CN107666141B - 一种用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，保护装置的输入端连接直流电源，输出端连接直流负载；其包括双管正激DC/DC变换器、单片机控制电路、输出二极管以及检测电路；双管正激DC/DC变换器的输入端连接直流电源，双管正激DC/DC变换器的输出端通过输出二极管连接直流负载；单片机控制电路连接双管正激DC/DC变换器的驱动端；检测电路包括直流正母线交流信号采样电路和直流负母线交流信号采样电路，直流正母线交流信号采样电路的采样端连接双管正激DC/DC变换器输出电压正极侧的输出二极管，直流负母线交流信号采样电路的采样端连接双管正激DC/DC变换器输出电压负极侧的输出二极管，检测电路将采集到的输出电压正负母线上的交流窜入直流正和/或负电压信号传输给单片机控制电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，属于直流配电系统中交直流串线故障检测技术领域。
背景技术
直流系统常应用于各类变电站以及火力、水力发电厂等需要使用直流设备的地方，是电力二次系统的重要组成部分，是电力系统控制和保护的基础，同时也是确保事故能得到快速处理的保障。在直流配电系统中，交流回路和直流回路是两个相互独立的系统，交流回路一般是接地系统，而直流回路是浮地，由于现场人为误操作或雨水进入配电箱，会造成交流的火线或零线与直流系统的正或负母线连接，即发生交直流串线故障。
当发生交直流串线故障时，就会造成直流系统接地，如果接地发生在直流正极，就会造成保护发生误动的可能；如果保护发生在直流负极，就会造成保护发生拒动的可能；另外，交直流电压叠加于直流跳闸回路的中间继电器两端，其幅值远超过中间继电器的动作电压，因此就会出现周期性的继电器抖动或光电隔离信号的动作。
由于交直流串线会造成直流系统发生接地故障，故现有的直流系统交直流串线的解决方法可以通过便携式的接地故障查找仪来查找接地故障，但是由于查找仪的兼容性低和抗干扰能力差的因素，会造成接地故障的误报，而且对于接入直流母线上的任何导线都要查找，工程量大，时效性差，交直流串线故障难以分辨和精确查找；另外，也可以用短接试验线来识别交流电和直流电，分析交直流串线，但无法避免误碰的错误；另外，这些仪器或方法即使能查找到交直流串线故障，但是无法限制和隔离故障，故障现象会进一步扩大到整个直流配电系统，影响系统的正常运行。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，该保护装置不仅能够准确检测出直流母线上的交直流串线故障，而且还能将故障隔离在对应直流负载支路，不会对其它直流负载支路或直流电源母线侧造成影响。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，所述保护装置的输入端连接直流电源，输出端连接直流负载；其包括双管正激DC/DC变换器、单片机控制电路、输出二极管以及检测电路；所述双管正激DC/DC变换器的输入端连接直流电源，双管正激DC/DC变换器的输出端通过输出二极管连接直流负载；所述单片机控制电路连接双管正激DC/DC变换器的驱动端；所述检测电路包括直流正母线交流信号采样电路和直流负母线交流信号采样电路，直流正母线交流信号采样电路的采样端连接双管正激DC/DC变换器输出电压正极侧的输出二极管，直流负母线交流信号采样电路的采样端连接双管正激DC/DC变换器输出电压负极侧的输出二极管，所述检测电路将采集到的输出电压正负母线上的交流窜入直流正和/或负电压信号传输给单片机控制电路。
进一步优选，所述保护装置可多个并联设置，多个并联的保护装置的输入端均与直流电源连接，多个并联的保护装置的输出端分别通过各自的输出二极管连接不同的直流负载支路。
进一步优选，还包括RS-485通讯接口和人机交互界面，RS-485通讯接口和人机交互界面分别与单片机控制电路连接。
进一步优选，所述直流电源为蓄电池组，所述蓄电池组由18节12V、100Ah的铅碳电池串联组成。
进一步优选，所述双管正激DC/DC变换器内有高频隔离变压器；双管正激DC/DC变换器中MOS管的型号为FQA28N50。
进一步优选，所述单片机控制电路中dsPIC单片机的型号为dsPIC30F2023，包括交流窜入直流正母线电压采样口AN3、交流窜入直流负母线电压采样口AN4，用来控制双管正激DC/DC变换器两个MOS管的PWM1、PWM2信号输出端口以及AD采样端口AN0、AN1和AN2，AN0、AN1、AN2分别采集双管正激DC/DC变换器的输入电压、输出电压以及输出电流。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置不仅能够准确检测出直流母线上的交直流串线故障，还能及时对故障进行报警以及对故障信息进行上传；并且还能使窜入直流负载支路的交流电不能向直流母线侧和其他直流负载支路上传播，即能将故障隔离在对应直流负载支路，不会对其它直流负载支路或直流电源母线侧造成影响，从而实现了故障的隔离。
附图说明
图1为本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置的系统原理图；
图2为本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置中双管正激DC/DC变换器的电路图；
图3为本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置中单片机控制电路的电路原理图；
图4为本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置中检测电路的电路原理图；
图5为多个交直流串线故障检测与保护装置并联的结构原理图；
图6为本发明装置的单片机控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，该保护装置的输入端连接直流电源(蓄电池组)，输出端连接直流负载；其包括双管正激DC/DC变换器、单片机控制电路、输出二极管以及检测电路；双管正激DC/DC变换器的输入端连接直流电源，双管正激DC/DC变换器的输出端通过输出二极管连接直流负载；单片机控制电路连接双管正激DC/DC变换器的驱动端；检测电路包括直流正母线交流信号采样电路和直流负母线交流信号采样电路，直流正母线交流信号采样电路的采样输入端通过输出二极管连接双管正激DC/DC变换器的输出电压正极，直流负母线交流信号采样电路的采样输入端通过输出二极管连接双管正激DC/DC变换器的输出电压负极，检测电路将采集到的双管正激DC/DC变换器的输出电压正极交流窜入直流正负电压信号传输给单片机控制电路；本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置还包括RS-485通讯接口和人机交互界面，RS-485通讯接口和人机交互界面分别与单片机控制电路连接，RS-485通讯接口还与外部的触摸屏相连；当有交流电压窜入直流正负母线时，通过检测电路检测交流窜入直流正负母线电压，送到单片机控制电路进行数据处理，单片机控制电路一方面通过SPI通讯接口送到显示屏(人机交互界面)进行显示，给出交直流串线报警信号，进行就地显示；一方面还可通过RS-485通讯接口进行故障信息的远程上传，实现远程监控；同时单片机控制电路通过PWM1、PWM2两个驱动控制信号来控制双管正激DC/DC变换器两个MOS管的工作状态，从而实现对交直流串线故障的隔离。
其中，蓄电池组由18节12V、100Ah的铅碳电池串联组成。本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置采用数字PID控制技术，通过单片机控制电路实现对双管正激DC/DC变换器的控制和交直流串线故障的检测、报警以及信息上传。
如图2所示，双管正激DC/DC变换器采用单片机控制电路作为其控制器，Uin为输入电压，Uo为输出电压，L为电感，T为高频隔离变压器，C1、C2为滤波电容，功率管Q1、Q2选用MOS管，MOS管的型号为FQA28N50；PWM1、PWM2由单片机控制电路给出2个互补的驱动控制信号，D1、D2为续流二极管，选用快恢复的二极管，整流二极管D3、D4选用快恢复二极管。
参见图3，单片机控制电路原理图，单片机控制电路中dsPIC单片机的型号为dsPIC30F2023，Ui为输入电压，Uo为输出电压采样，Io为输出电流，CT0、CT表示电流互感器，Y表示晶振，C1、C2为晶振电容，R1、R2、R3、R4为电压采样电阻，T1和T2为温度采样端口，AN3、AN4为交流窜入直流正负母线电压采样端口，其采样输入电压来自图4中的交流窜入直流正负采样电压，单片机的PWM1、PWM2信号用来控制双管正激DC/DC变换器的两个MOS管，单片机的AD采样端口AN0、AN1、AN2分别采集双管正激DC/DC变换器的输入电压、输出电压以及输出电流；单片机的485A和485B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。
参见图4，交直流串线检测电路原理图，直流220V的电源为双管正激DC/DC变换器的输出电压，在输出电压正负母线上分别加装一个输出二极管(隔离二极管)，此输出二极管即为图1中的输出二极管，输出二极管选用普通的整流二极管；检测电路检测的就是双管正激DC/DC变换器输出电压正负母线上是否串入交流电，当有交流电串入时，等效为交流电源与直流电源并联；C1、R1为直流正母线交流信号采样电容电阻，C2、R2为直流负母线交流信号采样电容电阻，R3、R4、R5、R6分别为限流电阻；Tr1和Tr2为电压互感器，用来采样交流电压；AC220V是用来模拟交流窜入信号；交流采样电压通过电压抬升电路(+2.5V)、正负限压电路(D3、D4、D5和D6)、运放放大与滤波电路(U1A、R7、C5和U1B、R9、C6)、单片机端口保护电路(D7和D8)最终实现交流窜入直流正负电压的采样，检测电路将交流窜入直流正负电压信号送到图3中AN3和AN4端口。
图6可知，本发明用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置的工作过程：本发明保护装置串联于直流电源(蓄电池组)与直流负载之间，在各模块及各参数初始化之后，保护装置起动；起动完成后，单片机控制电路通过自身的AD采样单元采集双管正激DC/DC变换器输入电流、输出电压和输出电流、交流窜入直流正或负电压，进行相关的逻辑、数据处理和数据运算；当有交流电压窜入直流正母线时，通过检测电路检测交流窜入直流正母线电压，送到单片机进行数据处理，单片机采样的AD值减去直流偏置电压(2.5V直流偏置电压对应的AD值)得到窜入的交流正弦波的瞬时值，交流电压一个周期的时间是20ms，一个周期单片机采样100个点，连续采样3个周期的数据，进行交流窜入电压有效值的计算，此数据通过SPI通讯送到显示屏进行显示，同时给出交直流串线报警信号，进行就地显示；也可以通过RS485通讯进行故障信息的远程上传，实现远程监控。
如图5所示，本发明保护装置可多个并联设置，多个并联的保护装置的输入端均与直流电源连接，多个并联的装置的输出端分别通过输出二极管对应连接不同的直流负载支路，由于保护装置中双管正激DC/DC变换器具有高频隔离变压器，因此交直流串线故障不会传递到蓄电池母线侧，也不会传递到其他的直流负载支路，最终把故障限制在本支路，实现了交直流串线故障的快速定位和精确选线。
Claims (4)
1.一种用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，其特征在于：所述保护装置的输入端连接直流电源，输出端连接直流负载；其包括双管正激DC/DC变换器、单片机控制电路、输出二极管以及检测电路；所述双管正激DC/DC变换器的输入端连接直流电源，双管正激DC/DC变换器的输出端通过输出二极管连接直流负载；所述单片机控制电路连接双管正激DC/DC变换器的驱动端；所述检测电路包括直流正母线交流信号采样电路和直流负母线交流信号采样电路，直流正母线交流信号采样电路的采样端连接双管正激DC/DC变换器输出电压正极侧的输出二极管，直流负母线交流信号采样电路的采样端连接双管正激DC/DC变换器输出电压负极侧的输出二极管，所述检测电路将采集到的输出电压正负母线上的交流窜入直流正和/或负电压信号传输给单片机控制电路；所述保护装置可多个并联设置，多个并联的保护装置的输入端均与直流电源连接，多个并联的保护装置的输出端分别通过各自的输出二极管连接不同的直流负载支路；还包括RS-485通讯接口和人机交互界面，RS-485通讯接口和人机交互界面分别与单片机控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，其特征在于：所述直流电源为蓄电池组，所述蓄电池组由18节12V、100Ah的铅碳电池串联组成。
3.根据权利要求1所述的用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，其特征在于：所述双管正激DC/DC变换器内有高频隔离变压器；双管正激DC/DC变换器中MOS管的型号为FQA28N50。
4.根据权利要求1所述的用于直流配电系统的交直流串线故障检测与保护装置，其特征在于：所述单片机控制电路中dsPIC单片机的型号为dsPIC30F2023，包括交流窜入直流正母线电压采样口AN3、交流窜入直流负母线电压采样口AN4，用来控制双管正激DC/DC变换器两个MOS管的PWM1、PWM2信号输出端口以及AD采样端口AN0、AN1和AN2，AN0、AN1、AN2分别采集双管正激DC/DC变换器的输入电压、输出电压以及输出电流。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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