CN219960114U - 直流环网保护装置和直流电源系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种直流环网保护装置和直流电源系统，所述装置包括故障检测电路、控制电路、第一开关、第二开关以及全桥DCDC变换电路，本公开实施例提供的直流环网保护装置可以监测母线运行状态，当出现母线环网故障时通过全桥DCDC变换电路对负载进行故障隔离保护，实现环网故障保护功能。

Description

直流环网保护装置和直流电源系统

技术领域

本公开涉及直流电源保护技术领域，具体地，涉及一种直流环网保护装置和直流电源系统。

背景技术

在变电站/发电厂中，为了提高供电可靠性，保证重要直流设备的安全运行，一般使用两套独立的直流系统。但是在实际运行中，由于直流电源系统馈线支路众多，在人为接线失误、直流系统改造、二极管绝缘下降等因素的影响下，导致两套直流系统间出现电气连接，称之为直流环网故障。

直流环网故障发生时电压等级高的直流系统会越过负荷，直接向等级电压低的直流系统充电，会造成负载损坏、甚至火灾事故等严重后果。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种直流环网保护装置和直流电源系统，该直流环网保护装置和直流电源系统能够在两套直流系统发生环网故障时实现故障隔离，保护负载设备的安全运行。

为了实现上述目的，根据本公开的第一方面，本公开实施例提供一种直流环网保护装置，包括故障检测电路、控制电路、第一开关、第二开关以及全桥DCDC变换电路；

所述故障检测电路的输入端连接直流母线，用于检测所述直流母线的故障状态；

所述控制电路的输入端连接所述故障检测电路的输出端，所述控制电路的第一输出端连接所述第一开关的控制端，所述控制电路的第二输出端连接所述第二开关的控制端，用于控制所述第一开关、第二开关的开关状态；

所述第一开关串接在所述直流母线和负载之间，用于断开或挂载所述负载；

所述第二开关串接在所述直流母线和全桥DCDC变换电路之间，用于断开或挂载所述全桥DCDC变换电路；

所述全桥DCDC变换电路的输出端连接所述负载，用于对所述直流母线的电压进行变换和隔离。

可选地，所述故障检测电路包括测试桥电路，所述测试桥电路包括依次串接在所述母线和地之间的检测电阻和切入开关，所述测试桥电路用于检测所述母线的对地绝缘电阻。

可选地，所述故障检测电路还包括电压采样电路，所述电压采样电路用于采集所述母线的电压，并根据采集到的母线电压判断母线的故障类型。

可选地，所述控制电路包括单片机。

可选地，所述第一开关、第二开关均包括IGBT模块。

可选地，所述全桥DCDC变换电路包括：H桥逆变模块、高频变压器和全桥整流电路。

可选地，所述装置还包括报警模块，所述报警模块连接所述故障检测电路的输出端，用于在所述母线出现故障的情况下输出报警信息。

根据本公开的第二方面，本公开实施例提供一种直流电源系统，包括如第一方面所述的直流环网保护装置。

可选地，所述直流环网保护装置为两个，两个所述直流环网保护装置为第一直流环网保护装置和第二直流环网保护装置，所述系统包括第一直流电源母线、第二直流电源母线、所述第一直流环网保护装置、所述第二直流环网保护装置、第一负载、第二负载、以及断路器；

所述第一直流环网保护装置和所述第一负载依次串接于所述第一直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述第二直流环网保护装置和所述第二负载依次串接于所述第二直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述断路器串接于所述第一直流电源母线和所述第二直流电源母线之间，所述断路器在所述第一直流电源母线或所述第二直流电源母线其中一者失电时处于合闸状态。

可选地，所述系统还包括第一蓄电池和第二蓄电池；

所述第一蓄电池串接于所述第一直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述第二蓄电池串接于所述第二直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述第一蓄电池、第二蓄电池用于储能或供能。

综上所述，本公开实施例提供一种直流环网保护装置，包括故障检测电路、控制电路、第一开关、第二开关以及全桥DCDC变换电路；所述故障检测电路的输入端连接直流母线，用于检测所述直流母线的故障状态；所述控制电路的输入端连接所述故障检测电路的输出端，所述控制电路的第一输出端连接所述第一开关的控制端，所述控制电路的第二输出端连接所述第二开关的控制端，用于控制所述第一开关、第二开关的开关状态；所述第一开关串接在所述直流母线和负载之间，用于断开或挂载所述负载；所述第二开关串接在所述直流母线和全桥DCDC变换电路之间，用于断开或挂载所述全桥DCDC变换电路；所述全桥DCDC变换电路的输出端连接所述负载，用于对所述直流母线的电压进行变换和隔离。本公开实施例提供的直流环网保护装置可以监测母线运行状态，当出现母线环网故障时通过全桥DCDC变换电路对负载进行故障隔离保护，实现环网故障保护功能。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种传统直流电源系统的示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种直流环网保护装置的框图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种测试桥电路的示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种全桥DCDC变换电路的示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种直流电源系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

需要说明的是，本公开中所有获取信号、信息或数据的动作都是在遵照所在地国家相应的数据保护法规政策的前提下，并获得由相应装置所有者给予授权的情况下进行的。

需要注意的是，本公开实施例中直流环网保护装置中所用到的单片机、电压采样电路、电流检测电路、IGBT模块、H桥逆变模块、高频变压器、全桥整流电路和报警模块等，均可通过商业途径获得。

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

下面结合具体实施例对本公开进行说明。

首先，对本公开的应用场景进行说明。图1是根据一示例性实施例示出的一种传统直流电源系统的示意图，如图1所示，第一蓄电池和第一负载挂载在第一条直流电源母线KMI下，第二蓄电池和第二负载挂载在第二条直流电源母线KMII下，正常情况下，两条母线及所挂负载各自独立运行，在人为接线失误、直流系统改造、二极管绝缘下降等因素的影响下，会导致两条直流电源母线之间出现电气连接，即直流环网故障的出现，此时等效于两条直流电源母线之间的断路器QF处于合闸状态，由于两条直流电源母线电压不一致，会出现电压较高的直流电源母线向电压较低的直流电源母线灌电流，电压较低的直流电源母线的电压被强行拉高，导致其下挂载的负载损坏，甚至会引发火灾等事故。

图2是根据一示例性实施例示出的一种直流环网保护装置的框图，为解决上述技术问题，本公开实施例提供一种直流环网保护装置，参见图2，该直流环网保护装置20，包括故障检测电路201、控制电路202、第一开关203、第二开关204以及全桥DCDC变换电路205，故障检测电路201的输入端连接直流母线10，用于检测直流母线10的故障状态，控制电路202的输入端连接故障检测电路201的输出端，控制电路202的第一输出端连接第一开关203的控制端，控制电路202的第二输出端连接第二开关204的控制端，用于控制第一开关203、第二开关204的开关状态，第一开关203串接在直流母线10和负载30之间，用于断开或挂载负载30，第二开关204串接在直流母线10和全桥DCDC变换电路205之间，用于断开或挂载全桥DCDC变换电路205，全桥DCDC变换电路205的输出端连接负载30，用于对直流母线10的电压进行变换和隔离。

该装置工作原理如下：

当故障检测电路201检测到直流母线10正常时，控制电路202控制第一开关203处于接通状态、第二开关204处于断开状态，直流母线10通过第一开关203直接给负载30供电。

当故障检测电路201检测到直流母线10异常(例如因环网故障电压升高)时，控制电路202控制第一开关203处于断开状态、第二开关204处于接通状态，直流母线10通过第二开关204经全桥DCDC变换电路205变换成正常电压给负载30供电，这样负载30既不会因环网故障而断电，也不会被环网故障引起的高压损坏，从而对负载30起到了隔离保护的作用。

综上所述，本公开实施例提供一种直流环网保护装置20，包括故障检测电路201、控制电路202、第一开关203、第二开关204以及全桥DCDC变换电路205，故障检测电路201的输入端连接直流母线10，用于检测直流母线10的故障状态，控制电路202的输入端连接故障检测电路201的输出端，控制电路202的第一输出端连接第一开关203的控制端，控制电路202的第二输出端连接第二开关204的控制端，用于控制第一开关203、第二开关204的开关状态，第一开关203串接在直流母线10和负载30之间，用于断开或挂载负载30，第二开关204串接在直流母线10和全桥DCDC变换电路205之间，用于断开或挂载全桥DCDC变换电路205，全桥DCDC变换电路205的输出端连接负载30，用于对直流母线10的电压进行变换和隔离。本公开实施例提供的直流环网保护装置20可以监测直流电源母线运行状态，当直流电源母线出现故障时通过全桥DCDC变换电路205对负载30进行故障隔离保护，实现环网故障保护的功能。

在一些实施方式中，故障检测电路201包括测试桥电路，测试桥电路包括依次串接在母线和地之间的检测电阻和切入开关，测试桥电路用于检测母线的对地绝缘电阻。图3是根据一示例性实施例示出的一种测试桥电路的示意图，如图3所示，示例性的，以第一直流电源母线KMI的测试桥电路为例，R3、R4分别为第一直流电源母线KMI的正母线KMI+和负母线KMI-的对地检测电阻，K1和K2分别为切入开关，示例性的，K1、K2可以为电子开关，可以在一定的开关频率下接通和关断，R1、R2分别为第一直流电源母线KMI的正母线KMI+和负母线KMI-的对地等效电阻，正常情况下为无穷大。

故障检测电路201还包括电流检测电路(图中未示出)，接通切入开关K1，通过检测流过检测电阻R3的电流的大小，通过计算就可以得到第一直流电源母线KMI的正母线KMI+的对地等效电阻R1的阻值，从而可以判断出第一直流电源母线KMI的正母线KMI+是否对地绝缘下降或是对地短路。

同理，接通切入开关K2，通过检测流过检测电阻R4的电流的大小，通过计算就可以得到第一直流电源母线KMI的负母线KMI-的对地等效电阻R2的阻值，从而可以判断出第一直流电源母线KMI的负母线KMI-是否对地绝缘下降或是对地短路。

在一些实施方式中，故障检测电路201还包括电压采样电路(图中未示出)，电压采样电路用于采集母线的电压，并根据采集到的母线电压判断母线的故障类型。如图3所示，第一直流电源母线KMI的正母线KMI+的对地电压为VCC1，第一直流电源母线KMI的负母线KMI-的对地电压为VSS1，第二直流电源母线KMII的正母线KMII+的对地电压为VCC2(图中未示出)，第二直流电源母线KMII的负母线KMII-的对地电压为VSS2(图中未示出)，示例性的，假设VCC2大于VCC1、|VSS2|大于|VSS1|，如果电压采样电路采集到的第一直流电源母线KMI的正母线KMI+的对地电压为VCC2，则可判定第一直流电源母线KMI的正母线KMI+和第二直流电源母线KMII的正母线KMII+出现环网故障。

如果电压采样电路采集到的第一直流电源母线KMI的负母线KMI-的对地电压为VSS2，则可判定第一直流电源母线KMI的负母线KMI-和第二直流电源母线KMII的负母线KMII-出现环网故障。

如果电压采样电路采集到的第一直流电源母线KMI的正母线KMI+的对地电压为负压，则可判定第一直流电源母线KMI的正母线KMI+和第二直流电源母线KMII的负母线KMII-出现环网故障。

如果电压采样电路采集到的第一直流电源母线KMI的负母线KMI-的对地电压为正压，则可判定第一直流电源母线KMI的负母线KMI-和第二直流电源母线KMII的正母线KMII+出现环网故障。

如果电压采样电路采集到的第一直流电源母线KMI的正母线KMI+或负母线KMI-的电压为0，则可判定第一直流电源母线KMI失电。

如图2所示，在一些实施方式中，直流环网保护装置20还包括报警模块(图中未示出)，报警模块连接故障检测电路201的输出端，用于在母线出现故障的情况下输出报警信息。示例性的，报警模块可以为喇叭或者蜂鸣器。

在一些实施方式中，控制电路202包括单片机，所述单片机用于根据故障检测电路201输出的故障告警信号来控制第一开关203和第二开关204的通断状态。示例性的，故障检测电路201没有输出故障告警信号，则单片机控制第一开关203接通、第二开关204断开，故障检测电路201有输出故障告警信号，则单片机控制第一开关203断开、第二开关204接通。这样可以在直流母线10电压正常的情况下，直流母线10通过第一开关203直接给负载30供电。在直流母线10异常(例如因环网故障电压升高)时，直流母线10通过第二开关204经全桥DCDC变换电路205变换成正常电压给负载30供电，这样负载30既不会因环网故障而断电，也不会被环网故障引起的高压损坏，从而对负载30起到隔离保护的作用。

在一些实施方式中，第一开关203、第二开关204均包括IGBT模块，示例性的，控制电路202中的单片机通过控制第一开关203、第二开关204中的IGBT模块的控制端的电平的高低来控制IGBT模块的通断状态，从而改变第一开关203和第二开关204的通断状态。

图4是根据一示例性实施例示出的一种全桥DCDC变换电路205的示意图，在一些实施方式中，全桥DCDC变换电路205包括：H桥逆变模块、高频变压器和全桥整流电路。如图4所示，四个首尾串联的IGBT管子Q1-Q4构成H桥逆变模块，所述H桥逆变模块跨接在输入直流电压U_IN的正极DC+和负极DC-之间，用于将输入直流电压逆变为交流电压。四个首尾串联的瞬态恢复二极管D1-D4构成全桥整流电路，所述全桥整流电路跨接在输出直流电压Uo的正极+和负极-之间，用于将交流电压整流为直流电压。高频变压器T跨接在所述H桥逆变模块和所述全桥整流电路之间，用于电压变换和隔离，此外，全桥DCDC变换电路205还包括跨接在输入直流电压U_IN正极DC+和负极DC-之间的输入滤波电容C1，用于输入电压U_IN滤波，以及由电感L1、电容C2组成的输出滤波电路，其中所述电感L1一端连接二极管D2的负极，另一端为输出直流电压Uo的正极+，所述电容C2跨接在输出直流电压Uo的正极+和负极-之间。全桥DCDC变换电路205可以将输入直流电压U_IN变换为输出直流电压Uo，并起到输入输出隔离的作用。

综上所述，本公开实施例提供一种直流环网保护装置20，包括故障检测电路201、控制电路202、第一开关203、第二开关204以及全桥DCDC变换电路205，故障检测电路201包括测试桥电路、电流检测电路、可以检测母线绝缘电阻是否下降，电压采样电路可以判断母线故障类型，并输出故障告警信号，控制电路202中的单片机可以根据故障检测电路201输出的故障告警信号来控制第一开关203和第二开关204的通断状态，全桥DCDC变换电路205包括H桥逆变模块、高频变压器和全桥整流电路可以实现电压变换和输入输出电压隔离的作用。本公开实施例提供的直流环网保护装置20可以监测直流电源母线运行状态，当直流母线出现故障时通过全桥DCDC变换电路205对负载30进行故障隔离保护，实现环网故障保护的功能。

图5是根据一示例性实施例示出的一种直流电源系统的示意图，如图5所示，本公开实施例提供一种直流电源系统，包括如上所述的直流环网保护装置20。其中，直流环网保护装置为两个，两个直流环网保护装置为第一直流环网保护装置21和第二直流环网保护装置22，系统包括第一直流电源母线KMI、第二直流电源母线KMII、第一直流环网保护装置21、第二直流环网保护装置22、第一负载31、第二负载32、以及断路器QF。

第一直流环网保护装置21和第一负载31依次串接于第一直流电源母线KMI的正母线KMI+和负母线KMI-之间。第二直流环网保护装置和第二负载32依次串接于第二直流电源母线KMII的正母线KMII+和负母线KMII-之间。这样可以实现当出现母线环网故障时，所有负载不间断运行，并且不会被高压损坏。

断路器QF串接于第一直流电源母线KMI和第二直流电源母线KMII之间，断路器QF在第一直流电源母线KMI或第二直流电源母线KMII其中一者失电时处于合闸状态。这样，当两条直流电源母线中的一条处于失电状态时，可以由另外一条正常的直流电源母线供电，从而保证失电母线的负载不间断运行。

在一些实施方式中，系统还包括第一蓄电池41和第二蓄电池42。其中，第一蓄电池41串接于第一直流电源母线KMI的正母线KMI+和负母线KMI-之间。第二蓄电池42串接于第二直流电源母线KMII的正母线KMII+和负母线KMII-之间。第一蓄电池41、第二蓄电池42用于储能或供能。

综上所述，本公开实施例提供一种直流电源系统，包括如上所述的直流环网保护装置20。其中，直流环网保护装置为两个，两个直流环网保护装置为第一直流环网保护装置21和第二直流环网保护装置22，系统包括第一直流电源母线KMI、第二直流电源母线KMII、第一直流环网保护装置21、第二直流环网保护装置22、第一负载31、第二负载32、以及断路器QF。第一直流环网保护装置21和第一负载31依次串接于第一直流电源母线KMI的正母线KMI+和负母线KMI-之间。第二直流环网保护装置和第二负载32依次串接于第二直流电源母线KMII的正母线KMII+和负母线KMII-之间。断路器QF串接于第一直流电源母线KMI和第二直流电源母线KMII之间，断路器QF在第一直流电源母线KMI或第二直流电源母线KMII其中一者失电时处于合闸状态。本公开实施例提供的直流电源系统可以实现当出现母线环网故障时，所有负载不间断运行，并且不会被高压损坏。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种直流环网保护装置，其特征在于，包括故障检测电路、控制电路、第一开关、第二开关以及全桥DCDC变换电路；

所述故障检测电路的输入端连接直流母线，用于检测所述直流母线的故障状态；

所述控制电路的输入端连接所述故障检测电路的输出端，所述控制电路的第一输出端连接所述第一开关的控制端，所述控制电路的第二输出端连接所述第二开关的控制端，用于控制所述第一开关、第二开关的开关状态；

所述第一开关串接在所述直流母线和负载之间，用于断开或挂载所述负载；

所述第二开关串接在所述直流母线和全桥DCDC变换电路之间，用于断开或挂载所述全桥DCDC变换电路；

所述全桥DCDC变换电路的输出端连接所述负载，用于对所述直流母线的电压进行变换和隔离。

2.根据权利要求1所述的直流环网保护装置，其特征在于，所述故障检测电路包括测试桥电路，所述测试桥电路包括依次串接在所述母线和地之间的检测电阻和切入开关，所述测试桥电路用于检测所述母线的对地绝缘电阻。

3.根据权利要求2所述的直流环网保护装置，其特征在于，所述故障检测电路还包括电压采样电路，所述电压采样电路用于采集所述母线的电压，并根据采集到的母线电压判断母线的故障类型。

4.根据权利要求1所述的直流环网保护装置，其特征在于，所述控制电路包括单片机。

5.根据权利要求1所述的直流环网保护装置，其特征在于，所述第一开关、第二开关均包括IGBT模块。

6.根据权利要求1所述的直流环网保护装置，其特征在于，所述全桥DCDC变换电路包括：H桥逆变模块、高频变压器和全桥整流电路。

7.根据权利要求1所述的直流环网保护装置，其特征在于，所述装置还包括报警模块，所述报警模块连接所述故障检测电路的输出端，用于在所述母线出现故障的情况下输出报警信息。

8.一种直流电源系统，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的直流环网保护装置。

9.根据权利要求8所述的直流电源系统，其特征在于，所述直流环网保护装置为两个，两个所述直流环网保护装置为第一直流环网保护装置和第二直流环网保护装置，所述系统包括第一直流电源母线、第二直流电源母线、所述第一直流环网保护装置、所述第二直流环网保护装置、第一负载、第二负载、以及断路器；

所述第一直流环网保护装置和所述第一负载依次串接于所述第一直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述第二直流环网保护装置和所述第二负载依次串接于所述第二直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述断路器串接于所述第一直流电源母线和所述第二直流电源母线之间，所述断路器在所述第一直流电源母线或所述第二直流电源母线其中一者失电时处于合闸状态。

10.根据权利要求9所述的直流电源系统，其特征在于，所述系统还包括第一蓄电池和第二蓄电池；

所述第一蓄电池串接于所述第一直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述第二蓄电池串接于所述第二直流电源母线的正母线和负母线之间；

所述第一蓄电池、第二蓄电池用于储能或供能。