一种双端直流配电网的保护方法与流程

本发明涉及一种直流配电网保护领域，尤其涉及一种双端直流配电网的保护方法。

背景技术：

近年来，城市的快速发展建设使传统的交流配电网供电半径扩大，带来了供电走廊紧张、城市中心供电不足等一系列问题。另一方面，电源与负载也发生了明显变化，分布式电源以及直流负荷占比越来越高，但通过DC/AC变换器接入交流配电网，不仅会影响电能质量、降低电能使用效率，还会增加额外的投资建设成本。电力电子技术以及柔性换流技术的发展带动了直流微网，直流配电网的兴起。相较于交流配电网，直流配电网具有供电容量大、电能质量好、可靠性高、投资成本少、适于可再生能源接入等一系列优点，因此成为近年来学术界研究的热点。然而，直流配电网发生故障时直流侧电容快速放电，要求保护在数毫秒内动作，实现故障的快速检测、识别以及定位。传统保护方案适应性较差，并且保护设备不完善，给直流配电网的保护带来了巨大的挑战。

目前，直流配电网保护的方案尚处于理论研究阶段，且直流配电网保护研究主要集中在单端直流配电网，对于双端以及多端直流配电网的研究仍处于空白或理论研究阶段。传统的交流配电网保护方案如过电流、电压、微分保护等由于选择性以及整定问题在直流配电网尤其是双端或多端直流配电网中适用性较差，距离保护的应用受限于算法的限制，差动保护则在故障电流高速率变化时受数据同步的影响较大。可见，传统的交流配电网保护方案对直流配电网的适用性较差，有必要研究适用于直流配电网的保护方案。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种双端直流配电网的保护方法，可实现直流配电网中直流馈线以及直流母线发生单极接地或双极短路故障时的快速切除。

技术方案：本发明提供了一种双端直流配电网的保护方法，该方法包括以下步骤：

1)利用直流断路器和直流母线对双端直流配电网进行区域划分；

2)当直流配电网发生单极接地或双极短路故障时，判断步骤1)划分的各区域中故障电流方向；

3)对各区域中故障电流方向进行信息交互，从而区分故障类型；

4)根据故障类型，进行故障切除。

步骤1)中，利用直流断路器和直流母线对双端直流配电网进行区域划分的方法为：在双端直流配电网中的直流母线两端分别设置直流断路器，以直流母线为界将直流配电网划分为多个区域，使每个区域中分别配备有两个直流断路器。

步骤2)中，规定各区域中直流电流从直流母线流向直流馈线为正方向，从直流馈线流向直流母线为负方向。

步骤3)中，信息交互是通过具有通信功能的智能电子设备实现的，智能电子设备整合于直流断路器。

步骤3)和步骤4)中的故障类型为直流馈线故障或直流母线故障。

当流过的电流方向为正时，电子设备输出数字信号1；当流过的电流方向为负时，智能电子设备输出数字信号0。

相邻区域的智能电子设备进行信息交互，若某区域中输出的数字信号为“11”，则判断为该区域内直流馈线出现故障；若相邻两个区域中输出的数字信号都为“00”，则判断为位于该相邻两个区域中间的直流母线出现故障。因此，若某区域中输出的数字信号为“11”，则断开该区域内两个直流断路器，以隔离直流馈线故障；若相邻两个区域中输出的数字信号都为“00”，则断开该相邻两个区域中输出“0”的直流断路器，以隔离直流母线故障。

有益效果：与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

(1)本发明将故障时电流方向的变化与区域划分结合，可通过不同的信号实现直流馈线与直流母线故障区分，从而对直流配电网进行保护；

(2)本发明的方法基于通信，但直流配电网线路较短且本发明的信息交互只在相邻区域进行，可忽略延时对数据传输的影响，且只传输数字信号，使得传输时间基本可忽略不计；电流方向变化都在毫秒级别，且使用固体直流断路器进行故障切除，使得该保护方案动作速度快，可实现双端直流配电网的快速保护；

(3)虽理论表明该方法在低阻单极接地时才会发生电流方向改变，但直流配电网过渡电阻较小，使得该方案仍具有一定的耐过渡电阻能力，因此对于双端直流配电网的典型故障类型排除具有普遍适用性。

附图说明

图1典型的双端直流配电网示意图；

图2本发明的方案中直流断路器配置示意图；

图3本发明的方案中双端直流电网区域划分示意图；

图4双端直流配电网发生双极短路时故障电流方向示意图；

图5双端直流配电网发生单极接地时故障电流方向示意图；

图6本发明的方案中双端直流配电网的区域划分以及故障电流方向示意图。

具体实施方式

一种双端直流配电网的保护方法，包括以下步骤。

(1)利用直流断路器和直流母线对双端直流配电网进行区域划分。

图1为典型的双端直流配电网，具体地，图中示出了编号为#1到#6的直流母线，以及编号为1到7的直流馈线(图1中用直线——表示)，每个直流母线两端各配备有直流断路器，图中，直流断路器用图标表示，两个直流断路器之间设置有用较粗的直线表示的直流母线(如图1中的)，直流断路器两两为一组，以直流母线作为分界将直流配电网划分为多个区域，每个区域中设置有两个直流断路器，每个区域两端为直流母线。#1’和#2’为交流母线。

图2为一个区域中的直流断路器配置图，规定直流断路器两端为A、B点，每个直流断路器的A点为相对靠近与该直流断路器相邻的直流母线的点，B点为相对远离与该直流断路器相邻的直流母线的点。另外，规定电流从直流母线流向直流馈线为正方向，反之为负，即，流经每个直流断路器的电流，从A点流向B点为正方向，从B点流向A点为负方向。

用直流断路器以及直流母线位置实现双端直流配电网区域划分结果如图3所示。在图3所示的示例中，直流配电网被划分为4个区域(Zone1、Zone2、Zone3、Zone4)，第一区域(Zone1)中设有两个直流断路器B1、B2，以及直流馈线1；第二区域(Zone2)中设有两个直流断路器B3、B4，以及直流馈线2；第三区域(Zone3)中设有两个直流断路器B5、B6，以及直流馈线3；第四区域(Zone4)中设有两个直流断路器B7、B8，以及直流馈线4。直流断路器B1与标号为#1的直流母线相连，直流断路器B2、B3与标号为#3的直流母线相连，直流断路器B4、B5与标号为#4的直流母线相连，直流断路器B6、B7与标号为#5的直流母线相连，直流断路器B8与标号为#2的直流母线相连。F1表示直流馈线故障，F2表示直流母线故障。

(2)当直流配电网发生单极接地或双极短路故障时，判断各区域中故障电流方向。

(3)对各区域中故障电流方向进行信息交互，从而区分故障类型。

I、根据故障电流方向判断故障类型的原理。

双端直流配电网直流馈线上发生双极短路时两端故障电流表达式为：

其中，E₁和E₂分别代表双端直流配电网等效电源，包括直流侧电容以及直流侧电源。Z_1p和Z_2p分别代表正极线路到故障点的等效阻抗，Z_1n、Z_2n分别代表负极线路到故障点的等效阻抗，I_1p、I_2p分别代表双端直流配电网两侧故障电流。可见，对于金属性的双极短路故障，直流配电网两侧故障电流方向均为正。故障电流方向示意图如图4所示，当发生双极短路故障时，两侧电源电流均流向故障点。

对于双端直流配电网发生单极接地故障，两端故障电流表达式为：

Z_F为发生单极接地故障时过渡电阻。

若满足E₁＝E₂，式(3)和(4)可表示为

可见，若两侧电源相等，发生单极接地故障时直流配电网两侧故障电流方向均为正。

若不满足E₁＝E₂，则只有满足以及时，才满足两端故障电流为负。即在低阻的单极接地故障时，仍满足两侧故障电流方向均为正。与双极短路故障类似，当发生单极接地故障且过渡电阻较低时，两侧电源电流均流向故障点，如图5所示。

II、根据故障电流方向判断故障类型的方法。

基于区域电流方向的区别，利用基于通信功能的智能电子设备实现故障时各区域故障信息的交互。将具有通讯功能的电子式互感器型智能电子设备整合于直流直流断路器构成集成式智能隔离直流断路器，电子式互感器型智能电子设备由多个处理器组成，处理器能够持续地对电压、电流等测量值进行监测分析，并将测量或计算出的数据通过基于工业标准协议的通信系统传送给外部或者用户。若流过智能电子设备的电流方向为正，则智能电子设备将电流方向信号转换为数字信号为1，若流过智能电子设备的电流方向为负，则智能电子设备将电流方向信号转换为数字信号为0。

区域划分与故障电流方向如图6所示。在图6所示的示例中，直流配电网被划分为4个区域(Zone1、Zone2、Zone3、Zone4)，第一区域(Zone1)中设有两个直流断路器B1、B2，以及直流馈线1；第二区域(Zone2)中设有两个直流断路器B3、B4，以及直流馈线2；第三区域(Zone3)中设有两个直流断路器B5、B6，以及直流馈线3；第四区域(Zone4)中设有两个直流断路器B7、B8，以及直流馈线4。直流断路器B1与标号为#1的直流母线相连，直流断路器B2、B3与标号为#3的直流母线相连，直流断路器B4、B5与标号为#4的直流母线相连，直流断路器B6、B7与标号为#5的直流母线相连，直流断路器B8与标号为#2的直流母线相连。F1表示直流馈线故障，F2表示直流母线故障。

当发生直流馈线故障时，两侧电流方向均为正，因此，相邻区域的智能电子设备进行信息交互，若整合于某一区域中两个直流断路器的智能电子设备输出信号满足“11”，则判断为该区域发生直流馈线故障。若为直流母线故障，则该流入直流母线两侧的电流方向均为负，因此，若智能电子设备与相邻区域进行信息交互结果为相邻区域出现连续“00”，则判断为该相邻区域中间的直流母线故障。

(4)根据故障类型，进行故障排除。

当满足步骤(3)所述的动作判据时，直流断路器动作实现直流馈线与直流母线故障的切除。即，当整合于某一区域中两个直流断路器的智能电子设备输出信号满足“11”时，判断该区域发生直流馈线故障，此时断开该区域内直流断路器以隔离直流馈线故障；当相邻两个区域中的智能电子设备连续出现“00”，则断开该相邻两个区域出现“0”的直流断路器，从而隔离直流母线故障。

本发明的方法通过智能电子设备实现区域电流方向的数学转换，并利用不同信号判据实现直流馈线与直流母线故障区分与识别，可快速排除双端直流配电网中的故障，并可普遍适用。