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专利名称：可检测直流供电系统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系统监控技术领域，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：
为了提高直流电源系统供电的可靠性，IlOkV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系统。对于重要负荷，分别从两组直流系统经过断路器或熔断器引出馈线，并选择任意一组直流系统供电。根据电力系统设计规范，两组直流系统必须独立运行，但在实际运行过程中，存在环网故障现象，即两组直流系统有一点或多点电气连接，给电力系统的安全稳定运行带来严重�：�。《直流系统环网故障的�：τ氪�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I.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系统；2.运行维护人员倒负荷操作时，使两组直流系统并列运行；3.原有一组直流系统，再增加一组直流系统，分配给新建的直流系统的负荷仍与原直流系统有电气连接；4.同一条电缆有两组直流系统的供电回路，由于电缆的绝缘下降导致两组直流系统相连。直流系统发生环网，可能引起直流系统火灾、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系统带来纹波，为直流系统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系统技术规范》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系统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，即具有直流系统环网检测功能，保证直流系统安全稳定的运行。为了实现本发明的目的，特提出一种直流供电系统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�？樽槌桑凰�述线性隔离电路�？榘�括隔离运算放大器、线性光耦或集成的隔离型电压转换�？椋�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�？槎愿衾氲牡缪剐藕沤�行放大，以适应AD转换器的输入要求；所述滤波电路�？槁顺�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系统直流环网故障的检测方法，包括步骤I)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U1-、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U2-；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Kl或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U1+、Ui_、U2+、U2_，若仍然存在U1+ = U2+，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为正极直接环网；b)若U1- = U2_，则断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U1+、Ui_、U2+、U2_，若仍然存在U1- = U2_，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为负极直接环网；
c)若U1+ = U2_，断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关 K2，并采集U1+、U卜、U2+、U2_，若仍然存在U1+ = U2_，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为第一组直流系统正极与第二组直流系统负极直接环网；d)若U1- = U2+，断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关 K2，并采集U1+、U卜、U2+、U2_，若仍然存在U1- = U2+，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为第一组直流系统负极与第二组直流系统正极直接环网；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_，与断开Kl前的第二组直流母线正负极对地电压％+、U2-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流系统环网。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+、Ui_，与断开K2前的第一组直流母线正负极对地电压U1+、Ui_比较，若存在明显变化，则判定为两组直流系统环网。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系统，保证了直流系统安全稳定的运行。


图I为本发明的装置原理框图；图2为本发明的实施例I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为两组直流系统正极与正极直接环网电路图；图6为两组直流系统负极与负极直接环网电路图；图7为两组直流系统环网的第一组直流系统的正极与第
接环网电路图；图8为两组直流系统环网的第一组直流系统的正极与第
过某个电气元件环网电路图；图9为两组直流系统正极与正极直接环网的等效电路图；图10为两组直流系统负极与负极直接环网的等效电路图；图11为第一组直流系统的正极与第二组直流系统的负极直接环网的等效电路
:组直流系统的负极直
:组直流系统的负极通图12为第一组直流系统的正极与第二组直流系统的负极通过某个电气元件环网的等效电路图。
具体实施例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I为本发明的装置的原理框图。如图I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I的原理图。如图2所示，第一平衡电桥单元由平衡电阻Rl和R2组成，第一接地控制单元由开关Kl构成，平衡电阻Rl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Kl连接，平衡电阻R2的另一端与第一组直流母线负极KMl-连接，接地开关Kl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Kl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U1-;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U2_。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�？樽槌桑�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�？椋痪�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I 一致。与实施例I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I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I、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U1-和第5/6页
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U2_ ；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Kl或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U1+、Ui_、U2+、U2_，若仍然存在U1+ = U2+，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为正极直接环网；b)若U1- = U2_，则断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U1+、Ui_、U2+、U2_，若仍然存在U1- = U2_，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为负极直接环网；c)若U1+ = U2_，断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关 K2，并采集U1+、U卜、U2+、U2_，若仍然存在U1+ = U2_，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为第一组直流系统正极与第二组直流系统负极直接环网；d)若U1- = U2+，断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关 K2，并采集U1+、U卜、U2+、U2_，若仍然存在U1- = U2+，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为第一组直流系统负极与第二组直流系统正极直接环网；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_，与断开Kl前的第二组直流母线正负极对地电压％+、U2-比较，若存在明显变化，则判定为两组直流系统环网；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仏+、仏_，与断开1(2前的第一组直流母线正负极对地电压U1+、Ui_比较，若存在明显变化，则判定为两组直流系统环网。上述装置及方法的原理如下图5 图8为直流系统环网电路图，其中，图5所示为两组直流系统正极与正极直接环网，图6所示为两组直流系统负极与负极直接环网，图7所示为第一组直流系统正极与第二组直流系统负极直接环网，图8所示为第一组直流系统正极与第二组直流系统负极通过电气元件环网，在直流系统内，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，El为第一组直流系统的母线电压，KM1+、KM1-为第一组直流系统的正负母线，Rpi为连接在第一组直流母线上的绝缘监测装置的平衡电阻，Rpi连接到直流母线正极对地之间和负极对地之间，R1+、R1-分别为第一组直流系统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为第二组直流系统的母线电压，KM2+、KM2-为第二组直流系统的正负母线， Rp2为连接在第二组直流母线上的绝缘监测装置的平衡电阻，Rp2连接到直流母线正极对地之间和负极对地之间，R2+、R2-分别为第二组直流系统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 El = 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+//Rpl, R2 = R1-AZRpl, R3 = R2+//Rp2，R4 = R2-//Rp2。U1+为第一组直流系统正极对地电压值，U1-为第一组直流系统负极对地电压值，U2+ 为第二组直流系统正极对地电压值，U2-为第二组直流系统负极对地电压值。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系统的正极与正极直接环网，由图可见，第一组直流系
8统的正极KMl+与第二组直流系统的正极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+还可能由于直流系统绝缘下降引起，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Kl后，仍然存在U1+= U2+，反之，若是由于绝缘下降引起，则U1+#U2+。图10所示的两组直流系统的负极与负极直接环网，以及图11所示的第一组直流系统正极与第二组直流系统负极直接环网，其原理相同。图12所示电路为第一组直流系统正极与第二组直流系统负极通过电气元件环网，设该电气元件的阻值为Rh，为了便于分析，设两组直流系统的电压相同，即E1 = E2 = E， 当发生环网后，可以得出两组直流系统正负极对地电压值为
权利要求
1.一种直流供电系统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系统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系统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I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�？樽槌桑凰�述线性隔离电路�？榘�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�？槎愿衾氲牡缪剐藕沤�行放大，以适应AD转换器的输入要求；所述滤波电路�？槁顺�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。
8.一种直流供电系统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U1-、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U2_ ；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Kl或第二组直流母线的接地开关K2，并采集U1+、U1^ U2+、U2_，若仍然存在U1+ = U2+，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为正极直接环网；b)若U1-= U2_，则断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关 K2，并采集U1+、U卜、U2+、U2_，若仍然存在U1- = U2_，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为负极直接环网；c)若U1+= U2_，断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关K2, 并采集U1+、Ui_、U2+、U2_，若仍然存在U1+ = U2_，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为第一组直流系统正极与第二组直流系统负极直接环网；d)若U1-= U2+，断开第一组直流母线的接地开关Kl或第二组直流母线的接地开关K2， 并采集U1+、Ui_、U2+、U2_，若仍然存在U1- = U2+，则可判定为两组直流系统环网，环网性质为第一组直流系统负极与第二组直流系统正极直接环网；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+、U2_，与断开Kl前的第二组直流母线正负极对地电压U2+、U2_比较，若存在明显变化，则判定为两组直流系统环网。
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+、Ui_，与断开K2前的第一组直流母线正负极对地电压U1+、Ui_比较，若存在明显变化，则判定为两组直流系统环网。
全文摘要
本发明是一种直流供电系统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系统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系统，保证了直流系统安全稳定的运行。
文档编号G01R31/00GK102590676SQ20121004801
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者南寅, 王超, 王雪楠 申请人:北京人民电器厂有限公司