CN104600691B - 远供电源系统及电缆短路时防止越级保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种远供电源系统及电缆短路时防止越级保护方法。该远供电源系统包括两个供电点和至少两个用电点，其中每个所述用电点包括远端控制器、远端电源和用电设备，所述两个供电点的局端电源分别通过传输电缆及各个远端控制器的控制开关并联。当传输电缆中的某一点出现短路时，由于各级远端控制器的过流保护阀值相同，利用储能电容提供的额外电流，结合反时限特性，以防止越级保护的出现。由上可知，本发明能够在远供电源系统中的传输电缆发生单点短路时，减少越级保护发生的概率，并且保障所有用电设备的供电不受到影响。

Description

远供电源系统及电缆短路时防止越级保护方法

技术领域

本发明涉及电力领域，特别地，涉及直流远供电源系统及电缆短路时防止越级保护方法。

背景技术

目前，在通信行业、视频监控、铁路区间通信等领域大量使用直流远供电源系统。现有的直流远供电源系统在组成点对多点链型分布供电网络时，通常是以局端电源为供电点，通过传输电缆将局端电源输出的较高直流电压提供至各分布式远端电源，再由远端电源将输入电压转换为用电设备适用电压而为用电设备供电，如图1所示。

参见图1，在各用电点还配置了用于过流保护的断路器，断路器的过流保护动作值逐级减小。一旦传输电缆上的任意一点发生短路故障，该短路点之后的各用电点均失去供电。更严重的是，短路电流可能超过了多个级别的断路器的过流保护动作值，从而发生越级保护，即该短路点之前的多个用电点也失去供电。此外，由于各个级别的断路器采用不同的过流保护动作值，从而导致断路器的工程设计与施工非常复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种远供电源系统及电缆短路时防止越级保护方法，不但能够保障在传输电缆发生单点短路时用电设备的供电不受影响，而且消除越级保护现象的发生。

一方面，本申请一种远供电源系统，包括：两个供电点和至少两个用电点，其中每个用电点包括远端控制器、远端电源和用电设备，并且远端控制器与远端电源连接、远端电源和用电设备连接、远端控制器与传输电缆连接；两个供电点的局端电源的输出通过传输电缆及各个远端控制器的控制开关并联。

其中，远端控制器包括控制开关、控制电路、至少一个电流检测电 路、两个隔离二极管和至少一个储能电容，其中控制开关与至少一个电流检测电路均与控制电路连接，且控制开关和至少一个电流检测电路分别配置在传输电压的正极或负极，两个隔离二极管分别连接在控制开关的两端，至少一个储能电容跨接在传输电压的正极与负极之间。

可选地，电流检测电路中采用电阻、霍尔电流传感器或电流互感器作为电流传感器。

可选地，控制开关采用以下开关器件之一或多种：金属-氧化层半导体场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、半导体三极管、可控硅晶闸管、可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管、MOS控制型晶闸管、双向可控硅、逆导晶闸管、CoolMOS、静态感应晶体管、静电感应晶闸管、继电器、接触器。

可选地，控制电路采用以下集成器件之一或多种：比较器、运算放大器、单片机、数字信号处理、逻辑电路、现场可编程门阵列、复杂可编程逻辑器件。

可选地，远端控制器包括两个或多个储能电容，两个或多个储能电容跨接在控制开关两端的传输电压的正极与负极之间。

可选地，控制开关配置在远端控制器与传输电缆相连接的两个输电端口之间，并且控制开关在常态时闭合。

另一方面，提出了一种电缆短路时防止越级保护方法，应用于远供电源系统中。

其中，防止越级保护方法，包括以下步骤：

设置各级远端控制器的过流保护阀值相同，各级远端控制器的过流保护动作具有相同的反时限特性；

当传输电缆发生短路时，各级远端控制器的储能电容提供额外电流，各级远端控制器的电流检测电路检测短路电流；

最接近短路点的远端控制器中的电流检测电路检测到的短路电流超出过流保护阀值最多；

最接近短路点的远端控制器中控制开关断开。

其中，由于储能电容提供额外电流，使得靠近短路点的远端控制器的电流值高于远离短路点的远端控制器的电流值。

由上可知，根据本发明的远供电源系统及电缆短路时防止越级保护方法，能够在远供电源系统中的传输电缆发生单点短路时，减少越级保护发生的概率，并且保障所有用电设备的供电不受到影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的直流远供电源系统的电路结构图。

图2为根据本发明的直流远供电源系统的电路结构图。

图3为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的一个实施例。

图4为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。

图5为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。

图6为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。

图7为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。

图8为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。

图9为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的电路实现图。

具体实施方式

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的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明旨在解决在现有的直流远供电源系统中，当传输电缆发生单点短路时，所导致的整个系统的用电设备停电以及如何消除发生越级保 护现象的问题。

参见图2，根据本发明的远供电源系统包括两个供电点，即第一供电点(供电点1)和第二供电点(供电点2)。本发明的远供电源系统正常运行时，该两个供电点的局端电源的输出通过传输电缆及各个远端控制器的控制开关并联，且第一供电点和第二供电点均具有为全部用电点(用电点1、用电点2、……用电点N，其中N大于等于2)供电的能力。应该理解，本文中的两个供电点可以是部署在不同位置的两台电源设备，也可以是指同一台电源设备的两个输出端口。

可以理解，在两个供电点之间具有至少两个用电点。每个用电点包括远端控制器、远端电源和用电设备，远端控制器与远端电源连接，远端电源和用电设备连接。其中，远端控制器与传输电缆连接，并实时监测流经该段传输电缆的电流值。这里，远端控制器与远端电源可以集成为一个部件。

具体而言，远端控制器具有与传输电缆相连接的两个输电端口，该两个输电端口之间配置有一个控制开关，该控制开关在常态时闭合，此时两个输电端口直接连通。也就是说，两个供电点的局端电源在常态时输出经由传输电缆并联，共同为所有的用电点设备供电。在控制开关两端，各连接一个二极管，组成“或”逻辑隔离二极管为本地输出口供电，即在控制开关两端任意一端有电，本地输出口就有电。该隔离二极管既可使用独立二极管，或者控制开关内部包含可用的二极管结构时，该隔离二极管也可使用开关器件内部的二极管结构，例如金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)器件的体二极管，绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)中的保护二极管等。此外，在远端控制器中还配置有至少一个储能电容，该至少一个储能电容跨接在传输电压的正极与负极之间，其中该传输电压均通过与远端控制器连接的传输电缆提供。

当传输电缆中的某一点出现短路时，流经该短路的传输电缆中的电流会瞬时升高。于是，在远端控制器的电流检测电路监测到流经该传输电缆的电流值大于其过流保护阈值时，则该远端控制器中的控制电路指 示控制开关断开，从而实现故障隔离。虽然该远端控制器的控制开关断开，但是由于远端电源仍然通过隔离二极管、分别连接在控制开关两侧的传输电缆中，因此仍可以从第一供电点与第二供电点中的一个中获得供电。例如，如图2所示，为本地用电设备供电的远端电源的输入端口分别通过隔离二极管同时从控制开关的两端取电，只要任意一端有电就可以为本地负载供电，故本地用电设备的供电不受控制开关状态的影响。

远端控制器包括控制电路、控制开关、至少一个电流检测电路、两个隔离二极管和至少一个储能电容。其中，当控制开关为由如MOSFET的开关器件组成的双向控制开关时，隔离二极管可采用控制开关中的二极管。当控制开关由两个同步动作的分开关组成时，可以在该两个分开关之间的传输电压的正极与负极之间跨接一个或多个储能电容。或者，也可以在控制开关两端的传输电压的正极与负极之间分别跨接两个或多个储能电容。

具体而言，控制开关与电流检测电路均与控制电路连接，控制开关和电流检测电路可以分别配置在传输电压的正极或负极。电流检测电路检测传输电缆中的电流值，并将检测到的电流值提供给控制电路，当检测到的电流值超出了过流保护阈值时，控制电路使得控制开关断开。

这里，储能电容的作用是：在电缆短路时，提供除局端电源的输出电流以外的额外电流，从而在各级远端控制器形成不同的短路电流。在本发明中，各级远端控制器的过流保护阀值相同，由于远端控制器的保护动作时间具有反时限特性(即超过阀值越多，保护动作越快)，以及储能电容提供的短路电流使得越靠近短路点的短路电流越大，当不同的电流值与反时限特性相配合，以达到防止越级保护的目的。

由此，根据本发明的直流远供电源系统能够在传输电缆发生单点短路时，减少越级保护发生的概率，并且保障所有用电设备的供电不受到影响。

可以理解，由于远供电源系统中具有多个用电点，当传输电缆中某一点发生短路时，应保证最接近该短路点的远端控制器中的控制开关断开，才能保证线路中的所有用电点的供电不受影响。如果发生越级保护， 即非最接近该短路点的远端控制器中的控制开关断开，那么其间的用电点就无法获得供电。因此如何消除越级保护对于确保整个系统的供电是非常重要的问题。

在本发明中，各级远端控制器的过流保护阀值均被设定为相同。在传输电缆中发生单点短路时，远端控制器中的储能电容均释放额外电流，使得越靠近短路点的短路电流越大。此外，由于远端控制器的保护动作时间具有反时限特性，从而保证最接近该短路点的远端控制器中的控制开关最先断开。

就某一个远端控制器而言，在传输电缆中发生单点短路时，储能电容释放出额外电流，同时电流检测电路一直检测传输电缆中的电流，由于流经最接近该短路点的远端控制器的短路电流超过过流保护阀值最多，因此控制电路使得控制开关最先断开。这样，确保了最接近该短路点的远端控制器中的控制开关断开，进而确保所有用电设备的供电不受到影响。

综上所述，具体流程如下：

1、传输电缆中发生单点短路；

2、由于储能电容的额外补偿，使得越靠近短路点的远端控制内部电路检测电路所流过的电流越大(均超过过流保护阀值)；

3、所有远端控制器的保护特性都是一致的，都具有反时限特性，既超过电流阀值最多的远端控制器将率先执行保护动作，当该远端控制器保护后(控制开关将短路的传输电缆与未短路的传输电缆隔离)，流过连接于未短路的传输电缆上远端控制器中的电流值回落到正常值(小于过流保护阀值)，故这些远端控制器将不会进行保护。

由此，根据本发明的电缆短路时防止越级保护方法能够在远供电源系统中的传输电缆发生单点短路时，减少越级保护发生的概率，并且保障所有用电设备的供电不受到影响。

在图3示出的远端控制器的第一实施例中，第一电流检测电路(电流检测1)和第二电流检测电路(电流检测2)配置在传输电压的负极，且连接至控制电路；由两个同步动作的分开关组成的控制开关配置在传 输电压的正极，且连接至控制电路；储能电容跨接在两个分开关之间的传输电压的正、负极两端；控制开关两侧传输电缆分别通过隔离二极管向远端电源和用电设备提供单向供电。假设第一电流检测电路所检测到的电流值为I1，第二电流检测电路所检测的电流值为I2，过流保护的电流阈值为It，那么控制电路通过下表1中的控制逻辑来确定控制开关的开闭。这里，电流检测电路可以采用电阻、霍尔电流传感器、电流互感器等作为电流传感器。

表1控制逻辑

I1	I2	控制开关
			|I1|＜It	|I2|＜It	闭合
|I1|≥It	|I2|＜It	断开
			|I1|＜It	|I2|≥It	断开
|I1|≥It	|I2|≥It	断开

图4示出了图3所示的远端控制器的替代实施例。在图4中，其与图3所示的远端控制器的不同之处在于第一电流检测电路和第二电流检测电路也配置在传输电压的正极。容易理解，控制开关或者电流检测电路可以设置在传输电压的正极与负极的任何一者上。可以理解，为了简化远端控制器的结构，可以将电流检测电路的个数由2个减少为1个。

图5示出了远端控制器的又一实施例。在图5中，其与图4所示的远端控制器的不同之处在于两个储能电容分别跨接在控制开关两端的传输电压的正、负极之间。

图6示出了远端控制器的又一实施例。在图6中，其与图5所示的远端控制器的不同之处在于第一电流检测电路和第二电流检测电路配置在传输电压的负极。

图7示出了远端控制器的又一实施例。在图7中，两个储能电容分别跨接在远端控制器的两个输电端口的传输电压的正、负极之间。

图8示出了远端控制器的又一实施例。在图8中，其与图5所示的远端控制器的不同之处在于第一电流检测电路和第二电流检测电路配置在传输电压的正极。

此外，控制开关可以采用以下开关器件之一或多种：MOSFET、IGBT、 半导体三极管(如，双极型功率晶体管(BJT/GTR，Bipolar Junction Transistor/Giant Transistor))、可控硅晶闸管(SCR，Silicon Controlled Rectifier)、可关断晶闸管(GTO，Gate Turn-Off Thyristor)、集成门极换流晶闸管(IGCT，Integrated Gate Commutated Thyristors)、电子注入增强栅晶体管(IEGT，Injection Enhanced Gate Transistor)、MOS控制型晶闸管(MCT，MOS Controlled Thyristor)、双向可控硅(TRIAC，TRI-ELECTRODE AC SWITCH)、逆导晶闸管(RCT，Reverse-Conducting Thyristir)、CoolMOS、静态感应晶体管(SIT，Static Induction Transistor)、静电感应晶闸管(SITH，Static Induction Thyristor)、继电器、接触器。或者，进一步地，控制电路可以采用集成器件，例如比较器、运算放大器、单片机(MCU，Micro Control Unit)、数字信号处理(DSP，Digital Signal Process)、逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA，Field－Programmable Gate Array)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)。

此外，还提供了远端控制器的不同实施例。

其中，控制开关分别采用MOSFET和IGBT。容易理解，当控制开关为如IGBT、MOSFET等开关器件时，由于这些器件内部具有体二极管、保护二极管或续流二极管，因此可以取代图3至图8所示的远端控制器中的隔离二极管。

为了说明，本发明提供了远端控制器的一个具体实现电路图，如图9所示。

参见图9，其中Q1、Q2两个MOSFET组成控制开关，+12V通过电阻R1限流为其提供驱动电压，在保护时驱动电压由光耦U3关闭，R8为U3的限流电阻。D1、D2为本地输出端口的隔离二极管，组成“或”逻辑供电电路，从由Q1和Q2组成的控制开关的两端取电，使得本地供电不受控制开关状态影响。R9、R10为两个电流采样电阻，两路采样电流分别输入由U1B、U1C、R2、R3、R6、D3、D4和U2B、U2C、R4、R5、R7、D8、D9组成的两个绝对值电路进行整流。两路整流后的电压分别经过由R13、C2和R14、C3积分电路后再分别进入U1A、D5和U2A、D10组成的两个带 有保持功能的比较电路与基准电压Vref进行比较。两个比较电路的输出通过二极管D6、D7组成“或”逻辑电路驱动光耦U3。R11和R12组成基准电压Vref的分压电路。C1为储能电容，电缆发生短路时提供额外电流。U1A、U1B、U1C、U2A、U2B、U2C均为运算放大器。R2、R3、R4、R5、R6、R7均为电阻。D3、D4、D5、D8、D9、D10为二极管。

积分电路与比较电路共同配合具有反时限特性(两路整流后的电压值超过基准电压Vref值越多，积分电容C2、C3上电压达到2.5V速度越快，比较器翻转速度越快)。

远端控制器的工作逻辑为：R9，R10两个电流采样电阻中任意一个或两个的电流绝对值超过动作阀值，那么由Q1和Q2组成的控制开关断开并一直保持断开状态。

由上可知，根据本发明的远供电源系统能够在远供电源系统中的传输电缆发生单点短路时，减少越级保护发生的概率，并且保障所有用电设备的供电不受到影响。

以上对本发明的直流远供电源系统电缆短路故障隔离方法进行了详细说明。下面，将结合具体附图，说明本发明如何实现电缆短路时防止越级保护方法。

仍然参照图2。假设用电点2与用电点3之间传输电缆上发生短路，在执行过流保护动作以前，流过各远端控制器的电流情况如下：

A.用电点1的远端控制器电流值为第一供电点(即供电点1)的局端电源的输出电流加上用电点1的储能电容的输出电流，这里，用电点1的储能电容的输出电流是指用电点1的远端控制器中全部储能电容的输出电流总和；

B.用电点2的远端控制器电流值为第一供电点(即供电点1)的局端电源的输出电流加上用电点1的储能电容的输出电流与用电点2的储能电容的输出电流，同理，用电点2的储能电容的输出电流是指用电点2的远端控制器中全部储能电容的输出电流总和；

C.用电点3的远端控制器电流值为第二供电点(即供电点2)的局端电源输出电流加上用电点3至用电点N的储能电容的输出电流的总和；

D.用电点M(3<M<N)的远端控制器电流值为第二供电点(即供电点2)的局端电源输出电流加上用电点M至用电点N的储能电容的输出电流的总和；

E.用电点N的远端控制器电流值为第二供电点(即供电点2)的局端电源输出电流加上用电点N的储能电容的输出电流。

为了方便说明，假设每个用电点(即用电点1至用电点N)的远端控制器中的储能电容的总容量相等，取值为z安(A)；假设第一供电点(即供电点1)的局端电源输出电流为x安(A)，第二供电点(即供电点2)的局端电源输出电流为y安(A)。那么，当用电点2与用电点3之间传输电缆上发生短路时，用电点1的远端控制器电流值为x+z，用电点2的远端控制器电流值为x+2z，用电点3的远端控制器电流值为y+(N-2)*z，用电点M的远端控制器电流值为y+(N-M+1)*z，用电点N的远端控制器电流值为y+z。

显然，用电点2的远端控制器电流值＞用电点1的远端控制器电流值，用电点3的远端控制器电流值＞用电点M的远端控制器电流值＞用电点N远端控制器电流值。

由于过流保护动作的反时限特性，用电点2的远端控制器的控制开关将先于用电点1的远端控制器的控制开关断开；用电点3的远端控制器的控制开关将先于用电点M的远端控制器的控制开关断开；用电点M的远端控制器的控制开关将先于用电点N的远端控制器的控制开关断开。

当用电点2的远端控制器的控制开关断开后，流过用电点1的远端控制器的电流恢复为正常值，不会产生断路保护动作；当用电点3的远端控制器的控制开关断开后，流过用电点N的远端控制器的电流恢复为正常值，不会产生断路保护动作。

于是，电缆短路时防止越级保护的结果为：用电点2和用电点3的远端控制器的控制开关断开，其他远端控制器的控制开关正常接通，不会发生越级保护现象。此外，由于隔离二极管的作用，用电点2和用电点3的远端控制器的本地用电输出也未停止，从而保障了所有用电点正 常供电。

由上可知，根据本发明的远供电源系统及电缆短路时防止越级保护方法，能够在远供电源系统中的传输电缆发生单点短路时，减少越级保护发生的概率，并且保障所有用电设备的供电不受到影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种远供电源系统，包括：两个供电点和至少两个用电点，其中每个所述用电点包括远端控制器、远端电源和用电设备，并且所述远端控制器与所述远端电源连接、所述远端电源和所述用电设备连接、所述远端控制器与传输电缆连接；所述两个供电点的局端电源的输出通过传输电缆及各个远端控制器的控制开关并联，其特征在于，所述远端控制器包括所述控制开关、控制电路、至少一个电流检测电路、两个隔离二极管和至少一个储能电容，其中所述控制开关与所述至少一个电流检测电路均与所述控制电路连接，且所述控制开关和所述至少一个电流检测电路分别配置在传输电压的正极或负极，所述两个隔离二极管分别连接在控制开关的两端，所述至少一个储能电容跨接在传输电压的正极与负极之间。

2.根据权利要求1所述的远供电源系统，其特征在于，所述电流检测电路中采用电阻、霍尔电流传感器或电流互感器作为电流传感器。

3.根据权利要求1所述的远供电源系统，其特征在于，所述控制开关采用以下开关器件之一或多种：金属-氧化层半导体场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、半导体三极管、可控硅晶闸管、可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管、MOS控制型晶闸管、双向可控硅、逆导晶闸管、CoolMOS、静态感应晶体管、静电感应晶闸管、继电器、接触器。

4.根据权利要求1所述的远供电源系统，其特征在于，所述控制电路采用以下集成器件之一或多种：比较器、运算放大器、单片机、数字信号处理器、逻辑电路、现场可编程门阵列、复杂可编程逻辑器件。

5.根据权利要求1所述的远供电源系统，其特征在于，所述远端控制器包括两个或多个储能电容，所述两个或多个储能电容跨接在所述控制开关两端的传输电压的正极与负极之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的远供电源系统，其特征在于，所述控制开关配置在所述远端控制器与传输电缆相连接的两个输电端口之间，并且所述控制开关在常态时闭合。

7.一种电缆短路时防止越级保护方法，应用于如权利要求1至6中任一项所述的远供电源系统。

8.如权利要求7所述的防止越级保护方法，包括以下步骤：

设置各级远端控制器的过流保护阀值相同，各级远端控制器的过流保护动作具有相同的反时限特性；

当传输电缆发生短路时，所述各级远端控制器的储能电容提供额外电流，所述各级远端控制器的电流检测电路检测短路电流；

最接近短路点的远端控制器中的电流检测电路检测到的短路电流超出所述过流保护阀值最多；

最接近短路点的远端控制器中控制开关断开。

9.如权利要求8所述的防止越级保护方法，其中由于储能电容提供额外电流，使得靠近短路点的远端控制器的电流值高于远离短路点的远端控制器的电流值。