CN104037739B - 实现方向性区域选择互锁的保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种使得断路器（CB）实现方向性区域选择互锁（DZSI）的保护装置（EDP）。该保护装置能够外接于现有的具有区域选择互锁（ZSI）功能的断路器。该保护装置包括能够连接到断路器的输入接口（IE）和输出接口（OE），以及用于与其他断路器的保护装置连接以传递互锁信号的正向接口对（IF/OF）和反向接口对（IB/OB）。该保护装置中的控制单元（CTRL），配置成判断当前流过所述断路器（CB）的电流方向是否与一预定电流参考方向一致，如果一致，则使能所述正向接口对（IF/OF），否则使能所述反向接口对（IB/OB）。

Description

实现方向性区域选择互锁的保护装置

技术领域

本发明总体涉及配电网络的保护，尤其涉及配电网络中用于断路器的方向性区域选择互锁。

背景技术

区域选择保护，或称作区域选择互锁（ZSI：Zone Selectivity Interlock）是一种通过尽可能缩短故障清除时间来减小在短路故障情况下配电网络中各配电设备所受冲击的方法。具体而言，假定在一个单电源供电的多级配电网络中发生故障，则检测到故障的每个断路器都需要向其上游断路器报告检测到故障，即发生互锁信号。这样，仅有那些没有接到上报的断路器被确定为是最接近故障点的断路器并执行瞬时保护（例如，延迟时间t=50ms），即以最短延迟时间执行断开动作。那些接收到上报的断路器则进行定时保护，或称“锁定”。所谓定时保护或锁定是指：若预定延迟时间（例如100ms）到期时故障仍未消除（例如更接近故障点的断路器的保护动作失效），则该断路器断开，否则保持连接。由此可见，ZSI可以实现断路器的选择性动作。

对于多电源的配电网络，由于配电网络的复杂度提高，上述简单的ZSI不再适用。由此，提出了方向性区域选择互锁（DZSI：Directional Zone Select Interlock），其基本原理是：依据故障发生时流过各个断路器的电流方向之间的相互关系来识别出故障点，并进而为了消除所识别出的故障而确定各个断路器动作的延迟时间。这样的好处是即使网络中存在多电源或有源负载也可以较为可靠地实现选择性保护。

现有技术中有多种实现方向性区域选择保护的方法。在2010年7月7日公开的、中国专利申请No.200910266751.7中公开了一种方向性区域选择保护的实现方法。该方法选用了一个独立的处理器来管理配电网络中的各个断路器，即，该处理器经由连接到各个断路器的通信路径监控各断路器的故障电流方向并据此指示相关断路器动作的延迟时间。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种在断路器处实现方向性区域选择互锁（DZSI）的保护装置，该保护装置能够连接到现有的断路器，而不改变现有断路器的电子脱扣单元的结构，且能够实现分布式DZSI管理。由此，采用这种保护装置可以无需对现有的ZSI断路器进行更改，即可通过外接所述保护装置的方式实现断路器从ZSI保护到DZSI保护的升级。

本发明的另一个目的在于减少该保护装置中电路的复杂度、减少为该装置配备的独立电源，以缩小保护装置的体积、降低其成本。

根据本发明的一个实施例的用于实现DZSI的保护装置可以外接到一个断路器。其中，所述断路器可连接有能够接收或发送互锁信号的接口单元。该保护装置包括：第一接口对，其包括连接到断路器的接口单元的第一输入接口和第一输出接口，所述第一输入接口从所述接口单元接收待发送给至少一个其他断路器的互锁信号，所述第一输出接口将所述保护装置从至少一个其他断路器接收到的互锁信号发送给所述接口单元；正向接口对，用于传送互锁信号，其包括能够分别连接到所述至少一个其他断路器的正向输入接口和正向输出接口；反向接口对，用于传送互锁信号，包括能够分别连接到所述配电网络中的至少一个其他断路器的反向输入接口和反向输出接口；控制单元，配置成判断当前流过所述断路器的电流方向是否与一预定电流参考方向一致，如果一致，则使能所述正向接口对而让所述反向接口对失效，从而经由所述正向输入接口接收到的互锁信号能够传送到所述第一输出接口且所述待发出的互锁信号能够从所述正向输出接口发出；如果不一致，则使能所述反向接口对而让所述正向接口对失效，从而经由所述反向输入接口接收到的互锁信号能够被传送到所述第一输出接口且所述待发出的互锁信号能够从所述反向输出接口发出。

根据本发明实施例的保护装置能够基于当前流过断路器的电流方向判断出正确的互锁信号传递方向，从而将互锁信号传递到相应的接口（正向接口或反向接口）。由此，在不更改现有断路器（例如MCCB）ZSI设计的情况下可通过外接辞保护装置而升级成DZSI包括，从而对现有设备的升级更简易。

根据本发明另一个实施例的保护装置中控制单元包括：一个内部输入总线，配置成连接到所述第一输出接口、正向输入接口以及反向输入接口，以传送接收到的互锁信号；正向输入开关，其为隔离开关，设置在所述正向输入接口到所述内部输入总线的至少一个路径上；反向输入开关，其为隔离开关，设置在所述反向输入接口到所述内部输入总线的至少一个路径上；处理器，配置成在当前流过所述断路器的电流方向与所述电流参考方向一致时，导通所述正向输入开关而关断所述反向输入开关，否则，导通所述反向输入开关而关断所述正向输入开关。

采用此实施例，对于来自其他断路器的互锁信号，保护装置中的处理器仅负责根据电流方向启用相应的正向或反向通道，而无需中继互锁信号，输入的互锁信号自动在输入总线上传递。正向、反向输入接口借用断路器的接口单元中的输入电路来完成对输入互锁信号的读取。这样的好处在于无需为正向、反向输入接口提供单独的输入电路以及相应的独立电源。

根据本发明另一个实施例的保护装置中的所述控制单元还包括：一个内部输出总线，配置成连接到所述第一输入接口、正向输出接口以及反向输出接口，以传送待发出的互锁信号；正向输出开关，其为隔离开关，设置在所述正向输出接口到所述内部输出总线的至少一个路径上；反向输出开关，其为隔离开关，设置在所述反向输出接口到所述内部输出总线的至少一个路径上；所述处理器还配置成在当前流过所述断路器的电流方向与所述预定电流参考方向一致时，导通所述正向输出开关而关断所述反向输出开关，否则导通所述反向输出开关而关断所述正向输出开关。优选地，所述隔离开关为光耦。

由于引入了内部输入总线和内部输出总线，正向和反向输入接口能够借用接口单元内部的输入电路，而无需在保护装置内再搭建单独的输入电路部分。同样的，正向和反向输出接口也可借用接口单元的输出电路来输出互锁信号。这进一步简化了保护装置中的电路复杂性以及独立电源个数。此外，互锁信号直接在总线上传递而不需处理器的中继，因此能够缩短互锁信号的传递延迟时间。

更为优选地，根据本发明又一个实施例的保护装置中，处理器根据检测到的相电流和线路电压确定当前流过所述断路器的电流方向，且保护装置还包括：电流互感器，用于检测所述相电流；电压感测电路，用于检测所述线路电压。优选地，唯一需要电源的处理器可由所述电流互感器供电。更为优选地，特别是针对联络断路器，所述处理器由线路电压和所述电流互感器中至少之一供电。优选地，所述电流互感器为包括铁心电流互感器和罗氏线圈的组合式电流互感器。由此，根据本发明实施例的保护装置能够实现自供电。

根据本发明另一个实施例的断路器系统包括断路器，用于导通或断开供电线路；电子脱扣单元，用于监测流过断路器的电流并控制断路器的通、断；接口单元，连接到所述电子脱扣单元，用于向所述电子脱扣单元传递互锁信号，或输出来自所述电子脱扣单元的互锁信号；以及如上任一所述的用于实现方向性区域选择互锁的保护装置。在实际应用中，所述保护装置的正向接口对和反向接口对中的至少一个接口连接到另一个断路器设备的保护装置的接口。

附图说明

本发明的目的、特点、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的方向性区域选择互锁的应用场景；

图2A示出了图1所示场景下一种故障发生时的故障电流的流向；

图2B示出了图1所示场景下另一种故障发生时的故障电流的流向；

图3示出了在图1所示的应用场景下根据本发明一个实施例的DZSI保护装置的连接方式；

图4示出了根据本发明一个实施例的连接在断路器外部的DZSI保护装置（简称EDP）的结构框图；

图5示出了根据本发明另一个实施例的EDP的结构框图；

图6示出了根据本发明又一个实施例的EDP的结构框图；

图7示出了根据本发明再一个实施例的EDP的结构框图；

图8示出了图3所示应用场景下根据本发明实施例的EDP的具体连接方式；

图9示出了根据本发明又一个实施例的EDP在环形配电网络中的连接方式。

具体实施方式

以下将结合附图描述本发明的各个实施例。通过以下描述，本发明的上述优势将会更容易理解。

图1示例性地示出了根据本发明一个实施例的方向性区域选择互锁系统的一种应用场景，即H桥型的配电网络结构。如图1所示，该H桥网络包括两个电源TM1和TM2，其分别向两个无源负载L供电。在H桥结构的每个桥臂上分别设有断路器（CB：Circuit Breaker）CB1、CB2、CB4和CB5，而且在中间桥上还设有联络断路器CB3。在图1中每个断路器附近的箭头示出一个电流参考方向。该电流参考方向例如是在正常情况下(例如断路器导通时)流过断路器的电流方向。在正常情况下，流过联络断路器CB3的电流很小。为此，这里预先设定其电流参考方向为例如图中所示的“左向”。

在图1所示的H桥结构应用场景中，短路故障可能出现在如图1所示的6个故障点处，即故障点F1～F6。这里，短路故障可因多种因素引起，例如相线短接引起短路，或接地故障引起短路。在图1中，故障点F1例如出现在电源TM1和断路器CB1之间，故障点F4例如出现在联络断路器CB3右侧的结合点处，而故障点F6出现在图中右侧的无源负载附近。对于图1所示的不同故障，根据ZSI原理，互锁信号在各断路器之间的传递方向将有所不同。

图2A和图2B示例性地示出了两种故障情况下，故障电流的流动方向以及断路器之间的互锁信号的传递方向。图2A中，如果在点F1发生故障，则TM1、TM2输出的电流形成故障电流汇集到故障点F1，即故障电流按照图2A中虚线箭头所示流动。此时，流过断路器CB2和CB3的故障电流的方向与其各自的电流参考方向一致，而流过CB1的故障电流方向与其预先设定的“向下”的电流参考方向相反。CB4和CB5因连接无源负载而无电流流过。这样，按照ZSI的原理，只要CB1立即断开就可清除该故障，故CB1动作的延迟时间d0最短。若CB1失效，则CB3断开也可清除该故障，故CB3的延迟时间次之为d1，d1>d0。若CB3也失效，则需要进而断开CB2，故CB2的延迟时间最长为d2>d1。由于CB4和CB5连接到无源负载L，因而CB4和CB5对于消除故障F1不起作用，故CB4和CB5可以始终处于导通状态。这样，CB1一旦发现故障，就需要将互锁信号传递给CB3（如图中箭头C所示），CB3进而检测到故障再将互锁信号传递给CB2。在收到互锁信号后，CB2和CB3可分别设定其各自的延迟时间d1和d2，并进入互锁状态，且仅在各自延期时间到期之后仍存在故障时才执行保护动作。

图2B中，假定故障发生在点F4，那么TM1、TM2输出的电流形成故障电流并汇集到故障点F4，即故障电流按照图2B中虚线箭头所示流动。此时，流过断路器CB1和CB2的故障电流的方向与其电流参考方向一致，而流过CB3的故障电流方向与其预先设定的“向左”的电流参考方向相反。同样，按照上述ZSI的原理，故障时只要CB2和CB3立即断开就可清除该故障，故CB2和CB3动作的延迟时间d0最短。若CB3失效，则CB1断开也可清除该故障，故CB1的延迟时间次之为d1，d1>d0。这样，CB3检测到故障后需要将互锁信号传递给CB1（如图中箭头C’所示），使得CB1设定其动作延迟时间为d1，并进入互锁状态。由图2A和2B可见，在不同的故障情况下，故障电流的方向变化与断路器（例如CB1和CB3）之间互锁信号的传递方向相关联，为此需要引入方向性选择互锁（DZSI）的解决方案。

图3示例性地示出了在图1所示的应用场景下根据本发明一个实施例的DZSI解决方案。如图3所示，在本发明实施例中，每个断路器CBn配备有一个能够实现DZSI的保护装置（简称EDP：External Directional Protection Unit）（EDP_CBn表示用于某个断路器CBn的EDP）。EDP能够实现DZSI所需的方向判断以及互锁信号的传递，同时该装置可作为一个外接设备，通过接口连接到断路器CBn，从而无需对现有断路器进行任何改动。

具体地，在图3所示的应用中，根据互锁信号的传递方向，每个断路器的EDP_CBn可以包括用于正、反两个方向的四个接口，即，用于正向传递互锁信号的正向接口对IF/OF和用于反向传递互锁信号的反向接口对IB/OB。正向接口对包括正向输入端口IF和正向输出端口OF。反向接口对包括反向输入端口IB和反向输出端口OB。当互锁信号需要沿正向传递（例如图2A中C方向）时，正向接口对IF/OF起作用；反之（如图2B所示的C’方向）则反向接口对IB/OB起作用。这里所谓“正向”可以指当前流过断路器的故障电流方向与该断路器的电流参考方向一致的情况。换言之，当流过断路器CBn的电流与电流参考方向一致时，正向接口对IF/OF起作用，反之则反向接口对IB/OB起作用。当然，根据具体设定，该“正向”也可以有其他设置方式，例如与电流参考方向相反。

在图3所示的H桥例子中，联络断路器CB3的EDP_CB3作为枢纽连接到其他四个断路器的EDP的接口。具体地，在正方向上，EDP_CB3的接口IF连接到EDP_CB1的OB接口和EDP_CB4的OF接口，EDP_CB3的OF接口连接到EDP_CB2的IF接口。在反方向上，EDP_CB3的IB接口连接到EDP_CB2的OB接口和EDP_CB5的OF接口，EDP_CB3的OB接口连接到EDP_CB1的IF接口。

图4具体示出了图3中所示的EDP_CBn的一个实施例的结构框图。在图4中，断路器CBn的导通或关断动作由其自身带有的电子脱扣单元(ETU:Electronic Tripping Unit)ETU_CBn来控制。ETU_CBn可以与CBn集成在一起，如现有的塑壳断路器（MCCB）那样。ETU_CBn具体包括CPU_CBn和ZSI_CBn两个单元。CPU_CBn能够监测流过CBn的电流大小，并据此发现故障并在故障时执行脱扣动作以使得CBn关断。ZSI_CBn为一个接口单元(ZSI interface)，其能够与其他设备通信或连接，这个接口单元ZSI在这里起到信号隔离和/或信号驱动的作用。接口单元ZSI_CBn包括用于产生15V直流电压的电源P_S，以及用于接收互锁信号的输入电路410和用于输出互锁信号的输出电路420。输入电路410例如包括串联在输入端I+/I-之间的有源回路，该回路中例如包括15V电源、限流电阻和隔离探测器件（例如光耦）。S_{i_x}为输入电路410获得的输入信号，例如互锁信号。在图4中，输出电路420例如包括一个基极受控三极管，其基极连接到一个待输出的互锁信号S_{o_x}。S_{o_x}例如可以是CPU_CBn生成的互锁信号。当该三极管接入到有源回路中时，其基极的有效互锁信号S_{o_x}，可导致三极管导通，进而使得该有源回路中的电流发生变化。监测该电流变化即可获得ZSI_CBn输出的互锁信号。

除了断路器CBn原本配有的ETU单元之外，在图4的实施例中还为断路器CBn配有EDP_CBn单元，其连接到接口单元ZSI_CBn。在图4中，EDP_CBn包括图3所提及的能够连接到其他断路器的EDP的正向输入接口IF、正向输出接口OF、反向输入接口IB和反向输出接口OB。除了用于传递互锁信号的正向和反向接口对外，EDP_CBn还包括连接到ZSI_CBn的输入接口IE和输出接口OE。输入接口IE接收ZSI_CBn发出的互锁信号，输出接口OE向ZSI_CBn发送EDP_CBn从其他断路器的EDP接收到的互锁信号。在图4的例子中，IF/OF、IE/OE和IB/OB中每一个优选均包括正、负两端子，其中负端子一般为地，但这并不是必须的。

EDP_CBn还包括控制单元CTRL，其连接到该输入、输出接口IE/OE、正向接口对IF/OF和反向接口对IB/OB，用以控制这些接口。具体地，控制单元CTRL配置成能够根据检测到的相电流i和线路电压V，判断出当前流过断路器CBn的电流方向是否与其预定电流参考方向一致。这种电流方向的判断可以采用传统的基于功率的判别方法，也可以采用本领域所可用的其他判别方法。如果当前电流方向与电流参考方向一致，控制单元CTRL则使能正向接口对IF/OF而让反向接口对IB/OB失效，从而经由正向输入接口IF接收到的互锁信号能够传送到输出接口OE，且从输入接口IE接收到的待发出互锁信号能够从正向输出接口OF发出。如果不一致，则控制单元CTRL使能反向接口对IB/OB而让正向接口对IF/OF失效，从而经由反向输入接口IB接收到的互锁信号能够被传送到输出接口OE且来自输入接口IE的待发出的互锁信号能够从反向输出接口OB发出。这里的控制单元CTRL可以采用多种方式来实现。附图5-7示例性地示出了三种实现方式。

图5示例性地示出了根据本发明一个实施例的EDP_CBn500的结构框图。简便起见，图5中仅示出了EDP_CBn500以及与之直接连接的ZSI_CBn。在图5中，控制单元CTRL包括CPU510、输入电路520_IF、520_IB和520_IE，以及输出电路530_OF、530_OB和530_OE。CPU510需要监视每个输入电路520，一旦收到互锁信号就将其中继到相应的输出电路，使其从相应的输出接口输出。例如，假设CPU510从IF的输入电路520_IF读取到互锁信号S_i.F，则CPU510将其转换为输出指令S_O.E。S_O.E输出给连接到接口OE的输出电路530_OE，从而将互锁信号经由ZSI_CBn提供给相应的ETU_CBn。ETU_CBn根据接收到的互锁信号，按照ZSI原理确定该断路器CBn的保护动作的延迟时间。再比如，若CPU510从IE接口的输入电路520_IE读取到互锁信号S_i.E，则CPU510根据当前流过CBn的电流方向确定是将其转换为输出指令S_O.F还是S_O.B。如果经判断当前的电流方向与电流参考方向相反（即所谓“反向”），则CPU510输出指令S_O.B给连接到接口OB的输出电路530_OB。由此，CPU510可根据电流方向使能或禁用正向接口对IF/OF或反向接口对IB/OB。

在图5所示的结构中，优选地，每个输入电路520的电路结构与ZSI_CBn中的输入电路410结构相同。也就是说，在正、负两个输入端（例如IF+和IF-）之间串联有15V直流电源、限流电阻以及隔离感测器件（例如光耦）。CPU510可以通过以电隔离方式检测二极管是否导通来确定是否出现了输入的互锁信号（例如S_i.F）。另外，在图5的例子中，输入电路520_IE的结构恰好与EDP_CBn的输出电路420相匹配。当来自ETU_CBn的互锁信号有效时，即S_{o_x}为有效信号时，输出电路420中的三级管切换状态（例如，从断开变为导通）。三级管的导通使得输入电路520_IE所在回路导通，进而导致二极管导通，从而CPU510得以从S_i.E上获得有效的输入互锁信号。在图5所示的结构中，还优选地在每个输出电路530的电路结构中包括一个基极受控的三极管，其工作原理与ZSI_CBn中的输出电路420相同，这里不再赘述。

图5中，为了避免不期望的故障，每个输入电路520的15V电源是彼此独立的，分别由一个单独的电源模块PS_x(x=1、2、3)提供。每个电源模块PS_x可以连接到外部的24V直流电源，并通过对直流24V的转换得到15V直流电。此外，CPU510还需要一个单独的3.3V直流电源模块PS_4供电。电源模块PS_4同样可以从外部的24V直流电源获得电能。

图5所示的例子中，EDP_CBn可以外接于ZSI_CBn。EDP_CBn能够基于当前流过断路器CBn的电流方向判断出正确的互锁信号传递方向，从而将互锁信号传递到相应的接口（正向接口或反向接口）。采用图5所示的EDP方案，可以在不更改现有断路器（例如MCCB）ZSI设计的情况下增加DZSI的功能，从而能够实现对现有设备的简易升级。

图6示例性地示出了更为优选的一种EDP_CBn600的结构框图。EDP_CBn600与EDP_CBn500不同之处在于控制单元CTRL中还包括一个内部输入总线BUS_I。输出接口OE、正向输入接口IF以及反向输入接口IB均连接到该内部输入总线BUS_I。而经IE接口从ZSI_CBn接收的互锁信号依然由CPU610中继，并由CPU610根据当前流过CBn的电流方向确定该互锁信号是从OF接口输出还是从OB接口输出。

在图6中，互锁信号的输出与图5中相关部分相同，这里不再赘述。与图5不同的是：EDP_CBn从其他断路器接收到的互锁信号可经由内部输入总线BUS_I自动传递到OE接口，以输出给ZSI_CBn。具体地，在接口IF/IB连接到BUS_I的路径上分别设有受控开关S_IF和S_IB。在图6所示的例子中，S_IF和S_IB设置在正向端IF+/IB+连接到内部输入总线BUS_I的路径上，且受到CPU610的控制。如果CPU610发现当前流过CBn的电流方向与电流参考方向相同，即为“正向”，则导通开关S_IF而关断S_IB。否则，CPU610关断开关S_IF而导通S_IB。

由此，在图6所示的例子中，对于来自其他断路器的互锁信号，CPU610仅负责根据电流方向启用相应的正向或反向通道，而无需中继，输入的互锁信号自动在BUS_I上传递。IF和IB接口借用ZSI_CBn中的输入电路410来完成对输入互锁信号的读取。这样的好处在于无需为IF和IB接口提供单独的输入电路520以及相应的独立电源PS_1和PS_3。由此，采用图6所示的解决方案可以得到结构更为简单、成本更低、体积更小的EDP。

图7示例性地示出了一种最优的EDP_CBn700的例子。与图6不同，图7中所示的EDP_CBn700中不仅包括内部输入总线BUS_I，还包括内部输出总线BUS_O。输出接口OE、正向输入接口IF以及反向输入接口IB连接到该内部输入总线BUS_I。输入接口IE、正向输出接口OF以及反向输出接口OB连接到该内部输出总线BUS_O。这里，内部总线BUS_I和BUS_O实际上是个逻辑上的概念。在物理实现上，连接到同一总线上的端子可以连接到同一结合点，这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

正向和反向接口对在连接到相应内部总线BUS_I/BUS_O的路径上分别设有受控开关S_IF、S_OF、S_IB、S_OB，这些开关受CPU710的控制。具体地，正向输入开关S_IF设置在正向输入接口IF+到内部输入总线BUS_I的路径上。正向输出开关S_OF，设置在所述正向输出接口OF+到总线BUS_O的路径上。反向输入开关S_IB设置在反向输入接口IB+到所述内部输入总线BUS_I的路径上。反向输出开关S_OB设置在反向输出接口OB+到输出总线BUS_O的路径上。优选地，开关S_IF、S_OF、S_IB、S_OB为隔离开关，即，其控制端与开关的两个触点之间是电隔离的。更为优选地，这些开关可以是光耦、继电器或者其他具有电隔离作用的开关元件。

CPU710能够获得在断路器CBn处的相电流i和线路电压V。与图6类似，CPU710根据该监测到的相电流i和线路电压V确定当前流过断路器CBn的电流方向是否与该断路器CBn的电流参考方向一致。如果一致，则表明为“正向”，否则为“反向”。在“正向”情况下，CPU710控制开关S_IF和S_OF导通而使得开关S_IB和S_OB断开。这时，从IF接口输入的互锁信号能够传递到总线BUS_I，并进而经由输出接口OE传递给ZSI_CBn；而来自输入接口IE的互锁信号得以从OF输出给其他断路器。类似的，在“反向”情况下，CPU710控制开关S_IB和S_OB导通而使得开关S_IF和S_OF关断。这样，从IB接口输入的互锁信号能够传递到总线BUS_I并进而经由输出接口OE传递给ZSI_CBn，而来自输入接口IE的互锁信号得以从OB接口输出给其他断路器。

图7所示的方案中，由于引入了内部总线BUS_I和BUS_O，IF和IB接口能够借用ZSI_CBn内部的输入电路410，而无需在EDP内再搭建单独的输入电路部分。同样的，OF和OB也可以借用ZSI_CBn中的输出电路420，而不必再在EDP内为输出接口另设驱动电路。这也进一步使得EDP_CBn无需象图5那样为各个输入电路520另设独立电源。EDP_CBn700中只需要为CPU710提供3.3V的直流电源。此外，由于采用了两个总线的设计方案，CPU710仅负责确定电流方向并根据电流方向使能或禁用相应的正向接口对或反向接口对，而不必对来自或待送达ZSI_CBn的互锁信号进行中继，这有效地缩短了互锁信号传递过程的延迟时间。由此，图7的EDP_CBn结构简单、体积小、成本低，且可靠、高效。

在图7所示的方案中，相电流i和线路电压V的采集可以从其他设备获得。例如，通过电流互感器（CT）得到相电流i的监测值。通过连接到线路的电压感测电路Div得到线路电压V的监测值。可选地，EDP_CBn可以自行配备有用于监测相电流的CT，以及用于监测线路电压的电压感测电路Div。CT和Div的设计可以采用与ETU_CBn相同的设计。

优选地，EDP_CBn还可以利用CT感应出的电流形成用于为CPU710供电的电源PS_4(例如3.3V电源)。这里CT优选采用铁心电流互感器和罗氏线圈组合在一起的组合式CT，当然也可采用其他设计。利用CT为EDP_CBn供电，可省去不必要的独立的3.3V电源，从而实现EDP_CBn的自供电机制。当然，在实际中，也可以为EDP_CBn中的CPU提供单独的3.3V电源。该3.3V电源可以是电池，也可以是从单独的24V直流电源转换得到的3.3V直流电。

对于图3中位于中间桥位置的联络断路器CB3而言，在正常工作过程中流过CB3的电流很小，而在短路故障时流过CB3的故障电流会很强。因此，联络断路器CB3优选地采用两种方式供电，即线路电压供电和利用流过CB3的电流供电的方式。具体地，如图7所示，优选地，电源PS_4一方面（特别是在故障时）通过CT从流过CB3的电流中获得能量，另一方面（特别是在正常工作时）从线路上直接获得电能。这样，联络断路器的EDP_CB3同样可以实现自供电。由此，图7所示的EDP_CBn不仅结构简单、体积小、成本低，而且可以实现自供电。

图8示例性地示出了图7所示的EDP_CBn在图3所示应用下的具体结构。在图8中，CBn的EDP_CBn之间的连接关系与图3相同，这里不再赘述。下面将分别以故障F1和故障F4为例描述图8中各个EDP_CBn中的操作情况。

假定故障发生在图3所示的故障点F1，则故障电流的流向如图2A所示。CB1的ETU_CB1最先检测到故障，并使得ZSI_CB1中的待输出互锁信号S_{o_x}置为有效。这时EDP_CB1的CPU检测到故障电流方向为反向（Bwd），从而使能反向通道IB/OB，即，导通开关S_IB和S_OB。由此，互锁信号S_{o_x}经由OB接口输出给EDP_CB3。由于此时IF/OF接口对失效，不会收到来自断路器CB3的互锁信号，因此ETU_CB1在延迟最短时间d0后执行脱扣动作并进而关断CB1，以消除故障。CB3的ETU_CB3也检测到有故障发生，而使得ZSI_CB3中的S_{o_x}置为有效。这时，EDP_CB3检测到故障电流方向为正向（Fwd），则相应地导通其开关S_IF和S_OF。由于IF/OF通道被启用，来自EDP_CB1的互锁信号能够从IF接口输入到BUS_I,并进而使得ZSI_CB3中的S_{i_x}置为有效，同时待输出的S_{o_x}也从OF接口输出给CB2的EDP。有效的S_{i_x}将被ETU_CB3检测到，因而ETU_CB3设定延迟时间d1并进入互锁状态。如果，在d1时间内，故障没有消除，则ETU_CB3执行脱扣动作并使得CB3断开。CB2的ETU、ZSI和EDP执行与CB3相同的动作，并进入互锁状态。所不同的是CB2的延迟时间设定为d2，d2>d1。CB4和CB5因无电流流过保持原有的状态不进行任何动作。

如果故障发生在图3所示的故障点F4，则故障电流的流向如图2B所示。CB2和CB3的ETU最先检测到故障，并使得相应的ZSI_CBn（n=2、3）中的待输出互锁信号S_{o_x}置为有效。这时EDP_CB3的CPU检测到故障电流方向为反向（Bwd），从而使能反向通道IB/OB，即，导通开关S_IB和S_OB。由此，互锁信号S_{o_x}经由OB接口输出给EDP_CB1。由于此时IF/OF接口对失效，从而不会向断路器EDP_CB3的IF接口发出任何正向互锁信号。此时，EDP_CB2的CPU检测到故障电流方向为正向（Fwd），因而使能正向通道IF/OF，即，导通开关S_IF和S_OF。由于IF无输入，ETU_CB2在最短延迟时间d0后执行脱扣并进而关断CB2，以消除故障。与此同时，CB4和CB5因无故障电流流过而保持原有状态，因而EDP_CB3不会从EDP_CB5处接收到互锁信号。由此，ETU_CB3也在最短延迟时间d0后执行脱扣并进而关断CB3，以消除故障。在CB1处，EDP_CB1检测到故障电流方向为正向（Fwd），则相应地导通其开关S_IF和S_OF，从而来自EDP_CB3的互锁信号能够从IF接口输入到BUS_I,并进而使得ZSI_CB1中的S_{i_x}置为有效。有效的S_{i_x}将被ETU_CB1检测到，因而ETU_CB1设定延迟时间d1并进入互锁状态。如果，在d1时间内，故障没有消除，则ETU_CB1执行脱扣动作并使得CB1断开，以消除故障。

以上示例性地分析了在故障F1和F4处，根据本发明实施例的EDP_CBn的工作过程。参照类似方式可获得其他故障点情况下根据本发明实施例的各个EDP_CBn的工作过程。通过实验，本发明的发明人还发现由于在图7所示的方案中CPU仅负责启用相应的正向和反向通道，因而DZSI互锁信号在传递过程中的延迟时间得以缩减。

本发明提出的EDP还可以应用于更复杂的配电网络结构中。图9示例性地示出了一种环形配电网拓扑结构。如图9所示，多个电源TMi经由一个断路器CBi.0连接到一个环形的内部电力总线（IP-Bus）的一个节点Ni（i=1、2、3、4）上，节点Ni的两侧各连接有一个联络断路器CBi.1和CBi.2。每个断路器都有其电流参考方向，例如联络断路器的电流参考方向为图中所示的逆时针方向。负载（图中未示出）也连接到该节点Ni上，且在正常工作状态下由其自身的电源TMi供电。当负载自身的电源TMi失效时，该负载可以从内部电力总线上得电。对于该环形网络上的一个节点Ni而言，CBi.0可以分别与两个联络断路器CBi.1和CBi.2通信，联络断路器CBi.1和CBi.2又可以进一步和与之连接的其他联络断路器通信。图9中还以节点2为例示出节点附近的三个可能故障点F1、F2和F3。

对于图9所示的环网结构，每个CB也均配备有一个如图4-7中任一所示的EDP。各个相邻CB的EDP接口的连接方式如图9所示。以节点N2为例，与图3所示情况类似，EDP_CB2.0的IF接口和OB接口依次连接到EDP_CB2.2的OB接口和IF接口。依照电流参考方向，EDP_CB2.2和EDP_CB2.1的正向接口IF和OF彼此相连，反向接口OB和IB也彼此相连。图9中的每个EDP按照前述如图4所示的工作方式工作，即可实现在该环网拓扑下的DZSI，这里不再重复。

本领域技术人员可以理解的是本发明提出的EDP结构不仅可以应用在图3和图9所示出的H桥结构和环网结构中，其还可以应用在其他网络拓扑结构下。

本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种改变和修改，这些改变和修改都应当落在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种用于使得配电网络中的一个断路器(CBn)实现方向性的区域选择互锁(ZSI)的保护装置(EDP_CBn)，其中，所述断路器(CBn)连接有能够接收或发送互锁信号的接口单元(ZSI_CBn)，所述保护装置(EDP_CBn)包括：

第一接口对(IE/OE)，包括第一输入接口(IE)和第一输出接口(OE)，所述第一输入接口(IE)从所述接口单元(ZSI_CBn)接收待发送给至少一个其他断路器的第一互锁信号，所述第一输出接口(OE)将所述保护装置(EDP_CBn)从至少一个其他断路器接收到的第二互锁信号发送给所述接口单元(ZSI_CBn)；

正向接口对(IF/OF)，用于传递所述第一和第二互锁信号，其包括能够分别连接到所述配电网络中的至少一个其他断路器的正向输入接口(IF)和正向输出接口(OF)；

反向接口对(IB/OB)，包括能够分别连接到所述配电网络中的至少一个其他断路器的反向输入接口(IB)和反向输出接口(OB)；

控制单元(CTRL)，配置成在当前流过所述断路器(CBn)的电流方向与一预定电流参考方向一致时，使能所述正向接口对(IF/OF)而让所述反向接口对(IB/OB)失效，从而经由所述正向输入接口(IF)接收到的第二互锁信号能够传送到所述第一输出接口(OE)且所述第一互锁信号能够从所述正向输出接口(OF)发出；不一致时，使能所述反向接口对(IB/OB)而让所述正向接口对(IF/OF)失效，从而经由所述反向输入接口(IB)接收到的第二互锁信号能够被传送到所述第一输出接口(OE)且所述第一互锁信号能够从所述反向输出接口(OB)发出。

2.如权利要求1所述的保护装置，其中，所述控制单元(CTRL)包括：

一个内部输入总线(BUS_I)，配置成连接到所述第一输出接口(OE)、正向输入接口(IF)以及反向输入接口(IB)，以传送所述第二互锁信号；

正向输入开关(S_IF)，其为隔离开关，设置在所述正向输入接口(IF)到所述内部输入总线(BUS_I)的至少一个路径上；

反向输入开关(S_IB)，其为隔离开关，设置在所述反向输入接口(IB)到所述内部输入总线(BUS_I)的至少一个路径上；

处理器(CPU 610，CPU 710)，配置成在当前流过所述断路器(CB)的电流方向与所述电流参考方向一致时，导通所述正向输入开关(S_IF)而关断所述反向输入开关(S_IB)，否则，导通所述反向输入开关(S_IB)而关断所述正向输入开关(S_IF)。

3.如权利要求2所述的保护装置，所述控制单元(CTRL)还包括：

一个内部输出总线(BUS_O)，配置成连接到所述第一输入接口(IE)、正向输出接口(OF)以及反向输出接口(OB)，以传送第一互锁信号；

正向输出开关(S_OF)，其为隔离开关，设置在所述正向输出接口(OF)到所述内部输出总线(BUS_O)的至少一个路径上；

反向输出开关(S_OB)，其为隔离开关，设置在所述反向输出接口(OB)到所述内部输出总线(BUS_O)的至少一个路径上；

所述处理器(CPU 710)还配置成在当前流过所述断路器(CBn)的电流方向与所述预定电流参考方向一致时，导通所述正向输出开关(S_OF)而关断所述反向输出开关(S_OB)，否则导通所述反向输出开关(S_OB)而关断所述正向输出开关(S_OF)。

4.如权利要求2或3所述的保护装置，其中，所述隔离开关为光耦。

5.如权利要求2或3所述的保护装置，其中，所述处理器(CPU 710)根据检测到的相电流(i)和线路电压(V)确定当前流过所述断路器的电流方向，且

所述保护装置(EDP_CBn)还包括：

电流互感器(CT)，用于检测所述相电流(i)；

电压感测电路(Div)，用于检测所述线路电压(V)。

6.如权利要求5所述的保护装置，其中，所述处理器(CPU 710)由所述电流互感器(CT)供电。

7.如权利要求5所述的保护装置，其中，所述处理器(CPU 710)由所述线路电压供电、或者由所述线路电压和所述电流互感器(CT)供电。

8.如权利要求6或7所述的保护装置，其中，所述电流互感器(CT)包括铁心电流互感器和罗氏线圈。

9.一种断路器设备，包括：

断路器(CBn)，用于导通或断开供电线路；

电子脱扣单元(ETU_CBn)，用于监测流过断路器的电流并控制断路器的通、断，其包括一个接口单元(ZSI_CBn)，用于接收或输出互锁信号；

如权利要求1-8中任一所述的用于实现方向性区域选择互锁的保护装置(EDP_CBn)。

10.如权利要求9所述的断路器设备，其中，所述保护装置(ETU_CBn)的正向接口对和反向接口对中的至少一个接口连接到另一个断路器设备的保护装置的接口。