配电系统、固态断路器及电路保护方法与流程

1.本公开涉及配电系统、固态断路器及电路保护方法，尤其涉及短路保护的配电系统、固态断路器及电路保护方法。


背景技术：

2.对于在主线路和支线路中全部使用机械断路器(例如塑壳断路器)的传统的配电系统来说，由于机械断路器的断开动作所花费的时间长，在发生短路时可能无法对线路或后级设备(负载)提供及时的保护，造成用户损失。此外，机械断路器的直接断开是有电弧断电，影响机械断路器的使用寿命，从而提高电路保护的成本。
3.因此，在现有技术中，考虑对配电系统使用固态断路器(sscb：solid state circuit breaker)。固态断路器采用电力电子器件替代了部分机械结构，从而具有很多传统的机械断路器不具有的优势。比如，固态断路器的闭合与关断速度要远远地超过传统的机械断路器，使快速地限制并分断故障电流成为可能。同时，固态断路器的保护曲线相较于机械断路器更加精准，从而为后级设备提供更加快速且精准的保护。此外，固态断路器天然的数字化特性，使得一些复杂的应用控制与保护逻辑得以实现。然而，固态断路器成本较高。


技术实现要素：

4.鉴于以上，本公开提供一种能够精准地保护系统安全且降低成本的配电系统、固态断路器及电路保护方法。
5.根据本公开实施例的一方面，提供了一种配电系统，包括固态断路器、多个继电器以及多个电流采集单元，其中所述固态断路器连接于主线路中；所述多个继电器分别连接于所述固态断路器后级的多个支线路中；所述多个电流采集单元用于分别采集所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流；所述固态断路器包括电力电子开关及控制驱动单元；所述控制驱动单元用于：接收所述多个电流采集单元所采集的电流信号，基于所述电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，控制所述电力电子开关关断，在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后控制所述短路线路中的继电器断开，并在所述短路线路中的继电器断开后控制所述电力电子开关闭合。
6.可选的，所述固态断路器还包括与所述电力电子开关串联的机械开关；以及在所述短路线路为所述主线路的情况下，所述控制驱动单元在所述电力电子开关关断后控制所述机械开关断开。
7.可选的，从控制所述电力电子开关关断至控制所述电力电子开关闭合之间的时间差小于10ms。
8.根据本公开实施例的再一方面，提供了一种固态断路器，用于连接于主线路中，且所述固态断路器后级的多个支线路中分别连接多个继电器，其中所述固态断路器包括电力
电子开关及控制驱动单元；并且所述控制驱动单元用于：接收对应于所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流的电流信号，基于所述电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，控制所述电力电子开关关断，在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后控制所述短路线路中的继电器断开，并在所述短路线路中的继电器断开后控制所述电力电子开关闭合。
9.根据本公开实施例的另一方面，提供了一种电路保护方法，应用于包括固态断路器和多个继电器的配电系统，所述固态断路器连接于主线路中，所述多个继电器分别连接于所述固态断路器后级的多个支线路中，其中所述电路保护方法包括：采集所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流；基于所采集的电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，关断所述固态断路器的电力电子开关，在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后断开所述短路线路中的继电器，并在所述短路线路中的继电器断开后闭合所述电力电子开关。
10.根据本公开的实施例，在存在短路时，固态断路器能迅速切断短路电流，并能精准确定短路线路及自动重合闸。在精准切除短路的支线路的同时，还可以确保系统中其他支线路的供电连续性，降低短路的支线路对系统的影响。
11.而且，由于在短路时先将电力电子开关关断，再将继电器断开，从而使继电器实现无电弧断电，保护继电器不受电弧损伤，延长使用寿命。
12.另外，由于使用价格相对便宜的继电器来配合固态断路器，不仅能够实现快速、精准切断短路的支线路的效果，还能够降低成本。
附图说明
13.通过下面结合附图对实施例的描述，本公开的这些和/或其他方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解，其中：
14.图1示出根据本公开的一实施例的配电系统的示意图。
15.图2示出根据本公开的一实施例的电路保护方法的流程图。
16.图3示出根据本公开的一实施例的在切除短路的支线路的过程中，固态断路器的电流变化示意图。
17.图4示出根据本公开的一实施例的在切除短路的支线路的过程中，电源、固态断路器、短路的支线路和其他支线路的电压波形示意图。
具体实施方式
18.下面将参考本公开的示例性实施例对本公开进行详细描述。然而，本公开不限于这里所描述的实施例，其可以以许多不同的形式来实施。所描述的实施例仅用于使本公开彻底和完整，并全面地向本领域的技术人员传递本公开的构思。所描述的各个实施例的特征可以互相组合或替换，除非明确排除或根据上下文应当排除。
19.在主线路和支线路中全部使用机械断路器(例如，塑壳断路器)的传统的配电系统由于机械断路器的断开动作所花费的时间长，在发生短路时可能无法提供及时的保护，并且其是有电弧断电，影响机械断路器的使用寿命，从而提高电路保护的成本。全部使用固态断路器的配电系统虽然能够快速限制并分断故障电流，但其成本比传统的配电系统高出几
十倍。因此，寻求一种能够精准地保护系统安全，且降低成本的配电系统成为重要的课题。
20.本公开的实施例提出了一种基于固态断路器和继电器的配电系统。在该配电系统中，基于所采集的主线路上的固态断路器的输出电流信号和对应于各支线路的继电器的输出电流信号，判断是否存在短路，在存在短路时，关断固态断路器的电力电子开关，在短路线路为支线路的情况下，在电力电子开关关断后断开短路线路中的继电器，并在短路线路中的继电器断开后闭合电力电子开关。在短路线路为主线路的情况下，还可以在电力电子开关关断后断开固态断路器的机械开关。需要说明的是，在本公开中，主线路与支线路是相对的概念，支线路是从主线路分出的线路。例如，在线路系统中，一个主线路可以分出多个支线路，分出的每个支线路还可以进一步分出支线路，相对于进一步分出的支线路，原支线路为主线路。换言之，主线路可以是直接连接至市电供电线的线路，也可以是后级的线路，只要其后还连接有分支，就可以是主线路。
21.图1示出根据本公开的一实施例的配电系统的示意图。参考图1，说明本公开实施例提供的基于固态断路器和继电器的配电系统的基本架构。
22.本公开实施例的配电系统10包括固态断路器100、多个继电器101～104和多个电流采集单元1050～1054。
23.市电通过进线端接入固态断路器100，固态断路器100的后级接出多个继电器101～104，各继电器101～104的出线端与至少一个负载连接。在图1中，继电器101～103分别与负载201～203连接，继电器104与负载204a、204b连接，但不限于此。
24.也就是说，固态断路器100连接于主线路中，而各继电器101～104分别连接于固态断路器100后级的多个支线路中。
25.电流采集单元1050～1054用于对主线路上的固态断路器100的出线端和各支线路上的继电器101～104的出线端的输出电流等数据进行采集。例如，在图1中，电流采集单元1050对固态断路器100的输出电流进行采集，电流采集单元1051～1054分别对继电器101～104的输出电流进行采集。
26.多个电流采集单元1050～1054中的一个或多个可以是与固态断路器100分离的单元，也可以是集成于固态断路器100中的单元。例如，对主线路上的固态断路器100的出线端的输出电流进行采集的电流采集单元1050可以集成于固态断路器100中。电流采集单元1050例如可以是罗氏线圈等任意形式的电流检测器件。
27.图1示出的继电器是4个，电流采集单元是5个，但本公开并不限定于此，继电器和电流采集单元的数量也可以是任意的。此外，每个继电器所连接的负载数量也可以是任意的。
28.固态断路器100可以包括控制驱动单元1001和电力电子开关1002，还可以进一步包括机械开关1003。
29.控制驱动单元1001接收电流采集单元1050～1054所采集的电流信号并进行处理，根据处理结果而控制电力电子开关1002和各继电器101～104的通断。在固态断路器100包括机械开关1003的情况下，还可以控制机械开关1003的通断。具体的，控制驱动单元1001可以接收多个电流采集单元1050～1054所采集的电流信号，基于所述电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，控制电力电子开关1002关断，在所述短路线路为支线路的情况下，在电力电子开关1002关断后控制所述短路线路中的继电器断
开，并在所述短路线路中的继电器断开后控制电力电子开关1002闭合。
30.图2示出根据本公开的一实施例的电路保护方法的流程图。
31.在通常时，固态断路器100和正常工作的支线路的继电器101～104均闭合，固态断路器100处于闭合(close)状态。电流采集单元1050采集固态断路器100的输出电流，电流采集单元1051～1054分别采集继电器101～104的输出电流(步骤s1)。在此，关于输出电流的采集，可以是定期采集，也可以通过其他方式来采集。
32.控制驱动单元1001根据电流采集单元1050～1054所采集的电流信号，判断主线路和多个支线路是否存在短路(步骤s2)。例如，在所采集的任一电流超过所设定的瞬动保护阈值时判断为存在短路，在存在短路的情况下前进至步骤s3；例如，在所采集的电流均未超过瞬动保护阈值时判断为不存在短路，在不存在短路的情况下返回至步骤s1。
33.在步骤s3中，控制驱动单元1001控制固态断路器100的电力电子开关1002关断。此时，主线路被断开，固态断路器100可以进入待机(standby)状态。
34.在短路线路是支线路的情况下前进至步骤s4。可选的，在短路线路是主线路的情况下可以前进至步骤s6。
35.在步骤s4中，在电力电子开关1002关断后控制所述短路线路中的继电器断开，并前进至步骤s5。例如，如果被判断为短路线路是对应于继电器101的支线路，则控制驱动单元1001控制继电器101断开从而将该支线路切除。
36.在步骤s5中，控制驱动单元1001在短路线路中的继电器断开后控制固态断路器100的电力电子开关1002闭合。从而，固态断路器100进入闭合(close)状态，其余支线路恢复正常运行。
37.在步骤s6中，控制驱动单元1001在电力电子开关1002关断后，控制机械开关1003断开。从而，固态断路器100进入关断(open)状态。
38.图3示出根据本公开的一实施例的在切除短路的支线路的过程中，固态断路器的电流i的变化示意图。图3仅为表示电流变化趋势示意图，各时间段的电流变化未必如图所示为线性的。
39.在t0时刻之前，配电系统10正常运行，固态断路器100和正常工作的支线路的继电器101～104均闭合，此时固态断路器100的电流为i0。
40.在t0时刻，如果对应于继电器101的支线路发生短路，从t0时刻起，固态断路器100的电流迅速增大。
41.在t1时刻，固态断路器100的电流到达所设定的瞬动保护阈值，控制驱动单元1001判断为存在短路，控制电力电子开关1002关断，在短路线路为对应于继电器101的支线路的情况下，控制继电器101断开。由于电力电子开关的关断所花费的时间较短、例如几个μs，此处几乎可以忽略不计，可视为在t1时刻电力电子开关1002被关断而固态断路器100的电流瞬间降为0。在本公开的实施例中，可以根据电力电子开关的关断耗时特性预设从控制电力电子开关关断至控制短路线路中的继电器断开的时间差，使控制驱动单元1001在控制电力电子开关关断后经过该时间差再控制短路线路中的继电器断开，从而实现在电力电子开关1002关断后控制短路线路中的继电器断开。例如，由于电力电子开关的关断时间很短，可以将时间设为0，即在控制电力电子开关关断后立即控制短路线路中的继电器断开。此外，由于继电器的断开所花费的时间较长、例如几个ms，即使控制驱动单元1001在t1时刻控制继
电器101断开，实际上继电器101在t2时刻才被断开。t1～t2时间段是继电器101断开所花费的时间，大约为2～4ms。
42.在t2时刻，继电器101被断开，从而短路的支线路被切除。t2～t3时间段是为继电器101断开留的时间裕量，可以例如为2ms，此时固态断路器100的电力电子开关1002仍然处于关断状态，固态断路器100的电流值维持为0。在本公开的实施例中，可以根据继电器的断开耗时特性预设从控制短路线路中的继电器断开至控制电力电子开关闭合的时间差，使控制驱动单元1001在控制短路线路中的继电器断开后经过该时间差再控制电力电子开关闭合，从而实现在所述短路线路中的继电器断开后控制所述电力电子开关闭合。例如，将从控制短路线路中的继电器断开至控制电力电子开关闭合的时间差预设为6ms，即在控制短路线路中的继电器断开后经过6ms控制电力电子开关闭合。
43.在t3时刻，控制驱动单元1001将电力电子开关1002闭合，配电系统10的其他支线路恢复正常运行。固态断路器100的电流恢复到正常工作时的稳态电流。
44.图4示出根据本公开的一实施例的在切除短路的支线路的过程中，电源、固态断路器、短路支线路和其他支线路的电压波形示意图。
45.当固态断路器100根据电流采集单元1050～1054所采集的电流信号，判断为存在短路时，在a点控制电力电子开关1002关断，并在判断为短路线路为对应于继电器101的支线路的情况下控制继电器101断开，而后在b点控制电力电子开关1002闭合，从而配电系统10恢复正常运行。由于固态断路器100的电力电子开关1002切换速度非常快，开关时间可以控制在10μs左右，继电器101～104的断开所花费的时间大概在2～4ms左右，所以ab两点之间的时间差值可以控制在10ms内，对其他支线路的后级负载202、203、204a、204b而言，基本感知不到配电系统10的电压变化。
46.参考gb/t30137-2013《电能质量电压暂降与短时中断》文件标准中对电压暂降和短时中断的定义：
47.电压暂降：电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u～0.9p.u，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。
48.短时中断：电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1p.u以下，并在短暂持续10ms～1min后恢复正常的现象。
49.标准中规定电压暂降持续时间和承受值如下表所示：
50.表a.1 semi f47电压暂降持续时间和承受值
[0051][0052]
从表a.1可知，普通设备在50hz周波电源系统中，可承受的电压暂降时间《50ms，且对电压幅值无规定。
[0053]
通过对图3、图4和国家标准的分析可知，t3-t1《10ms时，既能满足快速切断短路电
流的需求，又能保证配电系统10其他支线路的不间断供电，极大地提高了配电系统的安全性和供电稳定性。在一个实施例中，从控制所述电力电子开关关断至控制所述电力电子开关闭合之间的时间差小于10ms。
[0054]
根据本公开的实施例，还提供了一种固态断路器，用于连接于主线路中，且所述固态断路器后级的多个支线路中分别连接多个继电器，其中所述固态断路器包括电力电子开关及控制驱动单元；并且所述控制驱动单元用于：接收对应于所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流的电流信号，基于所述电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，控制所述电力电子开关关断，在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后控制所述短路线路中的继电器断开，并在所述短路线路中的继电器断开后控制所述电力电子开关闭合。上文关于配电系统10中的固态断路器100的描述可以适用于这里，不再累述。
[0055]
根据本公开的实施例，还提供了一种电路保护方法，应用于包括固态断路器和多个继电器的配电系统，所述固态断路器连接于主线路中，所述多个继电器分别连接于所述固态断路器后级的多个支线路中，其中所述电路保护方法包括：采集所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流；基于所采集的电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，关断所述固态断路器的电力电子开关，在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后断开所述短路线路中的继电器，并在所述短路线路中的继电器断开后闭合所述电力电子开关。上文关于配电系统10的描述可以适用于这里，不再累述。
[0056]
根据本公开的实施例，在存在短路时，固态断路器能迅速切断短路电流，并能精准确定短路线路并自动重合闸。进一步的，在精准切除短路的支线路的同时，还可以确保系统中其他支线路的供电连续性，降低短路的支线路对系统的影响。
[0057]
此外，由于在短路时先将电力电子开关关断，再将继电器或机械开关断开，从而使继电器或机械开关实现无电弧断电，保护继电器或机械开关不受电弧损伤，延长使用寿命。
[0058]
另外，由于使用价格便宜的继电器来配合固态断路器，不仅能够实现快速、精准切断短路的支线路的效果，还能够降低成本。
[0059]
针对本说明书中说明的术语和/或本说明书的理解所需的术语，也可以替换为具有相同或者类似的含义的术语。例如，本公开中的单元这一术语可以与部、部件、装置、设备、器件等术语相互替换。本公开中的关断这一术语可以与断开、打开、open等术语相互替换，本公开中的闭合这一术语可以与接通、关闭、close等术语相互替换。本公开中的电力电子开关可以与电子开关、固态开关等术语相互替换。本公开中的配电系统也可以被称为配电网络。本公开中的机械开关也可以被称为机械断点。
[0060]
在没有矛盾的情况下，本公开中的各个单元可以被变更名称，也可以被分离为多个子单元，也可以将其中的一部分或全部相互组合。例如，本公开中的控制驱动单元可以被改称为控制单元，也可以被分离为控制单元和驱动单元这两部分。只要没有技术上的矛盾，本公开中的各个单元之间的并列、包含关系也可以任意变更。
[0061]
本公开中涉及的电路、器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子，并不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些电路、器件、装置、设备、系统，只要能够实现
所期望的目的即可。
[0062]
只要没有技术上的矛盾，本公开中的各个步骤也可以任意变更顺序。
[0063]
本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本公开的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本公开所要保护的权利范围。
[0064]
根据本公开的实施例，上文描述的方法也可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含用于执行上述过程的方法的程序代码。

技术特征：
1.一种配电系统，包括固态断路器、多个继电器以及多个电流采集单元，其中所述固态断路器连接于主线路中；所述多个继电器分别连接于所述固态断路器后级的多个支线路中；所述多个电流采集单元用于分别采集所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流；所述固态断路器包括电力电子开关及控制驱动单元；所述控制驱动单元用于：接收所述多个电流采集单元所采集的电流信号，基于所述电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，控制所述电力电子开关关断，在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后控制所述短路线路中的继电器断开，并在所述短路线路中的继电器断开后控制所述电力电子开关闭合。2.如权利要求1所述的配电系统，其中所述固态断路器还包括与所述电力电子开关串联的机械开关；以及在所述短路线路为所述主线路的情况下，所述控制驱动单元在所述电力电子开关关断后控制所述机械开关断开。3.如权利要求1所述的配电系统，其中从控制所述电力电子开关关断至控制所述电力电子开关闭合之间的时间差小于10ms。4.一种固态断路器，用于连接于主线路中，并且所述固态断路器后级的多个支线路中分别连接多个继电器，其中所述固态断路器包括电力电子开关及控制驱动单元；并且所述控制驱动单元用于：接收对应于所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流的电流信号，基于所述电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，控制所述电力电子开关关断，在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后控制所述短路线路中的继电器断开，并在所述短路线路中的继电器断开后控制所述电力电子开关闭合。5.如权利要求4所述的固态断路器，其中所述固态断路器还包括与所述电力电子开关串联的机械开关；以及在所述短路线路为所述主线路的情况下，所述控制驱动单元在所述电力电子开关关断后控制所述机械开关断开。6.如权利要求4所述的固态断路器，其中从控制所述电力电子开关关断至控制所述电力电子开关闭合之间的时间差小于10ms。7.一种电路保护方法，应用于包括固态断路器和多个继电器的配电系统，所述固态断路器连接于主线路中，所述多个继电器分别连接于所述固态断路器后级的多个支线路中，其中所述电路保护方法包括：采集所述固态断路器的输出电流和所述多个继电器的输出电流；基于所采集的电流信号判断所述主线路和所述多个支线路中是否存在短路，在存在短路时，关断所述固态断路器的电力电子开关，
在所述短路线路为支线路的情况下，在所述电力电子开关关断后断开所述短路线路中的继电器，并在所述短路线路中的继电器断开后闭合所述电力电子开关。8.如权利要求7所述的电路保护方法，还包括：在所述短路线路为所述主线路的情况下，在所述电力电子开关关断后断开所述固态断路器的机械开关。9.如权利要求7所述的电路保护方法，其中从关断所述电力电子开关至闭合所述电力电子开关之间的时间差小于10ms。

技术总结
本公开涉及能够精准地保护系统安全且降低成本的配电系统、固态断路器及电路保护方法。配电系统包括固态断路器、多个继电器及多个电流采集单元，固态断路器连接于主线路中；多个继电器分别连接于固态断路器后级的多个支线路中；多个电流采集单元用于分别采集固态断路器的输出电流和多个继电器的输出电流；固态断路器包括电力电子开关及控制驱动单元；控制驱动单元用于：接收多个电流采集单元所采集的电流信号，基于电流信号判断主线路和多个支线路中是否存在短路，在存在短路时控制电力电子开关关断，在短路线路为支线路的情况下在电力电子开关关断后控制短路线路中的继电器断开并在短路线路中的继电器断开后控制电力电子开关闭合。子开关闭合。子开关闭合。


技术研发人员：李玉霞 董济华 宋杨峰 石莹 王接兆
受保护的技术使用者：施耐德电器工业公司
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2023/9/11