一种故障限流控制器和故障限流控制方法与流程

1.本发明属于电力电子技术领域，更具体的说，尤其涉及一种故障限流控制器和故障限流控制方法。


背景技术：

2.电网运行中，负荷及电力设备自身都可能发生故障，导致线路中有超大的短路电流出现，部分大规模电力负荷中心甚至会出现短路电流超出现有断路器开断能力的现象，此情况会严重威胁电网安全运行；而且随着电网规模不断扩大，上述问题仍在加剧，因而如何有效的抑制故障电流成为了一项重要研究，故障电流限制器应运而生，作为核心的限流器的控制器的设计则至关重要。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种故障限流控制器和故障限流控制方法，用于在检测到的电力设备出现短路故障时，控制电力设备进行限流，提高电力设备的安全性。
4.本发明第一方面公开了一种故障限流控制器，包括：采样模块、开关控制模块和主控制模块；
5.所述采样模块、所述开关控制模块和所述主控制模块中均内置有fpga，各个模块之间通过预设协议进行通信；
6.所述采样模块用于采集并对主电路的电信号进行处理后传输至所述主控制模块；
7.所述主控制模块用于接收到信号后进行解析处理，在解析结果表示所述主电路出现短路故障时，通过所述开关控制模块控制所述主电路中开关单元断开。
8.可选的，所述采样模块，包括：fpga、第一光电转换模块、用于采集电流的电流线路和用于采集电压的电压线路；
9.各个线路将采集到的信号传输至所述fpga；所述fpga还通过所述第一光电转换模块发送信号至所述主控制模块；其中，所述电流线路和所述电压线路上从输入端到输出端均依次设置有各自的滤波电路、电压跟随器、a/d转换器。
10.可选的，所述采样模块还包括：第二光电转换模块；
11.fpga还用于通过所述第二光电转换模块接收所述主控制模块的控制参数。
12.可选的，所述开关控制模块，包括：fpga和第三光电转换模块，以及，依据所述fpga发送的信号来控制所述开关单元通断的控制线路；
13.所述fpga通过所述第三光电转换模块接收并依据所述主控制模块的控制指令，发送信号至所述控制线路；其中，所述控制线路从输入端到输出端依次设置有第一电平转换器、第一光电耦合器和继电器。
14.可选的，所述开关控制模块还包括：第四光电转换模块，以及，采集并发送所述开关状态至fpga的采样线路；
15.所述fpga还用于通过所述第四光电转换模块将采集到的所述开关状态发送至所
述主控制模块；其中，所述采样线路从输入端到输出端依次设置有降压电路、第二光电耦合器和第二电平转换器。
16.可选的，所述主控制模块，包括：故障辨识插件、主开关操控插件、fpga；
17.所述故障辨识插件用于接收并依据所述采样模块采集到的电信号进行故障辨识并将辨识结果输出至所述fpga；
18.所述fpga依据所述辨识结果，通过所述主开关操控插件控制所述开关控制模块；
19.在所述开关控制模块具备采样功能时，所述主开关操控插件接收所述开关控制模块采集到的所述开关状态，并传输至所述fpga。
20.可选的，所述主控制模块还包括：收发单元；
21.所述fpga通过所述收发单元发送处理结果至所述上位机；以及接收所述上位机的控制指令。
22.可选的，所述所述采样模块和所述开关控制模块靠近所述主电路放置，与所述主控制模块通过光纤进行通信。
23.本发明第二方面公开了一种故障限流控制方法，应用于如本发明第一方面所述的故障限流控制器；所述故障限流控制方法包括：
24.采集主电路的电信号；
25.依据所述电信号，判断所述主电路是否出现短路故障；
26.若主电路出现短路故障，则控制所述主电路中的开关单元中至少一个开关断开。
27.可选的，所述依据所述电压和电流，判断所述主电路是否出现短路故障包括：
28.依据所述电信号计算电压上升率和电流上升率；
29.判断是否满足所述主电路的电压值大于电压限值、所述主电路的电流值大于电流限值、所述主电路的电压上升率大于电压上升率限值，以及，所述主电路的电流上升率大于电流上升率限值中的至少一个；
30.若满足，则判定所述主电路出现短路故障。
31.可选的，在采集主电路的电信号之前，还包括：
32.控制所述开关单元中的全部开关均闭合。
33.可选的，所述控制所述开关单元中的全部开关均闭合之前，还包括：
34.设置或更新所述电压限值、所述电流限值、所述电压上升率限值和所述电流上升率限值。
35.可选的，控制所述主电路中的开关单元中至少一个开关断开包括：
36.控制所述主电路中的开关单元中全部开关均断开。
37.可选的，在所述开关单元中的至少一个开关断开后，还包括：
38.向后台上送数据。
39.从上述技术方案可知，本发明提供的一种故障限流控制器，包括：采样模块、开关控制模块和主控制模块；采样模块用于采集主电路的电信号；主控制模块用于接收并对电信号进行解析处理，在解析结果表示主电路出现短路故障时，通过开关控制模块控制开关单元断开；从而实现在检测到电力设备出现短路故障时，控制电力设备进行限流，提高电力设备的安全性。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
41.图1是本发明实施例提供的一种故障限流控制器的示意图；
42.图2是现有技术提供的一种限流器的示意图；
43.图3是本发明实施例提供的一种故障限流控制器的策略图；
44.图4是本发明实施例提供的一种故障限流控制器中采样模块的示意图；
45.图5是本发明实施例提供的一种故障限流控制器中开关控制模块的示意图；
46.图6是本发明实施例提供的一种故障限流控制器中主控制模块的示意图；
47.图7是本发明实施例提供的一种故障限流控制器的应用场景的示意图；
48.图8是本发明实施例提供的一种故障限流控制方法的流程图。
具体实施方式
49.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.在本技术中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.本发明实施例提供一种故障限流控制器，用于解决现有技术中，部分大规模电力负荷中心甚至会出现短路电流超出现有断路器断开能力的现象，此情况会严重威胁电网安全运行，且随着电网规模不断扩大的问题。
52.参见图1，该故障限流控制器，包括：采样模块、开关控制模块和主控制模块。
53.采样模块、开关控制模块和主控制模块中均内置有fpga，各个模块之间通过预设协议进行通信；该预设协议此处不做具体限定，只要各模块之间能够进行通信即可，均在本技术的保护范围内。
54.采样模块的输入端通过相应线缆与主电路相连，以使该采样模块采集主电路的电信号。其中，该电信号可以是电压和/或电流等，此处不做具体限定，视实际情况而定即可，均在本技术的保护范围内。
55.该采样模块的输出端与主控制模块的输入端相连，以使该采样模块能够将检测到的电信号进行处理后传输至主控制模块；该主控制模块用于接收信号后进行解析处理，在解析结果表示主电路出现短路故障时，通过开关控制模块控制主电路处于断开状态。其中，开关控制模块与该主控制模块之间连接。
56.具体的，采样模块采集主电路的电信号，进行处理后传输至主控制模块；主控制模
块接收到该信号之后，对该信号进行解析处理，并在解析结果表示主电路出现短路故障时，发送断开信号至开关控制模块；该开关控制模块接收该断开控制信号后，控制开关单元断开。
57.在本实施例中，通过采样模块采集主电路的电信号；主控制模块对电信号进行解析处理，在解析结果表示主电路出现短路故障时，通过开关控制模块控制开关单元断开；从而实现在检测到电力设备出现短路故障时，控制电力设备进行限流，提高电力设备的安全性。
58.此外，，采样模块与开关控制模块靠近主电路放置，与主控制模块通过光纤进行通信；
59.具体的，并通过线缆主电路的相关器件连接。需要说明的是，各模块之间通过特定私有协议进行通信，该协议此处不做具体限定，只要各模块之间能够进行通信即可，均在本技术的保护范围内。
60.主控制模块分别与开关控制模块和采样模块之间均采用光纤连接。
61.也就是说，开关控制模块与主控制模块之间通过光纤连接，采样模块与主控制模块之间通过光纤连接。也就是说，主控制模块分别与开关控制模块和采样模块之间传输的信号为光信号。
62.该主控制模块与上位机之间也可以采用光纤连接；也即，主控制模块与上位机之间传输的信号为光信号。
63.在本实施例中，控制器的采样模块及开关控制模块靠近主电路放置，并且这两者与主控制模块之间均通过光纤进行通信，可以减少线缆连接长度，抗干扰能力更强。
64.值得说明的是，现有技术方案提出一种电抗器型短路故障限流器，如图2所示，由电抗器、电容器、开关和避雷器等组成。电网稳态时，限流器工作在串联谐振或串补状态，呈现低阻抗；电网发生短路故障后，电抗器的绕组过流饱和，或者同时通过开关闭合来控制电抗器的电抗变化，使限流器产生高阻抗来实现故障限流。但该电抗器型短路故障限流器没有体现出其控制逻辑，且其控制不够及时。
65.而本实施例中，提供了故障限流控制器及其控制逻辑，提高故障限流控制器的控制准确性，提高故障限流控制器所在系统的安全性。
66.在上述实施例的基础之上，该开关控制模块还可以用于检测并发送开关单元的开关状态至主控制模块。
67.具体的，开关控制模块采集该开关单元的开关状态，并将该开关状态输出至主控制模块。
68.主控制模块，还用于在需控制开关单元断开时，持续通过开关控制模块控制开关单元断开，直至开关控制模块检测到开关单元中的各个开关均断开；以及，在需控制主电路闭合时，持续通过开关控制模块控制主电路闭合，直至开关控制模块检测到开关单元中的各个开关均闭合。
69.具体的，在需控制开关单元断开时，该开关控制模块实时检测并发送开关单元的开关状态至主控制模块，主控制模块判断该开关状态是否表征为开关单元中的全部开关均断开，若是，则停止通过开关控制模块控制开关单元断开，如停止向开关控制模块发送断开信号；若否，则继续通过开关控制模块控制开关单元断开，如继续向开关控制模块发送断开
信号。
70.在需要控制主电路闭合时，该开关控制模块实时监测并发送开关单元的开关状态至主控制模块，主控制模块判断该开关状态是否表征为开关单元中的全部开关均闭合；若是，则停止通过开关控制模块控制主电路闭合，如停止向开关控制模块发送闭合信号；若否，则机组通过开关控制模块控制主电路闭合，如继续向开关控制模块发送闭合信号。
71.需要说明的是，在开关控制模块接收到闭合信号时，控制主电路闭合；在开关控制模块接收到断开信号时，控制开关单元断开。
72.在本实施例中，故障限流控制器能够实时监测线路电压、电流信号，同时还能就地监测开关的状态，并且根据线路运行情况，控制快速开关的分合状态，从而实现抑制短路故障电流的效果。
73.此外，主控制模块还可以用于在完成控制开关单元中的全部开关均断开后，将处理结果发送至上位机；以及，接收并依据上位机的控制指令，通过开关控制模块控制开关单元的通断。
74.在实际应用中，该故障限流控制器的应用场景如图7所示，其中，故障限流控制器a和故障限流控制器b为主控制模块；快速开关控制器、采集器和ect1为开关控制模块；ct2为采样模块。cb1、cb2、cb3和cb4为开关；变电站级监控系统为上位机。
75.在实际应用中，电信号包括：电压和电流中的至少一个；如仅包括电压、或者仅包括电流，又或者同时包括电压和电流。当然，该电信号也不仅限于电压和电流，只要能够表征该主电路是否存在短路故障即可，此处不再一一赘述，均在本技术的保护范围内。
76.在电信号包括电压和电流中的至少一个时，主控制模块用于对电信号进行解析处理时的具体过程：主控制模块判断是否满足，主电路的电压值大于电压限值、主电路的电流值大于电流限值、主电路的电压上升率大于电压上升率限值和主电路的电流上升率大于电流上升率限值中的至少一个；若满足，则判定主电路出现短路故障。
77.需要说明的是，在电信号仅包括电压时，该主控制模块可以是判断是否满足电压值大于电压显示值和电压上升率大于电压上升率限值中的至少一个；在电信号仅包括电流时同理。在电信号包括电压和电流时，可以将电压、电流、电压上升率和电流上升率中的一个或者多个来作为判断依据，此处不再赘述，均在本技术的保护范围内。但仍值得说明的是，判断依据越多，其精准率更高，因此，采取哪些判断依据视实际情况而定即可，均在本技术的保护范围内。
78.在本实施例中，当主控制模块解析到主回路的电压或电流超过预设值，或任意一个参数的上升速度较快时，立即发送控制命令给开关控制模块，该开关控制模块收到命令后，执行相应操作、以使主回路的开关均断开，从而达到增大回路阻抗、限制回路电流的效果。
79.在上述实施例的基础之上，主控制模块还用于向采样模块发送控制参数。如主控制模块可以向采样模块发送一些时钟或配置等信息，以调整采样模块的采样间隔等。
80.在实际应用中，如图4所示，该采样模块，包括：fpga、第一光电转换模块、用于采集电流的电流线路和采集电压的电压线路。
81.各个线路将采集到的参数传输至fpga；具体的，电压线路的输入端与主电路相连，以使该电压采集到主电路的电压，该电压线路的输出端与fpga相连，以使该电压线路将采
集到的电压传输至fpga；电流线路的输入端与主电路相连，以使该电流采集到主电路的电流，该电流线路的输出端与fpga相连，以使该电流线路将采集到的电流传输至fpga。
82.该fpga还通过光电转换模块与主控制模块相连，以使该fpga可以通过光电转换模块发送信号至主控制模块。
83.需要说明的是，如图4所示，电流线路和电压线路上从输入端到输出端均依次设置有各自的滤波电路、电压跟随器、a/d转换器。在采样模块具备接收主控制模块的控制参数功能时，采样模块还包括第二光电转换模块；fpga还用于通过第二光电转换模块接收主控制模块的控制参数。也即，在采样模块具备接收主控制模块的控制参数功能时，该采样模块中包括两个光电转换模块，一个用于向主控制模块发送电信号；另一个用于接收主控制模块发送的控制参数。
84.具体的，电流信号进入电压跟随器后，并联分压电阻，电流采样功能其实就是采集该分压电阻两侧电压，通过计算间接实现测量线路电流的功能；该a/d转换器用于将模拟信号转为数字信号。具体的，主电路的电信号，分贝通过电压线路中的滤波电路、电压跟随器、a/d转换器，进入fpga，该fpga解析该信号，通过一个光电转换模块发送出去，同时fpga也通过另一个光电转换模块实时接收上位机发送的控制指令。
85.在实际应用中，参见图5，该开关控制模块，包括：fpga和第一光电转换模块，以及，依据fpga发送的信号来控制开关单元通断的控制线路。
86.具体的，该fpga通过第一光电转换模块与主控制模块相连，以及，通过控制线路与主电路的控制端相连；以使该fpga通过第一光电转换模块接收并依据主控制模块的控制指令，发送信号至控制线路，该控制线路依据该信号控制开关单元的通断。其中，控制线路从输入端到输出端依次设置有第一电平转换器、第一光电耦合器和继电器。
87.开关控制模块接收主控制模块的信号的过程为：通过光电转换模块接收到信号后，传送给fpga，fpga发出的控制信号，通过第一电平转换器、第一光电耦合器传送给继电器，继电器接着输出给开关单元，实现开关单元的开关状态控制功能。
88.在上述实施例中可知，主电路还可以采集开关单元的开关状态；因此，在开关控制模块还用于采集开关单元的开关状态时，开关控制模块还包括：第三光电转换模块，以及，用于采集并发送开关状态至fpga的采样线路。具体的，采样线路采集开关单元的开关状态，并将开关状态发送至fpga。其中，采样线路从输入端到输出端依次设置有降压电路、第二光电耦合器和第二电平转换器。该fpga还用于通过第三光电转换模块将采集到的开关状态发送至主控制模块。
89.需要说明的是，开关有闭合与断开两种状态，可以分别对应输出高电压或0电压两种电平信号，这种电平信号进入开关控制模块，经过降压电路后，进入第二光电耦合器，第二光电耦合器输出后，再经过第二电平转换器，传送给fpga，达到开关状态实时监控的功能。
90.在实际应用中，参见图6，该主控制模块，包括：故障辨识插件、主开关操控插件、fpga。
91.该故障辨识插件的输入端与采样模块的输出端相连，该故障辨识插件的输出端与该fpga相连，以使故障辨识插件接收并依据采样模块采集到的电信号进行故障辨识，且将辨识结果输出至fpga。该fpga接收到该辨识结果后，依据该辨识结果通过主开关操控插件
控制开关控制模块。
92.通过上述说明可知，开关控制模块可以具备采样功能，因此相应的该主控制模块也需具备与之对应的功能；具体的，在开关控制模块具备采样功能时，该主控制模块的主开关操控插件接收开关控制模块采集到的开关状态，并传输至fpga。
93.在实际应用中，在主控制模块具备与上位机进行交互功能时，主控制模块还包括：收发单元(包括如图6所示的串联连接的phy和光电转换模块)。fpga通过收发单元发送处理结果至上位机；以及接收上位机的控制指令。也即，该主控制模块具备电以太网收发功能、光以太网收发功能。
94.如图6所示，该主控制模块还具备光b码接收功能，设备状态指示功能、液晶显示等功能，此处不再赘述，均在本技术的保护范围内。其中，光b码是一种时钟同步信号，介质可以为820nm的光波，它是电力系统中各个智能设备用于校准时间的。phy为以太网物理接口收发器芯片，其作用是实现控制器与后台通信数据收发；powerpc为一种精简指令集(risc)架构的处理器，主要用于程序的下载、配置、调试等；rj45为一种通用型电以太网接口，可插网线。
95.本发明另一实施例提供了一种故障限流控制方法，应用于上述任一实施例提供的故障限流控制器，该故障限流控制器的具体结构，详情参见上述实施例，此处不再一一赘述，均在本技术的保护范围内。
96.参见图8，该故障限流控制方法，包括：
97.s101、采集主电路的电信号。
98.需要说明的是，主电路的电流和电压一定程度上可以表示该主电路的运行转态，如在主电路出现短路故障时，该主电路的电信号出现异常，如电信号包括电压和电流，电压电流过大，或者电压电流上升速率过大等。
99.因此，主电路的电信号可以作为判断主电路的是否出现短路故障的依据，也即，本步骤s101为后续步骤提供判断依据。
100.s102、依据电信号，判断主电路是否出现短路故障。
101.在上述说明中可以是电信号可以包括电压和电流，该步骤s102的具体过程为：依据电压和电流计算电压上升率和电流上升率；判断满足主电路的电压值大于电压限值、主电路的电流值大于电流限值、主电路的电压上升率大于电压上升率限值，以及，主电路的电流上升率大于电流上升率限值中的至少一个；若满足，则判定主电路出现短路故障。
102.若主电路出现短路故障，则执行步骤s103。
103.s103、控制主电路中的开关单元中至少一个开关断开。
104.需要说明的是，开关单元中的任一个开关断开，则该开关单元处于断开状态。
105.在实际应用中，可以是控制开关单元中的全部开关均断开；具体的，反复控制开关单元断开，直至开关单元中的全部开关均断开；具体的，可以持续检测开关单元中的各个开关的开关状态，以判断开关单元中的全部开关是否均断开。
106.在上述实施例的基础之上，在步骤s101之前，还包括：控制开关单元中的全部开关均闭合。
107.具体的，反复控制开关单元闭合，直至检测到开关单元中的全部开关均闭合；可以持续检测开关单元中的各个开关的开关状态，以判断开关单元中的全部开关是否均闭合。
108.在开关单元中的全部开关均断开后，还可以包括：向后台上送数据。如将处理结果发送至上位机。
109.在控制开关单元中的全部开关均断开闭合之前，还包括：设置或更新四个限值。也即，设置或更新电压限值、电流限值、电压上升率限值，以及，电流上升率限值。
110.具体的，参见图3所示的控制策略图；该控制器的具体过程为：预先设置4个数值：电压上限值vmax、电流上限值imax，电压上升率限值k1、电流上升率限值k2；在正常运行时，确保主回路中开关单元的所有开关闭合，然后实时采集主回路中的电压值v及电流值i，并计算得出电压上升速率kv及电流上升速率ki，然后将采集及计算得到的数据与预先设定的4个数值进行比较，当其中任意一个实测或计算的数据大于预先设定的数值时，立即下达命令，打开所有快速开关，并将相关数据上送给后台测控保护设备。
111.本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
112.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
113.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。