基于转换器的DC配电系统中的故障保护的制作方法

本公开涉及直流(dc)电力配电系统，并且具体地涉及用于管理这样的系统中的的故障的技术。

背景技术：

近来对电子开关的电力处理能力和能量密度的改进促进了直流(dc)电力配电系统的发展。图1是示例性dc配电系统的示意图，其中dc配电网络经由适当的电力传输和转换接口被连接到传输系统。存在通过转换器或线路连接到每个母线的交流(ac)发电、dc分布式发电(dg)、能量存储(es)和负载子系统。在图1中标识为dc1、dc2等的各种dc母线通过分支(架空线或电缆)或转换器彼此连接。

图1中示出了多个转换器，包括ac/dc转换器110和dc/dc转换器120。为了本公开的目的，这些类型中的任何一个的转换器在本文中可以被简称为dc转换器，意味着转换器至少具有dc电力接口。应当理解，这些转换器根据其特定应用相对于电力流可以是单向或双向的，并且可以具有若干已知设计中的任何一个。

如图1所示，一组设施可以被连接到任何特定dc母线。系统通常被设计成使得能够从一个或若干替代的dc母线提供对任何特定负载组的电力供应，以满足系统的可靠性要求。该系统包括若干保护设备，诸如dc开关130。通常，在每个dc母线旁边安装至少一个保护设备，以隔离dc母线或下游分支上的故障。

如图1所示的dc配电系统及其变体可以在dc配电网络、dc工业系统、dc可再生能量收集系统、dc船用电力系统、dc数据中心、dc建筑系统等中使用。dc配电系统可以被耦合到一个或多个ac传输系统和/或ac配电系统。

美国和世界各地的电力公司目前正在升级他们的ac配电系统，以通过实现增强的监视、配电自动化和控制解决方案来简化和自动化系统操作。从许多公司在其对所谓的智能电网的路线图中所指示的，从配电系统操作立场的最终目标是实现智能的自修复电网。这些电网应该能够自动隔离永久故障和自动系统重新配置，以通过在中断的情况下将受影响的客户切换到替代电源来快速恢复对尽可能多的客户的供电。

可以通过添加各种智能传感器、将传感器和仪表数据集成到决策过程中并且使用高级混合(有线/无线)通信基础设施来实现自动故障定位、隔离和负载恢复方案，来在配电管理系统(dms)框架内实现这个目标。

当试图将这些自动故障隔离和恢复技术应用于dc配电系统时，会出现一些问题。由于这些系统中的小电阻和缺少电感，当发生dc故障时，dc故障电流的上升速率相当快，并且峰值故障电流非常高。通常，dc故障电流可以在非常短的时间内达到其峰值电流。快速升高造成难以进行故障隔离，并且高dc故障电流可能损坏受保护的dc配电系统中的设施。

在基于转换器的dc配电系统中，由于设施或设备的操作限制而导致无法长时间允许大的故障电流。例如，可以允许流动通过功率电子开关的最大电流受其安全操作区域(soa)的限制。图2示出了功率电子开关的典型soa，如在其设备数据表中可以找到的。在边界内的任何操作是安全的并被允许，边界由图中的粗体线指示为1)当前边界；2)热边界；3)二次击穿边界；4)电压边界)。除了二次击穿边界之外，对于所有功率电子开关存在所有四个边界。

需要特定于dc配电系统中出现的问题的改进的用于故障隔离和恢复的技术。

技术实现要素：

本公开的技术的实施例通过使用故障检测、故障电流限制、故障定位以及故障隔离和重新配置的各种组合来提供对基于转换器的dc配电系统的系统保护。

具体实施例包括用于保护直流(dc)电力配电系统的若干方法，该dc电力配电系统包括一个或多个负载、一个或多个dc母线和一个或多个转换器，其中一个或多个转换器包括一个或多个ac/dc转换器和/或一个或多个dc/dc转换器。响应于系统中某处的故障的检测而执行的示例性方法开始于限制一个或多个转换器中的每一个的输出电流，使得限制转换器中的每一个输出处于或大约相应的预定电流电平的限制dc电流。在一个或多个转换器的电流限制已经发生之后，激活系统中的一个或多个保护设备，其中激活至少部分地取决于处于或大约预定电流电平的限制dc电流。

在一些实施例中，激活一个或多个保护设备是多步骤过程，其包括基于对dc母线上的电流的测量来识别检测到的故障的位置，以及基于所识别的检测到的故障的位置来断开系统中的一个或多个dc开关。位置的识别至少部分地取决于限制dc电流处于预定电流电平或在预定电流电平左右；

在其他实施例中，激活一个或多个保护设备包括自动断开一个或多个保护设备，其中每个保护设备的断开基于相应的设备电流超过至少一个相应阈值达相应时间段，并且其中阈值基于预定电流电平。

可以在系统中或附连到系统的一个或多个控制单元中实现用于保护直流(dc)电力配电系统的另一示例性方法，该dc电力配电系统包括一个或多个负载、一个或多个dc母线和一个或多个转换器，其中一个或多个转换器包括一个或多个ac/dc转换器和/或一个或多个dc/dc转换器。该示例性方法包括：接收dc母线电流的测量；接收系统中的故障的指示；基于dc母线电流的测量来识别所指示故障的位置；以及基于所识别的所指示故障的位置，断开系统中的一个或多个dc开关。再次，故障位置的识别至少部分地取决于dc转换器中的至少一个的预定的经限制dc电流电平；

本文描述的系统和技术的其他实施例包括直流(dc)电力配电系统，其包括多个dc母线，每个dc母线直接地或通过与一个或多个电源和一个或多个负载相关联的转换器通过分支和转换器被连接，其中转换器中的至少一个是ac/dc转换器或dc/dc转换器，其可操作为响应于故障的检测或在控制器的控制下产生处于或大约为预定的经限制dc电流电平的相应转换器电流。这些系统进一步包括一个或多个dc开关，其中每个dc开关可操作为断开至少dc母线或dc分支的至少一部分；以及控制器电路。控制器电路被配置为接收dc母线电流的测量，接收系统中的故障的指示，基于dc母线电流的测量来识别所指示故障的位置，以及基于所标识故障的所指示的位置断开dc开关中的一个或多个。控制器对故障位置的识别至少部分地取决于，对于dc转换器中的至少一个，转换器电流处于或大约为相应的预定的经限制dc电流电平。

在阅读下面的详细描述并且查看附图时，本领域技术人员将认识到其他实施例以及这些实施例中的几个的附加特征和优点。

附图说明

附图中的组件不必要按比例，而是强调说明本发明的原理。此外，在附图中，相同的附图标记表示相应的部件。在附图中：

图1是示出可以应用本公开的技术的示例性dc配电系统的示意图。

图2示出了用于功率电子开关的典型安全操作区域(soa)。

图3示出了用于dc系统保护方案的集中式架构。

图4示出了用于dc系统保护方案的分布式架构。

图5示出了dc系统中的故障之后的电流方向的改变。

图6是示出用于dc系统中的系统保护的示例性方法的过程流程图。

图7a和7b分别示出了具有和不具有故障电流限制的典型故障电流和故障电压。

图8示出了具有恒定故障电流限制功能的转换器的示例性v-i特性。

图9示出了不同转换器之间的保护协调的示例。

图10示出了转换器和保护设备之间的保护协调的示例。

图11是示出用于保护直流(dc)电力配电系统的示例性方法的过程流程图。

图12是示出用于保护直流(dc)电力配电系统的另一示例性方法的过程流程图。

图13示出根据本发明的一些实施例配置的示例性控制器电路。

具体实施方式

在随后的权利要求和讨论中，诸如“第一”、“第二”等术语用于在若干相似的元件、区域、部分等之间进行区分，并且不旨在暗示特定的顺序或优先级，除非上下文另有明确指示。此外，如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，其指示所述元件或特征的存在，但不排除其他元件或特征。同样，单数冠词“一”、“一个”和“该”的使用不意在排除其他所引用项目的存在。在整个说明书中，相同的术语指代相同的元件。

当在包括一个或多个dc转换器的dc配电中存在dc故障时，源转换器的自保护可以采取动作并且限制流向或来自转换器的故障电流，以避免对转换器中的功率电子开关的损坏。尽管存在使用外部设备或内部设备来限制dc电力系统中的故障电流幅度的各种措施，但是基于转换器的dc配电系统中最方便的故障电流限制(fcl)设备是转换器本身。转换器控制确保fcl功能的快速动作。

在常规保护系统中，通过保护设备的协调来管理保护选择性。这些保护设备的操作可以通过在不同位置处的故障特征(诸如上游和下游分支的不同故障电流幅度)之间进行区分来协调。在dc配电系统中，如果故障电流由于安全要求而被限制，则确保保护设备的及时和选择性跳闸成为技术挑战。因此，需要以替代方式实现及时故障隔离和保护选择性。

已经提出和/或正在操作用于hvdc系统的若干不同的保护策略。多数取决于dc断路器，这在当今的技术是昂贵的。

由l.tang和b.ooi在“locatingandisolatingdcfaultsinmulti-terminaldcsystems”，ieeetrans.onpowerdelivery：vol.22，no.3，2007年7月中描述的一种hvdc保护方案采用ac断路器来切断故障电流，采用空载dc开关来断开受影响的dc线路，以及用于在相邻转换器和空载dc开关之间交换信息的握手技术。然而，这些系统中的ac断路器需要等待直到过零点以切断故障电流。此外，由于零电流而导致故障后的恢复需要电缆充电。

由卡尔巴克在“hvdcasbulkpowertransfersystem”，supergenwind5thtrainingseminar，2011年3月(可从http://www.supergen-wind.org.uk/presentations.html获得)描述的另一方法采用全桥ac/dc转换器和快速隔离开关用于多端子hvdc传输系统。根据巴克的演示，可以通过首先使用全桥转换器限制来自ac源的故障电流，并且然后使用快速开关使故障电缆与系统隔离，来在大约30-40毫秒内隔离dc电缆上的故障。根据该方法的完整的多端子hvdc系统恢复花费大约300-400毫秒。

根据又一方法，如欧洲专利申请ep1914162a1所示，对于直流船用电力系统，中压dc(mvdc)保护方案采用折返式电流限制转换器、近零电压和电流dc开关以及诸如熔断器的其他保护设备。

尽管上述三种方法各自在各种类型的dc系统中提供某种程度的保护，但是对于可能具有网状网络结构的基于转换器的dc配电系统来说，仍然需要具体的保护概念和算法。

以下详细描述的技术、装置和系统通过使用故障检测、故障电流限制、故障定位以及故障隔离和重新配置的各种组合来提供对基于转换器的dc配电系统的系统保护。这些技术能够用于保护dc配电系统，包括低压dc(lvdc)和中压dc(mvdc)配电系统。根据各种实施例，如下面详细描述的，可以通过下述中的一个或多个来实现dc保护：1)由转换器进行故障检测和fcl；2)快速故障定位和最小受影响区域的识别；以及3)快速故障隔离和通过dc开关的系统重新配置。如将看到的，这些技术可以用于克服若干问题，其中一些特定于dc配电系统，包括当dc系统中需要fcl时失去保护选择性；由于大或广泛的受影响区域而导致降低了系统可靠性；以及基于高成本的dc断路器的昂贵的dc保护系统。

本文所描述的dc保护系统的若干实施例包括三个特征：

1)在一个或多个源转换器单元中的每一个处的fcl功能。在一些实施例中，故障电流能够通过集成到源转换器中的fcl功能来被限制。这些源转换器可以包括连接到ac源的ac/dc整流器或连接到dc源的dc/dc转换器。

2)在直流配电系统中的适当位置处的dc开关。dc开关在低负载电流处提供快速断开/闭合操作，并且提供电流故障隔离。

3)集中式和/或分布式控制系统。在一些实施例中，在转换器控制、控制单元和dc开关之间存在通信。在每个dc分支和转换器处测量dc电流、电流导数和电压。这些电信号、转换器控制状态和dc开关的“断开/闭合”状态被收集并发送到相关控制单元。

如上所述，保护方案可以基于若干不同架构中的任何一个。在一些实施例中，例如，存在一个集中式单元，其可以位于一个dc母线处。在其他实施例中，可以存在位于若干不同dc母线中的每一个处的多个分布式单元。dc母线控制单元可以被集成到现有系统的部件中，或者可以采取附加功能或全新的控制单元的形式。

图3示出了示例性系统保护方案的集中式架构。这可以例如应用于小型dc船用电力系统，其中具有故障保护功能的控制单元310被实现为对现有集中式电力和能量管理系统(pems)的附加物。在集中式架构中，信息在中央控制单元310和所公开的保护系统的基本元件之间交换，所公开的保护系统包括一个或多个dc转换器110、120以及一个或多个开关130。

另一方面，图4示出了具有分布式架构的系统的示例。在分布式架构中，信息在位于系统的dc母线中的一个或多个处的分布式控制单元410和连接到dc母线的元件之间交换，连接到dc母线的元件包括一个或多个dc转换器110、120和一个或多个开关130。分布式控制单元410中的每一个在相邻dc母线处被连接到相邻控制单元410中的一个或多个。对于大型和更通用的网状dc配电网络，每个dc母线可以是现有变电站。这种系统中的控制单元401可以被实现为对现有变电站控制单元的附加物。在一些情况下，例如，如果在子系统内的相邻dc母线之间的信息交换不足以确定故障区域和最小受影响区域，则分布式控制单元410中的一个可以用作主控制单元。

图6所示的过程流程图示出了在根据本公开的技术操作的系统中执行的操作，不论该系统使用分布式还是集中式控制架构。

首先，如框610处所示，检测故障。在根据当前公开的技术布置的基于转换器的dc电力系统中，由每个转换器测量和监视电流、电流导数和电压。当dc故障发生时，高电流、高电流导数和/或低电压的存在指示dc故障的存在。

在检测到故障时，对检测到故障的源换流器的控制立即启用转换器的fcl功能，其将来自源的故障电流贡献限制为预定电平。这在框620处示出。因此，将受保护的dc配电系统中的故障电流控制到小于标称电流电平但高于零的电平。经限制故障电流低得足以不会在dc网络中产生任何电弧闪络，但是高得足以不会在dc电流传感器中产生任何困难。

根据转换器的具体类型，能够采用不同的fcl技术。例如，在基于晶闸管的电流源转换器中，可以增加晶闸管的触发角以限制故障电流。对于电压源转换器，可以将晶闸管插入故障路径中以减少故障电流。对于某些类型的电压源转换器，诸如全桥级联多电平转换器，转换器拓扑本身允许直接控制以减少故障电流。

在检测到故障并且受保护的dc配电系统中的故障电流被限制之后，执行控制单元310或控制单元410中的故障识别算法以识别故障区域，其可以是一件设备、dc母线、分支或一组设备。这在框630处示出。关于电压、电流和/或电流导数的过去和当前的测量数据是对故障识别算法的输入。注意，当前测量数据包括直接受一个或多个转换器故障电流影响的测量，其已经被限制为相应的预定电平。

可以仅使用局部测量来快速地识别一些故障区域。在这种情况下，可能在没有与相邻控制单元的任何通信的情况下，故障识别可以在使用分布式控制架构的系统中由各个分布式控制单元执行。例如，差分保护算法可以用于基于对流入和流出特定母线的所有局部电流的非零求和的检测来快速定位任何dc母线故障。作为另一示例，高电流导数可以用于识别非常接近测量点的线路故障。

在一般的dc分布式系统中，可以使用系统级测量来在短时间内识别许多故障区域。例如，可以基于已知的系统拓扑和测量的电流流动方向和/或不同位置处的电流流动方向的变化，使用故障跟踪算法来在短时间内找到故障分支。再次，应当理解，故障之后测量的电流流动方向将包括对至少部分地由被限制为相应预定电平的转换器故障电流组成的电流的测量。该方法在图5中示出，图5示出了示例性系统中的故障前后的电流流动。在故障之后，来自所有源的所有电流(包括来自dc转换器的经限制故障电流)流向故障位置。因此，来自所有源的所有不同电流流动路径中的公共分支指示故障位置。注意，诸如故障跟踪算法的系统级或网络级故障识别算法可以用作对一个或多个局部故障识别算法的备份。因此，系统可以利用同时操作的多个故障识别算法。

一旦识别出故障区域，就实现快速故障隔离和快速系统重新配置算法以最小化故障影响。这在图6的框640处示出。故障隔离算法被实现为确保高系统安全性和安全要求。例如，当在dc母线上识别故障时，连接到该dc母线的所有连接线路和分支dc开关被断开，以使故障dc母线与dc电力系统的其余部分隔离。当在dc分支或线路上识别到故障时，紧接故障位置上游的dc开关或故障线路两端的dc开关被断开，以使故障分支与系统的其余部分隔离。通过所实现的快速故障隔离和重新配置算法，由于系统可靠性要求或诸如最小经济损失的其他要求而可以得到最小故障影响区域。受保护的dc配电系统的自愈还可以至少部分地通过重新配置考虑来实现。例如，故障区域中的一些设施可以通过替代路径被重新连接到系统的健康部分，以确保连续的电力供应。

在确定用于故障隔离和重新配置的必要动作之后，将控制命令发送到相关dc开关以将最小故障影响区域与系统的其余部分断开，如框650所示。dc配电系统的其余部分中的源转换器可以停用其fcl功能；这可能不被允许，直到在某些系统中检测到某些电压恢复之后。现在，最小受影响区域与系统的其余部分隔离。系统的其余部分中的电压逐渐恢复，并且系统的其余部分恢复正常操作。

根据系统或部件容差能力，所公开的保护的每个步骤处的消耗时间应当是不同的。例如，如果系统具有许多旋转负载，则部件和系统容差高，并且允许的故障清除时间可以是几百毫秒。这不难通过所公开的保护方法来实现。如果系统具有高可靠性要求，则允许的故障清除时间可以是几十毫秒，这对于低负载dc开关是最具挑战性的。这将很可能需要基于快速功率电子的技术。

在前面的描述中，假设在受保护的dc配电系统中发生了永久故障。另一方面，如果故障是暂时故障，则系统电压通过来自源转换器的残余故障电流逐渐恢复到其正常水平，并且低电压用于指示故障存在的消失。在这种情况下，然后将中断所公开的dc故障保护和定位方法的执行。如果转换器控制和dc开关已经采取动作，则这些动作将反转。受保护的系统恢复正常操作。

图7a和图7b分别示出了没有故障保护和具有所公开的保护方法的系统电流和相应电压的示例。在来自dc转换器的故障电流被限制为低电平的情况下，dc故障对受保护系统的损坏是有限的。因此，经限制电流向控制单元提供足够的时间来确定最小故障影响区域和系统重新配置，而不会对所连接的公共传输系统的稳定操作和受保护dc配电系统的容差(包括各种类型的负载的所需容差)产生不利影响。在故障电流被限制的情况下，对保护设备的技术要求大大降低。可以以低成本实现dc开关的快速“断开/闭合”。因此，所公开的保护技术的特征还可以在于，通过快速故障检测、快速故障识别以及快速故障隔离和重新配置动作的快速故障消除和快速系统恢复。

给出上述具体示例，将理解用于dc配电系统的保护系统可以包括下述操作特征中的任何一个或全部：

1)通过转换器的故障检测和控制单元中的保护功能，例如，根据：

a.高电流导数或高电流；

b.低电压；和

c.以上的任何组合或其他故障特征。

2)在检测到故障的每个源转换器处的故障电流限制(fcl)；

3)用于识别故障区域的故障识别；

4)用于最小化故障影响的故障隔离和重新配置；

5)快速“断开/闭合”dc开关并去激活源转换器的fcl以隔离故障并重新配置受保护系统的保护动作；

同样，这种保护系统可以包括下述部件中的任何一个或全部：

1)一个或多个控制单元，用于：

a.收集和存储过去和当前的电压、电流、电流导数、其他故障特征、转换器控制和dc开关的状态；

b.根据差分保护和跟踪算法确定故障定位；

c.根据故障位置和系统可靠性确定最小故障影响区域；

d.向转换器和dc开关发出命令以隔离故障并重新配置受保护系统；

2)源转换器，被配置为：

a.来自源的快速限制故障电流贡献；

b.与中央和/或局部控制单元通信。

3)dc开关：

a.能够在低负载电流下快速断开和闭合；并且

b.被控制为中央和/或局部控制单元通信。

应当理解，这些控制单元可以根据集中式架构来实现，特征在于在具有系统级转换器的中央控制单元和dc开关之间的集中式控制单元和通信系统。替代地，控制单元可以根据分布式架构来实现，包括在dc母线处的分布式控制单元和通信系统，该通信系统将dc母线处的控制单元与连接到dc母线以及相邻控制单元之间的转换器和dc开关链接。

所公开的保护系统和技术可以用于保护dc配电系统，包括lvdc和mvdc配电系统。这些技术避免了在dc系统中需要fcl时的失去保护选择性，并且通过最小化受影响区域并通过系统重新配置支持自恢复来提供改进的系统可靠性。这些技术也比那些取决于成本高的dc断路器的技术更具成本效益。故障电流限制和快速dc保护减少了在装备和dc网络上的高故障电流的不利影响，同时基于处于预定故障电流电平的转换器故障电流的存在来提供快速和准确的故障定位。这些技术提供对不同系统配置的适应性保护——当系统配置改变时，不需要针对每个dc开关的适应性设置。

快速系统隔离和重配置动作通过将故障电流限制为低但非零值来实现，其使得快速dc开关“断开”，而不需要额外的dc电缆再充电。通过采用现有转换器控制、现有的中央控制单元和低负载dc开关来促进成本节约。

应当理解，所公开的技术可以被扩展为处理多个dc故障位置。可以识别多个故障区域，并且能够确定多个受影响的区域以最小化不同子系统内的故障影响。所公开的技术能被扩展为ac/dc混合应用，其中由于通过转换器的故障电流限制而导致失去及时故障隔离和保护协调。对于具有径向类型拓扑的dc配电系统，可以容易地识别故障位置，并且因此将大大减少通信需求。

在上述保护系统中，假设控制系统(不论是集中式还是分布式)执行故障识别过程，并且基于故障识别结果来决定要激活哪些保护设备(例如，开关)。另一方法(其各方面可以与前一方法组合)用于响应于检测到的故障来在系统中提供一个或多个保护设备的自动跳闸。这些保护设备可以被协调，使得针对给定故障激活最小数目的保护设备，由此最小化受影响区域。该协调能够在考虑到由dc转换器供应的转换器故障电流的情况下被计划。

利用这种方法，与dc保护相关的设施/设备包括具有故障电流限制(fcl)能力的转换器以及低故障电流保护设备，诸如低电流dc断路器(dccb)、熔断器等。转换器应具有故障隔离能力和用于电流隔离的空载dc开关。在相同位置和/或不同位置处的保护设备和转换器之间提供保护协调。在一些情况下，可能不存在所涉及的单独的保护设备，其中协调替代地在多个转换器之间。

如上所述，当存在故障时，转换器的fcl操作被激活。为了协调转换器和保护设备，故障电流应当被控制到预定的低电平(但非零)恒定电流。图8示出了具有恒定fcl功能的转换器的示例性v-i特性。v0和i0分别是标称电压和电流电平。imax是允许通过转换器的最大电流。在该转换器中，故障电流可以被控制为两个不同的恒定电平is和il中的任何一个，二者都小于最大允许电流。根据要协调的上游和下游保护设备，恒定电流可以高于或低于其标称电流。is是具有短时间延迟的恒定电流电平，而il是较低的恒定电流电平，具有长的时间延迟。在故障发生后，转换器检测故障并开始其fcl操作，如图8所示，其中故障电流首先被限制到较高电平(il)达第一相对短的持续时间，并且然后被限制到较低电平(is)达较长持续时间。

对于诸如熔断器、dccb的保护设备，可以存在用于使故障跳闸的设置的三个电平。三个电平对应于将使得设备瞬时、在短的时间延迟之后以及在长的时间延迟之后跳闸(即，断开)的电流电平。传统时间-电流曲线(tcc)用于确定三个不同电流电平处的跳闸时间。

如上所述，对于具有fcl实现的转换器，在fcl的转换器控制中可能仅存在设置的两个电平，对应于短的时间延迟和长的时间延迟。应当选择转换器的延迟，以实现在下游和上游保护设备之间的保护协调。为了确保选择性，时间延迟应当比下游保护设备的相应短/长的时间延迟更长，并且比上游保护设备的时间延迟更短。

如上所述，分布式发电系统可以在不同的位置处被连接到dc配电系统。当存在故障时，来自分布式发电机的电流贡献可能违反上游和下游分支中的不同电流幅度的辨别规则。因此，诸如二极管的阻断电路通过分布式资源来实现，以防止故障期间的反向电流流动。这些阻断电路在检测到故障之后立即被激活。

图9示出了示例性配置中的上游和下游转换器之间的协调。直竖线指示恒定电流设置和相应的时间延迟设置。在该示例中，下游转换器系统conv2具有较低的恒定电流设置ic2s和ic2l以及较短的短/长的时间延迟t2和t4，而上游转换器系统conv1具有较高的恒定电流设置ic1s和icll和较长的短/长时间延迟t3和t5。这些设置被嵌入到convl和conv2的转换器控制中。

下游和上游转换器的不同电流设置是由于连接到下游和上游母线的其他源/负载而导致的。如果不存在连接到母线的其他源/负载，则下游和上游转换器的电流设置相同。在这种情况下的保护选择性可以通过协调下游和上游转换器的不同时间延迟来实现。该协调方案还可以应用于新的dc保护设备，其不使用传统的时间-电流曲线(tcc)来确定不同故障电流电平处的响应时间。

图10示出了包含两个转换器(conv1和conv2)和两个保护设备(prot1和prot2)的分支上的瞬时和短时间延迟协调。两个保护设备通过反向时间-电流曲线(tcc)来实现。转换器和保护设备的位置也在图中示出。prot2、conv2、prot1和conv1从下游至上游顺序地被定位。

当在prot2以下并接近prot2存在故障，并且如果故障电流非常高，则在fcl生效之前，prot2(可以是快速熔断器)可以非常快地跳闸，如超过点e所指示的。类似地，如果故障低于并接近protl，则protl将如超过点f所示跳闸。在转换器fcl在t1处采取动作之后，在不同位置处看到的电流被限制为不同的固定值，如图10中的直竖线。conv1/conv2的电流限制电平在电c/a和d/b之间进行选择。点d/b指示短的时间延迟操作中的prot1/2的时间下限和电流上限，这是通过conv1/2的恒定电流限制来确定的。点c/a指示prot1/2的时间上限和电流下限，这是通过conv1/2的短的时间延迟来确定的。因此，prot1/2能够在[c,d]/[a,b]之间的其tcc上以短时间延迟来跳闸，如红色和橙色的直点线所述。类似地，如图所示，prot1/2还可以在[g,h]/[i,j]之间以长的时间延迟来操作。以该方式，在转换器和保护设备之间的选择性协调在没有任何通信的情况下被实现。

给定以上关于图8-10详细描述的示例，应当理解，根据该第二通用方法的dc配电系统的保护系统可以包括下述操作特征中的任何或全部：

1)dc保护协调，如图9和图10所示，包括：

a.转换器在故障处的恒定故障电流限制；以及

b.在转换器控制和直流保护设备之间的协调；和/或

c.不同转换器控制之间的协调；

2)dc保护设备，支持在dc电流传感器的容差范围内的低电流电平时的快速故障隔离。

3)dc转换器系统，包括：

a.恒定故障电流限制控制；

b.故障电流隔离设备；

c.用于电流隔离的dc空载开关。

因此，可以使用下述来实现dc保护：1)成本有效的dc保护设备；2)具有fcl和故障隔离的转换器控制；3)以及不同类型的dc保护设备之间的保护协调。该方法克服了当在dc系统中实现fcl时可能以其他方式发生的丢失保护可靠性和选择性，并且克服了在实现不同类型的dc保护设备时在保护协调中的困难。该方法的另一优点是其减少了对在dc配电系统的部件之间的通信的依赖性。该方法还通过采用现有的转换器控制能力和具有降低的dc电流灭弧要求的dccb来提供成本节约。该方法还可以以与先前概述的第一方法(具有故障的主动识别和隔离)互补的方式来实现，例如用于包括在网状dc配电系统中的子系统。

鉴于前述讨论，将理解，图11是示出用于保护直流(dc)电力配电系统的通用方法的过程流程图，该dc电力配电系统包括通过dc母线连接的一个或多个dc转换器和一个或多个负载。响应于系统中某处的故障的检测而执行的所示方法通常足以涵盖以上详细描述的两种方法。如框1110处所示，该方法开始于限制一个或多个dc转换器中的每一个的输出电流，使得限制dc转换器中的每一个输出处于或大约为相应的预定故障电流电平的转换器故障电流。如框1120处所示，在已经发生一个或多个转换器的电流限制之后，系统中的一个或多个保护设备被激活，其中激活至少部分地取决于转换器故障电流处于或大约为预定故障电流电平。

在一些实施例中，限制一个或多个dc转换器的输出电流包括首先将输出电流限制为第一故障电流电平达第一时间间隔，并且随后将输出电流限制为第二故障电流电平。在一些实施例中，通过直接控制dc转换器以产生处于或大约为相应的预定故障电流电平的转换器故障电流来执行对dc转换器中的一个的输出电流的限制。

在一些实施例中，一个或多个保护设备激活包括基于对dc母线上的电流的测量来识别用于所检测的故障的位置，其中所述识别至少部分地取决于转换器故障电流处于或大约为预定故障电流电平，并且基于所识别的检测到的故障的位置来断开系统中的一个或多个dc开关。这种方法的示例如图8所示。dc开关的响应时间可以基于其在受保护的分布式系统中的上游和下游位置来协调。

在这些实施例的一些中，所检测到的故障的位置基于在dc母线上对下述中的一个或多个的测量：电流导数；电压；和电流方向性。响应于将第一dc母线识别为检测到的故障的位置，一个或多个dc开关的断开可以包括例如断开连接到第一dc母线的所有接线和分支dc开关。替代地，系统中的一个或多个dc开关的断开可以包括响应于将dc分支识别为检测到的故障的位置，来断开紧接在所识别的故障位置的上游的dc开关。在一些实施例中，在一个或多个dc开关之后，通过激活用于连接受一个或多个dc开关的所述断开影响的设施的一个或多个替代路径，来重新配置系统的至少一部分。此外，在一些实施例中，在一个或多个dc开关被断开之后，系统确定故障已经被隔离，并且响应于所述确定，中断限制为其相应预定的故障电流电平的dc转换器中的每一个中的输出电流的限制。可以例如通过观察系统中的电压电平的返回到正常或预期范围内来进行故障已经被隔离的确定。

图11中总体示出的方法的一些实施例可以涉及基于设备之间的协调而自动断开保护设备，而不涉及集中式或分布式控制系统。在这些实施例的一些中，一个或多个保护设备被自动断开，其中每个保护设备的断开基于相应设备电流超过至少一个相应阈值达相应时间段，并且其中，阈值基于预定故障电流电平。

图11所示的方法的一些实施例可以使用一个或多个控制单元来执行，如上所述，该控制单元可以在集中式或分布式架构中实现。图12是示出用于保护直流(dc)电力配电系统的示例性方法的过程流程图，该系统包括由dc母线连接的一个或多个dc转换器和一个或多个负载，如由一个或多个这种控制单元实现的。应当理解，图12所示的方法和下面描述的变体是图11所示的方法的特殊情况，并且与上述的一些变体重叠。

如框1210处所示，图12所示的过程开始于接收dc母线电流的测量。控制单元可以例如从多个监视点中的每一个周期性地接收这些测量。当然，这些测量可以结合其他测量数据被接收，包括电压测量、电流导数测量等。

如框1220处所示，控制单元(或多个单元)接收系统中的故障的指示。作为响应，基于在故障发生之前和之后采取的dc母线电流的测量来识别所指示故障的位置，如框1230处所示。故障位置的识别至少部分地取决于至少一个dc转换器的预定的经限制故障电流电平。最后，如框1240处所示，基于所指示故障的识别位置来断开系统中的一个或多个dc开关。

在一些实施例中，外部控制由控制单元(或多个控制单元)提供给dc转换器中的至少一个，以产生其相应的转换器故障电流。在一些实施例中，识别所指示故障的位置还基于dc母线上的电流导数、电压和电流方向性中的一个或多个的测量。

在一些实施例中，断开系统中的一个或多个dc开关包括响应于将第一dc母线识别为所指示故障的位置来断开连接到第一dc母线的所有接线和分支dc开关。在其他实施例中，系统中的一个或多个dc开关的断开包括，响应于将dc分支识别为所指示故障的位置来断开紧接所识别故障位置的上游的dc开关。

在图12所示的方法的一些实施例或实例中，在断开一个或多个开关之后，通过激活用于连接受断开dc开关影响设施的一个或多个替代路径来重新配置系统的至少一部分。在一些实施例或实例中，在断开一个或多个dc开关之后，所示方法继续确定故障已经被隔离，并且响应于这样的确定，中断限制为其相应预定故障电流电平的dc转换器中的每一个中的输出电流的限制。

如上所述，图12所示的方法及其变体可以在一个或多个控制单元中实现。图13是示出用于控制器电路1300的示例性配置的框图，其可以用于根据上述技术中的任何一个来实现dc保护系统的全部或一部分。所图示的示例包括一个或多个微处理器或微控制器1310以及其他数字硬件1320，其可以包括数字信号处理器(dsp)、专用数字逻辑等。微处理器1310和数字硬件1320中的任何一个或二者可以被配置为与程序数据1334一起执行存储在存储器1330中的程序代码1332。因为与处理电路的设计相关联的各种细节和工程折衷是公知的，并且对于本发明不需要完全理解，这里没有示出附加细节。

在若干实施例中，存储在存储器电路1330中的程序代码1332包括用于结合图12所述的方法中的任何一个，存储器电路1330可以包括诸如只读存储器(rom)、随机存取存储器、高速缓冲存储器、闪存设备、光存储设备等中的一个或多个类型的存储装置。程序数据1334包括各种预定的系统配置参数，诸如与用于一个或多个dc转换器的预定故障电流电平相关联的参数、以及从系统测量确定的参数。

然后，本文所公开的技术和系统的实施例包括直流(dc)电力配电系统，直流(dc)电力配电系统包括：通过dc母线连接的一个或多个dc转换器和一个或多个负载，其中dc转换器中的至少一个操作为响应于故障的检测或在控制器的控制下产生处于或大约预定的限制故障电流电平的转换器故障电流；一个或多个dc开关，其中每个dc开关操作为断开dc母线或dc分支的至少一部分；以及配置为执行如图12所示的方法的控制器电路。因此，例如，控制器电路1300可以被配置为：接收dc母线电流的测量；接收系统中的故障的指示；基于dc母线电流的测量来识别所指示故障的位置，其中所述识别至少部分地取决于转换器故障电流处于或大约为dc转换器中的至少一个的其相应的预定的限制故障电流电平；以及基于所识别的所指示故障的位置来断开所述dc开关中的一个或多个。

在这些dc电力配电系统的一些实施例中，控制器电路进一步被配置为响应于在系统中的故障的指示，向dc转换器中的至少一个提供外部控制以产生相应的转换器故障电流。在各种实施例中，控制器电路可以被配置为进一步基于dc母线上的电流导数、电压和电流方向性中的一个或多个的测量来识别所指示的故障的位置。应当理解，以上针对图12所示的方法讨论的若干变体同样适用于这里所描述的系统。

在考虑到上述电路、系统、方法以及其他变化和扩展的情况下，本领域技术人员将理解，前面的描述和附图表示本文教导的系统和装置的非限制性示例。因此，本发明不受前面的描述和附图的限制。替代地，本发明仅由所附权利要求及其法律等同物限定。