一种蓄电池组开路监测及失压补偿装置的制作方法

本实用新型涉及测量和电源领域，尤其涉及直流母线蓄电池组开路监测，具体涉及一种蓄电池组开路监测及失压补偿装置。

背景技术：

变电站直流系统作为站内电力二次系统的一部分，其用于站内继电保护、监测、控制、通信等。蓄电池组作为直流系统中的备份电源，其当外部因事故或故障交流失电时维持直流母线电压稳定，保障继电保护、监测、控制、通信持续工作，使得保护及时动作，防止故障、事故范围进步一步扩大，有效保障了电力系统的安全运行。可见蓄电池组在直流系统中尤其在外部事故失电关键时刻起到保障电力系统安全运行的重要作用，是不可缺少的重要一环。蓄电池组运行可靠性关系全站电力系统运行安全，如何保障蓄电池组运行的可靠性成为直流系统的关键。

蓄电池组开路作为蓄电池组运行的致命因素，严重制约着蓄电池组运行的可靠性，现有变电站内蓄电池组通常3～6个月一次放电，大多数时间处于浮充电状态，直流母线上的蓄电池组开路状态常规检测手段很难准确判断，不仅威胁着站内系统运行也困扰站内运维人员，使其需要花费大量时间精力定期周而复始的测量排查排除蓄电池组开路隐患。

现有变电站直流母线蓄电池组通常由充电机、充电机监测模块、蓄电池巡检仪等共同组成蓄电池组运行状态监视及控制，其仅仅能反映蓄电池组充放电状态、电池电压等基本信息，并不能反映蓄电池组开路状态，处于在线蓄电池组开路状态监测判断准确性容易受直流母线影响。对于由两组蓄电池组构成的变电站内直流母线，两组蓄电池组之间由母联连接，母联平时处于断开，一旦外部失电同时蓄电池组开路，则整段直流母线失电，影响全站安全运行。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种蓄电池组开路监测及失压补偿装置，其解决了蓄电池组在线开路实时监测及告警的问题，同时一旦因蓄电池组开路或其他故障引起的直流母线失压则通过失压补偿装置维持失压段母线电压，保障直流母线持续稳定运行，开路监测与失压补偿结合大大提高蓄电池组运行可靠性。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种蓄电池组开路监测及失压补偿装置，设置在两组直流母线之间，每组所述直流母线上均设有蓄电池组，每组所述蓄电池组上均设有蓄电池组开路监测单元，两组所述直流母线之间设有失压补偿单元，所述蓄电池组开路监测单元与所述失压补偿单元信号连接；所述失压补偿单元包括依次连接的采样电路、第一控制器、双向dc/dc电源子单元；

所述蓄电池组开路监测单元的输入连接所述蓄电池组，用于判断蓄电池组开路状态并输出蓄电池组开路信号；

所述采样电路的输入连接所述直流母线，用于采集直流母线电压信号、直流母线电流信号；

所述第一控制器的输入分别连接所述蓄电池组开路监测单元的输出以及所述采样电路的输出，用于接收并记录所述蓄电池组开路信号、所述直流母线电压信号、所述直流母线电流信号；

所述双向dc/dc电源子单元分别与两组所述直流母线连接，用于将其中一组直流母线的电压向另一组所述直流母线提供电压补偿。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述双向dc/dc电源子单元包括第二控制器、隔离变压器、两个逆变/整流模块，

所述第二控制器的输入与所述采样电路连接，所述第二控制器的输出与所述逆变/整流模块信号连接，用于接收所述直流母线的补偿电压信号、补偿电流信号、并输出所述逆变/整流模块的控制信号；

所述隔离变压器的原边绕组以及副边绕组各与一组所述直流母线连接，用于对失压的所述直流母线进行电压补偿；

所述逆变/整流模块设置在所述直流母线与所述隔离变压器之间，其中一个所述逆变/整流模块的输入端连接一组所述直流母线、其输出端连接所述隔离变压器的原边绕组，另一个所述逆变/整流模块的输入端连接所述隔离变压器的副边绕组、其输出端连接另一组所述直流母线；所述逆变/整流模块的控制端连接所述第二控制器的输出，用于接收所述逆变/整流控制信号并进行逆变或整流。

进一步，所述逆变/整流模块实现逆变功能时，所述逆变/整流模块的输入端连接所述直流母线，所述逆变/整流模块的输出端连接所述隔离变压器的原边绕组；所述逆变/整流模块实现整流功能时，所述逆变/整流模块的输入端连接所述隔离变压器的副边绕组，所述逆变/整流模块的输出端连接所述直流母线。

进一步，所述逆变/整流模块包括由功率开关管组成的h桥电路，所述h桥电路的控制输入端连接所述第二控制器；当所述h桥电路作为逆变电路时，所述h桥电路的输入连接所述直流母线，所述h桥电路的输出连接所述隔离变压器的原边绕组；当所述h桥电路作为整流电路时，所述h桥电路的输入连接所述隔离变压器的副边绕组，所述h桥电路的输出连接所述直流母线。

进一步，所述双向dc/dc电源子单元的所述第二控制器上还设置有驱动电路，所述驱动电路的输入连接所述第二控制器、其输出连接所述逆变/整流模块，所述驱动电路用于放大所述逆变/整流控制信号。

进一步，所述第二控制器内预设有电压阈值，所述第二控制器用于将采集到的所述直流母线电压信号与所述电压阈值进行比对，并输出所述逆变/整流控制信号。

进一步，所述蓄电池组开路监测单元包括相互信号连接的蓄电池组电流采样模块以及开路监测判断模块，所述电流采样模块设置在所述蓄电池组的中心点，用于采样所述蓄电池组的电流信号、开路监测电流；所述开路监测判断模块连接所述第一控制器，所述开路监测判断模块内预设有蓄电池运行电流阈值、开路监测电流阀值，所述开路监测判断模块用于根据所述蓄电池组的电流信号、开路监测电流以及所述蓄电池运行电流阈值、开路监测电流阀值输出所述蓄电池组开路信号。

进一步，还包括保护电路，所述保护电路的输入连接所述采样电路的输出，所述保护电路的输出连接所述第二控制器的输入，所述保护电路中预设有母线电流阈值，当所述直流母线电流信号值大于所述母线电流阈值时，所述保护电路输出过流保护信号。

进一步，还包括录波模块，所述录波模块与所述第一控制器连接，用于记录所述直流母线的电压和/或所述逆变/整流模块的输出电流的波形。

进一步，还包括告警模块，所述告警模块与所述第一控制器通信连接，用于发出所述蓄电池组开路的告警信号和/或所述直流母线失压补偿的告警信号。

本实用新型的有益效果是：本实用新型解决了蓄电池组在线开路实时监测及告警的问题，同时一旦因蓄电池组开路或其他故障引起的直流母线失压则通过失压补偿单元进行失压补偿，维持失压段母线电压，保障直流母线持续稳定运行，开路监测与失压补偿结合大大提高蓄电池组运行可靠性。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型双向dc-dc原理图；

图3为本实用新型双向dc-dc结构组成示意图；

图4为本实用新型双向dc-dc的h桥电路示意图；

图5为本实用新型蓄电池开路监测原理图；

图6为本实用新型录波波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示的一种蓄电池组开路监测及失压补偿装置，设置在i组直流母线以及ii组直流母线之间，每组所述直流母线上均设有蓄电池组，每组所述蓄电池组上均设有蓄电池组开路监测单元，i组直流母线以及ii组直流母线之间设有失压补偿单元，两组所述蓄电池组开路监测单元均与所述失压补偿单元信号连接；所述失压补偿单元包括依次连接的采样电路、第一控制器、双向dc/dc电源子单元；

所述蓄电池组开路监测单元的输入连接所述蓄电池组，用于判断蓄电池组开路状态并输出所述蓄电池组开路信号；

所述采样电路的输入分别连接i组直流母线以及ii组直流母线，用于分别采集i组直流母线以及ii组直流母线的直流母线电压信号、直流母线电流信号；

所述控制器的输入分别连接所述蓄电池组开路监测单元的输出以及所述采样电路的输出，用于接收所述蓄电池组开路信号、所述直流母线电压信号、所述直流母线电流信号；

所述双向dc/dc电源子单元分别与两组所述直流母线连接，用于当一组直流母线失压时，将其中一组直流母线的电压向失压的另一组所述直流母线提供电压补偿；

本装置还设有录波模块，所述录波模块与所述第一控制器连接，用于记录所述直流母线的电压和/或所述逆变/整流模块的输出电流的波形，并根据采样电路得到的电压电流值变化及预设定阈值自启动故障录波实现故障波形数据记录。

本装置还设有告警模块，所述告警模块与所述第一控制器通信连接，用于发出所述蓄电池组开路的告警信号和/或所述直流母线失压补偿的告警信号，并上传到上位机。

如图2和图5所示，所述双向dc/dc电源子单元包括第二控制器、隔离变压器t1、两个逆变/整流模块；

所述第二控制器的输入与所述采样电路连接，所述第二控制器的输出与所述逆变/整流模块信号连接，所述采样电路还采样所述直流母线的补偿电压信号、补偿电流信号，所述第二控制器用于接收所述直流母线的补偿电压信号、补偿电流信号、并输出所述逆变/整流模块的控制信号；

所述隔离变压器t1的原边绕组以及副边绕组各与一组所述直流母线连接，用于对失压的所述直流母线进行电压补偿；具体的，隔离变压器t1的原边绕组以及副边绕组分别与i组直流母线或ii组直流母线连接，当i组直流母线失压时，隔离变压器t1与i组直流母线相连的绕组作为副边绕组，隔离变压器t1与ii组直流母线相连的绕组作为原边绕组，ii组直流母线通过隔离变压器t1向i组直流母线提供电压补偿，使得i组直流母线能维持工作电压。

所述逆变/整流模块设置在所述直流母线与所述隔离变压器t1之间，其中一个所述逆变/整流模块的输入端连接i组直流母线、其输出端连接所述隔离变压器t1的其中一边绕组，另一个所述逆变/整流模块的输入端连接所述隔离变压器t1的另一边绕组、其输出端连接ii组直流母线；所述逆变/整流模块的控制端连接所述第二控制器的输出，用于接收所述逆变/整流控制信号并进行逆变或整流。

当监测到其中一组直流母线失压时，所述逆变/整流模块实现逆变功能时，所述逆变/整流模块的输入端连接所述直流母线，所述逆变/整流模块的输出端连接所述隔离变压器t1的原边绕组；所述逆变/整流模块实现整流功能时，所述逆变/整流模块的输入端连接所述隔离变压器t1的副边绕组，所述逆变/整流模块的输出端连接所述直流母线。

如图4所示，所述逆变/整流模块包括由多个功率开关管组成的h桥电路，所述h桥电路的控制输入端连接所述第二控制器；当所述h桥电路作为逆变电路时，所述h桥电路的输入连接所述直流母线，所述h桥电路的输出连接所述隔离变压器t1的原边绕组；当所述h桥电路作为整流电路时，所述h桥电路的输入连接所述隔离变压器t1的副边绕组，所述h桥电路的输出连接所述直流母线。本实施例中的功率开关管使用mosfet。

如图3所示，所述双向dc/dc电源子单元的所述第二控制器上还设置有驱动电路，所述驱动电路的输入连接所述第二控制器、其输出连接所述逆变/整流模块，所述驱动电路用于放大所述逆变/整流控制信号，以实现对组成逆变/整流模块的功率开关管进行导通或关断。

进一步，所述第二控制器内预设有电压阈值，所述第二控制器用于将采集到的所述直流母线电压信号与所述电压阈值进行比对，当i组直流母线或ii组直流母线的其中一组的电压信号低于电压阈值时，第二控制器输出所述逆变/整流控制信号，用于控制电压高的一组直流母线向失压的一组直流母线提供电压补偿。当i组直流母线和ii组直流母线的工作电压相同时，第二控制器输出所述逆变/整流控制信号，让双向dc-dc电源子单元在i组直流母线和ii组直流母线之间交替改变输出方向。本实施例采用i组直流母线和ii组直流母线的工作电压作为电压阈值，所以在实际应用时，将采样的i组直流母线实时电压和ii组直流母线的实时电压进行比较，当二者不相同时由电压高的一组直流母线向电压低的一组直流母线进行失压补偿。

进一步，所述蓄电池组开路监测单元包括相互信号连接的蓄电池组电流采样模块以及开路监测判断模块，所述电流采样模块设置在所述蓄电池组中心点，用于采样所述蓄电池组的电流信号、开路监测电流；所述开路监测判断模块连接所述第一控制器，所述开路监测判断模块内预设蓄电池运行电流阈值、开路监测电流阀值，所述开路监测判断模块用于根据所述蓄电池组的电流信号、开路监测电流以及所述蓄电池运行电流阈值、开路监测电流阀值输出所述蓄电池组开路信号。开路监测判断模块将采样的实时的蓄电池组电流信号与蓄电池运行电流阈值进行比对，当实时的蓄电池组电流信号值小于蓄电池运行电流阈值，疑似蓄电池组开路，此时再次采样开路监测电流，将开路监测电流与开路监测电流阀值进行比对，当开路监测电流低于开路监测电流阀值，则判定蓄电池组开路，此时开路监测判断模块向第一控制器输出蓄电池组开路信号，由第一控制器控制告警提示或者进行录波以进行记录。

如图4所示为蓄电池组开路监测单元的原理图。具体的，在蓄电池组以中心一分为两段，在中心处串联电流传感器，此时采样到的电流itest即为实时的蓄电池组电流信号，将itest与蓄电池运行电流阈值进行比对，若itest不小于蓄电池运行电流阈值，则继续进行监控；若itest小于蓄电池运行电流阈值，则将分开的两组蓄电池分别接入r1、r2电阻网络，r1、r2电阻网络上分别串联开关s1以及开关s2，通过分别控制开关s1、开关s2导通，同时检测电流传感器上分别对应的电流itest'、itest”幅值，假设当开关s1、开关s2均断开时，测得itest；当开关s1导通、开关s2断开时，测得itest'；当开关s1断开、开关s2导通时，测得itest”。此时测得的itest'、itest”即为开路监测电流，将itest'、itest”与开路监测电流阀值进行比对，接入r1、r2电阻网络时对应的任一段电流(即itest'或itest”)低于开路监测电流阀值则表示蓄电池组开路，开路监测判断模块向第一控制器输出蓄电池组开路信号，第一控制器发出告警的信号，否则蓄电池组状态正常。设定合适的电阻值及开路监测电流阀值，使其既满足蓄电池组开路准确判断，同时减少电阻发热量，达到最优蓄电池组开路判断参数设定。

如图3所示，本装置还包括保护电路，所述保护电路的输入连接所述采样电路的输出，所述保护电路的输出连接所述第二控制器的输入，所述保护电路中预设有母线电流阈值，当采样到的所述直流母线电流信号值大于所述母线电流阈值时，所述保护电路输出过流保护信号，第二控制器进行相应动作，关断逆变/整流模块的对应功率开关管，以保护功率开关管过流损坏。

如图1所示，本装置还包括告警模块，所述告警模块用于发出所述蓄电池组开路的告警信号和所述直流母线失压补偿的告警信号，并将告警信号传输至上位机或者显示器，以进行人机交互显示。

如图1所示，本装置还包括录波模块，所述录波模块与所述控制器连接，用于记录所述直流母线的电压和所述逆变/整流模块的输出电流的波形。本装置还包括显示器，显示器除了用于进行人机交互显示，还用于将实时的波形显示出来，同时显示告警提示。如图6所示为录波模块记录的波形示例。该故障录波实时采集母线电压、电流、补偿电流并缓存，分析采集量变化率大于整定值作为当前故障点，标记故障点时间戳，记录故障前2s及故障后10s，长达12s的故障数据波形反映故障前、故障点、故障持续连续变化趋势，便于整个故障期间的数据相关分析。例如图6中为i组直流母线失压时由ii组直流母线对其进行补偿时的记录波形。故障点之前，i段直流母线电压与ii组直流母线的电压为平稳的正常工作电压，i组补偿电流以及ii组补偿电流几乎为0a；当在故障点时，i组直流母线失压，ii组直流母线立即对其进行电压补偿，为i组直流母线提供一个接近正常工作电压的补偿电压，使其能保持正常工作；同时ii组补偿电流增大，表明ii组直流母线上的逆变/整流模块增大了输出电流，其处于补偿状态。

工作原理：

本装置采用蓄电池组开路监测单元对蓄电池组进行监测，当判断蓄电池组开路时，输出告警信号；采用双向dc/dc电源子单元对两组独立的直流母线进行连接，两组直流母线之间通过隔离变压器t1进行连接，当两组直流母线的工作状态正常时，二者之间互不干扰。当监测到其中任意一组直流母线失压时，由正常状态的一组直流母线通过隔离变压器t1对其进行电压补偿，同时发出告警信号并进行录波记录。

本实施例的双向dc/dc电源子单元工作原理如下：采样电路实时测量i段直流母线、ii段直流母线的电压、电流信号，第二控制器采集i、ii段直流母线电压，当i段直流母线电压大于ii段直流母线电压，则第二控制器发出逆变控制信号，通过驱动电路控制图3～4中的1#高频逆变/整流模块的功率开关管，使1#高频逆变/整流模块实现逆变功能，将i段直流母线电压通过与其相连的1#高频逆变/整流模块及隔离变电器t1进行输出；同时第二控制器发出整流控制信号，通过驱动电路控制图3～4中的2#高频逆变/整流模块的功率开关管，使2#高频逆变/整流模块实现整流功能，将隔离变压器t1副边绕组感应到的电流通过2#高频逆变/整流模块进行整流，以向ii段直流母线供电。此状态下，1#高频逆变/整流模块工作于逆变状态，2#高频逆变/整流模块工作于整流状态。同样的，当第二控制器经采样电路得到的ii段直流母线电压高于i段直流母线电压时，第二控制器通过驱动电路让2#高频逆变/整流模块工作于逆变状态，1#高频逆变/整流模块工作于整流状态，此时隔离变压器t1与2#高频逆变/整流模块相连的一边绕组作为原边绕组，隔离变压器t1与1#高频逆变/整流模块相连的一边绕组作为副边绕组，这样ii段母线电压通过2#高频逆变/整流模块经隔离变压器t1、1#高频逆变/整流模块将ii段直流母线电压传递到i段直流母线；当i段直流母线、ii段直流母线电压相等时，第二控制器控制一定频率下1#高频逆变-2#高频整流、2#高频逆变-1#高频整流交替工作，使其处于热备用状态。同理一旦某一段直流母线电压跌落或失压，另一段直流母线通过该双向dc/dc电源子单元实现直流母线失压自动补偿。

图4中c1为高频滤波电容，l1为滤波/储能电感，t1为隔离高频变压器，负责能量传递以及电气隔离，1#高频逆变/整流模块和2#高频逆变/整流模块采用由mosfet管组成的h桥电路进行逆变或整流，驱动电路驱动1#高频逆变/整流模块和2#高频逆变/整流模块，控制器实现模拟量采集、1#高频逆变/整流模块和2#高频逆变/整流模块控制从而实现双向dc-dc方向，采样电路测量监控i段直流母线、ii段直流母线电压、电流量为控制器决策做出参考，保护电路实现过流/短路保护。

本实用新型的有益效果是：本实用新型解决了蓄电池组在线开路实时监测及告警的问题，同时一旦因蓄电池组开路或其他故障引起的直流母线失压则通过失压补偿单元进行失压补偿，维持失压段母线电压，保障直流母线持续稳定运行，开路监测与失压补偿结合大大提高蓄电池组运行可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。