CN109873408B - 一种变电站用直流电源故障快速隔离装置及隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站用直流电源故障快速隔离装置，所述隔离装置串联于直流电源与直流馈出支路之间，每条直流馈出支路与直流电源之间均设有所述隔离装置；隔离装置的输入端与直流电源连接，隔离装置的输出端连接直流负载；所述隔离装置包括单片机控制电路、驱动电路、IGBT模块、电力电子断路器、接地故障检测电路以及隔离二极管；单片机控制电路的控制信号输出端通过驱动电路隔离放大后与IGBT模块和电力电子断路器的控制信号输入端连接；当装置处于直流正常工作模式时，单片机控制电路关断电力电子断路器的PWM驱动信号，通过IGBT模块直接给直流负荷供电；当装置处于直流故障工作模式时，单片机控制电路关断IGBT模块的驱动信号，通过电力电子断路器给直流负荷供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种变电站用直流电源故障快速隔离装置及隔离方法，还涉及上述隔离装置的隔离方法，属于电力自动化技术领域。
背景技术
变电站直流电源是变电站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。直流电源出现故障时，轻则继电保护或安稳装置拒动，重则造成重大设备损坏或变电站全停，给电网企业和国民经济造成重大经济损失。
就目前而言，变电站直流电源系统通过绝缘监察装置来监测直流系统的运行状态，实现直流故障的告警，直流电源系统的直流母线通过断路器与各个直流馈出支路相连。若变电站直流系统中某直流馈出支路出现直流接地故障时，馈出断路器不会跳闸，绝缘监察装置虽然可以实现对上述直流故障的检测与告警，但是相应的直流接地故障会迅速传递到整个直流系统，造成整个直流系统出现接地故障，无法实现接地故障的隔离。因此一种能够隔离各直流馈出支路接地故障的隔离装置的开发很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种变电站用直流电源故障快速隔离装置，该隔离装置能够实现变电站直流电源系统中直流母线与直流支路之间故障的快速隔离以及不同直流支路之间故障的快速隔离，从而有效防止了直流电源系统的直流故障的越级传递，减小了故障影响的范围，保证变电站直流电源系统的安全稳定运行。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种变电站用直流电源故障快速隔离装置，所述隔离装置串联于直流电源与直流馈出支路之间，每条直流馈出支路(各直流馈出支路之间相互并联)与直流电源之间均设有所述隔离装置；隔离装置的输入端与直流电源连接，隔离装置的输出端连接直流负载；所述隔离装置包括单片机控制电路、驱动电路、IGBT模块、电力电子断路器、接地故障检测电路以及隔离二极管；单片机控制电路的控制信号输出端通过驱动电路隔离放大后与IGBT模块和电力电子断路器的控制信号输入端连接；当装置处于直流正常工作模式时，单片机控制电路关断电力电子断路器的PWM驱动信号，通过IGBT给直流负荷供电；当装置处于直流故障工作模式时，单片机控制电路关断IGBT的驱动信号，通过电力电子断路器给直流负荷供电。
其中，当装置处于直流正常工作模式时，直流母线的输出端与IGBT模块的输入端连接，IGBT模块的输出端通过隔离二极管与直流负载连接；当装置处于直流故障工作模式时，直流母线的输出端与电力电子断路器的输入端连接，电力电子断路器的输出端通过隔离二极管与直流负载连接。
其中，所述隔离装置还包括故障报警电路，故障报警电路与单片机控制电路连接。
其中，单片机控制电路采用的单片机型号为STM32F101RBT，其包括输入电压采样端口AN0，输出电压采样端口AN2，输出电流采样端口AN1以及馈出支路中直流正负母线对地电压采样端口AN4、AN5，还包括PWM1、PWM2和PWM3信号驱动端，PWM1和PWM2信号驱动端用于控制电力电子断路器两个MOS管QA和QB的导通和关断，PWM3信号驱动端用于控制IGBT的导通和关断。
其中，驱动电路包括三路驱动信号电路，三路驱动信号电路的信号输入端分别与单片机PWM1、PWM2和PWM3信号驱动端连接，与单片机PWM1信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWMA-G和PWMA-S与电力电子断路器MOS管QA驱动端相连，与单片机PWM2信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWMB-G和PWMB-S与电力电子断路器MOS管QB驱动端相连，与单片机PWM3信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWM-G和PWM-E为IGBT模块的驱动控制信号。
上述变电站用直流电源故障快速隔离装置的隔离方法，具体为：单片机通过接地故障检测电路实时来采样直流馈出支路中正负母线对地电压，并将采样数据送到单片机进行数据处理和计算，根据计算结果进行对应驱动信号的输出，当出现正极母线或负极母线接地故障时，单片机将系统工作模式切换成直流故障工作模式，单片机输出互补导通的驱动信号PWM1和PWM2，控制电力电子断路器MOS管QA和QB交替导通，给直流负载继续供电，实现接地故障隔离(直流有故障供电工作模式)，同时发出相应故障支路的报警信号；当没有出现接地故障时，单片机将系统工作模式切换成直流正常工作模式，单片机给出控制信号驱动IGBT模块导通，直流电源通过IGBT模块传输给直流负载(直流无故障供电工作模式)。
电力电子断路器MOS管QA和QB交替导通才能将直流电逆变成交流电，经过隔离变压器进行电压变换，然后经过整流变成直流电输出；电力电子断路器主要是通过MOS管和隔离变压器实现输出端和输入端的故障隔离，即支路出现故障不会影响到直流电源，也不会影响到其他支路。
其中，单片机根据正负母线对地电压的采样值进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R-；将得到的阻值与程序中设定的正负母线对地绝缘电阻报警阈值进行比较，正负母线对地绝缘电阻报警阈值分别R+_SET和R-_SET，当R+＜R+_SET时，单片机报正母线绝缘下降故障；当R-＜R-_SET时，单片机报负母线绝缘下降故障。
其中，单片机采样正负母线对地电压数据来进行正负母线对地绝缘电阻的计算，计算过程如下，其中R1＝R3，R2＝R4，R5＝R6；
闭合S1，断开S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U1+、U1-，得：
断开S1，闭合S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U2+、U2-，得：
联立式(1)和(2)可得：
单片机根据正负母线对地电压的采样值，利用式(3)和式(4)进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R-。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明隔离装置不仅可以实现传统断路器的开断功能，还可以实现直流故障的快速隔离功能，将故障限制在发生故障的支路，不会传递到直流母线侧和其他的直流支路，实现了故障的快速隔离，从而提高了变电站直流电源系统工作的可靠性与安全性。
附图说明
图1为本发明直流电源故障快速隔离装置的系统原理图；
图2为电力电子断路器电路原理图；
图3为直流馈出支路接地故障检测原理图；
图4a为与单片机PWM1信号驱动端连接的驱动信号电路的电路原理图；
图4b为与单片机PWM2信号驱动端连接的驱动信号电路的电路原理图；
图4c为与单片机PWM3信号驱动端连接的驱动信号电路的电路原理图；
图5为单片机控制电路原理图；
图6为直流正负母线对地绝缘电阻计算流程图；
图7为本发明单片机的控制流程图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1所示，本发明变电站用直流电源故障快速隔离装置，隔离装置串联于直流电源与直流馈出支路之间，每条直流馈出支路(各直流馈出支路之间相互并联)与直流电源之间均设有本发明隔离装置；隔离装置的输入端与直流电源连接，隔离装置的输出端连接直流负载；隔离装置包括单片机控制电路、驱动电路、IGBT模块、电力电子断路器、接地故障检测电路以及隔离二极管；单片机控制电路的控制信号输出端通过驱动电路隔离放大后与IGBT模块和电力电子断路器的控制信号输入端连接；当装置处于直流正常工作模式时，单片机控制电路关断电力电子断路器的PWM驱动信号，通过IGBT直接给直流负荷供电；此时直流母线的输出端与IGBT模块的输入端连接，IGBT模块的输出端通过隔离二极管与直流负载连接；当装置处于直流故障工作模式时，单片机控制电路关断IGBT的驱动信号，通过电力电子断路器给直流负荷供电；此时直流母线的输出端与电力电子断路器的输入端连接，电力电子断路器的输出端通过隔离二极管与直流负载连接。
图2为电力电子断路器的电路原理图，Uin为电力电子断路器的输入电压，Uout为电力电子断路器的输出电压，C1和C2为输入电容，功率管QA和QB为MOS管，MOS管的驱动信号来自驱动电路，Tr为高频隔离变压器，L为输出电感，D1和D2为快恢复整流二极管；D3和D4为隔离二极管，单片机的PWM1和PWM2的两个信号驱动端与驱动电路的PWM1和PWM2端口相连，两个驱动信号PWM1和PWM2经过驱动电路的变换后与电力电子断路器两个MOS管QA和QB的驱动端分别对应连接，通过控制MOS管QA和QB的导通和关断，实现对电力电子断路器的通断控制。单片机通过改变PWM驱动信号的导通时间来改电力电子断路器中功率管的导通时间，最终实现对输出电压的调节，保持输出电压的稳定。
图3为直流馈出支路接地故检测电路的检测原理图，直流220V的电源为电力电子断路器的输出电压，在正负母线上分别加装一个隔离二极管(D1和D2)，此隔离二极管为普通的整流二极管；S1和S2为电子开关，R1和R3为平衡桥电阻，R2和R5为正母线对地电压检测电阻，C1为滤波电容，R4和R6为负母线对地电压检测电阻，C2为滤波电容，D3和D4分别为正负母线对地电压采样限压二极管，U+和U-为正负母线对地采样电压，U+和U-的采样电压分别送到单片机控制电路的AN4和AN5采样端口。
图4为驱动电路的原理图，驱动电路包括三路驱动信号电路，三路驱动信号电路(对应图4a～图4c)的信号输入端分别与单片机PWM1、PWM2和PWM3信号驱动端连接；三路驱动信号电路中均设有驱动限流电阻，分别为R1、R2和R5，驱动信号隔离放大光耦，分别为U1、U2和U3，驱动电源，分别为+12V、+12V和+15V，驱动信号滤波电容，分别为C1、C2和C3，驱动电阻，分别为R3、R4和R6，驱动保护稳压管，分别为VD1、VD2和VD3；其中，与单片机PWM1信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWMA-G和PWMA-S与电力电子断路器MOS管QA驱动端相连，与单片机PWM2信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWMB-G和PWMB-S与电力电子断路器MOS管QB驱动端相连；与单片机PWM3信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWM-G和PWM-E为IGBT模块的驱动控制信号。
图5为单片机控制电路原理图，单片机的型号为STM32F101RBT，Ui为输入电压采样端口AN0，Uos为输出电压采样端口AN2，Ios为输出电流采样端口AN1，Y表示晶振，C1、C2为晶振电容，AN3为温度采样端口，AN4、AN5为馈出支路中直流正负母线对地电压采样端口，其采样输入电压来自图3中的直流正负母线对地采样电压(U+和U-)，单片机的PWM1和PWM2信号驱动端用来控制电力电子断路器两个MOS管QA和QB的导通和关断，单片机的PWM3信号驱动端用来控制IGBT的导通和关断。单片机的485R、485T和485C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。
上述变电站用直流电源故障快速隔离装置的隔离方法，具体为：单片机通过接地故障检测电路实时来采样直流馈出支路中正负母线对地电压，并将采样数据送到单片机进行数据处理和计算，根据计算结果进行对应驱动信号的输出，当出现正极母线或负极母线接地故障时，单片机给出控制信号控制电力电子断路器工作(直流有故障供电工作模式)，同时发出相应故障支路的报警信号；当没有出现接地故障时，单片机给出控制信号驱动IGBT模块导通，直流电源通过IGBT模块传输给直流负载(即直流无故障供电工作模式)。
本发明隔离装置通过接地故检测电路采集馈出支路中正负母线对地电压，直流母线高电压经过降压、滤波以及限压处理后，将低电压的采样数据送到单片机控制电路中的AD采样引脚，单片机通过AD采样，将模拟量转换成数字量，然后经过软件滤波与数据处理，单片机得到最终的正负母线对地电压采样数据的数字量U+_AD和U-_AD。
图3中，当本发明隔离装置正常工作后，单片机实时采样正负母线对地电压数据来进行正负母线对地绝缘电阻的计算，计算过程如下，其中，Ri＝R3，R2＝R4，R5＝R6
闭合S1，断开S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U1+、U1-，得：
断开S1，闭合S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U2+、U2-，得：
联立式(1)和(2)可得：
单片机根据正负母线对地电压的采样值，利用式(3)和式(4)进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R_。在软件程序中设定正负母线对地绝缘电阻报警阈值，分别R+_SET和R-_SET；当R+＜R+_SET时，单片机报正母线绝缘下降故障；当R-＜R-_SET时，单片机报负母线绝缘下降故障；单片机时刻监测直流母线的绝缘情况，实现故障实时报警功能，并记录故障发生时刻，同时将直流正常工作模式切换到直流故障工作模式，保证支路负荷供电的连续性。
本发明方法的基本原理：
直流故障隔离与故障时的供电，通过电力电子断路器的开通和关断，实现直流输出电压的变换和稳压，保证直流故障时支路直流供电电压的稳定；另外，通过控制电力电子断路器的快速关断来快速切换故障电流，同时利用电力电子断路器的隔离功能实现直流故障的快速隔离；
直流无故障时的正常供电，即在无直流故障的情形下，通过关断电力电子断路器的PWM驱动信号，通过IGBT直接给直流支路负载供电，提高了系统的供电效率；
直流故障检测与控制，通过直流故障检测回路来在线监测直流回路的故障信息和故障类型，根据直流故障类型，输出不同的控制驱动信号，即根据支路直流故障的不同类型来将正常供电回路切换到故障隔离回路，实现直流故障的快速隔离以及继续给故障支路提供电力支撑，在故障切除后，控制部分的控制信号又将供电回路切换到正常回路供电。
本发明装置在正常工作(无直流故障)时由直流正常供电回路来给直流支路负载供电(增大供电功率)，当单片机检测到支路有直流故障时，控制直流故障隔离模式启动，控制直流正常工作模式切断，实现直流电源系统支路出现直流故障时的快速隔离以及保障直流负载供电的连续性。通过直流故障采样电路来监测支路正负母线的对地电压，将采样数据送到单片机的AD采样端口，经过单片机内部数据处理及数据计算，得到正负母线对地的绝缘电阻数值，实现了对支路故障的实时监测；根据单片机的计算结果，控制器发出工作模式控制信号，来实现工作模式的切换，保证直流电源系统的安全稳定运行。
本发明装置通过电力电子断路器实现对直流电压的变换功能，通过电力电子开关(IGBT模块)实现对直流回路的正常供电功能，直流故障监测部分实现对直流电源故障的监测计算，同时根据计算的故障结果控制直流回路供电模式由正常供电快速切换到故障隔离模式供电实现对直流故障的快速隔离和持续供电功能。
Claims (6)
1.一种变电站用直流电源故障快速隔离装置，其特征在于：所述隔离装置串联于直流电源与直流馈出支路之间，每条直流馈出支路与直流电源之间均设有所述隔离装置；隔离装置的输入端与直流电源连接，隔离装置的输出端连接直流负载；所述隔离装置包括单片机控制电路、驱动电路、IGBT模块、电力电子断路器、接地故障检测电路以及隔离二极管；单片机控制电路的控制信号输出端通过驱动电路隔离放大后与IGBT模块和电力电子断路器的控制信号输入端连接；当装置处于直流正常工作模式时，单片机控制电路关断电力电子断路器的PWM驱动信号，通过IGBT给直流负荷供电；当装置处于直流故障工作模式时，单片机控制电路关断IGBT的驱动信号，通过电力电子断路器给直流负荷供电；
当装置处于直流正常工作模式时，直流母线的输出端与IGBT模块的输入端连接，IGBT模块的输出端通过隔离二极管与直流负载连接；当装置处于直流故障工作模式时，直流母线的输出端与电力电子断路器的输入端连接，电力电子断路器的输出端通过隔离二极管与直流负载连接；
上述变电站用直流电源故障快速隔离装置的隔离方法，具体为：单片机通过接地故障检测电路实时来采样直流馈出支路中正负母线对地电压，并将采样数据送到单片机进行数据处理和计算，根据计算结果进行对应驱动信号的输出，当出现正极母线或负极母线接地故障时，单片机将系统工作模式切换成直流故障工作模式，单片机输出互补导通的驱动信号PWM1和PWM2，控制电力电子断路器MOS管QA和QB交替导通，给直流负载继续供电，同时发出相应故障支路的报警信号；当没有出现接地故障时，单片机将系统工作模式切换成直流正常工作模式，单片机给出控制信号驱动IGBT模块导通，直流电源通过IGBT模块传输给直流负载。
2.根据权利要求1所述的变电站用直流电源故障快速隔离装置，其特征在于：所述隔离装置还包括故障报警电路，故障报警电路与单片机控制电路连接。
3.根据权利要求1所述的变电站用直流电源故障快速隔离装置，其特征在于：单片机控制电路采用的单片机型号为STM32F101RBT，其包括输入电压采样端口AN0，输出电压采样端口AN2，输出电流采样端口AN1以及馈出支路中直流正负母线对地电压采样端口AN4、AN5，还包括PWM1、PWM2和PWM3信号驱动端，PWM1和PWM2信号驱动端用于控制电力电子断路器两个MOS管QA和QB的导通和关断，PWM3信号驱动端用于控制IGBT的导通和关断。
4.根据权利要求3所述的变电站用直流电源故障快速隔离装置，其特征在于：驱动电路包括三路驱动信号电路，三路驱动信号电路的信号输入端分别与单片机PWM1、PWM2和PWM3信号驱动端连接，与单片机PWM1信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWMA-G和PWMA-S与电力电子断路器MOS管QA的驱动端相连，与单片机PWM2信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWMB-G和PWMB-S与电力电子断路器MOS管QB的驱动端相连，与单片机PWM3信号驱动端连接的驱动信号电路的驱动信号PWM-G和PWM-E为IGBT模块的驱动控制信号。
5.根据权利要求1所述的变电站用直流电源故障快速隔离装置，其特征在于：单片机根据正负母线对地电压的采样值进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R-；将得到的阻值与程序中设定的正负母线对地绝缘电阻报警阈值进行比较，正负母线对地绝缘电阻报警阈值分别R+_SET和R-_SET，当R+<R+_SET时，单片机报正母线绝缘下降故障；当R-<R-_SET时，单片机报负母线绝缘下降故障。
6.根据权利要求5所述的变电站用直流电源故障快速隔离装置，其特征在于：单片机采样正负母线对地电压数据来进行正负母线对地绝缘电阻的计算，计算过程如下，其中R1＝R3，R2＝R4，R5＝R6；
闭合S1，断开S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U1+、U1-，得：
断开S1，闭合S2，延时一定时间，测量正负母线对地电压分别为U2+、U2-，得：
联立式(1)和(2)可得：
单片机根据正负母线对地电压的采样值，利用式(3)和式(4)进行正负母线对地绝缘电阻的计算，得到正负母线对地绝缘电阻的阻值分别为R+和R-；S1和S2为电子开关，R1和R3为平衡桥电阻，R2和R5为正母线对地电压检测电阻，R4和R6为负母线对地电压检测电阻；R1一端连接电子开关S1，R3一端连接电子开关S2，R1和R3的公共连接端接地；R2的一端连接电子开关S1和正极母线，R2和R5的公共连接端输出正母线对地电压，R5和R6的公共连接端接地；R6和R4的公共连接端输出负母线对地电压，R4的另一端连接电子开关S2和负极母线。
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