阅读说明：本技术 一种具有绝缘监测及主动防范功能的控制保护系统 (Control protection system with insulation monitoring and active prevention functions ) 是由 温才权 陈亮 于 2019-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有绝缘监测及主动防范功能的控制保护系统,包括DC/DC电源模块、开入元件线性光耦采样模块以及绝缘监测装置；所述DC/DC电源模块的输出端和开入元件输入端口的电源接口相连接；所述开入元件线性光耦采样模块用于监测开入元件输入端口的电压,判断其是否开入,并监测其电压U<Sub>开入n</Sub>；所述绝缘监测装置连接在DC/DC电源模块的输出端和开入元件输入端口的电源接口相连接的线路上,用以检测判断母线的正负极是否正常运行,当判断为负极接地、正负极同时接地时启动支路选线功能,检查每个开入元件两端的电压。采用DC/DC电源模块,避免保护装置和直流系统的异常相互干扰,同时也降低直流系统的对地电容。(The invention discloses a control protection system with insulation monitoring and active precaution functions, which comprises a DC/DC power supply module, an open-in element linear optocoupler sampling module and an insulation monitoring device, wherein the open-in element linear optocoupler sampling module is connected with the DC/DC power supply module; the output end of the DC/DC power supply module is connected with a power supply interface of the input port of the switching-in element; the linear optocoupler sampling module of the open-in element is used for monitoring the voltage of the input port of the open-in element, judging whether the open-in element is open or not and monitoring the voltage U of the open-in element Opening n (ii) a The insulation monitoring device is connected to a line connected with the output end of the DC/DC power supply module and a power supply interface of the input port of the switching-in element and used for detecting and judging whether the positive electrode and the negative electrode of the bus normally operate or not, starting a branch line selection function when the negative electrode and the positive electrode are grounded and the negative electrode and the positive electrode are grounded simultaneously, and checking the voltage at two ends of each switching-in element. The DC/DC power supply module is adopted to avoid the abnormal mutual interference of the protection device and the DC system and simultaneously reduce the earth electricity of the DC systemAnd (4) carrying out the following steps.)

一种具有绝缘监测及主动防范功能的控制保护系统

技术领域

本发明涉及电力监测领域，具体涉及一种具有绝缘监测及主动防范功能的控制保护系统。

背景技术

现有的外部电缆绝缘下降有如下检测技术：在直流系统增加绝缘监测装置，但绝缘监测装置只能监视到哪一支路接地(现一般一套保护装置或者多套保护装置共用一支电源回路)，但具体哪根电缆芯接地，还需利用直流接地查找仪，利用钳表测量直流系统的各个支路，直到找到故障点为止，因此直流接地查找的工作风险大，工作繁琐。

现在的绝缘监测装置的灵敏度已经不能满足微机保护的要求，因为微机保护的开入内阻已经大于100kΩ，而绝缘监测装置的灵敏度只有15kΩ(110V系统)，25kΩ(220V系统)，便携式直流接地查找仪也只有100kΩ。因此开发一套避免微机保护开入内阻影响的绝缘监测装置已成为迫在眉睫的事情。

现绝缘监测装置只能监测从直流母线直接窜入的干扰交流量，当干扰交流量从微机保护的开入元件，如光耦、继电器等窜入，则现有的绝缘监测装置由于灵敏度不足，无法找出该类型的干扰。而该类型干扰，严重影响了保护的可靠性。

现保护装置和直流系统的二次回路异常复杂，且相互影响。每一套二次设备(包括保护、自动化等设备)的外部回路电缆接地都会影响到整个系统的绝缘状况，使绝缘监测系统、直流系统异常复杂。而防止保护误动的措施：直流系统采用经高阻值的平衡电阻接地，希望正常发生一点接地时，保护不会误动。但由于直流系统日益复杂，直流系统的对地电容增大，微机保护的开入内阻已大于100kΩ，导致一点接地时，也频繁导致保护误动。

现有的保护、自动化装置的外部端口如图1所示，因此当开入元件的输入端口的外部电缆接地时，将会引起直流系统接地。(开出元件的外部电缆接地，将会导致另外一个保护、自动化装置的开入元件的输入端口外部电缆接地，因此无论是开入元件还是开出元件的外部电缆接地分析均一样)。

开入元件：对于开关量的采集，为了提高设备的抗干扰性能，一般有如下要求：1、一般都需要将外部电路和微机控制、保护设备隔离。2、由于直流系统为高阻平衡接地系统，正常运行时，其母线对地电压为50％UN，如果直流系统一点接地时，在接地瞬间，开入元件两端的电压等于直流系统母线负极对地电压，因此当开入元件动作电压低于50％Un时，该开入元件就可能误动。为了防止其误动，现一般要求其动作电压大于55％UN，小于70％Un。牵涉到直流跳闸的回路，甚至还要求其动作功率大于5W。

现有的开入元件包括有：1、继电器；2、稳压管：为了达到动作电压大于55％UN，小于70％Un，早期的微机保护一般采用稳压管。但利用稳压管制作的开入光耦元件内阻较小，功率较大，发热严重。稳压管开入原理如图2所示。3、三极管：现绝大多数厂家采用三极管代替稳压管。但三极管的设计复杂，配合不当，可能导致开入元件失效，三极管的开入电路图如图3所示。

由于继电器、稳压管以及三极管都是非线性元件，非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常用的4N系列光耦属于非线性光耦

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有绝缘监测及主动防范功能的控制保护系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种具有绝缘监测及主动防范功能的控制保护系统，包括DC/DC电源模块、开入元件线性光耦采样模块以及绝缘监测装置；

所述DC/DC电源模块的输出端和开入元件输入端口的电源接口相连接；

所述开入元件线性光耦采样模块用于监测开入元件输入端口的电压，判断其是否开入，并监测其电压U_开入n，n为正整数；

所述绝缘监测装置连接在DC/DC电源模块的输出端和开入元件输入端口的电源接口相连接的线路上，用以检测判断母线的正负极是否正常运行，当判断为负极接地、正极接地时启动母线对地电阻检测流程，计算出母线接地电阻，然后启动支路选线功能，选出故障支路后再进行接地电阻计算流程。

进一步地，所述绝缘监测装置包括两母线电压监测模块和一检测桥电阻模块；其中，一母线电压监测模块的一端接在正极母线上，另一端接地；另一母线电压监测模块的一端接在负极母线上，另一端接地；检测桥电阻模块的一端接在负极母线上，另一端通过刀闸开关来接地。

进一步地，所述母线电压监测模块和开入元件线性光耦采样模块结构相同或者类似，均包括依次连接的线性电阻分压单元、电容滤波单元、线性光耦采样单元以及数模转换单元；所述性电阻分压单元用于将流经线性光耦的电流调整到线性光耦的线性区，所述电容滤波单元用于将非正常的干扰阻止进入到线性光耦采样单元，所述线性光耦采样单元用于采集流经线性光耦的电流，并将其转换成数模采样单元适应的模拟量，所述数模转换单元用于将线性光耦转换后的模拟量转换成数字量，根据转换后的数字量判断是否存在交流窜入，并对其窜入干扰电压进行计算。

进一步地，所述绝缘监测装置检测判断母线的正负极是否正常运行的方式为：

其中，线性电阻分压压单元的电阻为R1，检测桥电阻模块的电阻为R2，正常运行时，刀闸断开；

正常运行时，母线正极的母线电压为U_m正,

正常运行时，母线负极的母线电压为U_m负，

正常运行时，开入测量模块测得的开入两端电压为U_开入n,

正常运行，绝缘无异常时，U_m正＝U_m负；

当U_m正>U_m负时，并且差值超出第一设定值，则判断为负极接地；

当U_m负>U_m正时，并且差值超出第二设定值则判断为正极接地。

进一步地，所述绝缘监测装置启动母线对地电阻检测流程的方式为：先记录刀闸开关合闸前后的母线电压，根据母线电压的变化计算母线对地电阻；

母线正极的对地电阻为R_m+,母线负极的对地电阻为R_m-；

刀闸开关合闸前，母线正极的母线电压为U_m正1,母线负极的母线电压为U_m负1，

刀闸开关合闸后，母线正极的母线电压为U_m正2,母线负极的母线电压为U_m负2，

则

进一步地，所述绝缘监测装置启动支路选线功能的方式为：

当U_开入n＝U_m负时，则认为该电缆芯支路金属性接地；

当U_开入n<U_m负且大于设定的干扰值时，则认为该电缆芯支路存在电阻接地，进入电缆芯接地电阻计算流程：

R_n地为接地支路的对地电阻。

进一步地，当母线正极的母线电压为U_m正，或者母线负极的母线电压为U_m负，又或者开入元件线性光耦采样模块测得的开入两端电压U_开入n的交流分量大于设定值时，报交流窜入；如果某一个开入元件U_开入n的交流分量大于U_m正，U_m负的交流分量，则判断为干扰从该开入元件窜入，否则判断为干扰从母线窜入。

进一步地，当判断为母线的正极接地时，则根据设定主动提高所有开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时；当判断为母线的负极负极接地，并且选线出某个光耦外部电缆芯支路接地时，则根据设定主动提高该开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时，甚至将其闭锁。

进一步地，当判断为干扰从母线窜入时，则根据设定主动提高所有开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时；当判断为开入元件窜入时，则则根据设定主动提高该开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时。

进一步地，当判断为干扰从母线或者开入元件窜入时，则根据设定增加滤波功能，将交流分量过滤，以避免交流干扰对开入元件的影响。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、采用DC/DC电源模块，避免保护装置和直流系统的异常相互干扰，同时也降低直流系统的对地电容。

2、在保护装置增加了绝缘监测功能。

3、保护装置的绝缘监测功能可有效检测每一个光耦外部电缆芯支路的绝缘状态。

4、采用线性光耦测量开入元件两端的电压，并利用开入元件两端电压和系统电压关系计算出电缆芯支路电阻，使得其灵敏度大幅提高。

5、利用开入元件两端电压，有效监测出从开入元件窜入的交流干扰。

6、利用切换桥技术，计算出正负极对地电阻。

7、采用了主动防范措施，有效防止绝缘异常、交流窜入等导致保护误动。

附图说明

图1为现有技术的保护、自动化装置的外部端口接线组成示意图；

图2为现有稳压管开入电路原理图；

图3为三极管开入电路原理图；

图4为本发明实施例提供的具有绝缘监测及主动防范功能的控制保护系统的组成示意图；

图5为开入元件线性光耦采样模块的组成示意图；

图6为绝缘监测装置的组成示意图；

图7正极、负极的绝缘电阻等效示意图；

图中：1、DC/DC电源模块；2、开入元件线性光耦采样模块；3、绝缘监测装置；21、线性电阻分压单元；22、电容滤波单元；23、线性光耦采样单元；24、数模转换单元；31、母线电压监测模块；32、母线电压监测模块；33、检测桥电阻模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

参阅图4所示，本实施例提供的一种具有绝缘监测及主动防范功能的保护系统，包括DC/DC电源模块1、开入元件线性光耦采样模块2以及绝缘监测装置3。

其中，该DC/DC电源模块1的输入端和电源相连接，输出端和开入元件输入端口的电源接口相连接，；也就是说，通过将开关量的输入端口的电源接到DC/DC电源模块1输出端，使得该套保护、自动化设备的外部电缆全部使用经过保护的DC/DC隔离变换后的电源，使得该保护的外部电缆和直流系统彻底隔离，从而避免其相互干扰影响，同时也降低直流系统的对地电容；此时该套二次设备的外部回路电缆接地时，绝缘监测装置将不能有效检测，此时，需要保护装置对其所有开入回路的绝缘状态进行监测，因此该开入元件线性光耦采样模块2用于监测开入元件两端的电压，判断其是否开入，并监测其电压U_开入n，n为正整数。

而该绝缘监测装置3连接在DC/DC电源模块1的输出端和开入元件输入端口的电源接口相连接的线路上，用以检测判断母线的正负极是否正常运行，当判断为负极接地、正极接地时启动母线对地电阻检测流程，计算出母线接地电阻，然后启动支路选线功能，选出故障支路后再进行接地电阻计算流程。

具体地，如图5所示，该开入元件线性光耦采样模块2包括依次连接的线性电阻分压单元21、电容滤波单元22、线性光耦采样单元23以及数模转换单元24；该线性电阻分压单21元用于将流经线性光耦采样单元的电流调整到线性光耦的线性区，同时也可以作为调整功率的工具；而该线性光耦采样单元23则用于采集流经线性光耦的电流，并将其转换成数模转换单元24适应的模拟量；该数模转换单元24用于将线性光耦采样单元转换后的模拟量转换为数字量输出，以根据转换后的数字量判断是否存在交流窜入，并对其窜入干扰电压进行计算。此外，在该线性电阻分压单元21和线性光耦采样单元23之间串接有电容滤波单元22，以将非正常的干扰阻止进入至线性光耦采样单元23中，也就是说个，该电容滤波单元22主要作为开入的硬件级抗干扰措施，防止高频干扰对开入元件线性光耦采样模块的影响，其可包含有电容，将作为高频干扰的滤波通道，也可增加二极管等元件，将非正常的干扰阻止进入到线性光耦采样单元23，以提高测量的准确性。

如图6所示，该绝缘监测装置3包括母线电压监测模块31、32和一检测桥电阻模块33；其中，一母线电压监测模块31的一端接在正极母线上，另一端接地；另一母线电压监测模块32的一端接在负极母线上，另一端接地；检测桥电阻模块33的一端接在负极母线上，另一端通过刀闸开关K来接地。当然，该母线电压监测模块31、32的结构原理和上述的开入元件线性光耦采样模块2的结构原理完全相同，在此就不再赘述。

具体地，上述的绝缘监测装置3检测判断母线的正负极是否正常运行的方式为：

其中，线性电阻分压压单元的电阻为R1，检测桥电阻模块的电阻为R2，直流母线正极等效接地电阻为R_m+,直流母线负极等效接地电阻为R_m-,正常运行时，刀闸K断开；

正常运行时，母线正极的母线电压为U_m正,

正常运行时，母线负极的母线电压为U_m负，

正常运行时，开入元件线性光耦采样模块测得的开入两端电压为U_开入n,

正常运行，绝缘无异常时，U_m正＝U_m负；

母线接地电阻判断：

当U_m正>U_m负时，并且差值超出设定值(如U_m正-U_m负>10％(U_m正+U_m负))则判断为负极接地；

当U_m负>U_m正时，并且差值超出设定值(如U_m负-U_m正>10％(U_m正+U_m负))则判断为正极接地；

当判断为正极接地或者负极接地时，或者在每天的设定时间点内启动绝缘电阻计算流程，

K合闸前，母线正极的母线电压为U_m正1,母线负极的母线电压为U_m负1，

K合闸后，母线正极的母线电压为U_m正2,母线负极的母线电压为U_m负2，

K未合闸时，如图7所示：

将K合闸，此时

由以上公式，可计算出正极、负极的绝缘电阻。

当正负极之间的电阻均小于线性电阻分压模块的电阻，则报正负极同时接地。

现有的绝缘监测装置只能选线到某个保护屏，但保护屏内的具体哪个电缆芯支路无法查找，只能依靠人工，用直流接地查找仪查找。为了解决该问题，本实施例采用如下方法：

当判断为系统负极接地、正极接地时启动支路选线功能，检查每个开入元件两端的电压。

当U_n＝U_负时，则认为该电缆芯支路金属性接地。

当U_n<U_负且大于设定的干扰值如20％*U_负时，则认为该电缆芯支路存在电阻接地。进入电缆芯接地电阻判断流程。

R_n地为接地支路的对地电阻。

现有的微机保护为了防止外部电缆接地导致保护误动，需要采用复杂的设置将光耦的动作电压调整为大于55％Un，小于70％Un；并且每个光耦支路增加防抖延时。但由于直流系统复杂，经常发生直流系统母线对地电压偏移的现象，比如直流系统绝缘不良，正极经高阻接地，将会导致负极母线对地电压升高，设置高于光耦动作电压，此时光耦的外部电缆再接地时，则其瞬时电压高于其动作电压，其保持时间随着直流系统对地电容越大则越长，有可能超过其防抖动延时，从而导致保护误动。因此存在如下问题：

1)直流系统的任何一点接地，绝缘不良，均会影响到所有连接在直流系统上的保护装置。

2)直流系统的对地电容非常大，导致干扰持续时间变长，防范困难。

3)在直流系统绝缘异常时，保护装置无法采取任何主动措施，防止保护误动的发生。

因此为了解决此类问题，本发明采取如下措施：

1)采用DC/DC电源模块，避免保护装置和直流系统的异常相互干扰，同时也降低直流系统的对地电容。

2)保护判断为绝缘异常时，采取如下主动措施：

A、判断为正极接地时，可根据设定主动提高所有开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时。

B、判断为负极接地，并且选线出某个光耦外部电缆芯支路接地时，可根据设定主动提高该开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时，甚至将其闭锁。

具体地，上述的绝缘监测装置3检测判断是否存在交流窜入的行为：

当母线正极的母线电压为U_m正，或者母线负极的母线电压为U_m负，又或者开入元件线性光耦采样模块测得的开入元件两端电压U_开入n的交流分量大于设定值时(如10V)，报交流窜入。如果某一个的开入元件两端电压U_开入n的交流分量大于U_m正，U_m负的交流分量，则判断为干扰从该开入元件窜入。否则判断为干扰从母线窜入。

当判断为干扰从母线窜入时，则根据设定主动提高所有开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时；当判断为开入元件窜入时，则则根据设定主动提高该开入元件的动作电压或者加大其防抖动延时。

当判断为干扰从母线或者开入元件窜入时，则根据设定增加滤波功能，将交流分量过滤，以避免交流干扰对开入元件。

综上，本实施例提供的具有绝缘监测及主动防范功能的保护系统与现有技术相比，具有如下的技术优势：

1、采用DC/DC电源模块，避免保护装置和直流系统的异常相互干扰，同时也降低直流系统的对地电容。

2、在保护装置增加了绝缘监测功能。

3、保护装置的绝缘监测功能可有效检测每一个光耦外部电缆芯支路的绝缘状态。

4、采用线性光耦测量开入元件两端的电压，并利用开入元件两端电压和系统电压关系计算出电缆芯支路电阻，使得其灵敏度大幅提高。

5、利用开入元件两端电压，有效监测出从开入元件窜入的交流干扰。

6、利用切换桥技术，计算出正负极对地电阻。

7、采用了主动防范措施，有效防止绝缘异常、交流窜入等导致保护误动。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。