基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置，属于电力自动化技术领域。

背景技术：

对于变电站直流系统而言，由于各种原因，站内直流系统经常发生接地和短路等故障，站内直流系统的单点接地长时间运行是不允许的，如不及时处理，当另一极再发生接地故障就会造成直流系统短路，引起直流失电。

现有的直流系统接地故障的解决方法和故障定位技术存在许多不足之处：由于查找仪的抗干扰能力差，会造成接地故障的误报，对于接入直流母线上的任何导线都要查找，工程量大，无法实现接地故障的快速精确定位；另外，现在的直流系统基本依靠断路器、熔芯的被动跳闸和熔断保护，无法实现对直流故障的主动监测和主动保护。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置，该直流电源主动式保护装置既能够及时发现变电站内直流系统的接地和短路故障，又能够精确定位出对应出故障的直流支路，还能够根据故障及时调整出输出到馈出支路的电压，从而提高了变电站直流电源系统工作的连续性、可靠性与安全性。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：

基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置，直流母线(直流电源)与每条直流馈出支路之间均设有所述保护装置(各直流馈出支路之间相互并联)，所述保护装置包括单片机控制电路以及与单片机控制电路连接的电力电子断路器和故障检测电路，直流母线的输出端与电力电子断路器的输入端连接，电力电子断路器的输出端与对应的直流馈出支路连接，单片机控制电路控制信号输出端与电力电子断路器控制信号输入端连接；故障检测电路包括电压电流采样电路和接地故障检测电路。

其中，所述保护装置还包括故障报警电路，故障报警电路与单片机控制电路连接。

其中，电力电子断路器包括电压输入端Uin、电压输出端Uo、MOS管Q1～Q4、高频隔离变压器T、谐振电感Lr、输出电感L1以及整流二极管D1～D4，单片机的PWM1～PWM4的四个信号驱动端与电力电子断路器的四个MOS管Q1～Q4分别对应连接，PWM1～PWM4的四个信号驱动端控制MOS管Q1～Q4的导通和关断。

其中，单片机控制电路采用的单片机型号为STM32F101RBT，Ui为输入电压采样端口AN0，Uo为输出电压采样端口AN2，Io为输出电流采样端口AN1，AN5、AN6分别为直流馈出支路中直流正负母线对地电压采样口，PWM1～PWM4的四个信号驱动端与电力电子断路器的四个MOS管Q1～Q4分别对应连接。

上述基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置的保护方法，具体包括如下步骤：

步骤1，通过电压电流采样电路采集直流馈出支路中直流母线的输出电压和电流，单片机对电压电流采样数据与电压电流设定值进行对比，根据对比结果进行短路故障的预测和判断；

步骤2，同时通过接地故障检测电路来采样直流馈出支路中正负母线对地电压，并将采样数据送到单片机进行数据处理和计算，根据计算结果进行正负母线接地故障的预测和判断；

步骤3，单片机根据步骤1和步骤2的计算结果和预测的故障类型，输出不同的控制信号，并将对应的控制信号传输给电力电子断路器执行；当出现正极母线或负极母线接地故障时，单片机给出控制信号控制电力电子断路器继续正常工作，同时发出相应故障支路的报警信号；当出现短路故障时，单片机给出控制信号控制电力电子断路器处于限流工作状态，同时发出相应故障支路的报警信号。

其中，步骤1中，单片机时刻采样输出电压数据和输出电流数据，二者对应的数字量分别为Uo_AD和Io_AD，在单片机中设定短路故障时输出电压比较阈值对应的数字量U_SET，同时，在单片机中设定短路故障时输出电流比较阈值对应的数字量I_SET；比较Uo_AD和U_SET的大小以及Io_AD和I_SET的大小，当Uo_AD＜U_SET且Io_AD＞I_SET时，表明馈出支路发生短路故障，单片机将限流输出信号发送给电力电子断路器，同时通过故障报警电路发出短路故障报警信号。

其中，步骤2中，单片机根据正负母线对地电压的采样值进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R-；将得到的阻值与程序中设定的正负母线对地绝缘电阻报警阈值进行比较，正负母线对地绝缘电阻报警阈值分别R+_SET和R-_SET，当R+＜R+_SET时，单片机报正母线绝缘下降故障；当R-＜R-_SET时，单片机报负母线绝缘下降故障。

其中，单片机采样正负母线对地电压数据来进行正负母线对地绝缘电阻的计算，计算过程如下，其中R1＝R3，R2＝R4，R5＝R6；

闭合S1，断开S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U1+、U1-，得：

断开S1，闭合S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U2+、U2-，得：

联立式(1)和(2)可得：

单片机根据正负母线对地电压的采样值，利用式(3)和式(4)进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R-。

本实用新型直流电源主动式保护装置中，电力电子断路器利用电力电子变换技术来实现直流电压的变换，将输入的直流电变成可控的直流电，给直流馈出支路负载供电，具有断路器的电压电流传输功能；另外，通过控制电力电子断路器的开通和关断可以实现对负载供电有无的控制，具有断路器的开断控制功能。

通过采集馈出支路中直流母线的输出电压电流和正负母线的对地电压，实时检测直流馈出支路的工作状态，根据采样数据，单片机进行数据处理，计算出相关数据结果，并做出短路故障信息预判与故障报警。

根据单片机的计算结果以及预判的故障类型，单片机控制电力电子断路器执行相关的主动保护动作，实现对故障的切除或限制。

相比于现有技术，本实用新型技术方案具有的有益效果为：

本实用新型直流电源主动式保护装置不仅可以实现传统断路器的开断功能，还可以实现馈出直流支路故障的快速精准定位，并提前预判故障，从而根据故障的不同进行不同的主动保护动作，而不是像传统断路器盲目的跳闸切负荷，避免传统断路器的越级跳闸故障，提高了变电站直流电源系统工作的连续性、可靠性与安全性；本实用新型直流电源主动式保护装置能够更快捷查找与定位直流支路的故障，减少了工程量，提高了时效性。

附图说明

图1为本实用新型主动式保护装置的系统原理图；

图2为电力电子断路器原理图；

图3为直流馈出支路接地故障检测原理图；

图4为输出电流采样电路原理图；

图5为输出电压采样电路原理图；

图6为单片机控制电路原理图；

图7为为直流馈出支路短路故障计算流程图；

图8为直流正负母线对地绝缘电阻计算流程图；

图9为本实用新型单片机的控制流程图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本实用新型，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本实用新型。

如图1所示，本实用新型基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置，保护装置串联于直流电源与直流馈出支路之间，直流母线(直流电源)与每条直流馈出支路之间均设有本实用新型的保护装置(各直流馈出支路之间相互并联)，本实用新型保护装置的输入端与直流母线(直流电源)连接，本实用新型保护装置的输出端与直流馈出支路连接；该保护装置包括单片机控制电路以及与单片机控制电路连接的电力电子断路器和故障检测电路，直流母线的输出端与电力电子断路器的输入端连接，电力电子断路器的输出端与对应的直流馈出支路连接，单片机控制电路控制信号输出端与电力电子断路器控制信号输入端连接；故障检测电路包括电压电流采样电路和接地故障检测电路；本实用新型保护装置还包括故障报警电路，故障报警电路与单片机控制电路连接。

图2为电力电子断路器的电路原理图，Uin为电力电子断路器的输入电压，Uo为电力电子断路器的输出电压，功率管Q1～Q4为MOS管，T为高频隔离变压器，Lr为谐振电感，L1为输出电感，D1～D4为快恢复整流二极管；单片机的PWM1～PWM4的四个信号驱动端与电力电子断路器的四个MOS管Q1～Q4分别对应连接，PWM1～PWM4的四个信号驱动端通过控制MOS管Q1～Q4的导通和关断，从而实现对负载供电有无的控制，即通过改变PWM驱动信号的导通时间，改变电力电子断路器中功率管的导通时间，最终实现对输出电压的调节，保持输出电压的稳定。

图3为直流馈出支路接地故检测电路的检测原理图，直流220V的电源为电力电子断路器的输出电压，在正负母线上分别加装一个隔离二极管(D1和D2)，此隔离二极管为普通的整流二极管；S1和S2为电子开关，R1和R3为平衡桥电阻，R2和R5为正母线对地电压检测电阻，C1为滤波电容，R4和R6为负母线对地电压检测电阻，C2为滤波电容，D3和D4分别为正负母线对地电压采样限压二极管，U+和U-为正负母线对地采样电压，U+和U-的采样电压分别送到单片机控制电路的AN5和AN6采样端口。

图4为输出电流采样原理图，输出电流通过电流传感器进行采样，将大电流量转换成小信号量，通过采样电阻R5将电流信号转换成电压信号，C3为滤波电容，D1为限压二极管，防止进入单片机AN1端口的电压过高。

图5为输出电压采样原理图，输出的高电压经过R1、R2、R3降压后，在经过C1、C2和R4滤波后，经过D2二极管进行限压，送到单片机控制电路的AN2采样端口，进行输出电压的采样。

图6为单片机控制电路原理图，单片机的型号为STM32F101RBT，Ui为输入电压采样端口AN0，Uo为输出电压采样端口AN2，Io为输出电流采样端口AN1，Y表示晶振，C1、C2为晶振电容，AN3为温度采样端口，AN4为模拟量输入端口，AN5、AN6为馈出支路中直流正负母线对地电压采样端口，其采样输入电压来自图3中的直流正负母线对地采样电压(U+和U-)，单片机的PWM1～PWM4信号驱动端用来控制电力电子断路器的四个MOS管，单片机的485R、485T和485C端口即为RS-485通讯接口，单片机通过其SPI通讯接口(SDI、SCK、SDO)与人机交互界面实现通讯。

本实用新型基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置的保护方法，具体为：

一方面，本实用新型直流电源主动式保护装置通过电压采样电路来采集馈出支路中直流母线的输出电压(即输出给负载的电压)，直流母线高电压经过降压、滤波以及限压处理后，将低电压的采样数据送到单片机控制电路中的AD采样引脚，单片机通过AD采样，将模拟量转换成数字量，然后经过软件滤波与数据处理，单片机得到最终的电压采样数据的数字量Uo_AD；

直流电源主动式保护装置利用电流传感器来采集馈出支路中直流母线的输出电流，在电流采样电路中，通过采样电阻将电流小信号转换成合适的电压小信号，然后经过滤波和限压处理后，将低电压的采样数据送到单片机控制电路中的AD采样引脚，单片机通过AD采样，将模拟量转换成数字量，然后经过软件滤波与数据处理，单片机得到最终的电流采样数据的数字量Io_AD；

在单片机软件程序中设定短路故障时输出电压比较阈值对应的数字量U_SET，同时，在单片机软件程序中设定短路故障时输出电流比较阈值对应的数字量I_SET，而输出短路判断的条件是输出电压小于设定值，输出电流大于设定值，二者要同时满足；

当直流电源主动式保护装置正常工作后，单片机时刻采样输出电压数据和输出电流数据，二者对应的数字量分别为Uo_AD和Io_AD，在软件程序中比较Uo_AD和U_SET的大小以及Io_AD和I_SET的大小，当Uo_AD＜U_SET且Io_AD＞I_SET时，表明馈线支路发生短路故障，直流电源主动式保护装置进行限流输出和发出短路故障报警信号，并记录故障发生的时刻。

另一方面，直流电源主动式保护装置通过接地故障检测电路采集馈出支路中正负母线对地电压，直流母线高电压经过降压、滤波以及限压处理后，将低电压的采样数据送到单片机控制电路中的AD采样引脚，单片机通过AD采样，将模拟量转换成数字量，然后经过软件滤波与数据处理，单片机得到最终的正负母线对地电压采样数据的数字量U+_AD和U-_AD。

图3中，当直流电源主动式保护装置正常工作后，单片机采样正负母线对地电压数据来进行正负母线对地绝缘电阻的计算，计算过程如下，其中，R1＝R3，R2＝R4，R5＝R6

闭合S1，断开S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U1+、U1-，得：

断开S1，闭合S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U2+、U2-，得：

联立式(1)和(2)可得：

单片机根据正负母线对地电压的采样值，利用式(3)和式(4)进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R-。在软件程序中设定正负母线对地绝缘电阻报警阈值，分别R+_SET和R-_SET；当R+＜R+_SET时，单片机报正母线绝缘下降故障；当R-＜R-_SET时，单片机报负母线绝缘下降故障；单片机时刻监测直流母线的绝缘情况，实现故障实时报警功能，并记录故障发生时刻，同时控制电力电子变压器继续给直流负荷供电，保证支路负荷供电的连续性。

本实用新型基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护装置控制原理：

电气传输功能的控制：即电力电子断路器利用电力电子变换技术来实现直流电压的变换，将输入的直流电变成可控的直流电，给直流馈出支路负载供电，具有断路器的电压电流传输功能；另外，通过控制电力电子器件的开通和关断可以实现对负载供电有无的控制，具有断路器的开断控制功能。

直流故障检测判断的控制：通过采集馈出支路的电压电流以及内部的直流故障检测单元的数据，实时检测直流馈出支路的工作状态，根据检测采样数据，单片机进行数据处理，计算出相关数据结果，并做出故障信息预判与故障报警。

主动保护动作实现的控制：根据检测单元计算的结果以及预判的故障类型，单片机控制电力电子断路器执行相关的主动保护动作，实现对故障的切除或限制。

本实用新型控制方法的具体实施步骤：系统上电后，单片机控制电路正常运行，单片机完成初始化，开始执行软件程序；通过采样电路来采样电压电流数据，送到单片机的AD采样口，在单片机内部进行采样数据的滤波和相关数据处理，包括短路故障计算子程序、接地故障计算子程序以及控制程序。

本实用新型基于故障定位的变电站用直流电源主动式保护方法是这样实现的，即单片机根据采样处理后的数据，输出控制信号，控制电力电子断路器正常工作，给直流馈出支路负载供电；在正常供电的同时，由图4、5和7可知，通过对输出电压电流的采样，单片机处理采样数据，根据数据结果进行短路故障的预测和判断；由图3和图8可知，通过馈出支路接地检测电路来实现正负母线对地电压的采样，送到单片机进行数据处理和计算，根据计算结果进行正极或负极接地故障的预测和判断；由图9可知，单片机根据计算结果和预测的故障类型，输出不同的控制信号，电力电子断路器执行不同的主动保护动作；当出现正极或负极接地故障时，单片机给出控制信号控制电力电子断路器继续正常工作，同时发出相应故障支路的报警信号；当出现短路故障时，单片机给出控制信号控制电力电子断路器处于限流工作状态，避免了传统断路器的越级跳闸，同时发出相应故障支路的报警信号；维护人员根据报警信号，可以快速精准定位故障支路，迅速开展故障的排查工作。

因此，本实用新型直流电源主动式保护装置不仅可以实现传统断路器的开断功能，还可以实现馈出支路直流故障的快速精准定位功能，并提前预判故障，根据故障不同进行不同的主动保护动作，而不像传统断路器盲目的跳闸切负荷，从而避免了传统断路器的越级跳闸故障，提高了变电站直流电源系统工作的连续性、可靠性与安全性。