具有通信总线故障诊断功能的保护装置、系统及方法.pdf

本发明提出了一种诊断配电网络中用于传递区域选择互锁（ZSI）信号的通信总线上的故障的方法。该方法包括：在第一诊断时间段（Ts）内使得连接到同一通信总线（BUS1、BUS2）的各保护装置的接口均配置成输入端口；在连接到所述通信总线的每个保护装置处分别检测其输入端口接收到的输入信号；如果检测到所述输入信号异常，则该保护装置发出与相应接口关联的第一告警。

权利要求书1.  一种用于配电网络中的一个开关（CBn）的保护装置（DZSI_CBn），其中所述保护装置（DZSI_CBn）经由至少一通信总线（BUS1，BUS2）与至少另一个开关的保护装置连接，所述保护装置包括：第一接口（AIO+/AIO-），能够连接到第一通信总线（BUS2）；第一受控开关对（SAO，SAI），连接到所述第一接口（AIO+/AIO-），用于响应于一控制信号（CAO，CAI）而将所述第一接口（AIO+/AIO-）配置成输出端口（AO）或输入端口（AI）；第一控制单元（MCU2），用于控制所述第一受控开关对（SAO，SAI），以使得在第一诊断时间段（Ts）内将所述第一接口（AIO+/AIO-）配置成输入端口（AI）；并且当所述诊断时间段内来自所述第一接口（AIO+/AIO-）的输入信号（IA）异常时，发出第一告警信号；其中，在所述第一诊断时间段内，连接到所述第一通信总线的各保护装置的接口均配置成输入端口。2.  如权利要求1所述的保护装置，还包括：第一反馈电路（IN_F，INF_A），在所述第一接口（AIO+/AIO-）被配置为输出端口（AO）时耦合到所述第一接口（AIO+/AIO-）的输出路径上，用于检测经由所述第一接口（AIO+/AIO-）发送到所述第一通信总线（BUS2）上的诊断信号并生成一第一反馈信号（INF，INFA），且所述第一反馈信号（INFA）被送入所述第一控制单元（MCU2）；所述第一控制单元（MCU2）还控制所述第一受控开关对（SAO，SAI），以使得在第二诊断时间段（T1、T2）内将所述第一接口（AIO+/AIO-）配置成输出端口（AO），且经由所述第一接口将一诊断信号周期性地发送到所述第一通信总线（BUS2）上，所述第一控制单元（MCU2）还在所述第二诊断时间段（T1，T2）内所述第一反馈信号（INFA）异常时，发出第二告警信号；其中，所述第二诊断时间段内，连接到所述第一通信总线的各保护装置的接口有且仅有所述第一接口配置成输出端口。3.  如权利要求2所述的保护装置，还包括：第一输出电路（OUTA），连接到所述第一受控开关对（SAO，SAI）中的输出开关（SAO），且在所述输出开关（SAO）导通时，所述第一输出电路（OUTA）将来自所述第一控制单元（MCU2）的指令(Out,OutA）转换为所述诊断信号，输送到所述第一接口（AIO+/AIO-）；其中，所述第一反馈电路（IN_F,INF_A）设置在所述第一输出电路(OUTA)的输出路径中。4.  如权利要求3所述的保护装置，还包括：第二接口（BIO+/BIO-），连接到第二通信总线（BUS1）；第二受控开关对（SBO，SBI），连接到所述第二接口（BIO+/BIO-），用于响应于一控制信号（CBO，CBI）而将所述第二接口（BIO+/BIO-）配置成输出端口（BO）或输入端口（BI）；所述第一输出电路（OUT），还连接到所述第二受控开关对（SBO，SBI）中的输出开关（SBO），所述第一控制单元（MCU2）能够控制所述第一和第二受控开关对（SAO，SAI，SBO，SBI），以使得在所述第二诊断时间段内使得所述第一接口（AIO+/AIO-）和所述第二接口（BIO+/BIO-）交替配置成输出端口；在所述第二诊断时间段内经由所述输出端口发出一个诊断信号；在第二诊断时间段内读取所述反馈信号（INF）以及在所述反馈信号（INF）异常时，发出与相应接口关联的第二告警。5.  如权利要求1所述的保护装置，还包括：第一输入电路（INA），连接到所述第一受控开关对（SAO，SAI）中的输入开关（SAI），且在所述输入开关（SAI）导通时，所述第一输入电路（INA）将来自所述第一接口（AIO+/AIO-）的信号转换为第一控制单元（MCU2）可读的所述输入信号（IA），输送到第一控制单元（MCU2）。6.  如权利要求5所述的保护装置，其中，所述第一控制单元（MCU2）还控制所述第一受控开关对（SAO，SAI），以使得在第二诊断时间段内所述第一接口（AIO+/AIO-）配置成输入端口，且在所述第二诊断时间段内所述输入信号（IA）异常时发出第二告警；其中，所述第二诊断时间段内连接到所述第一通信总线的各接口中有且仅有一个接口配置成输出端口。7.  如权利要求4所述的保护装置，还包括：第一输入电路（INA），连接到所述第一受控开关对（SAO，SAI）和第二受控开关对（SBO，SBI）中的输入开关（SAI，SBI），且在相应输入开关（SAI，SBI）导通时，所述第一输入电路（INA）将来自所述第一/第二接口的信号转换为第一控制单元（MCU2）可读的所述输入信号（IA/IB），输送到第一控制单元（MCU2）；所述第一控制单元（MCU2）还用于控制所述第一和第二受控开关对（SAO，SAI，SBO，SBI），以使得在第二诊断时间段内交替将所述第一接口（AIO+/AIO-）和所述第二接口（BIO+/BIO-）配置成输入端口；在所述第二诊断时间段内所述输入信号异常时，发出与相应接口关联的第二告警信号。8.  如权利要求2-7中任一所述的保护装置，其中，所述第一输入电路（INA）包括电源以及与之串联的第一电流敏感元件，其中所述第一电流敏感元件在有电流流过时感测出所述输入信号（IA）；或所述第一输出电路（OUTA）包括受控三极管，其受控端连接到所述第一控制单元（MCU2），输出开关耦合到所述受控三极管的集电极；或所述输出反馈电路（INF）为耦合在所述受控三极管的集电极上的第二电流敏感元件，该第二电流敏感元件在有电流流过时感测出所述反馈信号（INF、INFA）。9.  如权利要求8所述的保护装置，其中，所述电流敏感元件为光耦。10.  如权利要求1所述的保护装置，其中，所述第一控制单元（MCU2）还在流过所述开关（CBn）的电流方向反转时，控制所述第一受控开关对（SAO，SAI）以便将所述第一接口从输出端口切换为输入端口，或反之，以发送或接收互锁信号。11.  一种诊断配电网络中用于传递区域选择互锁（ZSI）信号的通信总线上的故障的方法，其中，所述配电网络包括两个或两个以上的开关（CBn），每个开关配置有保护装置（DZSI_CBn），所述保护装置（DZSI_CBn）之间经由至少一通信总线（BUS1，BUS2）与至少另一个开关的保护装置交互ZSI信号，所述方法包括：在第一诊断时间段（Ts）内使得连接到同一通信总线（BUS1、BUS2）的各保护装置的接口均配置成输入端口；在连接到所述通信总线的每个保护装置处分别检测其输入端口接收到的输入信号；如果检测到所述输入信号异常，则该保护装置发出与相应接口关联的第一告警。12.  如权利要求11所述的方法，还包括：在第二诊断时间段（T1，T2）中，使得连接到同一通信总线的各保护装置中一个保护装置为查询单元，且使得该查询单元连接到所述通信总线的接口配置成输出端口，其他非查询保护装置的接口保持为输入端口；在该查询单元处，在第二诊断时间段内周期性发送诊断信号；在查询单元处，检测该查询单元的输出端口的反馈信号；如果该反馈信号异常，则该查询单元发出与相应接口关联的第二告警。13.  如权利要求12所述的方法，还包括：在所述第二诊断时间段（T1，T2）中，使得连接到同一通信总线的非查询单元的接口配置成输入端口；在各非查询单元处，检测该非查询单元的该输入端口的输入信号；如果该输入信号异常，则该非查询单元发出与相应接口关联的第二告警。14.  如权利要求11-13所述的方法，其中，当发现信号异常的持续时间大于一个预定阈值时，再发出与相应接口关联的故障告警，其中该预定阈值大于第一诊断时间段，或大于第一诊断时间段与第二诊断时间段之和。15.  如权利要求11-13所述的方法，其中，所述第一诊断时间段和第二诊断时间段远小于ZSI信号的持续时间。16.  如权利要求13所述的方法，其中，若连接到所述通信总线的各个保护装置的接口均发出所述第二告警，则表明在所述查询单元的接口处出现通信总线断路故障；或者若仅一个或多个非查询单元发出所述第二告警，则表示所述非查询单元的接口处出现通信总线断路故障。17.  一种配电系统，包括连接到配电网络中的两个或两个以上的断路器；如权利要求1-10中任一所述的、配置在每个断路器上的用于实现区域选择互锁（ZSI）的保护装置（DZSI_CBn）；至少一个通信总线，连接在所述保护装置（DZSI_CBn）之间，用于交互ZSI信号。

说明书具有通信总线故障诊断功能的保护装置、系统及方法
技术领域
本发明总体涉及配电网络的保护，尤其涉及配电网络中用于例如断路器的保护装置，该保护装置例如具有区域选择互锁功能。
背景技术
在一个配电系统中，通常借助开关（例如，断路器）来导通或切断系统内的供电连接，尤其切断功率源到用电负载的供电连接。这些开关针对额定电流而设计且在发生例如接地短路故障时，切断流经该开关的电流，即切断供电连接。
通常希望在发生故障时仅断开与故障有关的或距离故障最近的供电连接，这也称为区域选择断开，或称作区域选择互锁（ZSI：Zone Selectivity Interlock）。具体地，假定在一个单电源供电的多级配电网络中发生接地短路故障，则检测到故障的每个断路器都需要向其上游断路器传递一个互锁信号（ZSI信号）。这样，仅有那些没有接到ZSI信号的断路器被确定为是最接近故障点的断路器并执行瞬时保护（例如，延迟时间t=50ms），即以最短延迟时间执行断开动作。那些接收到ZSI信号的断路器则进行定时保护，或称“锁定”。所谓定时保护或锁定是指：若预定延迟时间（例如100ms）到期时故障仍未消除（例如更接近故障点的断路器的保护动作失效），则该断路器断开，否则保持连接。
对于多电源的配电网络，由于配电网络的复杂度提高，上述简单的ZSI不再适用。由此，提出了方向性区域选择互锁（DZSI：Directional Zone Select Interlock）。在2013年4月26日提交的、中国专利申请No.201310150057.5中记载了一种方向性区域选择保护的实现方法及装置。如该专利申请所记载的，根据流过当前断路器的电流的方向而选择性地向不同断路器传递ZSI信号。这样的好处是即使网络中存在多电源或有源负载也可以较为可靠地实现选择性保护。
无论ZSI方法还是DZSI方法，ZSI信号都在各断路器的保护装置之间的通信路径上传输。为此，用于传递ZSI信号的通信路径是否工作正常成为区域选择互锁实现的前提。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种诊断用于传送ZSI信号的通信路径是否正常的方法，及相关的保护装置。该方法和保护装置能够连接到现有的ZSI断路器，而不改变现有断路 器的电子脱扣单元的结构，且能够实现分布式DZSI管理。由此，采用这种保护装置可以无需对现有的ZSI断路器进行更改，即可通过外接所述保护装置的方式实现ZSI通信路径的诊断和告警。
本发明的另一个目的在于减少该保护装置中电路的复杂度、减少为该装置配备的独立电源，以缩小保护装置的体积、降低其成本。
根据本发明的一个实施例的，本发明提出了一种用于配电网络中的一个开关的保护装置。所述保护装置经由至少一通信总线与至少另一个开关的保护装置连接，所述保护装置包括：第一接口，能够连接到第一通信总线；第一受控开关对，连接到所述第一接口，用于响应于一控制信号而将所述第一接口配置成输出端口或输入端口；第一控制单元，用于控制所述第一受控开关对，以使得在第一诊断时间段内将所述第一接口配置成输入端口；并且当所述诊断时间段内来自所述第一接口的输入信号异常时，发出第一告警信号；其中，在所述第一诊断时间段内，连接到所述第一通信总线的各保护装置的接口均配置成输入端口。
本发明的这种保护装置能够自检用于传递ZSI信号的通信总线是否工作正常，并可在发现总线出现短路或反接故障时及时告警。由此，这一装置能够实现独立自检，从而保证ZSI信号通信的可靠性。
根据本发明另一个实施例，所述的保护装置，还包括第一反馈电路，在所述第一接口被配置为输出端口时耦合到所述第一接口的输出路径上，用于检测经由所述第一接口发送到所述第一通信总线上的诊断信号并生成一第一反馈信号，且所述第一反馈信号被送入所述第一控制单元；所述第一控制单元还控制所述第一受控开关对，以使得在第二诊断时间段内将所述第一接口配置成输出端口，且经由所述第一接口将一诊断信号周期性地发送到所述第一通信总线上，所述第一控制单元还在所述第二诊断时间段内所述第一反馈信号异常时，发出第二告警信号；其中，所述第二诊断时间段内，连接到所述第一通信总线的各保护装置的接口有且仅有所述第一接口配置成输出端口。
优选地，保护装置还包括第一输出电路，其连接到所述第一受控开关对中的输出开关，且在所述输出开关导通时，所述第一输出电路将来自所述第一控制单元的指令转换为所述诊断信号，输送到所述第一接口；其中，所述第一反馈电路（IN_F,INF_A）设置在所述第一输出电路(OUTA)的输出路径中。
本发明的这种保护装置能够自行检测出用于传递ZSI信号的通信总线上是否出现断路故障。由此，这一装置能够实现不仅短路和反接故障自检，还能够实现断路故障自检，从而进一步提高了ZSI信号通信的可靠性。
在另一个实施例中，该保护装置还包括第二接口，其连接到第二通信总线；第二受控开关对，连接到所述第二接口，用于响应于一控制信号而将所述第二接口配置成输出端口或输入端口；所述第一输出电路，还连接到所述第二受控开关对中的输出开关，所述第一控制单元能够控制所述第一和第二受控开关对，以使得在所述第二诊断时间段内使得所述第一接口和所述第二接口交替配置成输出端口；在所述第二诊断时间段内经由所述输出端口发出一个诊断信号；在第二诊断时间段内读取所述反馈信号以及在所述反馈信号异常时，发出与相应接口关联的第二告警。
本发明的这种保护装置能够交替检测连接到两个接口的通信总线是否出现故障。而且，两个接口能够共用同一个输出电路。这样保护装置的体积更小，成本更低。
优选地，本发明提出的保护装置还包括：第一输入电路，连接到所述第一受控开关对中的输入开关，且在所述输入开关导通时，所述第一输入电路将来自所述第一接口的信号转换为第一控制单元可读的所述输入信号，输送到第一控制单元。
优选地，所述第一控制单元还控制所述第一受控开关对，以使得在第二诊断时间段内所述第一接口配置成输入端口，且在所述第二诊断时间段内所述输入信号（IA）异常时发出第二告警；其中，所述第二诊断时间段内连接到所述第一通信总线的各接口中有且仅有一个接口配置成输出端口。
本发明的这种保护装置能够对于网络中的查询单元和非查询单元进行不同的配置。对于非查询单元，其仅需要周期性检测输入信号是否正常，且在异常时告警。这样，对于非查询单元的控制流程简单，响应速度更快。
优选地，保护装置的第一输入电路可以连接到所述第一受控开关对和第二受控开关对中的输入开关且在相应输入开关导通时，所述第一输入电路将来自所述第一/第二接口的信号转换为第一控制单元可读的所述输入信号，输送到第一控制单元；所述第一控制单元还用于控制所述第一和第二受控开关对，以使得在第二诊断时间段内交替将所述第一接口和所述第二接口配置成输入端口；在所述第二诊断时间段内所述输入信号异常时，发出与相应接口关联的第二告警信号。
本发明的这种保护装置中，输入电路也可以两个接口共用，因而结构相较于现有技术更加简单，且不降低其性能。
此外，本发明提出的保护装置，在其检测到供电线上出现短路故障时，通信总线的故障诊断功能自动中断。待短路故障消除后，诊断功能重新启用。
根据本发明另一个方面，本发明还提出了一种诊断配电网络中用于传递区域选择互锁信号的通信总线上的故障的方法，其中，所述配电网络包括两个或两个以上的开关，每个 开关配置有保护装置，所述保护装置之间经由至少一通信总线与至少另一个开关的保护装置交互ZSI信号，所述方法包括：在第一诊断时间段内使得连接到同一通信总线（BUS1、BUS2）的各保护装置的接口均配置成输入端口；在连接到所述通信总线的每个保护装置处分别检测其输入端口接收到的输入信号；如果检测到所述输入信号异常，则该保护装置发出与相应接口关联的第一告警。
优选地，该方法还包括在第二诊断时间段中，使得连接到同一通信总线的各保护装置中一个保护装置为查询单元，且使得该查询单元连接到所述通信总线的接口配置成输出端口，其他非查询保护装置的接口保持为输入端口；在该查询单元处，在第二诊断时间段内周期性发送诊断信号；在查询单元处，检测该查询单元的输出端口的反馈信号；如果该反馈信号异常，则该查询单元发出与相应接口关联的第二告警。
更为优选地，所述第二诊断时间段中，使得连接到同一通信总线的非查询单元的接口配置成输入端口；在各非查询单元处，检测该非查询单元的该输入端口的输入信号；如果该输入信号异常，则该非查询单元发出与相应接口关联的第二告警。
优选地，当发现信号异常的持续时间大于一个预定阈值时，再发出与相应接口关联的故障告警，其中该预定阈值大于第一诊断时间段，或大于第一诊断时间段与第二诊断时间段之和。这里，所述第一诊断时间段和第二诊断时间段远小于ZSI信号的持续时间。
优选地，该方法还可包括：若连接到所述通信总线的各个保护装置的接口均发出所述第二告警，则表明在所述查询单元的接口处出现通信总线断路故障；或者若仅一个或多个非查询单元发出所述第二告警，则表示所述非查询单元的接口处出现通信总线断路故障。
由此，采用本发明提出的方法不仅可以判断出总线上的故障类型，还可以根据各端口告警情况确定出断路故障的位置。
根据本发明又一个方面，本发明提出的配电系统，包括连接到配电网络中的两个或两个以上的断路器；如上所述的、配置在每个断路器上的用于实现区域选择互锁的保护装置；至少一个通信总线，连接在所述保护装置之间，用于交互信号。
附图说明
本发明的目的、特点、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中：
图1示出了根据本发明一个实施例的一种配电网络的应用场景；
图2A示出了图1所示场景下一种故障发生时的故障电流的流向；
图2B示出了图1所示场景下另一种故障发生时的故障电流的流向；
图3示出了在图1所示的应用场景下根据本发明一个实施例的保护装置的连接方式；
图4示出了根据本发明一个实施例的DZSI单元的结构框图；
图5示出了根据本发明一个实施例的两个DZSI单元彼此经通信总线连接的结构框图；
图6示出了根据本发明另一个实施例的短路或反接故障诊断方法的流程图；
图7A和7B示出了根据本发明再一个实施例的由查询DZSI单元和非查询DZSI单元执行的诊断方法的流程图；
图8A-8E示出了图3所示场景下根据本发明一个实施例的告警信号的波形图；
图9示出了根据本发明又一个实施例的DZSI单元的结构框图；
图10示出了根据本发明又一个实施例的由查询DZSI单元执行的诊断方法的流程图;
图11示出了根据本发明又一个实施例的控制单元的结构框图。
具体实施方式
以下将结合附图描述本发明的各个实施例。通过以下描述，本发明的上述优势将会更容易理解。
图1示例性地示出了根据本发明一个实施例的方向性区域选择互锁系统的一种应用场景，即H桥型的配电网络结构。如图1所示，该H桥网络包括两个电源TM1和TM2，其分别向两个无源负载L供电。在H桥结构的每个桥臂上分别设有断路器（CB：Circuit Breaker）CB1、CB2、CB4和CB5。在中间桥上还设有联络断路器CB3。在图1中每个断路器附近的箭头示出该断路器的一个电流参考方向。该电流参考方向例如是在正常情况下(例如断路器导通时)流过断路器的电流方向。这里H桥型的配电网络结构仅是示例性的，在实际应用中可以有多种不同的配电网络的结构，例如环形等。
在图1所示的H桥结构应用场景中，短路故障可能出现在如图1所示的6个故障点处，即故障点F1～F6。这里，短路故障可因多种因素引起，例如相线短接引起短路，或接地故障引起短路。对于图1所示的不同故障，根据ZSI原理，ZSI信号在各断路器之间的传递方向将有所不同。
图2A和图2B示例性地示出了两种故障情况下，故障电流的流动方向以及断路器之间的ZSI信号的传递方向。图2A中，如果在点F1发生故障，则故障电流按照图2A中虚线箭头所示流动。ZSI信号需从CB1传递给CB3（如图中箭头所示）。类似地，在图2B中，假定故障发生在点F4，故障电流按照图2B中虚线箭头所示流动。此时，CB3检测到故障后需要将互锁信号传递给CB1（如图中箭头所示），使得CB1设定其动作延迟时间，并进入互锁状态。由图2A和2B可见，在不同的故障情况下，故障电流的方向变化与断路器（例如CB1和CB3）之间ZSI信号的传递方向相关联，为此需要引入方向性选择互锁（DZSI） 的解决方案。
图3示例性地示出了在图1所示的应用场景下根据本发明一个实施例的解决方案。如图3所示，在本发明实施例中，每个断路器CBn配备有一个保护装置PDn（PD：Protection Device），其具体包括电子脱扣单元ETUn（ETU：Electric Tripping Unit）和连接到ETUn的DZSI单元DZSI_CBn。这里，n=1、2、3、4或5。ETUn能够在发现故障时脱扣，以驱动断路器断开。DZSI_CBn（例如DZSI_CB3）典型的包括两个接口AIO和BIO，每个接口可配置成输入端口或输出端口，以连接到用于传递ZSI信号的总线BUS1或BUS2上。DZSI_CBn能够根据电流方向选择性地确定从哪个接口传递ZSI信号。可选地，图3中置于上、下桥臂上的DZSI单元（例如DZSI_CB1）也可以仅有或仅使能一个连接到总线上的接口（例如BIO），而另一个接口失效。
图4具体示出了图3中连接到联络断路器CB3的保护装置PD3的一种示例性结构。在图4中，断路器CB3的导通或关断动作由ETU3来控制。ETU3可以与CB3集成在一起，如现有的塑壳断路器（MCCB）那样。在图4中，简便起见，仅示出了ETU3中的控制单元MCU1以及相关的接口ZSI In和ZSI Out。两个接口ZSI In和ZSI Out可以连接到DZSI_CB3的相应接口ZSI IN和ZSI OUT，以交互ZSI信号。具体而言，ETU3在发现故障时，将ZSI信号发送给DZSI_CB3，再由DZSI_CB3根据电流方向将ZSI信号传递到相应的总线上。若DZSI_CB3从相关总线上接收到ZSI信号，则将ZSI信号传递给ETU3。
如图4所示，DZSI_CB3具体包括控制单元MCU2、两个接口AIO和BIO、以及分别用于各个接口的输入电路INA、INB和输出电路OUTA、OUTB。其中输出电路的输出路径中还设置有反馈电路INF_A和INF_B。输入电路将从接口AIO/BIO接收到的信号转换为MCU2可读的IA/IB信号。输出电路将来自MCU2的输出指令OutA/OutB转换成可从接口AIO/BIO发送到总线上的信号。每个接口与其各自的输入或输出电路之间设有受控开关（例如SAO、SAI、SBO、SBI）。MCU2通过控制这些开关来选择性地确定AIO或BIO是作为输入端口，还是作为输出端口。例如，MCU2导通SAI并断开SAO，从而将AIO配置成连接到其输入电路INA，则AIO接口配置成输入端口AI。反之，则AIO连接到其输出电路OUTA，则AIO接口配置成输出端口AO。反馈电路INF_A和INF_B能够将输出电路OUTA或OUTB发送到总线上的信号转换为MCU2可读的INFA/INFB反馈给MCU2。
图5示例性地示出了两个DZSI单元彼此通过通信总线连接的情形。如图5所示，DZSI_CB2的BIO接口经通信总线BUS2连接到DZSI_CB3的AIO。这时，如果DZSI_CB3的AIO作为输出端口（SAO=ON，SAI=OFF），而DZSI_CB2的BIO（SBI=ON，SBO=OFF）作为输入端口，则一旦DZSI_CB3中OutA为有效值，DZSI_CB3中输出电路OUTA和 DZSI_CB2中的输入电路INB经通信总线BUS2构成电流回路。此时，在BUS2正常情况下，DZSI_CB2可收到有效的IB信号。同时，在DZSI_CB3内，设置在该电流回路中的反馈电路INF_A也能够感测到该回路中流过的电流，并将其作为反馈信号INFA发送给MCU2。由此，通过分别在通信总线BUS2两端的DZSI单元中检测输入信号IA和反馈信号可判断出该通信总线是否连接正常。
在图4和图5所示的例子中，输入电路INA/INB为一个连接到相关接口两端的串联支路，该串联支路中包括彼此串联的电源（24V电源）、限流电阻以及一个电流敏感元件。优选地，该电流敏感元件为光耦。光耦在图中用一个简化的发光二极管表示。输出电路OUTA/OUTB例如为一个连接到其接口两端的三极管，其基极为受控极，由来自MCU2的指令OutA/OutB控制。反馈电路INF_A/INF_B优选为一个设置在输出路径（例如输出三级管的集电极侧）中的光耦。这里，电路中的光耦起到隔离作用，以免MCU2的损害，其也可替换成其他隔离元件。
一般而言，用于传递ZSI信号的通信总线可能出现短路、断路和总线反接三种故障。以下将以图3中的BUS2为例，详细描述根据本发明一个实施例的总线故障诊断方法。如图3所示，3个DZSI单元（DZSI_CB2/3/5）均连接到BUS2。首先，在三个DZSI单元中选择或确定任意一个单元作为故障诊断中的查询DZSI单元（Query Unit），简称查询单元。在图3的例子中，优选将DZSI_CB3作为查询单元，而其他两个DZSI单元为非查询单元（Non-query Unit）。在诊断过程中，只有查询单元将其接口设置为输出端口，并可以周期性在总线BUS2上发送诊断信号。非查询单元的接口在整个诊断过程中仅配置成输入接口。查询单元和非查询单元中诊断BUS2是否出现故障的流程图分别在图6和图7中示出。这里，对于查询单元和非查询单元而言，如果ETU检测到短路故障，则诊断过程中断，保护装置PD按照常规处理故障并传递ZSI信号。如果短路故障消失，则总线诊断过程重新启动，并周期性执行，而当出现ZSI信号再次出现时诊断过程再次中断。
图6示出总线反接或短路故障诊断流程图。DZSI_CB3中AIO接口连接到BUS2上，为此先仅考虑一个AIO接口的诊断过程。如图6所示，在步骤S410中，例如作为查询单元的DZSI_CB3中的MCU2完成初始化。继而，在步骤S420中，MCU2通过发指令（CAI/CAO）使得开关SAO断开（SAO=OFF），SAI导通（SAI=ON），从而将DZSI_CB3的接口AIO连接到输入电路INA，即将AIO配置成输入端口AI且持续一预定的诊断时间T=Ts。在Ts诊断时间段内，连接到BUS2的两个非查询DZSI单元的接口也配置成输入端口。参照图5，当连接到同一总线的两个接口均配置成输入端口时，相当于两个DZSI单元的输入电路彼此对接，因而在正常情况下无法形成电流回路。相反，例如DZSI_CB2的BIO接口出现正、 负两极反接故障，或者BUS2上出现短路时，则图5中两个输入电路之间就能够形成电流回路。为此，在步骤S430中，DZSI_CB3中的MCU2读取输入电路INA的输入信号IA，并判断信号IA是否为有效低电平。如上所述，如果信号IA不是低电平，表明无电流回路形成，则可继续执行步骤S450，进行其他故障诊断。相反，如果信号IA为低电平，则说明BUS2出现了反接或短路故障，流程行进到步骤S440。在步骤S440中，MCU2发出反接或短路告警，即告警1，且表明是DZSI_CB3的接口AIO出现告警1。
图6所示的流程，同样可以在非查询DZSI单元中执行。例如，作为非查询单元的DZSI_CB5可以按照图6所示流程执行反接或短路的故障诊断，且在发现反接或短路故障时发出告警1，以指示其AIO口检测到反接或短路故障。同理，DZSI_CB2也可对其BIO口执行相同的操作。所需注意的是，在诊断时间段Ts内，连接到同一总线BUS2的各接口需均配置成输入端口。
图7A和图7B示例性地示出了检测断路故障的流程图。图7A所示故障诊断过程可在图6的步骤S450中完成。在步骤610中，作为查询单元的DZSI_CB3（中的MCU2）将接口AIO配置成输入端口且持续T=T1时间。在步骤S620中，该MCU2将接口AIO配置成输出端口（SAO=ON，SAI=OFF）且持续T=T2时间。由于连接到同一BUS2的非查询单元的各接口始终配置成输入端口，因而在T2时间段内有且仅有连接到BUS2的查询单元的接口配置为输出端口。进而，在步骤S630中，在T2时间段内，DZSI_CB3（中的MCU2）通过发出指令OutA使得输出电路OUTA能够将一个诊断信号（非ZSI信号）发送到BUS2上。在步骤S640中，MCU2周期性地读取反馈电路INF_A的反馈信号INFA，并判断INFA是否异常。参照图5，当BUS2正常时，DZSI_CB3的输出电路OUTA和其他非查询DZSI单元（例如DZSI_CB2）的输入电路可以构成电流回路，且INFA为正常的低电平。但是，在BUS2出现断路时，INFA为异常的高电平。为此，在步骤S650中，为了避免误报，如果INFA的异常持续了T=n*(T1+T2)，则表明BUS2出现了断路故障，流程行进到步骤S660。否则，流程循环回到步骤S610。在步骤S660，DZSI_CB3中的MCU2发出其接口AIO出现告警2，即断路告警。
图7B示出非查询DZSI单元执行的故障诊断流程图。为了使流程完整，图7B中左半部分包括了与图6相同的反接和短路故障诊断过程，这里不再赘述。如图7B右半流程所示，在T1和T2时间段内，连接到BUS2的接口（例如DZSI_CB2的BIO接口）始终配置成输入端口，且在步骤S710中周期性读入输入信号IB。当在步骤S720中判断出输入信号IB在T=n*(T1+T2)内持续为高或为低时，流程进行到步骤S720。在步骤S720发出相应接口的断路告警2。图7B所示流程同样可以针对DZSI_CB5的接口AIO进行。
如图3所示，连接到联络断路器CB3的DZSI_CB3的两个接口AIO和BIO可以分别连接到两个通信总线BUS1和BUS2。为此，在DZSI_CB3作为查询单元时，其能够诊断BUS1和BUS2两个总线是否正常。例如，在DZSI_CB3判断断路故障时，其可以同时或交替控制其两个接口AIO和BIO实现如图7A所示的流程。
此外，图7A和图7B所示的流程可以程序上电后执行，以及在未发生任何故障时执行。一旦检测到故障，且总线上需要传递ZSI信号时，DZSI单元自动进入正常的ZSI信号处理流程，而中断故障诊断流程。
图8A-E示出BUS2各种运行状态下各个连接到BUS2的DZSI_CBn的接口处的信号波形。图8A示出BUS2正常工作的状况。正常时，作为查询单元的DZSI_CB3从AO周期性输出诊断信号，INFA也相应地周期性收到有效的反馈信号。相应地，在正常状态下，DZSI_CB2的BI接口和DZSI_CB5的AI接口也相应的收到有效信号。图8B示出BUS2短路故障时的波形。BUS2短路时，反馈信号INFA、CB2的BI以及CB5的AI均为持续低电平，即异常。图8C-E分别示出了三种断路情况。如图8C所示，当断路发生在CB3附近时，INFA、CB2的BI以及CB5的AI均为持续高电平，即无法收到有效信号。当断路发生在CB2附近时，只有CB2的BI出现异常，其他接口正常工作。类似地，当断路发生在CB5附近时，只有CB5的AI出现异常，其他接口正常工作。由此，根据各接口的故障情况可判断出发生了何种故障。例如，若连接到通信总线的各个保护装置的接口均发出所述断路告警，则表明在查询单元的接口处出现通信总线断路故障；或者若仅一个或多个非查询保护装置发出所述断路告警，则表示所述非查询保护装置的接口处出现通信总线断路故障。
图9具体示出了图3中连接到联络断路器CB3的保护装置PD3的另一种示例性结构。在图9中，与图4相同的部件采用了相同的标号来表示，其功能也与图4中的部件功能相似，这里不再赘述。与图4不同的是，AIO和BIO共用同一个输出电路OUT，且该输出电路的输出路径上也设有一个反馈电路IN_F，其反馈信号INF由MCU2读取。
相应地，图9所示的电路结构在仅使能一个接口AIO/BIO时，总线故障诊断方法与图6和图7所示内容基本相同。当DZSI_CB3作为查询单元来诊断两个总线（BUS1和BUS2）上是否出现故障时，由于DZSI_CB3中的输出电路OUT为AIO和BIO所共用，因而需交替将AIO/BIO配置成输出端口并进行总线故障诊断。具体方法流程图示出在图10中。可选地，图10所示的流程也可作为例如图6中步骤S450执行。
如图10所示，在步骤S810中，DZSI_CB3中的MCU2在T=T1的时间段内将其接口AIO配置成输出端口，BIO配置成输入端口。具体AIO/BIO配置方式与前面所述相同。在 步骤S820中，MCU2发出有效的Out指令以向总线BUS2发出诊断信号。在步骤S830中，在T=T1时间段内，MCU2读入反馈电路采集的反馈信号INF，并判断读入的INF是否异常。如果INF正常，则进入步骤S910。如果INF异常则进入步骤S840，继续判断INF保持异常的时间是否超出了一个预定时间。如果在该预定时间内INF一直异常（例如为常低或常高状态），则在步骤S860中MCU2发出AIO口出现断路故障的告警2，继而也进入步骤S910。
在图10中，若INF信号正常，则开始另一接口的诊断。在步骤S910中，DZSI_CB3中的MCU2在T=T2的时间段内将其接口BIO配置成输出端口，AIO配置成输入端口。具体AIO/BIO配置方式与前面所述相同。在步骤S920中，MCU2发出有效的Out指令以向总线BUS1发出诊断信号。在步骤S930中，在T=T2时间段内，MCU2读入反馈电路采集的反馈信号INF，并判断读入的INF是否出现异常。如果正常，则进入步骤S990。如果INF异常则进入步骤S940，继续判断INF保持异常的时间是否超出了一个预定时间。如果在该预定时间内INF一直异常（例如为常低或常高状态），则在步骤S960中MCU2发出BIO口出现断路故障的告警2。进而，若INF信号正常，则进入步骤S990。在步骤S990中，AIO和BIO均设置为输入端口，且持续T=T3时间后再循环回到步骤S910。在图10中，INF保持异常的预定时间段例如是T=n*(T1+T2+T3)。
类似地，AIO和BIO接口也可共用同一个输入电路。与图10类似，在故障诊断时，MCU2需要交替将AIO和BIO配置成输入端口，并交替读入并判断输入信号是否异常。可选地，DZSI单元也可与ETU共用相同的输入和输出电路，并藉由MCU1和MCU2之间的接口，由ETU代为发送诊断信号，其原理与实现与上述内容类似，这里不再详细描述。
在4和图9中的MCU2还可具体理解为包括两个子单元，即故障诊断配置单元和告警单元。图11示出一个MCU2的示例性的结构图。如图11所示，故障诊断配置单元110用于完成图6、7和10中对DZSI单元中各接口的配置以及诊断信号的发送。告警单元120用于完成图6、7和10中读取输入信号或反馈信号并判断这些信号是否出现异常的工作，且在出现异常时发出相应的告警。
本领域技术人员可以理解的是本发明提出的结构不仅可以应用在图3所示出的H桥结构和环网结构中，其还可以应用在其他网络拓扑结构下。
本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种改变和修改，这些改变和修改都应当落在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。