机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法，该系统包括中央处理器模块以及与其连接的电流采集判断模块、电压信息采集模块、动作控制模块、斥力电容充电模块、状态反馈指示模块、电源模块、信息交互与记录模块、防死机模块；本发明专利技术电流采集判断模块，保障了短路电流检测判断的可靠性。硬件上，系统使用双电源供电，保证电源供应稳定性。增加防死机模块防止系统出现死机。机械式高压直流断路器不同工作状态的动作流程清晰合理，便于控制。

【技术实现步骤摘要】
机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法
本专利技术涉及机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法，属于柔性直流输配电
以及直流配电领域。
技术介绍
随着传统化石能源短缺与环境问题的不断加剧，能够实现间歇式可再生能源大规模接入的多端高压直流输电技术得到了快速的发展，也在一定程度上激励了柔性直流技术在配电侧的延伸，促进了直流配电网应用的增强。直流电网的发展对可靠性与稳定性提出了更高的要求，其中面临的巨大挑战就是短路电流的开断问题。迫切的需求与巨大的挑战促进了高压直流断路器的研究与发展。直流断路器可分为三种类型：固态直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。其中，机械式直流断路器由于成本低、损耗小、分断能力强等优势有着良好的研究和应用背景。机械式高压直流断路器的控制与保护系统涉及到短路电流的快速识别、电磁斥力机构的快速动作、系统状态反馈指示、信息交互传输等方面，对机械式高压直流断路器控制与保护系统的可靠性与稳定性提出了较高的要求。近年来对机械式高压直流断路器控制与保护系统虽有研究，但存在整体功能不完善，性能可靠性低，不能直接应用到产品中，无法满足挂网使用的需求。
技术实现思路
为了保证短路电流的快速识别与判断，保证系统的可靠性与稳定性，维持直流电网的平稳运行，本专利技术提供了一种机械式高压直流断路器控制与保护系统及其控制方法。为保证机械式高压直流断路器控制与保护系统的技术效果，本专利技术提供的技术方案如下：一种机械式高压直流断路器控制与保护系统，包括中央处理器模块以及与其连接的电流采集判断模块、电压信息采集模块、动作控制模块、斥力电容充电模块、状态反馈指示模块、电源模块、信息交互与记录模块、防死机模块；所述的中央处理器模块，负责信息的统一处理与相关动作指令的发出；所述的电流采集判断模块，包括电流信息采集单元和电流检测处理单元，电流信息采集单元由罗氏线圈与霍尔电流传感器及其对应的信号调理电路组成，其中罗氏线圈负责采集电流变化率，霍尔电流传感器负责采集电流幅值，采集参数通过信号调理电路后进入电流检测处理单元；电流检测处理单元综合电流变化率与电流幅值判断是否发生短路并将相应的状态量反馈给中央处理器模块；所述的电压信息采集模块，采集机械式高压直流断路器拓扑结构中换流电容的电压并将电压信息数字量传输给中央处理器模块；所述的动作控制模块，包括光纤隔离单元及与其连接的主断路器永磁机构、主断路器电磁斥力机构、辅助断路器和换流开关，根据中央处理器模块的指令实现主断路器永磁机构的分合闸、主断路电磁斥力机构的分闸、辅助断路器的分合闸和换流开关的导通或关断；主断路器电磁斥力机构负责故障电流下的分闸，主断路器永磁机构负责合闸和额定电流下的分闸。动作控制模块通过光纤隔离输出相应指令，实现良好的电气隔离，保障系统安全；所述的斥力电容充电模块,通过充电机给斥力电容充电，其中斥力电容与主断路器电磁斥力机构配套，为斥力线圈提供电流，中央处理器模块通过串口通信控制充电机实现斥力电容充电，并获取斥力电容电压信息；所述的状态反馈指示模块，显示主断路器分合闸状态、辅助断路器的分合闸状态、温湿度、斥力电容电压信息、换流电容电压信息并设置按钮完成主断路器分合闸、辅助断路器分合闸操作；所述的电源模块，为整个控制与保护系统提供电源；所述的信息交互与记录模块，根据需要实现与外部的通信以及系统运行信息的记录；所述的防死机模块，防止中央处理器模块进入死机状态。所述的机械式高压直流断路器拓扑结构包括用于切断剩余电流的辅助断路器及三条并联支路，第一条支路由用于导通系统正常工作电流的主断路器构成，主断路器采用电磁斥力和永磁相耦合的操动机构，主断路器出线端与辅助断路器的进线端相连；第二条支路为换流支路，包括换流电抗、换流开关、充电电阻、换流电容，换流电抗一端接主断路器进线端，换流电抗另一端与换流开关的一端相连，换流开关的另一端接换流电容正极与充电电阻的一端，充电电阻的另一端接地，换流电容负极与辅助断路器的进线端相连；第三条支路为能量释放支路，包括避雷器，避雷器一端与主断路器进线端相连，避雷器另一端与辅助断路器的进线端相连。优选的，主断路器采用真空断路器。优选的，避雷器采用系统电压等级相配合的金属氧化物避雷器。优选的，所述的电流采集判断模块中的电流检测处理单元负责短路电流检测与相应状态量输出，其工作流程是，当电流上升率高于整定值E时，启动短路电流检测。在规定的延时时间内，如果电流上升率di/dt始终高于整定值E时，则输出短路电流保护信号；如果电流上升率di/dt回落，但电流上升率di/dt高于整定值F，低于整定值E，且电流增量高于整定值K，同样输出短路电流保护信号；如果电流上升率di/dt低于整定值F，则退出短路电流检测保护。优选的，所述的电源模块包括工作电源单元、备用电源单元和电源转换单元，为整个控制与保护系统提供电源，并在工作电源工作异常的情况下提供备用电源。机械式高压直流断路器分为额定工作状态、短路电流开断过程、额定电流开断过程和充电过程共四种工作状态。在机械式高压直流断路器四种工作状态中，短路电流开断过程是非常关键的，控制与保护系统的工作流程是：1当系统发生短路故障时，电流采集判断模块检测到系统出现短路电流，并将状态量传给中央处理器模块。2中央处理器模块发送指令给主断路器的电磁斥力机构，主断路器触头打开。3主断路器触头达到一定开距，即主断路器触头间隙达到能够承受瞬态开断电压(TransientInterruptionVoltage,TIV)的合适开距，中央处理器模块发送指令使换流开关导通。4按照相关时序，中央处理器模块发送指令给辅助断路器进行关断，切断剩余电流。5状态反馈指示模块显示短路电流开断成功或失败。为保证机械式高压直流断路器工作的稳定性与后期升级维护的便利性，机械式高压直流断路器控制与保护系统软件编程采用分层架构，从底层的模块驱动到顶层的功能模块进行合理的规划。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术提供的技术方案为了保证短路电流的快速检测与判断，设计了电流采集判断模块，保障了短路电流检测判断的可靠性。2.在多个方面增加系统整体工作的可靠性。软件采用分层架构，增强了软件的简洁性与维护性，并支持工作模式与调试模式；硬件上，系统使用双电源供电，保证电源供应稳定性。增加防死机模块防止系统出现死机。3.机械式高压直流断路器不同工作状态的动作流程清晰合理，便于控制。附图说明图1是本专利技术一种机械式高压直流断路器拓扑结构简要图。图2是本专利技术一种机械式高压直流断路器控制与保护系统方案设计框图。图3是本专利技术一种机械式高压直流断路器控制与保护系统电流检测处理单元短路电流检测流程图。图4是本专利技术一种机械式高压直流断路器控制与保护系统中央处理器的软件架构图。图5是本专利技术一种机械式高压直流断路器控制与保护系统短路电流开断流程图。具体实施方式为使相关人员更好的理解本专利技术，下面会结合附图对本专利技术进行更加详细的阐释与说明，从而更好的应用到相关领域。直流断路器是为了保证直流电网运行的稳定性，能够切断短路电流的重要设备。机械式高压直流断路器控制与保护系统就是根据设计流程合理控制断路器拓扑结构中各部件的状态。机械式高压直流断路器主要由主断路器支路、换流支路、避雷器支路和辅助断路器组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.机械式高压直流断路器控制与保护系统，其特征在于：包括中央处理器模块以及与其连接的电流采集判断模块、电压信息采集模块、动作控制模块、斥力电容充电模块、状态反馈指示模块、电源模块、信息交互与记录模块、防死机模块；所述的中央处理器模块，负责信息的统一处理与相关动作指令的发出；所述的电流采集判断模块，包括电流信息采集单元和电流检测处理单元，电流信息采集单元由罗氏线圈与霍尔电流传感器及其对应的信号调理电路组成，其中罗氏线圈负责采集电流变化率，霍尔电流传感器负责采集电流幅值，采集参数通过信号调理电路后进入电流检测处理单元；电流检测处理单元综合电流变化率与电流幅值判断是否发生短路并将相应的状态量反馈给中央处理器模块；所述的电压信息采集模块，采集机械式高压直流断路器拓扑结构中换流电容(Cc)的电压并将电压信息数字量传输给中央处理器模块；所述的动作控制模块，包括光纤隔离单元及与其连接的主断路器永磁机构、主断路器电磁斥力机构、辅助断路器(BCB)和换流开关(Sc)，根据中央处理器模块的指令实现主断路器永磁机构的分合闸、主断路电磁斥力机构的分闸、辅助断路器(BCB)的分合闸和换流开关(Sc)的导通或关断；所述的斥力电容充电模块,通过充电机给斥力电容充电，其中斥力电容与主断路器电磁斥力机构配套，为斥力线圈提供电流，中央处理器模块通过串口通信控制充电机实现斥力电容充电，并获取斥力电容电压信息；所述的状态反馈指示模块，显示主断路器分合闸状态、辅助断路器的分合闸状态、温湿度、斥力电容电压信息、换流电容(Cc)电压信息并设置按钮完成主断路器分合闸、辅助断路器分合闸操作；所述的电源模块，为整个控制与保护系统提供电源；所述的信息交互与记录模块，根据需要实现与外部的通信以及系统运行信息的记录；所述的防死机模块，防止中央处理器模块进入死机状态。...

【技术特征摘要】
1.机械式高压直流断路器控制与保护系统，其特征在于：包括中央处理器模块以及与其连接的电流采集判断模块、电压信息采集模块、动作控制模块、斥力电容充电模块、状态反馈指示模块、电源模块、信息交互与记录模块、防死机模块；所述的中央处理器模块，负责信息的统一处理与相关动作指令的发出；所述的电流采集判断模块，包括电流信息采集单元和电流检测处理单元，电流信息采集单元由罗氏线圈与霍尔电流传感器及其对应的信号调理电路组成，其中罗氏线圈负责采集电流变化率，霍尔电流传感器负责采集电流幅值，采集参数通过信号调理电路后进入电流检测处理单元；电流检测处理单元综合电流变化率与电流幅值判断是否发生短路并将相应的状态量反馈给中央处理器模块；所述的电压信息采集模块，采集机械式高压直流断路器拓扑结构中换流电容(Cc)的电压并将电压信息数字量传输给中央处理器模块；所述的动作控制模块，包括光纤隔离单元及与其连接的主断路器永磁机构、主断路器电磁斥力机构、辅助断路器(BCB)和换流开关(Sc)，根据中央处理器模块的指令实现主断路器永磁机构的分合闸、主断路电磁斥力机构的分闸、辅助断路器(BCB)的分合闸和换流开关(Sc)的导通或关断；所述的斥力电容充电模块,通过充电机给斥力电容充电，其中斥力电容与主断路器电磁斥力机构配套，为斥力线圈提供电流，中央处理器模块通过串口通信控制充电机实现斥力电容充电，并获取斥力电容电压信息；所述的状态反馈指示模块，显示主断路器分合闸状态、辅助断路器的分合闸状态、温湿度、斥力电容电压信息、换流电容(Cc)电压信息并设置按钮完成主断路器分合闸、辅助断路器分合闸操作；所述的电源模块，为整个控制与保护系统提供电源；所述的信息交互与记录模块，根据需要实现与外部的通信以及系统运行信息的记录；所述的防死机模块，防止中央处理器模块进入死机状态。2.根据权利要求1所述的机械式高压直流断路器控制与保护系统，其特征在于：所述的机械式高压直流断路器拓扑结构包括用于切断剩余电流的辅助断路器(BCB)及三条并联支路，第一条支路由用于导通系统正常工作电流的主断路器(VCB)构成，主断路器(VCB)采用电磁斥力和永磁相耦合的操动机构，主断路器(VCB)出线端与辅助断路器(BCB)的进线端相连；第二条支路为换流支路，包括换流电抗(Lc)、换流开关(Sc)、充电电阻(Rc)、换流电容(Cc)，换流电抗(L...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坤，薛继印，于建斌，王思祥，白长玉，颜世凯，张玉舒，吕腾飞，张曼玉，
申请(专利权)人：山东电力设备有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37