CN106257784A - 用于dc配电系统的区域故障保护的技术 - Google Patents

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Abstract

用于检测DC电配电系统中的故障位置的技术包括监测DC电气母线的母线保护单元。母线保护单元包括至少一个传感器，以产生指示由母线保护单元监测的DC电气母线的一个或多个特性的传感器数据。母线保护单元监测传感器数据、基于传感器数据来确定故障是否已发生、以及响应于确定故障已发生来确定故障是否发生在由DC电气母线限定的母线区内。此外，母线保护单元响应于确定故障发生在母线区内或来自另一母线保护单元的指示故障发生在母线区内的通信而使母线区内的隔离装置跳闸。母线保护单元响应于确定故障已发生而将母线故障指示信号发送至另一母线保护单元。

Description

用于DC配电系统的区域故障保护的技术
技术领域
直流(DC)配电系统被用于诸如例如航空器功率供给系统、电动船、可再生能量收集网格、微电网、数据中心功率供给系统和其他应用等的各种应用。DC配电系统往往被利用以提高系统效率和/或提供与所使用的物理设备相关联的空间和重量节省。
背景技术
对于DC配电系统，归因于小的电路阻抗和限制转换器的功能的故障电流的影响，获得快速且可靠的故障检测和位置确定往往是非常具有挑战性的。差动保护、电流方向、阻抗保护、瞬态能量和/或过流的方法可以在各种实施例中用于DC配电系统中的短路保护。然而，这些方法中的每一个都具有相应的应用特征和功能限制。例如，差动保护和阻抗保护的方法可以适合于DC配电系统但可能不能获得速度和性能要求。
发明内容
根据一个方面，一种用于检测直流(DC)配电系统中的故障位置的母线保护单元可以包括：至少一个传感器，以产生指示由母线保护单元监测的DC电气母线的一个或多个特性的传感器数据；故障检测模块，以监测传感器数据、基于产生的传感器数据来确定故障是否已发生和响应于确定故障已发生来确定故障是否发生在由DC电气母线限定的母线区内；故障隔离模块，以响应于确定故障发生在母线区内或来自另一母线保护单元的指示故障发生在母线区内的通信而使母线区内的隔离装置跳闸；和通信模块，以响应于确定故障已发生而将故障指示信号发送至相邻的母线保护单元。
在一些实施例中，监测传感器数据可以包括监测DC电气母线的母线电压和/或DC电气母线的电流。确定故障是否发生可以包括将故障检测算法应用于产生的传感器数据。隔离装置可以包括电气开关。在一些实施例中，通信模块进一步将故障指示信号发送至被通信联接至母线保护单元的各其他的母线保护单元。将故障指示信号发送至相邻的母线保护单元可以包括将将数字信号发送至相邻的母线保护单元。
在一些实施例中，母线保护单元可以进一步包括故障定时器模块，以响应于将故障指示信号发送至相邻母线保护单元而建立跳闸定时器和响应于确定跳闸定时器已超过预定阈值而使隔离装置跳闸。母线保护单元可以包括监测被电联接至主母线和负载节点的DC配电母线的配电母线保护单元。配电母线保护单元可以被通信联接至监测主母线的主母线保护单元和监测负载节点的负载节点保护单元。在一些实施例中，母线保护单元可以包括监测被电联接至配电母线的DC负载节点的负载节点保护单元。母线保护单元可以包括监测被电联接至公共事业功率系统和配电母线的DC主母线的主母线的主母线保护单元。在一些实施例中，主母线保护单元可以包括微控制器。
根据另一方面，一种用于检测直流(DC)电配电系统中的故障的位置的方法可以包括：通过母线保护单元监测由母线保护单元的至少一个传感器产生的传感器数据；通过母线保护单元基于产生的传感器数据来确定故障是否已发生并响应于确定故障已发生来确定故障是否发生在由DC电气母线限定的母线区内；通过母线保护单元响应于确定故障发生在母线区内或接收到来自另一母线保护单元的指示故障发生在母线区内的通信而使母线区内的隔离装置跳闸；和通过母线保护单元响应于确定故障已发生而将母线故障指示信号发送至相邻的母线保护单元。传感器数据可以指示由母线保护单元监测的DC电气母线的一个或多个特性。
在一些实施例中，检测传感器数据可以包括监测DC电气母线的母线电压或电流中的至少一个。方法可以进一步包括通过母线保护单元将故障指示信号发送至被通信联接至母线保护单元的各其他的母线保护单元。在一些实施例中，方法包括：通过母线保护单元响应于将故障指示信号发送至相邻母线保护单元而建立跳闸定时器；和通过母线保护单元响应于确定跳闸定时器已超过预定阈值而使隔离装置跳闸。
根据又另一方面，一个或多个机器可读存储介质，包括存储于其上的多个指令，指令响应于通过母线保护单元的执行而引起母线保护单元：监测由母线保护单元的至少一个传感器产生的传感器数据；基于产生的传感器数据来确定故障是否已发生；响应于确定故障已发生来确定故障是否发生在由DC电气母线限定的母线区内；响应于确定故障发生在母线区内或来自另一母线保护单元的指示故障发生在母线区内的通信而使母线区内的隔离装置跳闸；和响应于确定故障已发生而将母线故障指示信号发送至相邻的母线保护单元。传感器数据可以指示由母线保护单元监测的DC电气母线的一个或多个特性。
在一些实施例中，监测传感器数据可以包括监测DC电气母线的母线电压或电流中的至少一个。将故障指示信号发送至相邻的母线保护单元可以包括将数字信号发送至相邻的母线保护单元。
附图说明
这里所描述的概念通过示例的方式但不是限制的方式被图示在附图中。为了图示的简单和清楚，图中图示出的元件并不一定按比例绘制。在认为适当时，附图标记在图之中重复以指示相应或类似的元件。
图1是用于区域故障保护的DC配电系统的至少一个实施例的简化框图；
图2是图1的DC配电系统的至少一个实施例的简化框图；
图3是图1的DC配电系统的至少一个其他实施例的简化框图；
图4是图2至图3的母线保护单元的至少一个实施例的简化框图；
图5是图4的母线保护单元的环境的至少一个实施例的简化框图；
图6至图7是用于检测DC配电系统中的故障位置的方法的至少一个实施例的简化流程图；和
图8是用于在没有通信的情况下检测DC配电系统中的故障位置的至少一个实施例的简化流程图。
具体实施方式
虽然本公开的概念可采用各种修改和可替代的形式，但已通过示例的方式在附图中示出了并且将在下面详细地描述其具体实施例。然而，应该理解的是，没有将本公开的概念限制成所公开的特定形式的意图，而是相反，意在覆盖与本公开和随附权利要求一致的所有修改、等效物和替代方案。
说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“说明性实施例”等的提及指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每一个实施例都可能包括或者可能不一定包括特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定是指相同实施例。此外，当特定特征、结构或特性与实施例有关地描述时，提出了它在本领域技术人员的知识内影响与其他实施例有关的这样的特征、结构或特性而不管是否明确地描述。另外，应该领会的是，在呈“至少一个A、B和C”形式的列表中所包括的项目可以意味着(A)；(B)；(C)：(A和B)；(B和C)；(A和C)；或(A、B和C)。类似地，呈“A、B或C中的至少一个”形式列出的项目可以意味着(A)；(B)；(C)：(A和B)；(B和C)；(A和C)；或(A、B和C)。
所公开的实施例可以在一些情况中在硬件、固件、软件或其任何组合中实施。所公开的实施例也可以实施为由可通过一个或多个处理器读取并执行的一个或多个瞬时性或非瞬时性机器可读(例如，计算机可读)存储介质携带的或存储于其上的指令。机器可读存储介质可以被体现为用于存储或传输呈可由机器(例如，易失性或非易失性存储器、介质盘或其他介质装置)读取的形式的信息的任何存储装置、机构或其他物理结构。
在附图中，一些结构或方法特征可能以具体布置和/或排序示出。然而，应该领会的是，这样的具体布置和/或排序可以不是要求的。而是，在一些实施例中，这样的特征可以以除说明性附图中所示出的以外的不同方式和/或顺序来布置。另外，在特定附图中的结构或方法特征的包括不意味着暗示这样的特征是所有实施例中要求的，并且在一些实施例中可以不包括或者可以与其他特征组合。
如下面详细描述的，DC功率凭借各种等级或层的母线(例如，主母线、配电母线和负载节点)被配电至DC配电系统的各种负载。在一些实施例中，母线中的每一个可以包括单独的母线保护单元(例如见图2至图3)，其被配置成分析与该母线相关联的传感器数据(例如，母线电压和电路电流值)以确定故障条件是否已发生。如果特定母线保护单元确定故障发生在由相应母线限定的母线区内，则母线保护单元可以使相关联的隔离装置跳闸(trip)以隔离故障；然而，如果母线保护单元确定故障发生在母线区的外侧，则母线保护单元可以将故障指示信号(例如，DC信号)发送至相邻的母线保护单元(例如，上游和/或下游)。在说明性实施例中，利用相邻母线保护单元之间的这样的对等网络通信，在DC电气母线之间的配电电路上的故障可以由相应的母线保护单元来检测。
现在参见图1，示出了利用区域故障保护的DC配电系统100。说明性DC配电系统100包括一个或多个功率源102、一个或多个主母线104、一个或多个配电母线106、一个或多个负载节点108、一个或多个负载110、一个或多个主母线保护单元(MBPU)208、一个或多个配电母线保护单元(DBPU)210和一个或多个负载节点保护单元(LBPU)212。应该领会的是，DC配电系统100可以用多个功率配电等级构成。例如，说明性DC配电系统100包括主母线等级、第一配电母线等级、第二配电母线等级和电联接在功率源102与负载110之间的负载节点等级。
功率源102中的每一个可以被体现为被配置成生成用于DC配电系统100的功率的任何装置、组成部件或其集合。应该领会的是，功率源102中的每一个可以被配置成取决于特定实施例而生成交流(AC)功率或直流(DC)功率。例如，功率源102可以包括公用事业电网、本地功率发生器(例如，光伏电池)和/或其他功率源。在生成AC功率的实施例中，DC配电系统100可以包括功率转换器(例如，整流器)和/或功率调制装置以将AC功率转换成适当的DC功率。类似地，DC配电系统100可以包括DC-DC转换器(例如，升压/降压转换器)以接口具有不同电压等级的两个DC配电子系统(例如，以将DC电压转换成共用DC电压)。在一些实施例中，这样的转换器中的一个或多个可以形成相应的功率源102的一部分。
主母线104、配电母线106和/或负载节点108中的每一个可以被体现为能够执行这里所描述的功能的任何合适的功率配电母线。在说明性实施例中，主母线104中的每一个被电联接至功率源102中的一个或多个，并且负载节点108中的每一个被电联接至负载110中的一个或多个。此外，主母线104中的每一个被电联接至配电母线106中的一个或多个，并且配电母线106中的每一个被电联接至负载节点108中的一个或多个。将进一步领会的是，主母线104与配电母线106之间的电路建立了初级功率配电电路(图1至图3为了清楚未标出)，并且配电母线106与负载节点108之间的电路建立了次级功率配电电路(图1至图3为了清楚未标出)。负载110(为了附图的清楚其中的一些仅在图2至图3中用“L”标识出而没有相应的附图标记110)中的每一个可以被体现为能够接收来自DC配电系统100或者更特别地来自负载节点108中的一个或多个的功率的任何装置、组成部件或其组合。当然，在一些实施例中，DC配电系统100可以在负载节点108与AC负载110之间包括DC-AC转换器，使得DC配电系统100也可以被用于向AC负载110供电。
如图1中所示，DC配电系统100在DC配电系统100的各等级之间包括隔离装置112(为了附图的清楚其中的一些仅在图1至图3中用电气开关符号标识出而没有相应的附图标记112)。例如，初级功率配电电路和次级功率配电电路包括隔离装置112。隔离装置112中的每一个可以被体现为能够“断开”电路(例如，引起开路)以使相应电路的两个部分彼此隔离的任何装置、组成部件或其组合。例如，在一些实施例中，隔离装置112可以被体现为电气开关或断路器。此外，在一些实施例中，能量存储、转换器(例如，DC-DC转换器)和/或其他分布式资源(distributed resource)可以被电联接至主母线104、配电母线106和/或负载节点108。
应该领会的是DC配电系统100可以包括任何数量(p)的功率源102、任何数量(m)的主母线104、任何数量(d)的配电母线106、任何数量(k)的负载节点108和任何数量(l)的负载110。此外，数量(p、m、d、k、l)中的每一个可以取决于特定实施例是相同的或不同的。例如，在实施例中，DC配电系统100可以包括一个功率源102、一个主母线104、两个配电母线106、两个负载节点108和十个负载110。母线104、106、106可以取决于特定实施例彼此分开各种距离(例如，少于十米、几十米、几百米、几千米等)。此外，虽然负载110示出为被电联接至负载节点108，但在一些实施例中，负载110中的一个或多个可以被直接电联接至配电母线106和/或主母线104。如图1中所示，母线104、106、108中的每一个可以包括母线保护单元，其分析与相应的母线相关联的传感器数据以确定故障是否已发生(例如见图2至图3)。例如，主母线保护单元208可以监测主母线104、配电母线保护单元210可以监测配电母线106并且负载节点保护单元212可以监测负载节点108。母线保护单元处理母线区内的故障和/或将故障指示信号发送至DC配电系统100的相邻的母线保护单元(即，与上游或下游的邻接母线相关联的母线保护单元)。
现在参见图2，示出了DC配电系统100的至少一个实施例(下文中称作“DC配电系统200”)。如这里所描述的，快速且选择性故障保护是对于DC配电系统来说的显著挑战。例如，当在DC配电系统中发生短路故障时，故障电流典型地由所有的源和分布式分流电容装置做贡献。因为故障电流一般对在紧凑型且网状DC配电系统中的故障位置不敏感(例如，归因于小的电路阻抗)，所以往往难以直接基于本地测量(例如，电压和/或电流的)来选择性地确定适当的开关动作以隔离故障。电容与电感元件之间的快速能量交换和限制转换器的功能的故障电流使得基于本地测量的故障隔离甚至更加具有挑战性。例如，在DC配电系统中，往往难以基于本地测量来识别出主母线104与故障实际发生所在的特定负载110之间的电路的精确位置。
如图2中所示，说明性DC配电系统200包括两个主母线104(第二主母线104未明确示出)、两个配电母线106、两个负载节点108和多个负载110。当然，DC配电系统200可以在其他实施例中如上面所讨论的包括附加或其他功率配电等级。在说明性实施例中，第一主母线104被电联接至第一配电母线106和第二配电母线106。另外，第二主母线104被电联接至第一和第二配电母线106中的每一个。类似地，说明性DC配电系统200的配电母线106中的每一个被电联接至负载节点108中的每一个。将领会的是，DC配电系统200包括分散在从相应的母线104、106、108延伸的各电气链路处的隔离装置112。这样，隔离装置112位于初级和次级配电电路的两端。
说明性DC配电系统200包括用作第一主母线104的功率源102的公用事业系统202和本地功率发生器204。第二主母线104可以取决于特定实施例被类似地供电或者由不同的功率源102供电。如示出的，DC配电系统200可以包括被联接在公用事业系统202与第一主母线104之间的转换器206(例如，整流器)，以将由公用事业系统202供给的AC功率转换成被供给至第一主母线104的DC功率。当然，如果本地功率发生器204被配置成输出AC功率，则DC配电系统200也可以利用转换器206(例如，整流器)以相应地转换AC功率。在其他实施例中，DC配电系统200可以包括DC-DC转换器(例如，降压或升压转换器)以便将由本地功率发生器204供给的DC功率转换成待供给至主母线104的更加合适的/可用的DC功率信号。
如这里所示出和描述的，DC配电系统200包括用于母线104、106、108中的每一个的单独的母线保护单元。特别地，DC配电系统200包括主母线保护单元(MBPU)208、第一和第二配电母线保护单元(DPBU)210及第一和第二负载节点保护单元(LBPU)212。母线保护单元208、210、212中的每一个包括本地传感器和/或被联接至相应的母线104、106、108的本地传感器。于是，在一些实施例中，母线保护单元208、210、212可以获得可被分析以确定故障是否已发生的母线电压和电路电流值。此外，在一些实施例中，母线保护单元208、210、212被联接至相应的隔离装置112(例如，本地电路开关)并且被配置成控制如图2中所示的那些隔离装置112(例如，通过“打开”和“关闭”隔离装置112)的操作。
应该领会的是，母线保护单元208、210、212建立了用于DC配电系统200的区域故障保护。例如，各主母线保护单元208可以建立由相应的主母线104限定的主母线保护区、各配电母线保护单元210可以建立由相应的配电母线106限定的配电母线保护区，和/或各负载节点保护单元212可以建立由相应的负载节点108限定的负载节点保护区。此外，母线保护单元208、210、212可以在一些实施例中建立配电电路保护区。例如，初级配电电路区可以由相应的主母线保护单元208和相应的配电母线保护单元210保护。类似地，次级配电电路区可以由相应的配电母线保护单元210和相应的负载节点保护单元212保护。
在说明性实施例中，第一和第二配电母线保护单元210中的每一个如图所示被通信地(例如经由双路通信)联接至主母线保护单元208。将领会的是，配电保护单元210可以在这里被称作主母线保护单元208的“邻居”或者与主母线保护单元208“相邻”并且反之亦然。这样，如果母线保护单元中的两者被配置成监测共用母线或共用的一组隔离装置112，和/或母线保护单元被配置成彼此通信，则母线保护单元被认为与另一母线保护单元“相邻”。类似地，负载节点保护单元212被通信地联接至第一分布母线保护单元210。在一些实施例中，负载节点保护单元212中的一个或多个可以另外地或可替代地被通信联接至第二主母线保护单元208(例如，DC配电系统200包括第二主母线104的实施例，为了附图清楚而未示出)。换言之，母线保护单元208、210和母线保护单元210、212可以如这里所描述的跨越相应通信链路彼此通信。这样，故障指示信号可以被从母线保护单元208、210、212发送至其相邻母线保护单元208、210、212中的一个或多个。
现在参见图3，示出了DC配电系统100的至少一个其他实施例(下文中称作“DC配电系统300”)。将领会的是，DC配电系统300可以包括与参照图2在上面所描述的DC配电系统200类似的组成部件。然而，与图2的DC配电系统200不一样，图3的DC配电系统300在母线保护单元208、210、212之间没有使用单独的通信链路的情况下建立了区域保护。这样，在一些实施例中，DC配电系统300可以被有效地用于紧凑型DC数据中心。例如，在一些实施例中，包括上面所描述的连接的次级配电电路的负载节点保护区可以由相应的负载节点保护单元212保护。包括上面所描述的连接的初级配电电路的配电母线区可以由配电母线保护单元210保护。由主母线104限定的主母线保护区可以由主母线保护单元208保护。
现在参见图4，示出了母线保护单元400的至少一个实施例。应该领会的是，主母线保护单元208、配电母线保护单元210和/或负载节点保护单元212中的每一个可以类似于这里所描述的母线保护单元400。当然，在一些实施例中，特定母线保护单元208、210、212可以包括针对这里所描述的那些的附加的或可替代的组成部件和模块。此外，在一些实施例中，母线保护单元400的组成部件和/或模块中的一个或多个可以从特定母线保护单元208、210、212上省略。
母线保护单元400可以被体现为能够执行这里所描述的功能的任何类型的计算装置/组成部件。例如，在说明性实施例中，母线保护单元400被体现为微控制器。然而，在其他实施例中，母线保护单元400可以被体现为例如台式计算机、膝上型计算机、服务器、路由器、交换机、混合装置、物联网(IoT)装置和/或任何其他合适的计算/通信装置。如图4中所示，说明性母线保护单元400包括处理器410、输入/输出(“I/O”)子系统412、存储器414、数据存储416和通信线路418。另外，如示出的，母线保护单元400可以包括和/或被电或通信联接至一个或多个传感器420。取决于特定实施例，传感器420可以被包含在母线保护单元400内或者位于母线保护单元400的外侧并且被联接至母线保护单元400。当然，母线保护单元400可以在其他实施例中包括其他或附加组成部件，诸如在典型计算装置或控制器中通常找到的那些(例如，各种输入/输出装置和/或其他组成部件)。另外，在一些实施例中，说明性组成部件中的一个或多个可以被包含在另一组成部件内或者以其他方式形成另一组成部件的一部分。例如，存储器414或其一部分可以在一些实施例中被包含在处理器410中。
处理器410可以被体现为能够执行这里所描述的功能的任何类型的处理器。例如，处理器410可以被体现为单或多核处理器、数字信号处理器、微控制器或者其他处理器或处理/控制电路。类似地，存储器414可以被体现为能够执行这里所描述的功能的任何类型的易失性或非易失性存储器或数据存储。操作中，存储器414可以存储诸如操作系统、应用、程序、库和驱动程序等的在母线保护单元400的操作期间所使用的各种数据和软件。存储器414经由I/O子系统412被通信联接至处理器410，I/O子系统412可以被体现为便于与处理器410、存储器414和母线保护单元400的其他组成部件的输入/输出操作的线路和/或组成部件。例如，I/O子系统412可以被体现为或者以其他方式包括存储器控制器集线器、输入/输出控制集线器、固件装置、通信链路(即，点对点链路、母线链路、导线、线缆、光导、印刷电路板迹线等)和/或便于输入/输出操作的其他组成部件和子系统。
数据存储416可以被体现为配置用于数据的短期或长期存储的任何装置或多个装置，诸如例如存储器装置和电路、存储卡、硬盘驱动器、固态驱动器或其他数据存储装置。数据存储416和/或存储器414可以存储如这里所描述的母线保护单元400的操作期间的各种数据。
通信线路418可以被体现为能够启用母线保护单元400与其他远程装置之间的通信的任何通信电路、装置或其集合。例如，如这里所描述的，特定母线保护单元208、210、212可以与相邻的母线保护单元208、210、212通信以发送/接收故障指示信号和/或在查明DC配电系统100中的故障的真正位置时有用的其他信息。在说明性实施例中，母线保护单元208、210、212使用基本的信号传输(例如，数字信号)通信。然而，应该领会的是，通信线路418可以被配置成使用任何一个或多个通信技术(例如，无线或有线通信)和相关联的协议(例如，以太网、WiMAX等)来实现这样的通信。
传感器420基于指示被监测的母线的环境(例如，硬件、固件和/或软件环境)和/或背景的测得信号生成、产生或输出传感器数据。例如，如下面所描述的，传感器420可以产生可由母线保护单元400利用以确定电气故障是否已发生(例如，通过监测电压、电流、温度等)的传感器数据。在各种实施例中，传感器420可以被体现为或者以其他方式包括例如电压传感器、电流传感器、阻抗传感器、电容传感器、温度传感器、图像传感器、通信传感器、压电传感器、光学传感器、光传感器、音频传感器、惯性传感器、接近传感器、运动传感器、压力传感器、软件传感器和/或生成对母线保护单元400有用的数据的其他类型的传感器，可取决于特定母线保护单元400而变化。在一些实施例中，传感器420中的一个或多个可以被体现为配置成接收外部传感器数据和信息的通信电路。例如，如下面所描述的，在一些实施例中，传感器420和/或另一电路可以被配置成接收来自上游和/或下游母线保护单元的故障指示信号(例如，指示故障或确认故障隔离)。
当然，母线保护单元400也可以包括被配置成便于传感器420的使用的组成部件和/或装置。此外，在一些实施例中，传感器420可以被体现在DC配电系统100中的其它位置并且被配置成发送生成的传感器数据至母线保护单元400用于分析。
现在参见图5，在使用中，母线保护单元400建立了用于DC配电系统100的区域故障保护的环境500。母线保护单元400的说明性环境500包括故障检测模块502、故障隔离模块504、故障定时器模块506和通信模块508。环境500的各种模块可以被体现为硬件、软件、固件或其组合。例如，环境500的各种模块、逻辑和其他组成部件可以形成处理器410或母线保护单元400的其他硬件组成部件的一部分，或者以其他方式由处理器410或母线保护单元400的其他硬件组成部件建立。这样，在一些实施例中，环境500的模块中的一个或多个可以被体现为电装置的电路或集合(例如，故障检测电路、故障隔离电路、故障定时器电路和/或通信电路)。另外，在一些实施例中，说明性模块中的一个或多个可以形成另一模块的一部分。
故障检测模块502被配置成监测并分析由传感器420生成的传感器数据(例如，电压数据、电流数据等)以确定例如电气故障是否已发生。如果已发生故障，故障检测模块502可以进一步确定故障发生所在的近似位置。例如，故障检测模块502可以确定故障是否发生在由母线保护单元400所保护的母线限定的母线区内。将领会的是，故障检测模块502可以利用用于做出这样的确定的任何合适的故障检测算法。在一些实施例中，故障检测模块502可以使用故障检测算法来分析故障签名，诸如电压幅值、电压导数、电流方向、电流幅值、电流导数、电流差动、故障阻抗、瞬态功率和/或其他合适的参数。例如，在一些实施例中，故障检测模块502可以将母线电压减小或电流增加如果增加/减小超过预定阈值的话认为是指示DC配电系统100中的故障。此外，取决于特定实施例，故障检测模块502可以连续地、周期性地或基于其他准则(例如，响应于一些条件的满足)来监测传感器数据。
故障隔离模块504被配置成使由母线保护单元400保护的母线区内的一个或多个隔离装置112跳闸。应该领会的是，故障隔离模块504可以使用用于使适当的隔离装置112跳闸的任何合适的技术和/或机构。在一些实施例中，故障检测模块502基于生成的传感器数据来确定适当的隔离装置112跳闸(例如，“打开”开关)并且命令隔离装置112的故障隔离模块504跳闸。在其他实施例中，故障隔离模块504做出这样的确定。如上面所描述的，通过使隔离装置112跳闸，故障隔离模块504可以将DC配电系统100的一部分与DC配电系统100的其余部分隔离。
故障定时器模块506可以建立跳闸定时器，其可以被用作启动隔离装置112的跳闸的备用保护。如下面所描述的，故障定时器模块506可以响应于将故障指示信号发给相邻的母线保护单元(例如，如果故障不在母线保护单元400的母线区内)来建立并递增跳闸定时器。如果跳闸定时器在母线保护单元400接收来自相邻的母线保护单元的故障指示信号(例如，指示了故障被识别为发生在两个母线之间的配电电路上)之前超过预定阈值，则母线保护单元400可以使适当的隔离装置112跳闸以断开有故障的电路的连接。
通信模块508处理母线保护单元400与DC配电系统100的其他装置/组成部件之间的通信。例如，如这里所描述的，母线保护单元400可以将故障指示信号发送至其他相邻的母线和/或相邻的母线保护单元以指示检测到和/或识别到了故障。应该领会的是，在一些实施例中，通信模块508可以处理母线保护单元208、210、212之间的非常简单的通信(例如，DC信号传输)，而在其他实施例中，通信模块508可以利用更复杂的通信协议与其他母线保护单元通信。
现在参见图6至图7，在使用中，母线保护单元400可以执行用于检测DC配电系统100中的故障位置的方法600。说明性方法600开始于框602，其中母线保护单元400监测由联接至母线保护单元400的传感器420生成的传感器数据。特别地，在框604中，母线保护单元400可以监测由传感器420生成的母线电压和电流测量。如上面所描述的，母线保护单元400可以取决于特定实施例而连续地、周期性地或基于其他准则来监测传感器数据。在框606中，母线保护单元400可以接收指示了检测到和/或识别到故障的来自另一母线保护单元400(例如，相邻的母线保护单元，或者在上游或者在下游)的故障指示信号。在一些实施例中，故障指示信号可以促使母线保护单元400确定故障是否源自由母线保护单元400监测的配电电路。在其他实施例中，故障指示信号可以指示故障已在DC配电系统100中的其它位置被识别到并被隔离。
在框608中，母线保护单元400基于传感器数据来确定故障是否已发生。在这样做时，在框610中，母线保护单元400可以将一个或多个故障检测算法应用于传感器数据。在一些实施例中，母线保护单元400可以例如基于电压幅值、电压导数、电流方向、电流幅值、电流导数、电流差动、故障阻抗、瞬态功率和/或其他合适参数来分析各种故障签名。例如，在一些实施例中，显著的母线电压减小或电流增加可以指示故障的存在。
如果母线保护单元400在框612中确定已检测到故障，则母线保护单元400在框614中确定故障的近似位置。例如，在图2的说明性实施例中，母线保护单元400确定故障是否发生在由母线保护单元400所监测的母线区(例如，由被监测的母线104、106、108限定的母线区)内。应该领会的是，母线保护单元400可以利用用于确定故障是否发生在母线区内的任何合适的技术、机构和/或算法。例如，在一些实施例中，母线保护单元400可以利用诸如电流和/或瞬态能量等的故障签名来区分上游和下游故障。特别地，在一些实施例中，母线保护单元400可以基于美国专利申请序列号14/255,674和国际专利申请序列号PCT/CN2014/076720中的一个或多个中所描述的技术来识别DC配电系统100中的特定故障位置，这些专利申请通过引用合并于此。如果母线保护单元400在框612中确定未检测到故障，则方法600返回至框602，在该框中母线保护单元400继续监测由传感器420生成的传感器数据。
如果母线保护单元400在框616中确定故障发生在母线区内，则母线保护单元400在框618中对故障做出反应。在这样做时，在框620中，母线保护单元400识别出与故障相应的隔离装置112并使其跳闸。例如，在一些实施例中，母线保护单元400确定哪个隔离装置112应该被跳闸以便断开有故障的母线的连接。在框622中，母线保护单元400可以进一步将指示故障的母线故障指示信号发送至连接的(相邻的)母线保护单元中的每一个。例如，如果主母线保护单元208识别故障，则主母线保护单元208可以将母线故障指示信号向下游发送至被通信联接至主母线保护单元208的配电母线保护单元210(例如，如果故障被确定是在主母线保护单元208的下游)。如果配电母线保护单元210识别故障，则配电母线保护单元210可以将母线故障指示信号向上游发送至主母线保护单元208(例如，如果故障被确定是在配电母线保护单元210的上游)和/或向下游发送至被通信联接至配电母线保护单元210的负载节点保护单元212(例如，如果故障被确定是在配电母线保护单元210的下游)。如这里所描述的，应该领会的是，跳闸命令可以在已由相应的上游/下游母线保护单元400确认了故障之后被发送至相应的上游/下游隔离装置112。在一些实施例中，母线保护单元400例如取决于故障的确定位置而仅向上游(例如，朝向功率源102)或向下游发送母线故障指示信号。
如果母线保护单元400在框616中确定故障不在母线区内，则方法600前进至图7的框624，在该框中母线保护单元400将指示识别到的故障的非母线故障指示信号发送至连接的/相邻的母线保护单元(例如，上游/下游)。在框626中，母线保护单元400确定是否已从另一母线保护单元接收到故障指示信号。例如，在一些实施例中，母线保护单元400可以接收指示已由另一母线保护单元识别到故障的信号。如果已接收到故障指示信号，则母线保护单元400在框628中确定故障可以被确认为发生在直接连接的电路上。如果是这样，则在框630中，母线保护单元400识别出适当的隔离装置112并使其跳闸以便如这里所描述的隔离有故障的电路。然而，如果母线保护单元400不能确认故障未发生在直接连接的电路上，则母线保护单元400在框632中执行一个或多个重置操作。例如，在一些实施例中，母线保护单元400可以重置隔离装置112中的一个或多个和/或重启方法600的执行(例如，在预定的延迟时间之后)。在其他实施例中，母线保护单元400可以进行任何合适的操作以便处理发生在直接连接电路上的故障。
如果母线保护单元400在框626中确定没有从另一母线保护单元接收到故障信号，则母线保护单元400在框634中使跳闸定时器递增。在框636中，母线保护单元400将跳闸定时器与设定用于跳闸定时器的预定阈值进行比较并且确定跳闸定时器是否超过阈值。如果是这样，则母线保护单元400在框630中识别出适当的隔离装置112并使其跳闸。如果不是，则方法600返回至框626，在该框中母线保护单元400确定是否从另一母线保护单元400(例如，上游或下游)接收到故障指示信号。如果不是，则母线保护单元400再次在框534中使跳闸定时器递增。例如，在一些示例中，如果故障被确定是在母线保护单元400的下游，则跳闸命令可以在跳闸定时器(例如，备用定时器)超过预定阈值之后被发送至适当的隔离装置112。这样，跳闸定时器提供了用于下游母线保护单元的后备保护功能。
如图3中所示，在一些实施例中，母线保护单元208、210、212没有跨越单独的通信链路彼此通信。例如，在诸如DC数据中心功率供给系统等的紧凑型DC配电系统100中，特定母线保护单元208、210、212的保护区可以被延伸至包括上游传入电路，上游传入电路在两个相邻区之间创建重叠。应该领会的是，母线保护单元400可以执行用于这样的实施例的与这里所描述的方法600类似的方法。例如，在一些实施例中，母线保护单元400可以执行图8的方法800。
现在参见图8，在使用中，母线保护单元400可以执行用于检测在不包括通信的DC配电系统100(例如见图3的DC配电系统300)中的故障位置的方法800。说明性方法800开始于框802，在该框中母线保护单元400监测由联接至母线保护单元400的传感器420产生的传感器数据。特别地，在框804中，母线保护单元400可以监测由传感器420产生的母线电压和电流测量。如上面所描述的，母线保护单元400可以取决于特定实施例而连续地、周期性地或基于其他准则来监测传感器数据。
在框806中，母线保护单元400基于传感器数据确定故障是否已发生。在这样做时，在框808中，母线保护单元400可以将一个或多个故障检测算法应用于传感器数据。在一些实施例中，母线保护单元400可以基于例如电压幅值、电压导数、电流方向、电流幅值、电流导数、电流差动、故障阻抗、瞬态功率和/或其他合适的参数来分析各种故障签名。例如，在一些实施例中，显著的母线电压减小或电流增加如上面所描述的可以指示故障的存在。
如果母线保护单元400在框810中确定已检测到故障，则母线保护单元400在框812中确定故障的近似位置。例如，母线保护单元400可以确定故障是否发生在由母线保护单元400监测的母线区内。如上面所指出的，母线保护单元400可以利用用于确定故障是否发生在母线区内的任何合适的技术、机构和/或算法。如果母线保护单元在框810中确定未检测到故障，则方法800返回至框802，在该框中母线保护单元400继续监测由传感器420产生的传感器数据。
如果母线保护单元400在框814中确定故障发生在母线区内，则母线保护单元在框816中识别出与故障相应的隔离装置112并使其跳闸。然而，如果母线保护单元400确定故障不在母线区内，则母线保护单元400在框818中使跳闸定时器递增。在框820中，母线保护单元400将跳闸定时器与设定用于跳闸定时器的预定阈值进行比较并且确定跳闸定时器是否超过阈值。如果是这样，则母线保护单元400在框816中识别出适当的隔离装置112并使其跳闸。否则，方法800返回至框818，在该框中母线保护单元400继续使跳闸定时器递增。应该领会的是，在一些实施例中，母线保护单元400可以确定DC配电系统100内不再有故障(例如，基于实时传感器数据)，在该情况中，母线保护单元400可以取决于特定实施例而暂停、重置或禁用跳闸定时器。

Claims (20)

1.一种用于检测直流(DC)配电系统中的故障位置的母线保护单元，所述母线保护单元包括：
至少一个传感器，以产生指示由所述母线保护单元监测的DC电气母线的一个或多个特性的传感器数据；
故障检测模块，以(i)监测所述传感器数据，(ii)基于所产生的传感器数据来确定故障是否已发生，和(iii)响应于确定所述故障已发生来确定所述故障是否发生在由所述DC电气母线限定的母线区内；
故障隔离模块，以响应于(i)确定所述故障已发生在所述母线区内或(ii)来自另一母线保护单元的指示所述故障已发生在所述母线区内的通信，而使所述母线区内的隔离装置跳闸；和
通信模块，以响应于确定所述故障已发生而将故障指示信号发送至相邻的母线保护单元。
2.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中监测所述传感器数据包括监测所述DC电气母线的母线电压。
3.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中监测所述传感器数据包括监测所述DC电气母线的电流。
4.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中确定所述故障是否已发生包括将故障检测算法应用于所产生的传感器数据。
5.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中所述隔离装置包括电气开关。
6.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中所述通信模块进一步将所述故障指示信号发送至被通信联接至所述母线保护单元的各其他的母线保护单元。
7.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中将所述故障指示信号发送至所述相邻的母线保护单元包括将将数字信号发送至所述相邻的母线保护单元。
8.根据权利要求1所述的母线保护单元，进一步包括故障定时器模块，以(i)响应于将所述故障指示信号发送至所述相邻母线保护单元而建立跳闸定时器和(ii)响应于确定所述跳闸定时器已超过预定阈值而使所述隔离装置跳闸。
9.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中所述母线保护单元包括监测被电联接至主母线和负载节点的DC配电母线的配电母线保护单元。
10.根据权利要求9所述的母线保护单元，其中所述配电母线保护单元被通信联接至监测所述主母线的主母线保护单元和监测所述负载节点的负载节点保护单元。
11.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中所述母线保护单元包括监测被电联接至配电母线的DC负载节点的负载节点保护单元。
12.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中所述母线保护单元包括监测被电联接至公共事业功率系统和配电母线的DC主母线的主母线的主母线保护单元。
13.根据权利要求1所述的母线保护单元，其中所述母线保护单元包括微控制器。
14.一种用于检测直流(DC)配电系统中的故障的位置的方法，所述方法包括：
通过母线保护单元监测由所述母线保护单元的至少一个传感器产生的传感器数据，其中所述传感器数据指示由所述母线保护单元监测的DC电气母线的一个或多个特性；
通过所述母线保护单元基于所产生的传感器数据来确定故障是否已发生；
通过所述母线保护单元响应于确定所述故障已发生来确定所述故障是否发生在由所述DC电气母线限定的母线区内；
通过所述母线保护单元响应于(i)确定所述故障已发生在所述母线区内或(ii)接收到来自另一母线保护单元的指示所述故障已发生在所述母线区内的通信，而使所述母线区内的隔离装置跳闸；和
通过所述母线保护单元响应于确定所述故障已发生而将母线故障指示信号发送至相邻的母线保护单元。
15.根据权利要求14所述的方法，其中监测所述传感器数据包括监测所述DC电气母线的母线电压或电流中的至少一个。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括通过所述母线保护单元将所述故障指示信号发送至被通信联接至所述母线保护单元的各其他的母线保护单元。
17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
通过所述母线保护单元响应于将所述故障指示信号发送至所述相邻的母线保护单元而建立跳闸定时器；和
通过所述母线保护单元响应于确定所述跳闸定时器已超过预定阈值而使所述隔离装置跳闸。
18.一个或多个机器可读存储介质，包括存储于其上的多个指令，所述指令响应于通过母线保护单元的执行而引起所述母线保护单元：
监测由所述母线保护单元的至少一个传感器产生的传感器数据，其中所述传感器数据指示由所述母线保护单元监测的DC电气母线的一个或多个特性；
基于所述产生的传感器数据来确定故障是否已发生；
响应于确定所述故障已发生来确定所述故障是否已发生在由所述DC电气母线限定的母线区内；
响应于(i)确定所述故障已发生在所述母线区内或(ii)来自另一母线保护单元的指示所述故障已发生在所述母线区内的通信而使所述母线区内的隔离装置跳闸；和
响应于确定所述故障已发生而将母线故障指示信号发送至相邻的母线保护单元。
19.根据权利要求14所述的一个或多个机器可读存储介质，其中监测所述传感器数据包括监测所述DC电气母线的母线电压或电流中的至少一个。
20.根据权利要求14所述的一个或多个机器可读存储介质，其中将所述故障指示信号发送至所述相邻的母线保护单元包括将数字信号发送至所述相邻的母线保护单元。
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