CN108092247A - 一种微电网继电保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种微电网继电保护装置与保护方法；该装置中每路信号采集判别系统按照电信号传递方向依次包括第一开关，采样电路，第二开关，第一保持电路，第三开关，并联设置的包括第四开关和第二保持电路的第一支路和包括第五开关和第三保持电路的第二支路，减法运算电路，绝对值运算电路，电压比较电路、第六开关和控制器；该方法控制各个开关的时序，监测电压比较电路中输入电压大于阈值电压的总次数和连续次数，输出跳闸控制信号；本发明不仅能够在两种模式之间切换，而且同样具有快速速断保护的时效性，还能够避免错过切换信号问题的发生，并且能够避免误将电网非稳态畸变噪声信号判断为切换信号问题的发生。

Description

一种微电网继电保护装置

本申请是发明专利申请《一种微电网继电保护装置与保护方法》的分案申请。

原案申请日：2016-08-31。

原案申请号：2016107843229。

原案发明名称：一种微电网继电保护装置与保护方法。

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种微电网继电保护装置与保护方法。

背景技术

微电网(Micro-Grid)是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行(连接到外部电网上运行)，也可以孤立运行(脱离外部电网独立运行)。

微电网的正常运行，需要继电保护装置进行保驾护航。由于传统继电保护装置不具备“并网运行模式-孤立运行模式”的转换功能，因此传统继电保护装置还不能适应微电网的上述双网切换方式；此外，微电网内部有数量众多的距离很短的分布式电源，很容易造成短路电流急剧增大，此时，如果不能及时断开相应回路，则对于微电网的安全生产将具有较大危害，由于传统继电保护装置都是针对10KV及以上电压的大电网线路应用而设计的，在时效上难以满足400V及以下微电网快速切除故障的保护需求。

针对上述两方面问题，申请号为201110258295.9的发明专利《微电网继电保护方法与装置》，通过检测微电网与大电网之间连接的微电网开关的分合闸状态，判断微电网的运行状态，当微电网处于孤立运行状态时，使微电网继电保护装置运行在微电网继电保护状态，当微电网处于并网运行状态时，使微电网继电保护装置进入常规继电保护模式。该发明适用于微电网在“并网运行模式-孤立运行模式”之间切换，针对微电网孤立运行时短路电流较并网时小、但增长更为急剧的特点，采用包含图变量启动和两点计算过程的故障电流算法，可以将整个出口时间控制在3ms左右，实现10ms内跳闸的出口时间，提高了快速速断保护的时效性；然而，这种方法没有考虑到以下两个问题：

第一、采样的过程有可能错过切换信号；

第二、这种方式可能会误将电网非稳态畸变噪声信号判断为切换信号。

以上两个问题，还没有查阅到相关资料能够进行很好地解决。

发明内容

为了解决以上两个问题，本发明设计了一种微电网继电保护装置与保护方法，不仅能够在“并网运行模式-孤立运行模式”之间切换，而且同样具有快速速断保护的时效性，更重要的是，同申请号为201110258295.9的发明专利相比，不仅能够避免错过切换信号问题的发生，而且能够避免误将电网非稳态畸变噪声信号判断为切换信号问题的发生。

本发明的目的是这样实现的：

一种微电网继电保护装置，包括2ⁿ路信号采集判别系统，每路信号采集判别系统按照电信号传递方向依次包括第一开关，采样电路，第二开关，第一保持电路，第三开关，并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路包括第四开关和第二保持电路，第二支路包括第五开关和第三保持电路，减法运算电路，绝对值运算电路，电压比较电路、第六开关和控制器，所述控制器用于控制第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关的通断，接收电压比较电路输出的比较结果，输出跳闸控制信号；

所述第一开关包括闭合和断开两种工作状态，闭合时间为20/2ⁿms；

所述采样电路包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相输入端与第一开关连接，反相输入端与输出端直接连接；

所述第二开关包括闭合和接地两种工作状态，闭合时间不小于20/2ⁿms，且覆盖第一开关闭合时间；

所述第一保持电路包括运算放大器U2，运算放大器U2的同相输入端与第一开关连接，并通过电容C2接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述第三开关包括连接第一支路、连接第二支路和悬空三种工作状态；

所述第四开关包括闭合和接地两种工作状态；

所述第二保持电路包括运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端与第三开关连接，并通过电容C3接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述第五开关包括闭合和接地两种工作状态；

所述第三保持电路包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端与第三开关连接，并通过电容C4接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述减法运算电路包括运算放大器U5，运算放大器U5的同相输入端通过阻值为r1的电阻R53连接运算放大器U4的输出端，通过阻值为r1的电阻R54接地，运算放大器U5的反相输入端通过阻值为r1的电阻R51连接运算放大器U3的输出端，通过阻值为r1的电阻R52连接运算放大器U5的输出端；

所述绝对值电路包括运算放大器U6和运算放大器U7，运算放大器U6的反相输入端通过阻值为r2的电阻R61连接运算放大器U5的输出端，通过阻值为r2的电阻R62连接绝对值电路的输出端，通过二极管VD1连接运算放大器U6的输出端，运算放大器U6的输出端通过二极管VD2连接绝对值电路的输出端；运算放大器U6的同相输入端通过电阻R63接地；运算放大器U7的同相输入端通过阻值为r2的电阻R71连接运算放大器U5的输出端，运算放大器U7的反相输入端通过阻值为r2的电阻R72连接绝对值电路的输出端，通过二极管VD3连接运算放大器U7的输出端，运算放大器U7的输出端通过二极管VD4连接绝对值电路的输出端；

所述电压比较电路包括运算放大器U8，运算放大器U8的反相输入端设置阈值电压，运算放大器U8的同相输入端连接绝对值电路的输出端，运算放大器U8的输出端通过第六开关连接控制器；

第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关在相邻两个周期内的控制时序为：

S1、第一开关闭合、第二开关闭合、第三开关连接第一支路、第四开关闭合、第五开关闭合、第六开关闭合；

S2、第一开关断开、第二开关接地、第三开关连接悬空、第四开关闭合、第五开关接地、第六开关断开；

S3、第一开关闭合、第二开关闭合、第三开关连接第二支路、第四开关闭合、第五开关闭合、第六开关闭合；

S4、第一开关断开、第二开关接地、第三开关连接悬空、第四开关接地、第五开关闭合、第六开关断开。

上述微电网继电保护装置，还包括电流电压转换电路；

所述电流电压转换电路包括运算放大器U9，运算放大器U9的反相输入端通过电阻R91接地，通过电阻R92连接运算放大器U9的输出端；运算放大器U9的同相输入端通过串联的电阻R93和电阻R94接地，输入电流从电阻R93和电阻R94之间流入；运算放大器U9的输出端连接第一开关。

上述微电网继电保护装置，在不同信号采集判别系统中，运算放大器U8反相输入端设置的阈值电压不同。

所述的阈值电压为：

其中，ΔU为采样处的阈值电压，k为系数，U为采样处的标准电压，U_max为电压最大值，U_min为电压最小值。

一种在以上微电网继电保护装置上实现的微电网继电保护方法，包括以下步骤：

步骤S1、控制器监测每一路信号采集判别系统中电压比较电路输出的结果，从每一个信号采集判别系统电压比较电路中输入电压大于阈值电压的情况开始记录；

步骤S2、以步骤S1开始记录的时刻开始，在跳闸控制信号允许的延时时间范围内，获取一系列电压比较电路输出的结果；

步骤S3、判断这一系列电压比较电路输出结果中，如果：

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的次数连续超过N1次，进入步骤S4；

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的次数没有连续超过N1次，控制器不输出跳闸控制信号；

步骤S4、判断这一系列电压比较电路输出结果中，如果：

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的总次数超过N2次，进入步骤S5；

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的总次数没有超过N2次，控制器不输出跳闸控制信号；

步骤S5、控制器输出跳闸控制信号。

有益效果：

第一、由于本发明也具有通过采集电压或电流信号，并与阈值相比较来输出跳闸控制信号的功能，因此同样具有在“并网运行模式-孤立运行模式”之间切换的功能；

第二、由于本发明包括2ⁿ路信号采集判别系统，对于8位控制信号，就可以实现256路采集，对于工频50Hz交流电来说，只需要0.078125ms就可以完成一次采样，对于将36次采样(等于申请号为201110258295.9的发明专利的36次)，也仅仅用时2.8125ms，略少于申请号为201110258295.9的发明专利的3ms，因此同样具有快速速断保护的时效性，甚至效果还有所提高；

第三、由于本发明微电网继电保护装置设置2ⁿ路信号采集判别系统，在一路信号采集判别系统刚刚完成信号采集的瞬间，另一路信号采集判别系统可以直接接替信号采集工作，因此能够做到连续采样，避免错过切换信号问题的发生；

第四、由于本发明微电网继电保护方法中，增加了对电压比较电路中输入电压大于阈值电压的连续次数和总次数的监测，并结合根据在非稳态畸变噪声信号干扰下，电压比较电路中输入电压大于阈值电压的连续次数和总次数很难超过阈值的特性，因此可以避免误将电网非稳态畸变噪声信号判断为切换信号问题的发生。

附图说明

图1是本发明微电网继电保护装置的系统示意图。

图2是减法运算电路之前的电路连接示意图。

图3是减法运算电路及其之后的电路连接示意图。

图4是电流电压转换电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例为微电网继电保护装置实施例。

本实施例的微电网继电保护装置，系统示意图如图1所示。该微电网继电保护装置包括2ⁿ路信号采集判别系统，每路信号采集判别系统按照电信号传递方向依次包括第一开关，采样电路，第二开关，第一保持电路，第三开关，并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路包括第四开关和第二保持电路，第二支路包括第五开关和第三保持电路，减法运算电路，绝对值运算电路，电压比较电路、第六开关和控制器，所述控制器用于控制第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关的通断，接收电压比较电路输出的比较结果，输出跳闸控制信号；

所述第一开关包括闭合和断开两种工作状态，闭合时间为20/2ⁿms；

所述采样电路包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相输入端与第一开关连接，反相输入端与输出端直接连接；

所述第二开关包括闭合和接地两种工作状态，闭合时间不小于20/2ⁿms，且覆盖第一开关闭合时间；

所述第一保持电路包括运算放大器U2，运算放大器U2的同相输入端与第一开关连接，并通过电容C2接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述第三开关包括连接第一支路、连接第二支路和悬空三种工作状态；

所述第四开关包括闭合和接地两种工作状态；

所述第二保持电路包括运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端与第三开关连接，并通过电容C3接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述第五开关包括闭合和接地两种工作状态；

所述第三保持电路包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端与第三开关连接，并通过电容C4接地，反相输入端与输出端直接连接；

第一开关、采样电路、第二开关、第一保持电路、第三开关、第四开关、第二保持电路、第五开关和第三保持电路所组成的电路图如图2所示；

所述减法运算电路包括运算放大器U5，运算放大器U5的同相输入端通过阻值为r1的电阻R53连接运算放大器U4的输出端，通过阻值为r1的电阻R54接地，运算放大器U5的反相输入端通过阻值为r1的电阻R51连接运算放大器U3的输出端，通过阻值为r1的电阻R52连接运算放大器U5的输出端；

所述绝对值电路包括运算放大器U6和运算放大器U7，运算放大器U6的反相输入端通过阻值为r2的电阻R61连接运算放大器U5的输出端，通过阻值为r2的电阻R62连接绝对值电路的输出端，通过二极管VD1连接运算放大器U6的输出端，运算放大器U6的输出端通过二极管VD2连接绝对值电路的输出端；运算放大器U6的同相输入端通过电阻R63接地；运算放大器U7的同相输入端通过阻值为r2的电阻R71连接运算放大器U5的输出端，运算放大器U7的反相输入端通过阻值为r2的电阻R72连接绝对值电路的输出端，通过二极管VD3连接运算放大器U7的输出端，运算放大器U7的输出端通过二极管VD4连接绝对值电路的输出端；

所述电压比较电路包括运算放大器U8，运算放大器U8的反相输入端设置阈值电压，运算放大器U8的同相输入端连接绝对值电路的输出端，运算放大器U8的输出端通过第六开关连接控制器；

减法运算电路、绝对值电路、电压比较电路、第六开关和控制器所组成的电路图如图3所示；

第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关在相邻两个周期内的控制时序为：

S1、第一开关闭合、第二开关闭合、第三开关连接第一支路、第四开关闭合、第五开关闭合、第六开关闭合；

S2、第一开关断开、第二开关接地、第三开关连接悬空、第四开关闭合、第五开关接地、第六开关断开；

S3、第一开关闭合、第二开关闭合、第三开关连接第二支路、第四开关闭合、第五开关闭合、第六开关闭合；

S4、第一开关断开、第二开关接地、第三开关连接悬空、第四开关接地、第五开关闭合、第六开关断开。

具体实施例二

本实施例为微电网继电保护装置实施例。

本实施例的微电网继电保护装置，在具体实施例一的基础上，还包括电流电压转换电路；

所述电流电压转换电路如图4所示，该电流电压转换电路包括运算放大器U9，运算放大器U9的反相输入端通过电阻R91接地，通过电阻R92连接运算放大器U9的输出端；运算放大器U9的同相输入端通过串联的电阻R93和电阻R94接地，输入电流从电阻R93和电阻R94之间流入；运算放大器U9的输出端连接第一开关。

增加了电流电压转换电路后，不仅可以对电压进行监测，而且可以对电流进行监测，丰富了监测手段。

具体实施例三

本实施例为微电网继电保护装置实施例。

本实施例的微电网继电保护装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定在不同信号采集判别系统中，运算放大器U8反相输入端设置的阈值电压不同。

这种参数设置，考虑到了不同相位的电压阈值权重不同的问题，通过设定不同的阈值电压，实现在运算放大器U8中，输入电压与阈值电压直接比较，而无需在控制器内进行运算，简化运算时间，提高执行效率。

具体实施例四

本实施例为微电网继电保护装置实施例。

本实施例的微电网继电保护装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定阈值电压为：

其中，ΔU为采样处的阈值电压，k为系数，U为采样处的标准电压，U_max为电压最大值，U_min为电压最小值。

具体实施例五

本实施例为微电网继电保护方法实施例。

本实施例的微电网继电保护方法，在以上微电网继电保护装置上实现，该方法包括以下步骤：

步骤S1、控制器监测每一路信号采集判别系统中电压比较电路输出的结果，从每一个信号采集判别系统电压比较电路中输入电压大于阈值电压的情况开始记录；

步骤S2、以步骤S1开始记录的时刻开始，在跳闸控制信号允许的延时时间范围内，获取一系列电压比较电路输出的结果；

步骤S3、判断这一系列电压比较电路输出结果中，如果：

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的次数连续超过N1次，进入步骤S4；

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的次数没有连续超过N1次，控制器不输出跳闸控制信号；

步骤S4、判断这一系列电压比较电路输出结果中，如果：

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的总次数超过N2次，进入步骤S5；

电压比较电路中输入电压大于阈值电压的总次数没有超过N2次，控制器不输出跳闸控制信号；

步骤S5、控制器输出跳闸控制信号。

在本实施例中，正是由于增加了对电压比较电路中输入电压大于阈值电压的连续次数和总次数的监测，并结合根据在非稳态畸变噪声信号干扰下，电压比较电路中输入电压大于阈值电压的连续次数和总次数很难超过阈值的特性，因此可以避免误将电网非稳态畸变噪声信号判断为切换信号问题的发生。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此，本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

Claims (1)

1.一种微电网继电保护装置，其特在于，包括2ⁿ路信号采集判别系统，每路信号采集判别系统按照电信号传递方向依次包括第一开关，采样电路，第二开关，第一保持电路，第三开关，并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路包括第四开关和第二保持电路，第二支路包括第五开关和第三保持电路，减法运算电路，绝对值运算电路，电压比较电路、第六开关和控制器，所述控制器用于控制第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关的通断，接收电压比较电路输出的比较结果，输出跳闸控制信号；

所述第一开关包括闭合和断开两种工作状态，闭合时间为20/2ⁿms；

所述采样电路包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相输入端与第一开关连接，反相输入端与输出端直接连接；

所述第二开关包括闭合和接地两种工作状态，闭合时间不小于20/2ⁿms，且覆盖第一开关闭合时间；

所述第一保持电路包括运算放大器U2，运算放大器U2的同相输入端与第一开关连接，并通过电容C2接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述第三开关包括连接第一支路、连接第二支路和悬空三种工作状态；

所述第四开关包括闭合和接地两种工作状态；

所述第二保持电路包括运算放大器U3，运算放大器U3的同相输入端与第三开关连接，并通过电容C3接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述第五开关包括闭合和接地两种工作状态；

所述第三保持电路包括运算放大器U4，运算放大器U4的同相输入端与第三开关连接，并通过电容C4接地，反相输入端与输出端直接连接；

所述减法运算电路包括运算放大器U5，运算放大器U5的同相输入端通过阻值为r1的电阻R53连接运算放大器U4的输出端，通过阻值为r1的电阻R54接地，运算放大器U5的反相输入端通过阻值为r1的电阻R51连接运算放大器U3的输出端，通过阻值为r1的电阻R52连接运算放大器U5的输出端；

所述绝对值电路包括运算放大器U6和运算放大器U7，运算放大器U6的反相输入端通过阻值为r2的电阻R61连接运算放大器U5的输出端，通过阻值为r2的电阻R62连接绝对值电路的输出端，通过二极管VD1连接运算放大器U6的输出端，运算放大器U6的输出端通过二极管VD2连接绝对值电路的输出端；运算放大器U6的同相输入端通过电阻R63接地；运算放大器U7的同相输入端通过阻值为r2的电阻R71连接运算放大器U5的输出端，运算放大器U7的反相输入端通过阻值为r2的电阻R72连接绝对值电路的输出端，通过二极管VD3连接运算放大器U7的输出端，运算放大器U7的输出端通过二极管VD4连接绝对值电路的输出端；

所述电压比较电路包括运算放大器U8，运算放大器U8的反相输入端设置阈值电压，运算放大器U8的同相输入端连接绝对值电路的输出端，运算放大器U8的输出端通过第六开关连接控制器；

第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关在相邻两个周期内的控制时序为：

S1、第一开关闭合、第二开关闭合、第三开关连接第一支路、第四开关闭合、第五开关闭合、第六开关闭合；

S2、第一开关断开、第二开关接地、第三开关连接悬空、第四开关闭合、第五开关接地、第六开关断开；

S3、第一开关闭合、第二开关闭合、第三开关连接第二支路、第四开关闭合、第五开关闭合、第六开关闭合；

S4、第一开关断开、第二开关接地、第三开关连接悬空、第四开关接地、第五开关闭合、第六开关断开；

还包括电流电压转换电路；

所述电流电压转换电路包括运算放大器U9，运算放大器U9的反相输入端通过电阻R91接地，通过电阻R92连接运算放大器U9的输出端；运算放大器U9的同相输入端通过串联的电阻R93和电阻R94接地，输入电流从电阻R93和电阻R94之间流入；运算放大器U9的输出端连接第一开关。