远供电源系统及电缆短路故障的隔离方法.pdf

本发明提供了一种远供电源系统及电缆短路故障的隔离方法。该远供电源系统包括两个供电点和至少一个用电点，其中每个所述用电点包括远端控制器、远端电源和用电设备，两个供电点的局端电源的输出通过传输电缆及各个远端控制器的控制开关并联。当传输电缆中的某一点出现短路时，流经该短路的传输电缆中的电流会瞬时升高，在远端控制器中的电流检测电路监测到流经该传输电缆的电流值大于其过流保护阈值时，则控制电路指示控制开关断开，从而实现短路故障隔离。由上可知，本发明能够保障远供电源系统做链状布网的情况下，当传输电缆的任意单点发生短路时，所有用电设备的供电不会停止，从而保障系统正常供电。

权利要求书1.  一种远供电源系统，包括：两个供电点和至少一个用电点，其中 每个所述用电点包括远端控制器、远端电源和用电设备，并且所述远端 控制器与所述远端电源连接、所述远端电源和所述用电设备连接、所述 远端控制器与传输电缆连接；所述两个供电点的局端电源的输出通过传 输电缆及各个远端控制器的控制开关并联。 2.  根据权利要求1所述的远供电源系统，其特征在于，所述远端控 制器包括所述控制开关、控制电路、至少一个电流检测电路和两个隔离 二极管，其中所述控制开关与所述至少一个电流检测电路均与所述控制 电路连接，且所述控制开关和所述至少一个电流检测电路分别配置在传 输电压的正极或负极，所述两个隔离二极管分别连接在控制开关的两端。 3.  根据权利要求2所述的远供电源系统，其特征在于，所述电流检 测电路中采用电阻、霍尔电流传感器或电流互感器作为电流传感器。 4.  根据权利要求2所述的远供电源系统，其特征在于，所述控制开 关采用以下开关器件之一或多种：金属-氧化层半导体场效晶体管、绝缘 栅双极型晶体管、半导体三极管、可控硅晶闸管、可关断晶闸管、集成 门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管、MOS控制型晶闸管、双向可 控硅、逆导晶闸管、CoolMOS、静态感应晶体管、静电感应晶闸管、继 电器、接触器。 5.  根据权利要求2所述的远供电源系统，其特征在于，所述控制电 路采用以下集成器件之一或多种：比较器、运算放大器、单片机、数字 信号处理、逻辑电路、现场可编程门阵列、复杂可编程逻辑器件。 6.  根据权利要求1至5中任一项所述的远供电源系统，其特征在于， 所述控制开关配置在所述远端控制器与传输电缆相连接的两个输电端口 之间，并且所述控制开关在常态时闭合。 7.  一种电缆短路故障的隔离方法，采用如权利要求1至6中任一项 所述的远供电源系统。 8.  一种电缆短路故障的隔离方法，应用于远供电源系统，所述远供 电源系统包括：两个供电点和至少一个用电点，其中每个所述用电点包 括远端控制器，所述两个供电点的局端电源分别通过传输电缆及各个远 端控制器的控制开关并联；所述远端控制器包括所述控制开关、控制电 路、至少一个电流检测电路和两个隔离二极管，其中所述控制开关与所 述至少一个电流检测电路均与所述控制电路连接，且所述控制开关和所 述至少一个电流检测电路分别配置在传输电压的正极或负极，所述两个 隔离二极管分别连接在控制开关的两端；所述隔离方法包括： 远端控制器中的电流检测电路监测流经的电流值； 当传输电缆中的某一点出现短路时，所述电流检测电路监测到瞬时 升高的电流值，并将该电流值提供给控制电路； 所述控制电路判断接收到的电流值是否大于过流保护阈值； 当所述控制电路确定接收到的电流值大于过流保护阈值，则所述控 制电路指示控制开关断开，从而实现短路故障隔离。 9.  如权利要求8所述的电缆短路故障的隔离方法，其中所述过流保 护阀值由传输电缆的电压值进行微调，当传输电缆的电压值越低，所述 过流保护阀值越低，或者，当传输电缆的电压值越高，所述过流保护阀 值越高。 10.  如权利要求8或9所述的电缆短路故障的隔离方法，其中 所述电流检测电路中采用电阻、霍尔电流传感器或电流互感器作为 电流传感器； 所述控制开关采用以下开关器件之一或多种：金属-氧化层半导体场 效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、半导体三极管、可控硅晶闸管、可关 断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管、MOS控制型 晶闸管、双向可控硅、逆导晶闸管、CoolMOS、静态感应晶体管、静电 感应晶闸管、继电器、接触器； 所述控制电路采用以下集成器件之一或多种：比较器、运算放大器、 单片机、数字信号处理、逻辑电路、现场可编程门阵列、复杂可编程逻 辑器件。

说明书远供电源系统及电缆短路故障的隔离方法
技术领域
本发明涉及电力领域，特别地，涉及远供电源系统及电缆短路故障 的隔离方法。
背景技术
目前，在通信行业、视频监控、铁路区间通信等领域大量使用直流 远供电源系统。现有的直流远供电源系统在组成点对多点链型分布供电 网络时，通常是以局端电源为供电点，通过传输电缆将局端电源输出的 较高直流电压提供至各分布式远端电源，再由远端电源将输入电压转换 为用电设备适用电压而为用电设备供电，如图1所示。
一旦传输电缆上的任意一点发生短路故障，局端电源将采取短路保 护措施，即停止输出，这样所有用电设备均会失去供电。整个直流远供 电源系统停止供电，将对系统可靠性造成极大的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种远供电源系统及电缆短路故障的 隔离方法，即便在传输电缆发生单点短路时，也能够保障所有用电设备 的供电不受影响。
一方面，提供一种远供电源系统，包括：两个供电点和至少一个用 电点，其中每个用电点包括远端控制器、远端电源和用电设备，并且远 端控制器与远端电源连接、远端电源和用电设备连接、远端控制器与传 输电缆连接；两个供电点的局端电源的输出通过传输电缆及各个远端控 制器的控制开关并联。
其中，远端控制器包括控制开关、控制电路、至少一个电流检测电 路和两个隔离二极管，其中控制开关与至少一个电流检测电路均与控制 电路连接，且控制开关和至少一个电流检测电路分别配置在传输电压的 正极或负极，两个隔离二极管分别连接在控制开关的两端。
一般地，控制开关配置在远端控制器与传输电缆相连接的两个输电 端口之间，并且控制开关在常态时闭合。
另一方面，提供了一种电缆短路故障的隔离方法，采用如上所述的 远供电源系统。
再一方面，提供了一种电缆短路故障的隔离方法，应用于远供电源 系统，该远供电源系统包括：两个供电点和至少一个用电点，其中每个 用电点包括远端控制器，两个供电点的局端电源分别通过传输电缆及各 个远端控制器的控制开关并联；远端控制器包括控制开关、控制电路、 至少一个电流检测电路和两个隔离二极管，其中控制开关与至少一个电 流检测电路均与控制电路连接，且控制开关和至少一个电流检测电路分 别配置在传输电压的正极或负极，两个隔离二极管分别连接在控制开关 的两端；所述隔离方法包括：
远端控制器中的电流检测电路监测流经的电流值；
当传输电缆中的某一点出现短路时，电流检测电路监测到瞬时升高 的电流值，并将该电流值提供给控制电路；
控制电路判断接收到的电流值是否大于过流保护阈值；
当控制电路确定接收到的电流值大于过流保护阈值，则控制电路指 示控制开关断开，从而实现短路故障隔离。
其中，过流保护阀值由传输电缆的电压值进行微调，当传输电缆的 电压值越低，过流保护阀值越低，或者，当传输电缆的电压值越高，过 流保护阀值越高。
可选地，电流检测电路中采用电阻、霍尔电流传感器或电流互感器 作为电流传感器。
可选地，控制开关采用以下开关器件之一或多种：金属-氧化层半导 体场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管、半导体三极管、可控硅晶闸管、 可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电子注入增强栅晶体管、MOS控 制型晶闸管、双向可控硅、逆导晶闸管、CoolMOS、静态感应晶体管、 静电感应晶闸管、继电器、接触器。
可选地，控制电路采用以下集成器件之一或多种：比较器、运算放 大器、单片机、数字信号处理、逻辑电路、现场可编程门阵列、复杂可 编程逻辑器件。
由上可知，根据本发明的远供电源系统及电缆短路故障的隔离方法 能够保障远供电源系统做链状布网的情况下，当传输电缆的任意单点发 生短路时，所有用电设备的供电不会停止，从而保障系统正常供电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图 仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出 创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的直流远供电源系统的电路结构图。
图2为根据本发明的直流远供电源系统的电路结构图。
图3为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的一个实施例。
图4为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。
图5为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。
图6为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。
图7为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。
图8为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。
图9为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施例。
图10为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施 例。
图11为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施 例。
图12为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的又一实施 例。
图13为根据本发明的直流远供电源系统中远端控制器的电路实现 图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施 例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本 发明保护的范围。
本发明旨在解决在现有的直流远供电源系统中，当传输电缆发生单 点短路时，所导致的整个系统的用电设备停电的问题。
参见图2，根据本发明的远供电源系统包括两个供电点，即第一供电 点(供电点1)和第二供电点(供电点2)。本发明的远供电源系统正常 运行时，该两个供电点的局端电源的输出通过传输电缆及各个远端控制 器的控制开关并联，且第一供电点和第二供电点均具有为全部用电点(用 电点1、用电点2、用电点3……用电点N)供电的能力。应该理解，本 文中的两个供电点可以是部署在不同位置的两台电源设备，也可以是指 同一台电源设备的两个输出端口。
可以理解，在两个供电点之间具有至少一个用电点。每个用电点包 括远端控制器、远端电源和用电设备，远端控制器与远端电源连接，远 端电源和用电设备连接。其中，远端控制器与传输电缆连接，并实时监 测流经该段传输电缆的电流值。这里，远端控制器与远端电源可以集成 为一个部件。
具体而言，远端控制器具有两个与传输电缆相连接的输电端口，该 两个输电端口之间配置有一个控制开关，该控制开关在常态时闭合，此 时两个输电端口直接连通。也就是说，两个供电点的局端电源在常态时 输出经由传输电缆并联，共同为所有的用电点设备供电。在控制开关两 端，各连接一个二极管，组成“或”逻辑隔离二极管为本地输出口供电， 即在控制开关两端任意一端有电，本地输出口就有电。该隔离二极管既 可使用独立二极管，或者控制开关内部包含可用的二极管结构时，该隔 离二极管也可使用开关器件内部的二极管结构，例如金属-氧化层半导体 场效晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 器件的体二极管，绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar  Transistor)中的保护二极管等。
当传输电缆中的某一点出现短路时，流经该短路的传输电缆中的电 流会瞬时升高。于是，在远端控制器监测到流经该传输电缆的电流值大 于其过流保护阈值时，则该远端控制器的控制开关断开，从而实现故障 隔离。虽然该远端控制器的控制开关断开，但是由于远端电源仍然通过 隔离二极管分别连接在控制开关两侧的传输电缆中，因此仍可以从第一 供电点与第二供电点中的一个获得供电。例如，如图2所示，为本地用 电设备供电的远端电源的输入端口分别通过隔离二极管同时从控制开关 的两端取电，只要任意一端有电就可以为本地负载供电，故本地用电设 备的供电不受控制开关状态的影响。
进一步地，远端控制器包括控制电路、控制开关、至少一个电流检 测电路和两个隔离二极管。其中，当控制开关为由如MOSFET、IGBT的 开关器件组成的双向控制开关时，隔离二极管可采用控制开关中的二极 管。具体而言，控制开关与电流检测电路均与控制电路连接，控制开关 和电流检测电路可以分别配置在传输电压的正极或负极。电流检测电路 检测传输电缆中的电流值，并将检测到的电流值提供给控制电路，当检 测到的电流值超出了过流保护的阈值时，控制电路使得控制开关断开。
由上可知，根据本发明的远供电源系统能够保障远供电源系统做链 状布网的情况下，当传输电缆的任意单点发生短路时，所有用电设备的 供电不会停止，从而保障系统正常供电。
具体地，对于每个远端控制器而言，电流检测电路监测流经的电流 值；当传输电缆中的某一点出现短路时，电流检测电路监测到瞬时升高 的电流值，并将该电流值提供给控制电路；控制电路判断接收到的电流 值是否大于过流保护阈值；当控制电路确定接收到的电流值大于过流保 护阈值，则控制电路指示控制开关断开，从而实现短路故障隔离。
此外，当短路点发生在两个用电点之间时，由于过流保护阀值由传 输电缆的电压值进行微调：当传输电缆的电压值越低，过流保护阀值越 低，而当传输电缆的电压值越高，过流保护阀值越高。这样，保证了最 邻近短路点的两个控制开关均断开，从而实现了短路故障隔离。
由此，根据本发明的电缆短路故障的隔离方法能够保障远供电源系 统做链状布网的情况下，当传输电缆的任意单点发生短路时，所有用电 设备的供电不会停止，从而保障系统正常供电。
在图3示出的远端控制器的第一实施例中，第一电流检测电路(电 流检测1)和第二电流检测电路(电流检测2)配置在传输电压的负极， 且连接至控制电路；控制开关配置在传输电压的正极，且连接至控制电 路；控制开关两侧传输电缆分别通过隔离二极管向远端电源和用电设备 提供单向供电。假设第一电流检测电路所检测到的电流值为I1，第二电 流检测电路所检测的电流值为I2，过流保护的电流阈值为It，那么控制 电路通过下表1中的控制逻辑来确定控制开关的开闭。这里，电流检测 电路可以采用电阻、霍尔电流传感器、电流互感器等作为电流传感器。
表1控制逻辑
I1 I2 控制开关 |I1|＜It |I2|＜It 闭合 |I1|≥It |I2|＜It 断开 |I1|＜It |I2|≥It 断开 |I1|≥It |I2|≥It 断开
这样，根据本发明的远供电源系统能够保障远供电源系统做链状布 网的情况下，当传输电缆的任意单点发生短路时，所有用电设备的供电 不会停止，从而保障系统正常供电。
图4示出了图3所示的远端控制器的替代实施例。在图4中，其与图3 所示的远端控制器的不同之处仅在于控制开关被设置在负极，而第一电 流检测电路和第二电流检测电路则配置在传输电压的正极。容易理解， 控制开关或者电流检测电路可以设置在传输电压的正极与负极的至少一 者上。
可以理解，为了简化远端控制器的结构，可以将电流检测电路的个 数由2个减少为1个，如图5至图8所示。此外，控制开关可以采用以 下开关器件之一或多种：MOSFET、IGBT、半导体三极管(如，双极型 功率晶体管(BJT/GTR，Bipolar Junction Transistor/Giant Transistor))、可 控硅晶闸管(SCR，Silicon Controlled Rectifier)、可关断晶闸管(GTO， Gate Turn-Off Thyristor)、集成门极换流晶闸管(IGCT，Integrated Gate  Commutated Thyristors)、电子注入增强栅晶体管(IEGT，Injection  Enhanced Gate Transistor)、MOS控制型晶闸管(MCT，MOS Controlled  Thyristor)、双向可控硅(TRIAC，TRI-ELECTRODE AC SWITCH)、逆 导晶闸管(RCT，Reverse-Conducting Thyristir)、CoolMOS、静态感应晶 体管(SIT，Static Induction Transistor)、静电感应晶闸管(SITH，Static  Induction Thyristor)、继电器、接触器。或者，进一步地，控制电路可以 采用集成器件，例如比较器、运算放大器、单片机(MCU，Micro Control  Unit)、数字信号处理(DSP，Digital Signal Process)、逻辑电路、现场可 编程门阵列(FPGA，Field－Programmable Gate Array)、复杂可编程逻辑 器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)。
图5至图12分别示出了远端控制器的不同实施例。
在图5至图8中，远端控制器只包括一个控制开关和一个电流检测 电路。具体而言，图5中的远端控制器中的控制开关和电流检测电路分 别设置在传输电压的正极和负极。图6所示的远端控制器中的控制开关 和电流检测电路分别设置在传输电压的负极和正极。图7所示的远端控 制器中的控制开关和电流检测电路均设置在传输电压的正极。图8所示 的远端控制器中的控制开关和电流检测电路均设置在传输电压的负极。
在图9至图12中，控制开关分别采用MOSFET(如图9、10)和IGBT (如图11、12)。容易理解，当控制开关为如IGBT、MOSFET等开关器 件时，由于这些器件内部具有体二极管、保护二极管或续流二极管，因 此可以取代图3至图8所示的远端控制器中的隔离二极管。
由此可见，根据本发明的远供电源系统能够保障远供电源系统做链 状布网的情况下，当传输电缆的任意单点发生短路时，所有用电设备的 供电不会停止，从而保障系统正常供电。
为了说明，本发明提供了远端控制器的一个具体实现电路图，如图 13所示。
参见图13，其中Q1、Q2两个MOSFET组成控制开关，+12V通过 电阻R1限流为其提供驱动电压，在保护时驱动电压由光耦U3关闭，R8 为U3的限流电阻。D1、D2为本地输出端口的隔离二极管，组成“或” 逻辑供电电路，从由Q1和Q2组成的控制开关的两端取电，使得本地供 电不受控制开关状态影响。R9、R10为两个电流采样电阻，两路采样电 流分别输入由U1B、U1C、R2、R3、R6、D3、D4和U2B、U2C、R4、 R5、R7、D8、D9组成的两个绝对值电路进行整流。两路整流后的电压 分别输入由U1A、D5和U2A、D10组成的带有保持功能的比较电路与基 准电压Vref进行比较。两个比较电路的输出通过二极管D6、D7组成“或” 逻辑电路驱动光耦U3。R13将传输电缆电压引入基准，对基准进行微调。 R11、R12为基准电压Vref分压电路。U1A、U1B、U1C、U2A、U2B、 U2C均为运算放大器。
远端控制器的工作逻辑为：R9，R10两个电流采样电阻中任意一个 或两个的电流绝对值超过动作阀值，那么由Q1和Q2组成的控制开关断 开并一直保持断开状态。
由上可知，根据本发明的远供电源系统能够保障远供电源系统做链 状布网的情况下，当传输电缆的任意单点发生短路时，所有用电设备的 供电不会停止，从而保障系统正常供电。
以上对本发明的直流远供电源系统电缆短路故障隔离方法进行了详 细说明。下面，将结合具体附图，说明本发明如何实现电缆短路故障的 隔离方法。
参照图2，假设第一供电点与第二供电点之间只有一个用电点。当该 用电点左侧靠近第一供电点的传输电缆上的某一点发生故障时，该用电 点的远端控制器中的电流检测电路会检测到电流值瞬时升高，当控制电 路判断出由电流检测电路所检测到的电流值大于过流保护阈值时，该控 制开关断开，于是发生短路故障的传输电缆被隔离出来。在本实施例中， 第一供电点一侧的传输电缆被隔离，将由第二供电点为该用电点提供电 能。
仍然参照图2。假设用电点2与用电点3之间传输电缆上发生短路， 用电点2和用电点3的远端控制器均可检测到流过其控制开关的电流值 超过过流保护的阀值，那么用电点2和用电点3的控制开关均断开，于 是这两个用电点之间的传输电缆被隔离出供电回路。此时，用电点1和 用电点2由第一供电点供电，用电点3到用电点N由第二供电点供电。 也就是说，在传输电缆发生单点短路时，所有用电点供电未受到影响。
这里，过流保护的阀值受传输电缆电压值微调。具体而言，传输电 缆电压越低阀值越低，传输电缆电压越高阀值越高。由于传输电缆阻抗 的原因，供电点至短路点之间的电压呈逐渐下降特性的变化，也就是在 线路短路时，越靠近短路点的远端控制器的传输电压越低，既其过流保 护的阀值越低。这样，对于最靠近短路点的远端控制器而言，由于其短 路发生时的电流更快上升到过流保护的阈值(即保护动作点)，因此该远 端控制器中的控制开关最先断开，从而防止越级保护(离短路点较远的 控制开关断开)，以免离短路点最近的用电设备被错误地从传输电缆中切 断而无法得到正常供电。
综上所述，根据本发明的电缆短路故障的隔离方法能够保障远供电 源系统做链状布网的情况下，当传输电缆的任意单点发生短路时，所有 用电设备的供电不会停止，从而保障系统正常供电。
应理解，本发明的远供电源系统及电缆短路故障的隔离方法既可应 用于直流传输，也可应用于交流传输。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本 发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。