智能低压断路器的区域选择性连锁方法

摘要

本发明公开了一种智能低压断路器的区域选择性连锁方法。系统复位后，断路器处于无ZSI状态，监测线路上的电流并等待接收通信信号，若监测到短路电流，则本断路器向上级断路器发送等待命令并进入内部锁闭状态；若收到下级断路器发来的等待命令，则进入外部锁闭状态。在内部锁闭状态中，进行时长为Tin的内部锁闭延时，若内部锁闭延时超时仍未收到下级断路器发来的等待命令，则认为没有下级断路器监测到短路，进入脱扣状态。在脱扣状态中，控制器要向脱扣器发出脱扣指令。本发明无需附加的设备，连线简单，可在电力线路发生短路时，实现配电系统上下级断路器之间的选择性保护。

说明书

技术领域

本发明属于低压电器技术领域，涉及一种用于智能低压断路器的区域选择性连锁方法。

背景技术

随着社会文明程度的提高、用电需求的扩大，为提高配电网络的自动化、信息化水平，人们对低压电器提出了智能化的要求。自二十世纪九十年代以来，国内多家厂商已经陆续进行智能低压断路器的研发工作，推出一系列相关产品。目前已有的智能低压断路器，一般具有可调的保护参数，具有简单的组网功能，一些产品还具有功能较为丰富的人机界面。

用电规模的扩大，对断路器的保护性能提出更高的要求，每个保护设备不仅要能切断自身线路上的过电流，而且要综合考虑配电网络中其他支路的过电流状况，与其他断路器协同工作，在发生电网故障时尽可能迅速地隔离故障，并保证其他不受故障影响的部分保持正常供电，达到更好的保护性能和成本效益。这种新的保护概念称作选择性保护。

区域选择性连锁（ZSI）是实现配电网络上下级断路器选择性的一种有效的办法，其基本思路是下级断路器监测到短路故障时，立即发送一个等待命令到上级断路器，在一段时间内锁闭上级断路器的脱扣功能，自身执行脱扣动作。当前的区域选择性连锁的实现方式，断路器间的信息传递主要依靠开关量信号或485通信方式，需要上行、下行两个通信接口，通信线路连接方式必须严格按照电网拓扑，安装复杂，且通常需要加装额外的设备。

发明内容

本发明提供一种用于低压断路器的区域选择性连锁方法，该方法基于断路器的智能控制器实现区域选择性连锁逻辑，使配电网络中的断路器在发生短路故障时，能够及时、可靠地完成分断动作，同时将停电范围限制在最小。

本发明所述控制方法中，低压断路器智能控制器存在5种可能的状态，这5种状态及其状态转移规律如下：

无ZSI状态，即复位后的状态，此时断路器没有监测到短路，也未接收到下级断路器发来的等待命令。在此状态下，断路器若监测到短路电流，则进入自锁闭状态；若收到下级断路器发来的等待命令，则进入外部锁闭状态。

自锁闭状态，此状态说明断路器控制器已经监测到了短路，但是尚未收到下级断路器的等待命令。进入此状态后，断路器立即向上级断路器发送等待命令，并维护一个时长为自锁闭时间T_in的定时器。在此状态下，断路器若收到下级断路器发来的等待命令，则进入外部锁闭状态；若定时器超时，则进入脱扣状态。

脱扣状态，区域选择性连锁逻辑判定应由本断路器执行脱扣动作时进入的状态。在此状态下，断路器发出脱扣指令，触发脱扣器动作，完成分断动作后进行状态迁移返回无ZSI状态。

外部锁闭状态。在该状态下，断路器维护一个时长为T_out的定时器。若定时器超时，并且监测到短路电流仍然存在，则进入脱扣状态；若定时器超时，且短路电流消失，则进入ZSI恢复状态。

ZSI恢复状态，设置此状态是为了应对较为复杂故障电流，增强可靠性。在此状态下，维护一个时长为T_wait的定时器，期间若断路器监测到短路电流，则立刻进入脱扣状态；若未监测到短路电流，直至定时器超时，则进入无ZSI状态。

区域选择性连锁的完整过程如下。系统复位后，断路器处于无ZSI状态，监测线路上的电流并等待接收通信信号，若监测到短路电流，则本断路器向上级断路器发送等待命令并进入内部锁闭状态；若收到下级断路器发来的等待命令，则进入外部锁闭状态。在内部锁闭状态中，进行时长为T_in的内部锁闭延时，若内部锁闭延时超时仍未收到下级断路器发来的等待命令，则认为没有下级断路器监测到短路，程序进入脱扣状态。在脱扣状态中，控制器要向脱扣器发出脱扣指令，确认线路分断后，此次的区域选择性连锁已经完成，断路器状态转换为无ZSI状态。若在内部锁闭延时期间，收到了下级断路器发来的等待命令，说明有下级的断路器同时监测到了短路，应由下级断路器完成保护动作，因此本断路器进入外部锁闭状态。在外部锁闭状态中，进行时长为T_out的外部锁闭延时，以等待下级断路器完成分断的机械动作、电弧熄灭、短路电流消除。外部锁闭延时超时后，判断短路故障是否已经切除，如果短路电流仍然存在，说明下级断路器分断失败或者线路中发生了不止一处的短路，断路器应进入脱扣状态，完成相应操作；反之，外部锁定延时超时，短路电流已经被消除，则断路器进入ZSI恢复状态。在ZSI恢复状态中，进行一个时长为T_wait的ZSI恢复延时，延时期间若监测到短路电流，则立即进入脱扣状态，执行瞬动保护，若定时超时仍没有发生短路，则此次区域选择性连锁完成，进入无ZSI状态。

本发明相对于现有技术，可使用软件方法实现区域选择性连锁，无需附加的设备，连线简单，可在电力线路发生短路时，实现配电系统上下级断路器之间的选择性保护，及时、可靠地切断短路电流，同时将停电范围限制在最小。

附图说明

图1  状态转移图；

图2  报文接收子程序流程图；

图3  短路保护子程序流程图；

图4  无ZSI状态子程序流程图；

图5  自锁闭状态子程序流程图；

图6  脱扣状态子程序流程图；

图7  外部锁闭状态子程序流程图；

图8  ZSI恢复状态子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

作为一种实施例，断路器之间采用以太网结合TCP/IP协议的广播方式进行通信，各断路器通过交换机接入同一个局域网。定时器通过软件向下计数方式实现。

如图1所示，每个断路器智能控制器都具有5个状态，分别为：

无ZSI状态，即复位后的状态，此时断路器没有监测到短路，也未接收到下级断路器发来的等待命令。在此状态下，断路器若监测到短路电流，则进入自锁闭状态；若收到下级断路器发来的等待命令，则进入外部锁闭状态。

自锁闭状态，此状态说明断路器控制器已经监测到了短路，但是尚未收到下级断路器的等待命令。进入此状态后，断路器立即向上级断路器发送等待命令，并维护一个时长为自锁闭时间T_in的定时器。在此状态下，断路器若收到下级断路器发来的等待命令，则进入外部锁闭状态；若定时器超时，则进入脱扣状态。

脱扣状态，区域选择性连锁逻辑判定应由本断路器执行脱扣动作时进入的状态。在此状态下，断路器发出脱扣指令，触发脱扣器动作，完成分断动作后进行状态迁移返回无ZSI状态。

外部锁闭状态。在该状态下，断路器维护一个时长为T_out的定时器。若定时器超时，并且监测到短路电流仍然存在，则进入脱扣状态；若定时器超时，且短路电流消失，则进入ZSI恢复状态。

ZSI恢复状态，设置此状态是为了应对较为复杂故障电流，增强可靠性。在此状态下，维护一个时长为T_wait的定时器，期间若断路器监测到短路电流，则立刻进入脱扣状态；若未监测到短路电流，直至定时器超时，则进入无ZSI状态。

区域选择性连锁的完整过程如下。系统复位后，断路器处于无ZSI状态，监测线路上的电流并等待接收通信信号，若监测到短路电流，则本断路器向上级断路器发送等待命令并进入内部锁闭状态；若收到下级断路器发来的等待命令，则进入外部锁闭状态。在内部锁闭状态中，进行时长为T_in的内部锁闭延时，若内部锁闭延时超时仍未收到下级断路器发来的等待命令，则认为没有下级断路器监测到短路，程序进入脱扣状态。在脱扣状态中，控制器要向脱扣器发出脱扣指令，确认线路分断后，此次的区域选择性连锁已经完成，断路器状态转换为无ZSI状态。若在内部锁闭延时期间，收到了下级断路器发来的等待命令，说明有下级的断路器同时监测到了短路，应由下级断路器完成保护动作，因此本断路器进入外部锁闭状态。在外部锁闭状态中，进行时长为T_out的外部锁闭延时，以等待下级断路器完成分断的机械动作、电弧熄灭、短路电流消除。外部锁闭延时超时后，判断短路故障是否已经切除，如果短路电流仍然存在，说明下级断路器分断失败或者线路中发生了不止一处的短路，断路器应进入脱扣状态，完成相应操作；反之，外部锁定延时超时，短路电流已经被消除，则断路器进入ZSI恢复状态。在ZSI恢复状态中，进行一个时长为T_wait的ZSI恢复延时，延时期间若监测到短路电流，则立即进入脱扣状态，执行瞬动保护，若定时超时仍没有发生短路，则此次区域选择性连锁完成，进入无ZSI状态。

如图2所示，断路器接收到通信报文，调用报文接收子程序。在报文接收子程序中，如果本断路器处在无ZSI状态或者自锁闭状态，且收到的报文是来自于层级较低断路器的等待命令，则将本断路器的状态更改为外部锁闭状态，并重设定时器为T_out。等待命令报文应包含发送方断路器在配电网络中的位置信息。报文接收子程序流程图如图2所示。

如图3所示，断路器循环调用短路保护子程序。在短路保护子程序中，判断断路器的状态，根据状态调用不同的子程序。短路保护子程序流程图如图3所示。

如图4所示，无ZSI状态下，程序判断当前电流是否处在短路范围内，若是，则进入自锁闭状态，并重设定时器为T_in。无ZSI状态子程序流程图如图4所示。

如图5所示，自锁闭状态下，首先判断自锁闭延时定时器是否超时，若超时则立即切换至脱扣状态，并调用脱扣状态子程序。自锁闭状态子程序流程图如图5所示。

如图6所示，在脱扣状态下，断路器控制器不断发出脱扣指令，直到脱扣动作完成。脱扣状态子程序流程图如图6所示。

如图7所示，在外部锁闭状态下，如果定时器超时，则进行电流大小的判断，若实时电流有效值仍然处于短路范围，则切换至脱扣状态，并调用脱扣状态子程序；若实时电流有效值在短路范围之外，则切换至ZSI恢复状态，并重设定时器为T_wait。外部锁闭状态子程序流程图如图7所示。

如图8所示，在ZSI恢复状态下，如果断路器监测到短路电流，则立即进入脱扣状态，调用脱扣状态子程序；当定时器超时，则切换至无ZSI状态。