剩余电流；具体为：换流开关sc触发导通，换流电容cc开始放电。电流逐渐从主断路器vcb转移至换流支路中，在这个阶段，换流电容cc持续放电，其电压不断降低，这是第一个换流过程。第一个换流过程结束后电流完全转移至换流支路中，主断路器vcb中的电弧在电流过零点熄灭，主断路器vcb两端tiv将迅速增加至第一个负向峰值。换流电容cc持续放电，其两端电压逐渐减小至零。此后，换流电容cc继续充电，换流电容cc的电压开始正向增加，同时，主断路器vcb两端tiv也伴随着换流电容cc两端电压的增加而增加。另外，由于断路器杂散换流充电电容的原因，主断路器vcb两端电压会发生振荡，振荡幅值会逐渐减小。换流电容c两端电压达到避雷器mov参考电压，避雷器mov开始动作，系统电流开始从换流电容cc转移至避雷器mov。电流逐渐从换流电容cc和换流开关sc中转移至避雷器mov中，这是第二个换流过程。电流完全转移至避雷器mov支路，这时流过换流电容cc和换流开关sc中的电流过零。避雷器mov中的电流逐渐衰减，此后避雷器mov因电流过零而关断。辅助断路器bcb开始动作，当系统电流过零时，辅助断路器bcb触头间隙达到一定的开距从而可以承受其两端的恢复电压，最终关断电路，完成整个开断过程。

步骤五、检测主断路器vcb是否分闸，若是，进入步骤六，若否，进入步骤八；

步骤六、检测辅助断路器bcb是否分闸，若是，进入步骤七，若否，进入步骤八；

步骤七、状态反馈指示模块显示短路电流开断成功；

步骤八、状态反馈指示模块显示短路电流开断失败。

为了保证机械式高压直流断路器的可靠性与稳定性，控制与保护系统采用双电源模块进行供电，当工作电源异常时，会切换到备用电源进行供电；增加防死机模块监控处理器运行状态，防止出现死机现象；可获取系统的运行的重要参数与状态，便于对系统的运行状态进行评估，并采取相应的保护措施。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。