CN109217249A - 一种用于串联设备的可靠旁路保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于串联设备的可靠旁路保护系统，包括旁路开关QF、隔离开关QS1和QS2、旁路晶闸管VT，隔离开关QS1和QS2分别位于串联设备的两侧串联接入电路，旁路晶闸管VT串联旁路电感Ls后并联在串联设备两端，旁路开关QF并联在隔离开关QS1和QS2的两端，当串联设备异常时，若主控单元运行正常，则主控单元输出控制命令经旁路控制单元传送至旁路执行单元，若主控单元运行异常，则旁路控制单元输出控制命令传送至旁路执行单元，旁路执行单元根据控制命令：闭合旁路开关QF、使能旁路晶闸管VT、断开隔离开关QS1和QS2，实现将串联设备旁路。本发明实现串联设备故障时的可靠旁路隔离保护，保护电网系统安全运行。

Description

一种用于串联设备的可靠旁路保护系统及方法

技术领域

本发明属于配电网的串联型电能质量治理设备的故障旁路和隔离保护技术领域，具体涉及一种用于串联设备的可靠旁路保护系统及方法。

背景技术

当前配电网系统中，解决电能质量的电力电子设备主要分为并联型和串联型。其中，并联型大功率电力电子设备已经广泛应用，如静止无功发生器(SVG)、变流器、变频器等。串联型大功率电力电子设备仍处于推广应用阶段，如动态电压调节器(DVR)、统一电能质量调节器(UPQC)等。

动态电压调节器(DVR)串联在供电电源和受保护的敏感负载之间，是一种采用电力电子技术实现电压补偿的装置。其主要的补偿对象是电压扰动，如电压暂降和电压暂升，也能够对谐波、闪变、不对称等多种电压质量问题提供补偿。由于DVR串联在配电网线路中，当设备本身故障时，将影响电网的安全运行。为了保证串联设备本身故障时不影响电网安全运行，必须配置完善可靠的旁路隔离保护系统。

旁路隔离保护系统，是隔离故障的执行机构，从检测设备故障至完成故障设备旁路，必须在毫秒级内完成。传统断路器通断电流大，性价比高，但其动作时间长，一般都大于100ms，不能独立承担故障隔离任务。大功率电力电子器件晶闸管(Thyristor)额定电流大，导通时间一般小于100us，满足快速旁路要求。

现有技术中，一般旁路隔离保护功能都配置在控制系统内，检测到设备故障时，控制系统按照预设的旁路策略输出命令，触发晶闸管导通和闭锁旁路断路器，实现故障设备隔离，但是当控制系统异常时，无法实现故障设备的旁路隔离，存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于串联设备的可靠旁路保护系统及方法，实现串联设备故障时的可靠旁路隔离保护，解决控制系统异常时无法实现故障设备有效隔离的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于串联设备的可靠旁路保护系统，其特征是，包括主控单元、旁路控制单元和旁路执行单元，主控单元的输出端连接旁路控制单元，旁路控制单元的输出端连接旁路执行单元，

其中旁路执行单元包括旁路开关QF、隔离开关QS1和QS2、旁路晶闸管VT，隔离开关QS1和QS2分别位于串联设备的两侧串联接入电路，旁路晶闸管VT串联旁路电感Ls后并联在串联设备两端，旁路开关QF并联在隔离开关QS1和QS2的两端，

初始时，旁路开关QF断开、旁路晶闸管VT闭锁、隔离开关QS1和QS2闭合，使串联设备为投入状态；

当串联设备异常时，若主控单元运行正常，则主控单元输出控制命令经旁路控制单元传送至旁路执行单元，若主控单元运行异常，则旁路控制单元输出控制命令传送至旁路执行单元，旁路执行单元根据控制命令：闭合旁路开关QF、使能旁路晶闸管VT、断开隔离开关QS1和QS2，实现将串联设备旁路。

优选的，旁路晶闸管VT包括两个反并联晶闸管。

优选的，旁路执行单元中还包括晶闸管驱动模块，晶闸管驱动模块接收控制命令，将控制命令转换为晶闸管触发信号，以驱动旁路晶闸管VT的使能和闭锁。

相应的，本发明的基于上述系统的一种用于串联设备的可靠旁路保护方法，包括以下过程：

S1，初始时，断开旁路开关QF、闭锁旁路晶闸管VT、闭合隔离开关QS1和QS2，使串联设备为投入状态；

S2，主控单元自检，若主控单元运行正常，则主控单元发送脉冲至旁路控制单元以告知其正常运行状态，若主控单元运行异常，则闭锁脉冲；

S3，当串联设备异常时，若主控单元运行正常，则主控单元输出控制命令至旁路控制单元，旁路控制单元将控制命令传送至旁路执行单元，若主控单元运行异常，则旁路控制单元直接输出控制命令传送至旁路执行单元，旁路执行单元根据控制命令：闭合旁路开关QF、使能旁路晶闸管VT、断开隔离开关QS1和QS2，实现将串联设备旁路。

优选的，主控单元发送10kHz脉冲至旁路控制单元以告知其正常运行状态。

优选的，串联设备旁路时，依次使能旁路晶闸管VT、闭合旁路开关QF、断开隔离开关QS1和QS2。

优选的，设定延时t3>t2>t1，旁路控制单元延时t1输出旁路晶闸管VT使能控制命令、延时t2输出旁路开关QF合闸控制命令、延时t3输出隔离开关QS1和QS2跳闸命令。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明的旁路保护系统中，主控单元和旁路控制单元，二者互为备用，解决主控单元失电或异常时，仍可实现串联设备故障时的可靠旁路隔离保护。本发明的旁路保护系统可靠动作，隔离出故障的串联设备，保护电网系统安全运行。

附图说明

图1是本发明的旁路保护系统原理框图；

图2是旁路控制单元逻辑图；

图3是晶闸管驱动模块原理框图；

图4是旁路执行单元电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种用于串联设备的可靠旁路保护系统，包括主控单元、旁路控制单元和旁路执行单元，主控单元的输出端连接旁路控制单元，旁路控制单元的输出端连接旁路执行单元，

其中旁路执行单元包括旁路开关QF、隔离开关QS1和QS2、旁路晶闸管VT，隔离开关QS1和QS2分别位于串联设备的两侧串联接入电路，旁路晶闸管VT串联旁路电感Ls后并联在串联设备两端，旁路开关QF并联在隔离开关QS1和QS2的两端，

初始时，旁路开关QF断开、旁路晶闸管VT闭锁、隔离开关QS1和QS2闭合，使串联设备为投入状态；

当串联设备异常时，若主控单元运行正常，则主控单元输出控制命令经旁路控制单元传送至旁路执行单元，若主控单元运行异常，则旁路控制单元输出控制命令传送至旁路执行单元，旁路执行单元根据控制命令：闭合旁路开关QF、闭合旁路晶闸管VT、断开隔离开关QS1和QS2，实现将串联设备旁路。

相应的，本发明的一种用于串联设备的可靠旁路保护方法，包括以下过程：

S1，初始时，断开旁路开关QF、闭锁旁路晶闸管VT、闭合隔离开关QS1和QS2，使串联设备为投入状态；

S2，主控单元自检，若主控单元运行正常，则主控单元发送脉冲至旁路控制单元以告知其正常运行状态，若主控单元运行异常，则闭锁脉冲；

S3，当串联设备异常时，若主控单元运行正常，则主控单元输出控制命令至旁路控制单元，旁路控制单元将控制命令传送至旁路执行单元，若主控单元运行异常，则旁路控制单元直接输出控制命令传送至旁路执行单元，旁路执行单元根据控制命令：闭合旁路开关QF、闭合旁路晶闸管VT、断开隔离开关QS1和QS2，实现将串联设备旁路。

本发明中，主控单元和旁路控制单元，二者互为备用，解决主控单元失电或异常时，仍可实现串联设备故障时的可靠旁路隔离保护。本发明的旁路系统可靠动作，隔离出故障的串联设备，保护电网系统安全运行。

实施例

本发明的一种用于串联设备的可靠旁路保护系统，其原理框图参见图1所示，旁路保护系统包括主控单元、旁路隔离开关两部分，旁路隔离开关包括旁路控制单元和旁路执行单元，在旁路隔离保护功能上，主控单元和旁路控制单元，二者互为备用。

旁路执行单元，是旁路隔离开关的执行机构，主要由旁路开关QF、隔离开关QS1和QS2、旁路晶闸管VT和晶闸管驱动模块组成。具体电路结构参见图4所示，串联设备串联在电网与负载之间的电路中，隔离开关QS1和QS2分别位于串联设备的两侧串联接入电路，旁路晶闸管VT串联旁路电感Ls后并联在串联设备两端，旁路开关QF并联在隔离开关QS1和QS2的两端。旁路晶闸管VT为两个反并联晶闸管，旁路晶闸管的通断由晶闸管驱动模块来驱动。旁路开关QF实现慢速旁路，隔离开关QS1和QS2实现设备隔离，旁路晶闸管VT实现快速旁路，旁路电感Ls避免过大的冲击电流损害晶闸管。

串联设备投入状态为：旁路开关QF断开、旁路晶闸管VT闭锁(即断开)、隔离开关QS1和QS2闭合；串联设备旁路状态：旁路开关QF闭合、旁路晶闸管VT断开、隔离开关QS1和QS2断开。

初始时，串联设备处于投入状态，即串联设备串联在电网与负载之间的电路中。旁路执行单元中各开关按照旁路控制单元输出的控制命令动作，控制命令高电平有效，低电平无效。具体控制过程为：当检测到旁路开关控制命令hz为高电平时，合闸旁路开关QF，当控制命令hz低电平时，旁路开关QF不动作；当检测到隔离开关控制命令tz为高电平时，断开隔离开关QS1和QS2，当控制命令tz低电平时，隔离开关QS1和QS2不动作；当检测到晶闸管控制命令do为高电平时，使能(即导通)旁路晶闸管，当控制命令do为低电平时，闭锁(即断开)旁路晶闸管。

主控单元，负责整个系统控制和自检，并记录旁路执行单元状态。主控单元上电运行后，进行系统自检。自检正常时，主控单元输出10kHz脉冲至旁路控制单元，通知旁路控制单元，标识主控为正常运行状态。主控单元实时采集电流、电压模拟量和旁路执行单元运行状态信号，当判断串联设备本身故障影响电网运行或电网故障影响串联设备安全时，输出控制命令ko至旁路控制单元，主控按“使能(导通)旁路晶闸管VT→合旁路开关QF→跳隔离开关QS”的时间顺序，依次输出控制命令控制旁路晶闸管VT、旁路开关QF、隔离开关QS1和QS2动作，实现串联设备旁路；自检异常时，主控制单元闭锁10kHz脉冲输出，通知旁路控制单元，标识自身异常运行状态。

旁路控制单元，是旁路隔离开关的控制单元，采用现有技术中FPGA芯片执行。旁路控制单元的执行逻辑原理参见图2所示，实时检测主控单元输出的合旁开关QF、跳隔离开关QS和使能晶闸管VT的控制命令ko和10kHz脉冲。当收到10kHz脉冲时，判定主控单元正常，标志q清零，此时旁路控制单元输出的控制旁路执行单元的合QF命令hz、跳QS命令tz、使能VT命令do值，等于主控单元输出控制命令ko值；当未收到10kHz脉冲时，判定主控单元异常，标志q置位，按设定延时(t3>t2>t1)值，延时t1输出晶闸管VT使能控制命令do、延时t2输出旁路开关合闸控制命令hz、延时t3输出隔离开关跳闸控制命令tz，先后顺序导通VT→合闸QF→跳闸QS1和QS2，控制旁路执行单元，实现设备的快速旁路保护。

晶闸管驱动模块接收旁路控制单元输出的晶闸管控制操作命令do，驱动晶闸管VT使能或闭锁，并实时采集并上传晶闸管VT运行状态信息(st)。晶闸管驱动模块的原理图参见图3所示，晶闸管驱动模块主要由基于现有技术设计的隔离型供电子模块、触发信号ESD抑制子模块、触发信号转换和隔离子模块、晶闸管VT触发子模块组成。其中，隔离型供电子模块实现直流24V转5V、5V转3V的DC/DC转换功能，输出3V电压为其他子模块供电，隔离型DC/DC电源模块供电，抑制电源对驱动单元的干扰；触发信号ESD抑制子模块采用现有的ESD抑制器对信号进行抑制，提高晶闸管触发信号抗干扰能力；触发信号转换和隔离子模块主要实现差分信号至TTL电平信号转换和TTL电平磁隔离输出。晶闸管驱动模块通过差分线接收上级控制命令do，通过隔离转换后，转化为晶闸管触发信号，控制晶闸管的导通和关断。驱动模块可在交流电压的任意时刻(任意相位处)快速使能(导通)反并联晶闸管，缩短旁路响应时间，触发脉冲持续100us时间，可靠导通晶闸管VT，实现串联设备快速旁路保护。

综上所述，当主控单元正常时，旁路系统的控制命令执行顺序是主控单元→旁路控制单元→旁路执行单元；当主控单元异常时，旁路系统的控制命令执行顺序是旁路控制单元→旁路执行单元。

旁路系统的自检状态上送顺序为主控单元←旁路控制单元←晶闸管驱动模块，其中晶闸管驱动模块负责采集晶闸管VT状态，主控单元采集旁路开关QF和隔离开关QS1和QS2状态。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于串联设备的可靠旁路保护系统，其特征是，包括主控单元、旁路控制单元和旁路执行单元，主控单元的输出端连接旁路控制单元，旁路控制单元的输出端连接旁路执行单元，

其中旁路执行单元包括旁路开关QF、隔离开关QS1和QS2、旁路晶闸管VT，隔离开关QS1和QS2分别位于串联设备的两侧串联接入电路，旁路晶闸管VT串联旁路电感Ls后并联在串联设备两端，旁路开关QF并联在隔离开关QS1和QS2的两端，

初始时，旁路开关QF断开、旁路晶闸管VT闭锁、隔离开关QS1和QS2闭合，使串联设备为投入状态；

当串联设备异常时，若主控单元运行正常，则主控单元输出控制命令经旁路控制单元传送至旁路执行单元，若主控单元运行异常，则旁路控制单元输出控制命令传送至旁路执行单元，旁路执行单元根据控制命令：闭合旁路开关QF、使能旁路晶闸管VT、断开隔离开关QS1和QS2，实现将串联设备旁路。

2.根据权利要求1所述的一种用于串联设备的可靠旁路保护系统，其特征是，旁路晶闸管VT包括两个反并联晶闸管。

3.根据权利要求1所述的一种用于串联设备的可靠旁路保护系统，其特征是，旁路执行单元中还包括晶闸管驱动模块，晶闸管驱动模块接收控制命令，将控制命令转换为晶闸管触发信号，以驱动旁路晶闸管VT的使能和闭锁。

4.基于权利要求1所述的一种用于串联设备的可靠旁路保护系统的一种用于串联设备的可靠旁路保护方法，其特征是，包括以下过程：

S1，初始时，断开旁路开关QF、闭锁旁路晶闸管VT、闭合隔离开关QS1和QS2，使串联设备为投入状态；

S2，主控单元自检，若主控单元运行正常，则主控单元发送脉冲至旁路控制单元以告知其正常运行状态，若主控单元运行异常，则闭锁脉冲；

S3，当串联设备异常时，若主控单元运行正常，则主控单元输出控制命令至旁路控制单元，旁路控制单元将控制命令传送至旁路执行单元，若主控单元运行异常，则旁路控制单元直接输出控制命令传送至旁路执行单元，旁路执行单元根据控制命令：闭合旁路开关QF、使能旁路晶闸管VT、断开隔离开关QS1和QS2，实现将串联设备旁路。

5.根据权利要求4所述的一种用于串联设备的可靠旁路保护方法，其特征是，主控单元发送10kHz脉冲至旁路控制单元以告知其正常运行状态。

6.根据权利要求4所述的一种用于串联设备的可靠旁路保护方法，其特征是，串联设备旁路时，依次使能旁路晶闸管VT、闭合旁路开关QF、断开隔离开关QS1和QS2。

7.根据权利要求4所述的一种用于串联设备的可靠旁路保护方法，其特征是，设定延时t3>t2>t1，旁路控制单元延时t1输出旁路晶闸管VT使能控制命令、延时t2输出旁路开关QF合闸控制命令、延时t3输出隔离开关QS1和QS2跳闸命令。