CN102590676A - 可检测直流供电***直流环网故障的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种直流供电***直流环网故障的检测装置及其检测方法，所述检测装置包括两个平衡电桥单元，两个电压采集单元，两个接地控制单元以及至少一个处理器。本装置检测测量两组直流母线正负极对地电压值，并根据电压值的对应关系对两组直流***环网和环网性质进行判断。本发明采用上述技术进行环网检测，能够及时检测到环网故障，并发出报警信号；检测时，无低频信号注入直流***，保证了直流***安全稳定的运行。

Description

可检测直流供电***直流环网故障的装置及方法

技术领域

本发明涉及直流供电***监控技术领域，尤其是涉及一种可检测直流环网故障的装置及方法。

背景技术

为了提高直流电源***供电的可靠性，110kV以上的变电站及发电厂大多采用两组蓄电池及充电装置，将负荷平均分配给两组独立供电的直流***。对于重要负荷，分别从两组直流***经过断路器或熔断器引出馈线，并选择任意一组直流***供电。根据电力***设计规范，两组直流***必须独立运行，但在实际运行过程中，存在环网故障现象，即两组直流***有一点或多点电气连接，给电力***的安全稳定运行带来严重危害。

《直流***环网故障的危害与处理》(广东电力，第23卷，第9期)一文对环网产生的原因进行了综述，发生环网故障的原因主要有：

1.新建、扩建或技术改造的施工过程中，将负荷的电源线同时接入两组直流***；

2.运行维护人员倒负荷操作时，使两组直流***并列运行；

3.原有一组直流***，再增加一组直流***，分配给新建的直流***的负荷仍与原直流***有电气连接；

4.同一条电缆有两组直流***的供电回路，由于电缆的绝缘下降导致两组直流***相连。

直流***发生环网，可能引起直流***火灾、缩短蓄电池的寿命、导致设备拒动，或由于单点接地引起继电保护误动。鉴于此，部分供电公司或厂家已着手对环网监控进行研究，并研制出检测环网故障的装置。如《新型智能直流接地选线与环网定位装置的研制》一文介绍了一种环网检测及定位的装置，其原理为向一组直流母线注入低频交变信号，在第二组直流母线进行接收，若发生环网故障，则所注入的低频信号必定通过环网点与大地形成回路，通过第二组直流母线上低频信号的有无来检测是否发生环网故障，通过位于各馈线支路的传感器确定环网发生的回路。

但是，运行表明，低频信号的注入为直流***带来纹波，为直流***的安全稳定运行带来隐患。国家电网发布的《站用电源交直流一体化***技术规范》中已明确提出，不宜采用对直流母线注入低频信号工作方式查找接地的绝缘监测装置。目前，尚无采用其他方法的环网检测装置或具有环网检测的直流绝缘监测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种可检测直流供电***直流环网故障的装置及方法，该装置无需向直流母线注入低频信号，即具有直流***环网检测功能，保证直流***安全稳定的运行。

为了实现本发明的目的，特提出一种直流供电***直流环网故障的检测装置，安装在设有二组互为冗余的蓄电池的直流电源配电设备中，所述检测装置包括：

两个平衡电桥单元，其中一个平衡电桥单元连接到所述第一组直流母线正极和第一组直流母线负极之间，另一个平衡电桥单元连接到第二组直流母线正极和第二组直流母线负极之间；

两个电压采集单元，其中一个电压采集单元连接到第一组直流母线中，采集第一组直流母线正极对地电压和负极对地电压；另一个电压采集单元连接到第二组直流中，采集第二组直流母线正极对地电压和负极对地电压；

两个接地控制单元，其中一个接地控制单元连接到第一组直流母线的平衡电桥单元和大地之间，另一个接地控制单元连接到第二组直流母线的平衡电桥单元和大地之间；

至少一个处理器，所述处理器用于对所述两个电压采集单元采集到的两组直流母线的正极对地电压和负极对地电压进行处理，以及用于控制所述接地控制单元是否接地。

所述接地控制单元至少包括一个接地开关，该接地开关的开合状态由所述处理器控制。

所述的接地开关为可控的机械式继电器或可控的电子式继电器。

作为本发明的实施例，所述的平衡电桥单元包括至少两组阻值相等的平衡电阻，每组平衡电阻至少包括一个平衡电阻，其中，一组平衡电阻接于直流母线正极与接地开关之间，另一组平衡电阻接于直流母线负极与接地开关之间，。

所述平衡电桥单元作为所述电压采集单元采集母线的正极对地电压和负极对地电压，采集的电压信号经过一个采样信号调理单元进行信号调理，送给一个AD转换器，所述AD转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，送给所述处理器。

所述AD转换器可以是独立的，也可以集成在处理器中；所述采样信号调理单元由线性隔离、放大或滤波电路模块组成；所述线性隔离电路模块包括隔离运算放大器、线性光耦或集成的隔离型电压转换模块，对平衡电桥单元输出的电压信号进行信号隔离；所述放大电路模块对隔离的电压信号进行放大，以适应AD转换器的输入要求；所述滤波电路模块滤除耦合在电压信号上的干扰信号。

作为本发明的另一个实施例，所述的电压采集单元为测量直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压的仪表、电压监测装置或直流绝缘监测装置之一；所述的处理器通过通讯电路与所述电压采集单元连接，获取直流母线正极对地电压值和直流母线负极对地电压值。

本发明还提出一种直流供电***直流环网故障的检测方法，包括步骤：

1)测量第一组直流母线正极对地电压U₁₊、第一组直流母线负极对地电压U_1-、第二组直流母线正极对地电压U₂₊和第二组直流母线负极对地电压U_2-；

2)对上述两组直流母线正负极对地电压值进行如下判断：

a)若U₁₊＝U₂₊，则断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U₁₊＝U₂₊，则可判定为两组直流***环网，环网性质为正极直接环网；

b)若U_1-＝U_2-，则断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U_1-＝U_2-，则可判定为两组直流***环网，环网性质为负极直接环网；

c)若U₁₊＝U_2-，断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U₁₊＝U_2-，则可判定为两组直流***环网，环网性质为第一组直流***正极与第二组直流***负极直接环网；

d)若U_1-＝U₂₊，断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U_1-＝U₂₊，则可判定为两组直流***环网，环网性质为第一组直流***负极与第二组直流***正极直接环网；

3)定时进行如下判断：

断开第一组直流母线的接地开关K1，采集第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-，与断开K1前的第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网。

在步骤3，还可以断开第二组直流母线的接地开关K2，采集第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-，与断开K2前的第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网。

本发明采用上述技术进行环网检测，能够及时检测到环网故障，并发出报警信号；检测时，无低频信号注入直流***，保证了直流***安全稳定的运行。

附图说明

图1为本发明的装置原理框图；

图2为本发明的实施例1的原理框图；

图3为本发明实施例2的原理框图；

图4为本发明的方法的流程图；

图5为两组直流***正极与正极直接环网电路图；

图6为两组直流***负极与负极直接环网电路图；

图7为两组直流***环网的第一组直流***的正极与第二组直流***的负极直接环网电路图；

图8为两组直流***环网的第一组直流***的正极与第二组直流***的负极通过某个电气元件环网电路图；

图9为两组直流***正极与正极直接环网的等效电路图；

图10为两组直流***负极与负极直接环网的等效电路图；

图11为第一组直流***的正极与第二组直流***的负极直接环网的等效电路图；

图12为第一组直流***的正极与第二组直流***的负极通过某个电气元件环网的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的装置的原理框图。如图1所示：第一平衡电桥单元连接到第一组直流母线正极和第一组直流母线负极之间，并与第一接地控制单元的一端连接，第一接地控制单元的另一端与大地连接；第二平衡电桥单元连接到第二组直流母线正极和第二组直流母线负极之间，并与第二接地控制单元的一端连接，第二接地控制单元的另一端与大地连接。第一电压采集单元连接到第一组直流母线中，采集第一组直流母线正极对地电压和负极对地电压；第二电压采集单元连接到第二组直流中，采集第二组直流母线正极对地电压和负极对地电压；两个电压采集单元所采集的电压均送给处理器，处理器对两个电压采集单元采集到的两组直流母线的正极对地电压和负极对地电压进行处理，并对两个接地控制单元进行控制，根据需要决定电压采集单元是否接入大地。

图2为本发明的装置的实施例1的原理图。如图2所示，第一平衡电桥单元由平衡电阻R1和R2组成，第一接地控制单元由开关K1构成，平衡电阻R1的一端连接到第一组直流母线正极KM1+，另一端与平衡电阻R2、接地开关K1连接，平衡电阻R2的另一端与第一组直流母线负极KM1-连接，接地开关K1的另一端与大地连接；平衡电阻R3的一端连接到第一组直流母线正极KM2+，另一端与平衡电阻R4、接地开关K2连接，平衡电阻R4的另一端与第一组直流母线负极KM2-连接，接地开关K2的另一端与大地连接。接地开关K1和接地开关K2可以是可控的机械式开关，如继电器，也可以是可控的电子式开关，如电力电子器件、电子继电器等。

第一电压采集单元为第一平衡电桥单元，第一电压采集单元通过第一平衡电桥单元采集第一组直流母线正极对地电压和负极对地电压，第一电压采集单元采集的电压信号经过第一采样信号调理单元的调理后，送给AD转换器，AD转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，送给处理器，处理器根据AD转换器送入的数字值进行计算，得到第一组直流母线正极对地电压U₁₊和负极对地电压U_1-；同理，第二电压采集单元为第二平衡电桥单元，第二电压采集单元通过第二平衡电桥单元采集第二组直流母线正极对地电压和负极对地电压，第二电压采集单元采集的电压信号经过第二采样信号调理单元的调理后，送给AD转换器，AD转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，送给处理器，处理器根据AD转换器送入的数字值进行计算，得到第二组直流母线正极对地电压U₂₊和负极对地电压U_2-。

AD转换器可以是独立的，也可以集成在处理器中。

上述采样信号调理单元一般由隔离、放大、滤波等电路模块组成，由平衡电桥输出的电压信号经过线性隔离器件进行信号隔离，典型的线性隔离器件有隔离运算放大器、线性光耦等，也可以采用集成的隔离型电压转换模块；经过隔离的电压信号需要进行放大，以适应AD转换器的输入要求；同时，设置滤波电路滤除耦合在电压信号上的干扰信号。

图3为本发明的装置的实施例2的原理图，在该实施实例中，平衡电桥单元和接地控制单元的结构与实施例1一致。与实施例1所不同的是，所设置的电压采集单元为能够测量直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压的装置，如仪表、直流绝缘监测装置、直流电压监测装置等。在第一组直流母线和第二组直流母线中均设置至少1个电压测量装置，其中第一电压测量装置连接于第一组直流母线正极、负极和大地，测量第一组直流母线正极对地电压和负极对地电压；第二电压测量装置连接于第二组直流母线正极、负极和大地，测量第二组直流母线正极对地电压和负极对地电压。两个电压测量装置所测的电压值通过通讯电路传递给处理器。

图4为本发明的方法的流程图，其工作过程为：

1、测量第一组直流母线正极对地电压U₁₊、第一组直流母线负极对地电压U_1-和第二组直流母线正极对地电压U₂₊、第二组直流母线负极对地电压U_2-；

2、对两组直流母线正负极对地电压值进行如下判断：

a)若U₁₊＝U₂₊，则断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U₁₊＝U₂₊，则可判定为两组直流***环网，环网性质为正极直接环网；

b)若U_1-＝U_2-，则断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U_1-＝U_2-，则可判定为两组直流***环网，环网性质为负极直接环网；

c)若U₁₊＝U_2-，断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U₁₊＝U_2-，则可判定为两组直流***环网，环网性质为第一组直流***正极与第二组直流***负极直接环网；

d)若U_1-＝U₂₊，断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U_1-＝U₂₊，则可判定为两组直流***环网，环网性质为第一组直流***负极与第二组直流***正极直接环网；

3、定时进行如下判断：

断开第一组直流母线的接地开关K1，采集第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-，与断开K1前的第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网；或断开第二组直流母线的接地开关K2，采集第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-，与断开K2前的第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网。

上述装置及方法的原理如下：

图5～图8为直流***环网电路图，其中，图5所示为两组直流***正极与正极直接环网，图6所示为两组直流***负极与负极直接环网，图7所示为第一组直流***正极与第二组直流***负极直接环网，图8所示为第一组直流***正极与第二组直流***负极通过电气元件环网，在直流***内，该电气元件为继电保护线圈，具有一定的阻值。上述四个图中，E1为第一组直流***的母线电压，KM1+、KM1-为第一组直流***的正负母线，R_P1为连接在第一组直流母线上的绝缘监测装置的平衡电阻，R_P1连接到直流母线正极对地之间和负极对地之间，R₁₊、R_1-分别为第一组直流***正极对地绝缘下降的电阻值和负极对地绝缘下降的电阻值；E2为第二组直流***的母线电压，KM2+、KM2-为第二组直流***的正负母线，R_P2为连接在第二组直流母线上的绝缘监测装置的平衡电阻，R_P2连接到直流母线正极对地之间和负极对地之间，R₂₊、R_2-分别为第二组直流***正极对地绝缘下降的电阻值和负极对地绝缘下降的电阻值。一般的，在同一个变电站或发电厂内，两组直流母线的电压值相等，即E1＝E2。

为了便于对发生环网后的电压进行分析，将图5～图8所示的电路等效简化为图9～图12所示电路，其中：R₁＝R₁₊//R_p1，R₂＝R_1-//R_p1，R₃＝R₂₊//R_p2，R₄＝R_2-//R_p2。

U₁₊为第一组直流***正极对地电压值，U_1-为第一组直流***负极对地电压值，U₂₊为第二组直流***正极对地电压值，U_2-为第二组直流***负极对地电压值。

下面结合图9～图12对环网电路进行分析：

图9所示电路为两组直流***的正极与正极直接环网，由图可见，第一组直流***的正极KM1+与第二组直流***的正极KM2+为等位点，电阻R₁和R₃跨接于该等位点与大地之间，所以有U₁₊＝U₂₊。但是，U₁₊＝U₂₊还可能由于直流***绝缘下降引起，所以，需要断开接地点进一步判断，如果是由于环网引起的，当断开K1后，仍然存在U₁₊＝U₂₊，反之，若是由于绝缘下降引起，则U₁₊≠U₂₊。图10所示的两组直流***的负极与负极直接环网，以及图11所示的第一组直流***正极与第二组直流***负极直接环网，其原理相同。

图12所示电路为第一组直流***正极与第二组直流***负极通过电气元件环网，设该电气元件的阻值为R_h，为了便于分析，设两组直流***的电压相同，即E₁＝E₂＝E，当发生环网后，可以得出两组直流***正负极对地电压值为：

$U_{1+}=\frac{\frac{G_h-G_2}{G_h}-\frac{G_h+G_4}{G_h+G_4+G_3}}{\frac{G_h}{G_h+G_4+G_3}-\frac{G_h+G_1+G_2}{G_h}}\×E$

$U_{1-}=\frac{\frac{2\×G_h+G_1}{G_h}-\frac{2\×G_h+G_4}{G_h+G_4+G_3}}{\frac{G_h}{G_h+G_4+G_3}-\frac{G_h+G_1+G_2}{G_h}}\×E$

$U_{2+}=\frac{\frac{2\×G_h+G_4}{G_h}-\frac{2\×G_h+G_1}{G_h+G_1+G_2}}{\frac{G_h+G_4+G_3}{G_h}-\frac{G_h}{G_h+G_1+G_2}}\×E$

$U_{2-}=\frac{\frac{G_h-G_3}{G_h}-\frac{G_h+G_1}{G_h+G_1+G_2}}{\frac{G_h+G_4+G_3}{G_h}-\frac{G_h}{G_h+G_1+G_2}}\×E$

式中，G₁、G₂、G₃、G₄、G_h分别为R₁、R₂、R₃、R₄、R_h的倒数，即电导值。可以看出，环网必定导致两组直流***正极和负极对地电压的变化，为了区分电压变化是由绝缘下降引起的还是由环网引起的，可断开第一组直流母线的接地开关K1，采集第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-，与断开K1前的第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网，反之，若无明显变化，则两组直流***未发生环网；或断开第二组直流母线的接地开关K2，采集第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-，与断开K2前的第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网，反之，若无明显变化，则两组直流***未发生环网。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流供电***直流环网故障的检测装置，安装在设有二组互为冗余的蓄电池的直流电源配电设备中，其特征在于，所述检测装置包括：

两个平衡电桥单元，其中一个平衡电桥单元连接到直流供电***的第一组直流母线正极和第一组直流母线负极之间，另一个平衡电桥单元连接到直流供电***的第二组直流母线正极和第二组直流母线负极之间；

两个电压采集单元，其中一个电压采集单元连接到第一组直流母线中，采集第一组直流母线正极对地电压和负极对地电压；另一个电压采集单元连接到第二组直流中，采集第二组直流母线正极对地电压和负极对地电压；

两个接地控制单元，其中一个接地控制单元连接到第一组直流母线的平衡电桥单元和大地之间，另一个接地控制单元连接到第二组直流母线的平衡电桥单元和大地之间；

至少一个处理器，所述处理器用于对所述两个电压采集单元采集到的两组直流母线的正极对地电压和负极对地电压进行处理，以及用于控制所述接地控制单元是否接地。

2.根据权利要求1所述的直流环网故障的检测装置，其特征在于，所述接地控制单元至少包括一个接地开关，该接地开关的开合状态由所述处理器控制。

3.根据权利要求2所述的直流环网故障的检测装置，其特征在于，所述的接地开关为可控的机械式继电器或可控的电子式继电器。

4.根据权利要求1-3所述的直流环网故障的检测装置，其特征在于，所述的平衡电桥单元包括至少两组阻值相等的平衡电阻，每组平衡电阻至少包括一个平衡电阻，其中，一组平衡电阻接于直流母线正极与接地开关之间，另一组平衡电阻接于直流母线负极与接地开关之间。

5.根据权利要求4所述的直流环网故障的检测装置，其特征在于，所述平衡电桥单元作为所述电压采集单元采集母线的正极对地电压和负极对地电压，采集的电压信号经过一个采样信号调理单元进行信号调理，送给一个AD转换器，所述AD转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，送给所述处理器。

6.根据权利要求5所述的直流环网故障的检测装置，其特征在于，所述AD转换器可以是独立的，也可以集成在处理器中；所述采样信号调理单元由线性隔离、放大或滤波电路模块组成；所述线性隔离电路模块包括隔离运算放大器、线性光耦或集成的隔离型电压转换模块，对平衡电桥单元输出的电压信号进行信号隔离；所述放大电路模块对隔离的电压信号进行放大，以适应AD转换器的输入要求；所述滤波电路模块滤除耦合在电压信号上的干扰信号。

7.根据权利要求1-3所述的直流环网故障的检测装置，其特征在于，所述的电压采集单元为测量直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压的仪表、电压监测装置或直流绝缘监测装置之一；所述的处理器通过通讯电路与所述电压采集单元连接，获取直流母线正极对地电压值和直流母线负极对地电压值。

8.一种直流供电***直流环网故障的检测方法，其特征在于包括步骤：

1)测量第一组直流母线正极对地电压U₁₊、第一组直流母线负极对地电压U_1-、第二组直流母线正极对地电压U₂₊和第二组直流母线负极对地电压U_2-；

2)对上述两组直流母线正负极对地电压值进行如下判断：

a)若U₁₊＝U₂₊，则断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U₁₊＝U₂₊，则可判定为两组直流***环网，环网性质为正极直接环网；

b)若U_1-＝U_2-，则断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U_1-＝U_2-，则可判定为两组直流***环网，环网性质为负极直接环网；

c)若U₁₊＝U_2-，断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U₁₊＝U_2-，则可判定为两组直流***环网，环网性质为第一组直流***正极与第二组直流***负极直接环网；

d)若U_1-＝U₂₊，断开第一组直流母线的接地开关K1或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U₁₊、U_1-、U₂₊、U_2-，若仍然存在U_1-＝U₂₊，则可判定为两组直流***环网，环网性质为第一组直流***负极与第二组直流***正极直接环网；

3)定时进行如下判断：

断开第一组直流母线的接地开关K1，采集第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-，与断开K1前的第二组直流母线正负极对地电压U₂₊、U_2-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，在步骤3，还可以断开第二组直流母线的接地开关K2，采集第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-，与断开K2前的第一组直流母线正负极对地电压U₁₊、U_1-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流***环网。

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