一种中低压直流配电网母线保护系统的制作方法

本实用新型属于电力系统直流配电技术领域，特别涉及一种在20kV及以下中低压直流配电网系统的母线保护系统。

背景技术：

随着国内城市电力需求的增加和分布式电源和直流负荷占比的日益提高，传统的交流配电网越来越难以满足经济性接入分布式电源和直流负荷、进一步提高供电半径、增加供电容量等需求。与此同时，直流配电网因具备可控性好、可再生能源接入方便、输电质量高、供电半径和传送功率大等优点，成为近年来学术界研究的热点。

直流配电系统与交流系统有很大不同，故障有其自身的特点，当直流系统尤其是母线发生接地或极间短路故障时，故障电流迅速上升，可以在很短的时间内给系统设备造成严重损害，这要求直流保护最好能在微秒级检测故障，并快速实现故障的定位和隔离。目前直流配电网母线保护的方案还处于理论研究阶段，常见的保护方法有：

(1)仿照交流保护方案，采集直流母线电压量和母线上各线路的电流量，使用常规的过电流、过/低电压、差动等保护方案。

(2)仿照地铁直流保护方案，采用电流变化率保护，如专利CN201210357913.X公开了一种适用于城市轨道交通的电流变化率方法。

(3)专利CN201710070114.7公开利用直流断路器和母线对直流配电网进行区域划分，判断各区域故障电流方向，然后进行信息交互，最终确定故障类型并切除故障。

(4)专利CN200810234059.1公开结合直流母线电压检测，判断直流电流增大同时直流母线电压是否下降，以区分故障和干扰或者噪声。

上述方法存在一定的局限性：

方法(1)要求保护装置采集母线电压量和多条线路的电流量，由于直流故障电流迅速上升并要求在微秒级检测故障并毫秒甚至微秒级切除故障的特点，要求保护装置能在更短的时间内完成多个电压和电流信号的处理分析，这对装置处理能力提出了非常高的要求。但目前常规的交流保护动作时间一般在10ms以上，切除故障时故障电流一般也达到稳定值了，而直流故障希望在故障刚发生未到稳态时即切断，因此常规的交流保护方案不太适用于直流的快速保护。另外，由于保护装置一般只能采集二次侧的电流和电压，多条线路电流量的采集势必要求配置多个电流互感器，由于直流故障电流上升迅速且很大，要求各互感器响应时间极快并且测量范围很广，多互感器的配置一方面增加了运维成本，另一方面还存在各互感器响应时间和动态范围不一致而可能引起的保护误动或拒动风险。

方法(2)可以快速检测故障电流，能在故障电流未达到稳定值时发现故障，适用于线路结构简单、级差明显的运行方式，由于该方法不具备选择性，对于复杂的多进多出中低压直流配电母线难以准确定位故障点在区内还是区外。

方法(3)要求采集各区域的故障电流，判断方向并进行信息交互，从理论上可以对故障进行定位和隔离，但文中也指出了电流方向变化在毫秒级别，需要基于通信，只能在相邻区域进行。

方法(4)可以有效排除噪声和干扰信号，但是没有对直流电流保护原理和如何辨别母线区内和区外故障作进一步讨论。

技术实现要素：

本实用新型的目的，在于提供一种中低压直流配电网母线保护系统，其可实现在直流配电系统中发生母线故障时的快速检测、定位和隔离，可在母线故障刚发生尚未到稳态时即可进行定位和隔离，且不需要相邻区域间的通信，也不需采集直流母线上每条线路的电流，减少了配置上的成本，对系统的处理运算能力要求也相对较低，可提高直流配电系统的整体可靠性和快速性。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种中低压直流配电网母线保护系统，包括第一直流电流互感器、第二直流电流互感器、直流母线保护装置、进线开关和出线开关，其中，第一直流电流互感器配置在直流母线进线的直流开关侧，直流电流互感器的输出信号接入直流母线保护装置，保护装置测量得到进线电流；第二直流电流互感器是穿心式互感器，配置在直流母线附近，进线正向穿过第二直流电流互感器，一个或多个出线反向穿过第二直流电流互感器，第二直流电流互感器的输出信号接入直流母线保护装置，直流母线保护装置测量得到差流；直流母线保护装置的进线跳闸输出信号与进线开关分闸输入端相连，出线跳闸输出信号与各出线开关分闸输入端相连。

上述第一直流电流互感器采用测量范围广的电流传感器，第二直流电流互感器采用高响应速度的电流传感器。

上述第一直流电流互感器采用开环霍尔电流传感器。

上述第二电流互感器采用巨磁阻电流传感器或闭环霍尔电流传感器。

上述第二直流电流互感器的中心设有呈正等边形排布的多个线孔，线孔方向与第二直流电流互感器平面处于垂直状态，进线和出线从第二直流电流互感器的线孔中穿过，线缆在穿过第二直流电流互感器前后保持一小截和第二直流电流互感器平面垂直。

上述直流母线保护装置包含采集模块、数据处理模块、人机输入模块、显示模块和输出模块，其中，采集模块包含第一互感器数据采集模块和第二互感器数据采集模块，采集模块接收第一、第二直流电流互感器的输出信号，然后将数据输出给数据处理模块；数据处理模块包含保护处理模块和人机界面处理模块，数据处理模块同时还接收人机输入模块的数据，数据经人机界面处理模块和保护处理模块处理后将需要显示的数据传输给显示模块，同时将需要输出的信号传输给输出模块。

上述直流母线保护装置的输出模块包含保护动作输出模块和其他信号输出模块，保护动作输出模块采用固态继电器，其他信号输出模块采用常规电磁继电器。

采用上述方案后，本实用新型由于第二直流电流互感器得到的是流入和流出母线的电流的差流，区外故障时差流很小，区内故障时差流很大，因此保护装置可以实现故障定位和隔离，而且不需要相邻区域间的通信，也不需采集直流母线上每条线路的电流，减少了配置上的成本，对装置的处理运算能力要求也相对较低，可提高直流配电系统母线保护的整体可靠性和快速性。

附图说明

图1是本实用新型实施例母线、进/出线、直流互感器和开关接线示意图；

图2是本实用新型实施例线缆和直流电流互感器2的布置示意图；

图3是本实用新型实施例直流母线保护装置结构示意图；

图4是本实用新型实施例故障时电流和电流变化率随时间变化曲线示意图；

图5是本实用新型实施例主保护和后备保护动作逻辑示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供一种中低压直流配电网母线保护系统，包括直流电流互感器1、直流电流互感器2、直流母线保护装置、进线开关和出线开关，下面分别介绍。

直流电流互感器1配置在直流母线进线的直流开关侧，直流电流互感器1的输出信号接入直流母线保护装置(以下简称保护装置)，保护装置测量得到进线电流；

直流电流互感器1采集的信号供母线保护装置作后备保护用，防止在区内或区外故障未及时切除情况下，保护装置还能根据直流电流互感器1提供的信号来跳开进线，以便防止事故扩大。当直流线路或母线发生故障时若未及时切除故障，故障电流往往会很大，而直流电流互感器1采集的信号作为后备保护用，后备保护要动作时故障电流一般已经趋近于一个较大的稳态值，为了防止直流电流互感器1在大电流时饱和，所述直流电流互感器1采用测量范围广的电流传感器，如采用宽范围的开环霍尔电流传感器等。

直流电流互感器2是穿心式互感器，配置在直流母线附近，进线正向穿过互感器，一个或多个出线反向穿过互感器，直流电流互感器2的输出信号接入保护装置，保护装置测量得到差流；

为了方便安装、减少不平衡电流影响、提高差流的采集精度，直流电流互感器2的中心有呈正等边形排布的多个线孔，配合图2所示，线孔方向与互感器平面处于垂直状态，进线和出线从互感器的线孔中穿过，线缆在穿过互感器前后保持一小截和互感器平面垂直。由于线缆是穿过互感器中心的线孔，该方案可以使各线缆在经过互感器时不会因为互相接触而影响绝缘距离和散温；

当直流母线正常运行或发生母线区外故障时，流入和流出直流母线的电流理论上是相同的，此时差流基本为0，由于直流电流互感器2得到的是流入和流出母线的电流的差流，即直流母线正常运行或发生区外故障时直流电流互感器2检测到的电流几乎为0。当直流母线发生区内故障时，流入和流出直流母线的电流将会有显著差异，此时会存在较大差流，直流电流互感器2将检测到明显的电流变化，由于直流母线发生故障时电流上升迅速且往往故障严重，为了保证母线保护装置能快速检测到故障电流并跳开开关，直流电流互感器2响应速度必须很快。为保证直流电流互感器2响应时间快并且灵敏度高，所述直流电流互感器2需采用高响应速度的电流传感器，如高灵敏度的巨磁阻电流传感器或高带宽的闭环霍尔电流传感器等。

直流母线保护装置的进线跳闸输出信号与进线开关分闸输入端相连，出线跳闸输出信号与各出线开关分闸输入端相连。

如图3所示，直流母线保护装置包含采集模块、数据处理模块、人机输入模块、显示模块和输出模块，其中，采集模块包含互感器1数据采集模块和互感器2数据采集模块；数据处理模块包含保护处理模块和人机界面处理模块；输出模块包含保护动作输出模块和其他信号输出模块；工作时，采集模块接收外部互感器(包含直流电流互感器1和直流电流互感器2)的输出信号，然后将数据输出给数据处理模块，数据处理模块同时还接收人机输入模块的数据，数据经人机界面处理模块和保护处理模块处理后将需要显示的数据传输给显示模块，同时将需要输出的信号传输给输出模块。

基于以上系统，本实用新型的一种中低压直流配电网母线保护方法，包括如下步骤：

步骤1，在直流母线进线的直流开关侧配置直流电流互感器1，所述直流电流互感器1的输出信号接入保护装置，保护装置测量得到进线电流。

配合图1所示，在直流进线开关上侧配置直流电流互感器1，安装时，进线尽量安装于互感器1的中心位置，且线缆与互感器1平面处于垂直位置，同时互感器1采用测量范围较广的电流传感器，如采用宽范围的开环霍尔电流传感器，用于采集进线电流。

步骤2，将与母线相连的所有进、出线按进线流入、出线流出顺序摆放好，在直流母线附近安装一个穿心式直流电流互感器2；

具体地，配合图2所示，在直流母线附近安装一个穿心式直流电流互感器2，对于直流线路，一般每根进线或出线包含正极和负极两根线，在检测电流时，本实施例只检测正极线路的电流。按互感器上的标识使进线的正极线电缆正向穿过互感器，一个或多个出线的正极线电缆反向穿过互感器，直流电流互感器2输出信号接入保护装置，保护装置测量得到差流。直流电流互感器2采用高响应速度的电流传感器，如高灵敏度的巨磁阻电流传感器或高带宽的闭环霍尔电流传感器等。安装时，需要注意进线、出线之间的绝缘距离和散热，且进、出线尽量安装于互感器的中心位置，且所有线缆在穿过互感器时与互感器平面处于垂直状态。

步骤3，将直流电流互感器1和直流电流互感器2的输出信号接入直流母线保护装置；

具体地，进线和出线中的一次侧直流电流，经直流电流互感器1和直流电流互感器2输出装置变换为可接收的二次侧信号，这些输出的信号为较小的直流电压或直流电流或数字信号，直流电流互感器1和直流电流互感器2的输出信号接入直流母线保护装置，直流母线保护装置上有相应的采集模块接收该信号，随后保护装置内部对数据进行处理，同时直流母线保护装置的跳闸输出信号与进线开关和出线开关跳闸输入端相连，使保护装置动作时，可以跳开相应的开关。配合图3所示，直流母线保护装置由采集模块、数据处理模块、人机输入模块、显示模块和输出模块组成，其中互感器输出信号为直流电压或直流电流信号，直流信号经保护装置内部的A/D转换后，进入数据处理模块环节，数据处理模块同时接收人机输入模块输入的指令，如定值整定、画面切换、打印等，数据处理模块处理完数据后，将结果传给输出模块和显示模块。

步骤4，直流母线保护装置根据接入的直流电流互感器1、2输出信号，实时检测互感器输出信号，当检测到互感器2信号变化超过门限值时，保护装置动作，跳开与母线相连的所有进、出线开关；当检测到互感器1信号超过门限值时，母线保护装置动作，跳开进线开关。

直流母线保护装置具备主保护和后备保护，直流电流互感器2采集的信号供母线保护装置作主保护用，当主保护动作后，跳开进线开关、出线开关；直流电流互感器1采集的信号供母线保护装置作后备保护用，当后备保护动作后，跳开进线开关。

具体的，主保护是指直流母线保护装置检测到直流电流互感器2信号变化满足预先设定好的动作条件时，则直流母线保护装置动作(主保护动作)，跳开与母线相连的所有进、出线开关；后备保护是直流母线保护装置检测到直流电流互感器1信号变化满足预先设定好的动作条件时，则直流母线保护装置动作(后备保护动作)，跳开进线开关。后备保护防止在区内或区外故障未及时切除情况下，保护装置还能根据互感器1提供的信号来跳开进线，以便防止事故扩大。

保护装置在进入预备状态后，装置开始启动故障录波，由于直流母线保护装置实时检测互感器输出信号，且需要能在极短的时间内完成各信号的处理分析，为保证直流配电系统母线保护的整体可靠性和快速性，直流母线保护装置的每个计算中断处理时间需很短，但考虑到中低压直流配电网在今后应用的广泛性和对成本的敏感性，为减少运算处理和资源消耗，所述直流母线保护装置分多级中断进行数据的处理，其中保护处理模块的采样中断时间典型值取0.01ms、0.02ms、0.05ms或0.1ms，主保护和后备保护的处理计算均在保护采样中断内完成，保证快速可靠，人机界面处理模块的中断处理时间典型值取5ms、10ms或20ms。图3中，数据处理模块设置了两个中断时间，一个中断时间为0.02ms，用于主保护和后备保护所需的数据以及保护逻辑等处理，另一个中断时间为10ms，用于显示、报文等人机界面处理。

直流线路或母线发生故障时若未及时切除故障，故障电流往往会很大，而直流电流互感器1采集的信号作为后备保护用，后备保护要动作时故障电流一般已经趋近于一个较大的稳态值，为了防止直流电流互感器1在大电流时饱和，所述直流电流互感器1采用测量范围广的电流传感器，如采用宽范围的开环霍尔电流传感器等。

为了快速和可靠检测区内和区外故障，所述的直流母线保护装置的主保护采用电流变化率保护，包含主保护变化率启动门限值、主保护过电流门限值1、主保护过电流门限值2，其中主保护动作条件有两个，任意一条满足时主保护动作：

(1)检测到直流电流互感器2输出信号的电流变化率大于主保护电流变化率启动门限值后，保护装置进入预备状态，检测到直流电流互感器2输出信号电流值大于主保护过电流门限值1后，主保护动作；

(2)检测到直流电流互感器2输出信号电流值大于k(k为常数，取值范围0.8～1.0，图4中k取0.95)倍的主保护过电流门限值2后，保护装置进入预备状态，检测到直流电流互感器2输出信号电流值大于主保护过电流门限值2后，主保护动作，跳开进线和出线开关。

直流母线保护装置后备保护采用过电流保护，包含后备保护变化率启动门限值、后备保护过电流门限值1、后备保护过电流门限值2、时间门限值1、时间门限值2，后备保护动作条件也有两个，任意一条满足时后备保护动作：

(1)检测到直流电流互感器1输出信号的电流变化率大于后备保护电流变化率启动门限值后，保护装置进入预备状态，检测到直流电流互感器1输出信号电流值大于后备保护过电流门限值1后，经延时(图4中作为时间门限值1定值)后备保护动作，跳开进线开关；

(2)检测到直流电流互感器1输出信号电流值大于k(k为常数，取值范围0.8～1.0，图5中k取0.95)倍的后备保护过电流门限值2后，保护装置进入预备状态，检测到直流电流互感器1输出信号电流值大于过电流门限值2后，经延时(图5中作为时间门限值2定值)后备保护动作，跳开进线开关。图4列举了故障时直流电流互感器1或直流电流互感器2输出信号的电流和电流变化率随时间变化曲线示意图，图中t1是故障刚开始发生时刻，t2是直流电流互感器输出信号的电流变化率大于相对应的主保护或后备保护的变化率启动门限值时刻，t3是直流电流互感器输出信号的电流大于相对应的主保护或后备保护的过电流门限值1时刻，t4是直流电流互感器输出信号的电流大于相对应的主保护或后备保护的过电流门限值2时刻,t5是故障未切除时直流电流互感器输出信号的电流达到稳态时刻。

图5中，I1代表直流电流互感器1输出信号的电流，I2代表直流电流互感器2输出信号的电流。保护装置在进入预备状态后，装置开始启动故障录波，本实施例中主、后备保护中的k取0.95。

如图5所示，列举了电流变化率保护曲线逻辑示意图，其中互感器1处的主保护是当检测到互感器1的电流变化率大于互感器1电流上升率启动门限值后，保护装置进入预备状态，当检测到互感器1电流值大于互感器1变化率电流动作门限值后，经互感器1时间门限值1延时后保护动作，跳开进线开关；互感器1处的后备保护是当检测到互感器1电流大于0.95倍的互感器1过电流门限值时，保护装置进入预备状态，当电流值大于互感器1过电流后，经互感器1时间门限值2延时后保护动作，跳开进线开关。

互感器2处的主保护是当检测到互感器2的电流变化率大于互感器2电流上升率启动门限值后，保护装置进入预备状态，当检测到互感器2电流值大于互感器2变化率电流动作门限值后，由于互感器2时间门限值为0，因此保护立即动作，跳开进线和出线开关；互感器2处的后备保护是当检测到互感器2电流大于0.95倍的互感器2过电流门限值时，保护装置进入预备状态，当电流值大于采集器2过电流后，由于互感器2时间门限值为0，因此保护立即动作，跳开进线和出线开关。

同时，为了在发生故障时直流母线保护装置能快速保护出口，同时兼顾经济性，直流母线保护装置的输出模块中的保护动作输出模块输出时使用固态继电器，典型用IGBT继电器，用于快速跳进、出线开关；非跳闸出口的继电器如告警、闭锁等信号出口采用常规电磁继电器，若其他继电器对快速性要求也极高，亦可用固态继电器。图2中，直流母线保护装置在保护动作时，IGBT输出，用于跳进、出线开关，在告警、闭锁等信号输出时，采用常规继电器，用于输出其他信号。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。