一种故障隔离系统和方法
阅读说明：本技术 一种故障隔离系统和方法 (Fault isolation system and method ) 是由 刘纯 李洋 何国庆 于 2021-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种故障隔离系统和方法,故障隔离系统包括一次系统和二次系统,二次系统与一次系统耦合；一次系统的输入端通过正极直流母线和负极直流母线与新能源系统连接,一次系统的输出端与公共直流电网连接；一次系统包括依次串联在正极直流母线和负极直流母线上的电流传感器、开关模块和交流断路器。本申请通过交流断路器和开关模块串联的方式,实现了新能源系统与公共直流电网的物理开通和关断,也就是实现了新能源系统与公共直流电网的隔离,在保证交流断路器分闸速度的前提下,实现了低成本的故障隔离。(The invention provides a fault isolation system and a method, wherein the fault isolation system comprises a primary system and a secondary system, and the secondary system is coupled with the primary system; the input end of the primary system is connected with the new energy system through a positive direct current bus and a negative direct current bus, and the output end of the primary system is connected with a public direct current power grid; the primary system comprises a current sensor, a switch module and an alternating current breaker which are sequentially connected in series on a positive direct current bus and a negative direct current bus. This application has realized that new forms of energy system and public direct current electric wire netting's physics is opened and is shut off through the mode that AC circuit breaker and switch module establish ties, has also realized the isolation of new forms of energy system and public direct current electric wire netting promptly, under the prerequisite of guaranteeing AC circuit breaker separating brake speed, has realized low-cost fault isolation.)
技术领域
本发明涉及直流电网
技术领域
，具体涉及一种故障隔离系统和方法。背景技术
近年来公共直流电网获得了广泛的应用，新能源系统和负荷也日益增多。新能源系统的发电单元主要包括光伏发电、风力发电等。新能源系统通过直流变换器并网到公共直流电网。发电单元在并网时需要设置故障隔离装置，其作用是确保新能源系统内部发生故障时能够同公共直流电网实现物理断开，同时保证新能源系统内部的故障不影响公共直流电网的安全稳定运行。
目前大多数通常采用直流断路器作为新能源系统与公共直流电网之间的故障隔离装置，也就是将直流断路器作为新能源系统与公共直流电网的物理开断设备。直流断路器通常安装在新能源系统的DC/DC变换器和公共直流电网之间，由DC/DC变换器或者上层总体控制器控制直流断路器导通和断开。由于使用了成本高昂的直流断路器，导致故障隔离装置成本高。且当故障发生后，由于无法实现功率的单向流程，且上层控制器对故障的检测和判断需要一定时间，同时通讯延时和机械动作延时会导致故障电流迅速增大。在此期间内，公共直流电网也会向故障发生点注入电流，进而对公共直流电网的安全稳定造成影响，使得局部故障范围扩大。
发明内容
为了克服上述现有技术中成本高且容易导致故障范围扩大的不足，本发明提供一种故障隔离系统，包括一次系统和二次系统，所述二次系统与所述一次系统耦合；所述一次系统的输入端通过正极直流母线和负极直流母线与新能源系统连接，所述一次系统的输出端与公共直流电网连接；
所述一次系统包括依次串联在所述正极直流母线和所述负极直流母线上的电流传感器、开关模块和交流断路器；
所述电流传感器用于：采集流过所述正极直流母线和所述负极直流母线的电流模拟信号；
所述二次系统用于：基于来自所述电流传感器的电流模拟信号判断所述正极直流母线和/或负极直流母线是否发生故障，并在所述正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，控制所述交流断路器分闸。
所述开关模块包括第一开关模块和第二开关模块，所述第一开关模块串联在所述正极直流母线上，所述第二开关模块串联在所述负极直流母线上。
所述第一开关模块和第二开关模块拓扑结构相同；
所述第一开关模块和第二开关模块均包括串联的至少两个二极管，所述至少两个二极管中的每个二极管均并联一个均压电阻；
所述第一开关模块中的二极管的阳极朝向电流传感器，所述第一开关模块中的二极管的阴极朝向所述公共直流电网；
所述第二开关模块中的二极管的阳极朝向所述公共直流电网，所述第二开关模块中的二极管的阴极朝向电流传感器。
所述二次系统包括控制模块，所述控制模块与所述电流传感器和所述交流断路器耦合；
所述控制模块用于：将来自于所述电流传感器的电流模拟信号转换为电流数字信号，并在所述电流数字信号超过预设的电流阈值时，确定所述正极直流母线和/或负极直流母线发生故障，之后向所述交流断路器发送分闸指令，控制所述交流断路器分闸。
所述二次系统还包括通讯模块，所述通讯模块与所述控制模块和上层控制器耦合；
所述控制模块还用于：获取所述交流断路器的状态，并基于来自所述上层控制器的动作指令对所述交流断路器进行控制；其中，所述交流断路器的状态包括合闸状态和分闸状态；
所述通讯模块用于：将来自所述控制模块的所述交流断路器的状态和所述电流数字信号传输给所述上层控制器，并将来自所述上层控制器的动作指令传输给所述控制模块；其中，所述动作指令包括分闸指令和合闸指令。
所述故障隔离系统发生的故障包括以下各项中的至少一项：单极接地故障、极间短路故障和断路故障。
所述一次系统还包括限流电抗器；
所述限流电抗器串联在所述正极直流母线和所述负极直流母线上，且位于所述新能源系统和所述电流传感器之间。
本发明还提供一种故障隔离方法，包括：
利用一次系统中的所述电流传感器采集流过正极直流母线和负极直流母线的电流模拟信号；所述正极直流母线和负极直流母线耦合新能源系统和公共直流电网；
当所述正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，利用所述一次系统中的开关模块阻断电流的单向流动；
基于来自所述电流传感器的电流模拟信号，利用所述二次系统判断所述正极直流母线和/或负极直流母线是否发生故障，并在所述正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，控制所述一次系统中的交流断路器分闸。
所述基于来自所述电流传感器的电流模拟信号，利用所述二次系统判断所述正极直流母线和/或负极直流母线是否发生故障，并在所述正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，控制所述一次系统中的交流断路器分闸，包括：
利用所述二次系统中的控制模块将来自于所述电流传感器的电流模拟信号转换为电流数字信号；
若所述电流数字信号超过预设的电流阈值，利用所述控制模块确定所述正极直流母线和/或负极直流母线发生故障；
利用所述控制模块控制所述交流断路器分闸，并获取所述交流断路器的分闸状态；
利用所述控制模块将所述电流数字信号和所述交流断路器的分闸状态通过所述二次系统中的通讯模块传输给所述上层控制器。
所述方法还包括：
利用所述通讯模块将来自所述上层控制器的动作指令传输给所述控制模块；
利用所述控制模块基于来自所述上层控制器的动作指令对所述交流断路器进行控制。
所述正极直流母线和/或负极直流母线发生的故障包括以下各项中的至少一项：单极接地故障、极间短路故障和断路故障。
本申请提供的技术方案具有以下有益效果：
本申请提供的故障隔离系统包括一次系统和二次系统，二次系统与一次系统耦合；一次系统的输入端通过正极直流母线和负极直流母线与新能源系统连接，一次系统的输出端与公共直流电网连接；一次系统包括依次串联在正极直流母线和负极直流母线上的电流传感器、开关模块和交流断路器；电流传感器用于采集流过正极直流母线和负极直流母线的电流模拟信号；二次系统用于基于来自所述电流传感器的电流模拟信号判断所述正极直流母线和/或负极直流母线是否发生故障，并在正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，控制所述交流断路器分闸。本申请通过交流断路器和开关模块串联的方式，实现了新能源系统与公共直流电网的物理开通和关断，也就是实现了新能源系统与公共直流电网的隔离，在保证交流断路器分闸速度的前提下，实现了低成本的故障隔离。
本申请第一开关模块和第二开关模块中均设置有多个依次串联的二极管，降低了单个二极管分担的电压，提高故障隔离装置的可靠性。
本申请通过开关模块中的第一开关模块和第二开关模块实现电流的单向流动，在正极直流母线或负极直流母线发生故障时，能够抑制故障电流的增大并限制故障影响范围，避免保护区域内的故障影响公共直流电网，进而提高新能源系统的经济性和推广性。
本申请为了保护开关模块中的二极管，给每个二极管都并联有均压电阻，均压电阻保证每个二极管导通和关断时平均分配电压，避免单个二极管过压损坏。
附图说明
图1是本发明实施例中故障隔离系统一种结构示意图；
图2是本发明实施例中故障隔离系统又一种结构示意图；
图3是本发明实施例中故障隔离装置中功率单向流向示意图；
图4是本发明实施例中故障隔离方法的一种流程示意图；
图5是本发明实施例中故障类型和保护区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种故障隔离系统，如图1所示，故障隔离系统S包括一次系统S1和二次系统S2，二次系统S2与一次系统S1耦合；一次系统S1的输入端通过正极直流母线和负极直流母线与新能源系统NES(如图2所示，新能源系统NES包括发电单元GU和DC/DC变换器)连接，一次系统S1的输出端与公共直流电网DPG连接；
一次系统S1包括依次串联在正极直流母线和负极直流母线上的电流传感器CT、开关模块SM和交流断路器AB；
电流传感器CT用于：采集流过正极直流母线和负极直流母线的电流模拟信号。可以理解的，如图2所示，电流传感器CT包括电流传感器CT1和电流传感器CT2，其中，电流传感器CT1位于正极直流母线上，电流传感器CT2位于负极直流母线上。
二次系统S2用于：基于来自电流传感器CT的电流模拟信号判断正极直流母线和/或负极直流母线是否发生故障，并在正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，控制交流断路器AB分闸。
本申请实施例1中的一次系统S1还包括限流电抗器L；限流电抗器L1串联在正极直流母线和负极直流母线上，也就是说，本申请实施例1中的限流电抗器L1包括位于正极直流母线上的限流电抗器L1和位于负极直流母线上的限流电抗器L2，限流电抗器L1和限流电抗器L2均位于新能源系统NES和电流传感器CT之间。
开关模块SM包括第一开关模块SM1和第二开关模块SM2，第一开关模块SM1串联在正极直流母线上，第二开关模块SM2串联在负极直流母线上。
第一开关模块SM1和第二开关模块SM2拓扑结构相同；
第一开关模块SM1和第二开关模块SM2均包括串联的至少两个二极管，至少两个二极管中的每个二极管D均并联一个均压电阻R。
具体来说，参考图2，第一开关模块SM1包括串联的8个二极管(即图2中二极管D11至二极管D18)和8个均压电阻(即图2中均压电阻R11至均压电阻R18)。第二开关模块SM2包括串联的8个二极管(即图2中二极管D21至二极管D28)和8个均压电阻(即图2中均压电阻R21至均压电阻R28)。
第一开关模块SM1中的二极管的阳极朝向电流传感器CT，第一开关模块SM1中的二极管的阴极朝向公共直流电网DPG；
第二开关模块SM2中的二极管的阳极朝向公共直流电网DPG，第二开关模块SM2中的二极管的阴极朝向电流传感器CT。
二次系统S2包括控制模块CM1，控制模块CM1与电流传感器CT和交流断路器AB耦合；
控制模块CM1用于：将来自于电流传感器CT的电流模拟信号转换为电流数字信号，并在电流数字信号超过预设的电流阈值时，确定正极直流母线和/或负极直流母线发生故障，之后向交流断路器AB发送分闸指令，控制交流断路器AB分闸。
二次系统S2还包括通讯模块CM2，通讯模块CM2与控制模块CM1和上层控制器UC耦合；
控制模块CM1还用于：获取交流断路器AB的状态，其中，交流断路器AB的状态包括合闸状态和分闸状态；
通讯模块CM2用于：将来自控制模块CM1的交流断路器AB的状态和电流数字信号传输给上层控制器UC(通讯模块CM2具体是通过高速光纤与上层控制器UC实现通信的)，并将来自上层控制器UC的动作指令传输给控制模块CM1；其中，动作指令包括分闸指令和合闸指令；
控制模块CM1还用于：基于来自上层控制器UC的动作指令对交流断路器AB进行控制。
也就是说，控制模块CM1可以通过电流数字信号是否超过预设的电流阈值这一途径控制交流断路器AB分闸。如果电流数字信号未超过预设的电流阈值，但是上层控制器UC下发了动作指令(如分闸指令)，那么控制模块CM1则需要根据上层控制器UC下发的分闸指令控制交流断路器AB分闸。
通过故障修复后，流过正极直流母线和负极直流母线的电流模拟信号将会减小，进而通过控制模块CM1转换得到的电流数字信号也就恢复至预设的电流阈值以下，此时，控制模块CM1则可以向交流断路器AB发送合闸指令，控制交流断路器AB合闸。
本申请实施例1中，正极直流母线和/或负极直流母线发生的故障包括以下各项中的至少一项：单极接地故障、极间短路故障和断路故障。
需要说明的是，在某一时间节点，正极直流母线或负极直流母线发生的故障可以为单极接地故障、极间短路故障和断路故障三种故障中的任何一种故障。也可能在某一个时间节点，正极直流母线或负极直流母线同时发生单极接地故障和极间短路故障，正极直流母线或负极直流母线甚至同时发生单极接地故障、极间短路故障和断路故障。还有可能出现在某一时间节点，正极直流母线和负极直流母线这两条直流母线均发生单极接地故障，或者两条直流母线同时发生单极接地故障和极间短路故障等，两条直流母线具体发生的故障类型可能有很多种，本申请实施例对此不作限定。
本申请实施例1提供的故障隔离装置中功率单向流向示意图如图3所示，具体是功率从新能源系统NES的流出，通过正极直流母线流入公共直流电网DPG，在从公共直流电网DPG流出，通过负极直流母线流入新能源系统NES。
本申请实施例1提供的故障隔离装置工作原理如下：
当发电单元GU在并网发电时，需要提前闭合交流断路器AB。在发电单元GU启动前，正极直流母线和负极直流母线的电流均为0，此时直接闭合交流断路器AB。由于二极管具有电流单向流通的能力，交流断路器AB闭合后，电流无法从公共直流电网DPG流入到发电单元GU。闭合交流断路器AB后，新能源系统NES的DC/DC变换器启动运行，当DC/DC变换器的输出电压高于公共直流电网的电压后，开关模块SM中的二极管导通，此时正极直流母线和负极直流母线具有电流通路，发电单元GU实现了并网。
交流断路器AB正常断开时，需要发电单元GU首先停止发电，DC/DC变换器降低输出功率。当DC/DC变换器的输出电压低于公共直流电网的电压时，开关模块SM中的二极管重新进入阻断状态，此时正极直流母线和负极直流母线的电流为0，交流断路器AB分闸，实现了发电单元GU同公共直流电网DPG的物理断开。
实施例2
本发明实施例2提供了一种故障隔离方法，如图4所示，具体过程如下：
S101：利用一次系统中的电流传感器采集流过正极直流母线和负极直流母线的电流模拟信号；正极直流母线和负极直流母线耦合新能源系统和公共直流电网；
S102：当正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，利用一次系统中的开关模块阻断电流的单向流动；
S103：基于来自电流传感器的电流模拟信号，利用二次系统判断正极直流母线和/或负极直流母线是否发生故障，并在正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，控制一次系统中的交流断路器分闸。
上述S103中，基于来自电流传感器的电流模拟信号，利用二次系统判断正极直流母线和/或负极直流母线是否发生故障，并在正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，控制一次系统中的交流断路器分闸，具体过程如下：
S1031：二次系统中的控制模块将来自于电流传感器的电流模拟信号转换为电流数字信号；
S1032：若电流数字信号超过预设的电流阈值，控制模块确定正极直流母线和/或负极直流母线发生故障；
S1033：控制模块控制交流断路器分闸，并获取交流断路器的分闸状态；
S1034：控制模块将电流数字信号和交流断路器的分闸状态通过二次系统中的通讯模块传输给上层控制器。
本申请实施例提供的故障隔离方法还包括：
利用通讯模块将来自上层控制器的动作指令传输给控制模块；
利用控制模块基于来自上层控制器的动作指令对交流断路器进行控制。
需要说明的是，控制模块可以通过电流数字信号是否超过预设的电流阈值这一途径控制交流断路器分闸。如果电流数字信号未超过预设的电流阈值，但是上层控制器下发了动作指令(如分闸指令)，那么控制模块则需要根据上层控制器下发的分闸指令控制交流电路器分闸。
上述的正极直流母线和/或负极直流母线发生的故障的具体类型包括以下各项中的至少一项：单极接地故障、极间短路故障和断路故障。
本发明实施例2提供的故障隔离方法中，当正极直流母线和/或负极直流母线发生故障时，用于将新能源系统和公共直流电网隔离开，实现对新能源系统的保护。
具体来说，如图5所示，当保护区域PA内与新能源系统连接的正极直流母线或负极直流母线发生单极接地故障后，图5中A点的电流i1增大，并向短路点注入电流。故障点的对地电压u+迅速下降并低于公共直流电网的电压，会造成二极管阻断，此时图5中B点的电流i2迅速下降为零。当电流i1持续增大并超过预先设定的电流域值后，DC/DC变换器停机并向上层控制器发送过流故障信号。上层控制器接收到过流故障信号后，向故障隔离装置下发交流断路器的分闸信号，电流i2下降到预先设定的电流阈值以下后，随即执行交流断路器的分闸指令，实现交流断路器分闸，进而实现对故障点的物理隔离。
下面分以下三种情况介绍本申请实施例2提供的故障隔离方法的具体过程：
情况1：如图5所示，当保护区域内发生单极接地故障F1后，A点的电流i1增大并向短路点注入电流。故障点的对地电压u+迅速下降并低于公共直流电压，造成二极管阻断，此时B点的电流i2迅速下降为零。发生故障后，当电流i1持续增大并超过预先设定的电流阈值后，DC/DC停机并向上层控制器发送过流故障信号。上层控制器接收到故障报警后向故障隔离装置下发交流断路器的分闸信号，电流i2下降到预先设定的电流阈值以下后，随即执行交流断路器的分闸指令，实现对故障点的物理隔离。
情况2：如图5所示，当保护区域内发生极间短路故障F2后，电流i1增大并向短路点注入电流。接地点电压uo迅速下降到0并低于公共直流电网的电压c，造成二极管阻断，电流i2迅速下降为零。发生故障后，当电流i1持续增大并超过电流阈值后，DC/DC变换器停机并向上层控制器发送过流故障信号。上层控制器接收到过流故障信号后，向故障隔离装置下发交流断路器的分闸指令，电流i2下降到电流阈值后，随即执行交流断路器的分闸指令，实现对故障点的物理隔离。
情况3：如图5所示，当保护区域内发生断路故障F3后，电流i1和电流i2迅速下降到0，DC/DC变换器由于功率无法送出发生输出侧电压过压和输出电流欠流故障后停机，并向上层控制器发送过流故障信号。上层控制器接到过流故障信号后，向故障隔离装置下发交流断路器的分闸指令，电流i2下降到电流阈值后，随即执行交流断路器的分闸指令，实现对故障点的物理隔离。
另外，本申请实施例2提供的故障隔离方法还可以适用于DC/DC变换器发生故障后对故障点的隔离，具体如下：
继续参考图5，当DC/DC变换器发生故障后，DC/DC变换器停机并向上层控制器发送过压故障信号，电流i1和电流i2迅速下降到0。上层控制器接到过压故障信号后向故障隔离装置下发交流断路器的分闸指令，电流i2下降到电流阈值后，随即执行交流断路器的分闸指令，最终实现了对故障点的物理隔离。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。
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