CN107112742A - 用于dc配电系统的保护的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

虽然在DC配电系统内的不同位置处的瞬态电流幅度本身并不是故障位置的可靠指示,这里认识到累加能量或伪能量值提供了用于使故障位置处的保护元件跳闸的可靠基础。因此,在这里的教导的一个方面中,针对一个或多个受保护的分支电路中的每一个,在故障情况期间伪能量值被独立地累加,并且响应于累加的伪能量值达到定义的伪能量阈值,使针对每个这种分支电路的保护元件跳闸。伪能量阈值被定义,使得在故障位于的分支电路中的保护元件首先跳闸。

Description

用于DC配电系统的保护的方法和装置
技术领域
本发明总地涉及直流DC配电系统,并且具体地涉及保护DC配电系统内的分支。
背景技术
电力电子开关的能量和功率密度中的最近改善是支持DC电力系统的部署和操作的发展。DC配电系统已经长期被用在某些应用中,例如在某些类型的工业工厂中,但是它们在包括船上电力系统、光伏和其他类型的可再生能源生成系统的各种领域中寻求新的和扩展的使用。
虽然DC配电系统在这样的情景中提供了许多优点,包括减少电力生成和/或转换所需的设备的数量或类型以及提高效率,但是它们也提供了许多挑战。例如,这里认识到关于确定DC配电系统中的故障的位置出现挑战。在这些挑战的一个方面中,作为低电路阻抗的结果,在放射状DC配电系统内的不同分支中和不同母线上的稳态故障电流可能是非常相似的。此外,依赖于电流导数的故障定位技术在DC配电系统中是不可靠的,因为例如作为能量存储设备或其他能量资源在系统中的各种位置处存在以及分支之间的RLC差异的结果,不同的分支经历不同的瞬态电流波形。
发明内容
虽然在直流DC配电系统内的不同位置处的瞬态电流幅度本身并不是故障位置的可靠指示,这里认识到累加能量或伪能量值提供了用于使在故障位置处的保护元件跳闸的可靠基础。因此,在这里的教导的一个方面中,针对一个或多个受保护的分支电路中的每一个,在故障情况期间独立地累加伪能量值,并且响应于累加的伪能量值达到定义的伪能量阈值,使针对每个这种分支电路的保护元件跳闸。伪能量阈值被定义为使得故障位于的分支电路中的保护元件将首先跳闸。
在一个示例中,在控制装置中实现保护DC配电系统中的分支电路的方法。该方法包括确定在DC配电系统中存在故障情况,并且基于针对分支电路的重复采样电流,在故障情况持续时累加伪能量值。该方法还包括响应于累加的伪能量值达到定义的伪能量阈值,来使针对分支电路的保护元件跳闸。相同的方法可以应用于DC配电系统中的多个分支电路,其中针对每个分支电路位置独立地累加伪能量。在这种布置中,针对直接涉及故障的分支电路的保护元件通常将首先跳闸,因为伪能量将在故障点累加得更快,因为源将大多数瞬态电流贡献到故障位置中。
在另一示例中,控制装置被配置为保护DC配电系统中的分支电路。控制装置包括被配置为获得针对分支电路的局部测量的接口电路,以及被配置为确定在DC配电系统中存在故障情况的处理电路。处理电路还被配置为基于针对分支电路的重复采样电流,在故障情况持续时累加伪能量值,并且响应于累加的伪能量值达到定义的伪能量,来使针对分支电路的保护元件跳闸。
当然,本发明不限于上述特征和优点。本领域普通技术人员在阅读下面的详细描述时并且在查看附图时将认识到附加的特征和优点。
附图说明
图1是包括如这里所设想的用于保护DC配电系统内的一个或多个分支电路的控制装置的示例布置的DC配电系统的一个实施例的框图。
图2是包括另一示例控制装置布置的DC配电系统的另一实施例的框图。
图3是被配置用于保护DC配电系统中的分支电路的控制装置的另一实施例的框图。
图4是针对直接涉及DC配电系统中的故障的第一分支电路和远离故障的系统中的第二分支电路的电流的示例曲线图。
图5是针对在控制布置的一个实施例中实现的示例处理电路的框图。
图6是保护DC配电系统中的分支电路的方法的一个实施例的逻辑流程图。
具体实施方式
图1示出了简单地称为系统或电网10的直流DC配电系统10的一个实施例。系统10包括多个分支电路12,并且向多个负载14提供电力。在所描绘的示例,系统10包括多个母线16,多个母线16可以被理解为是分级的,因为上游母线16经由分支电路12为下游母线16供电。虽然未示出,但是系统10例如经由耦合到传输系统的变电站从供电系统或网络接收电力。
各种分支电路12包括保护元件20,其在非限制性意义上可以是熔断器、机械开关或作为保护开关操作的电力电子器件。这些保护元件20中的至少一些与控制装置22相关联并由控制装置22控制,控制装置22根据这里的教导被配置为基于如这里教导的“伪能量”测量来使保护元件20跳闸或以其他方式致动保护元件20。术语“伪能量”突出了控制装置22至少进行类似能量的测量的事实,但是这些测量可以被简化,使得它们不是严格的能量计算。
例如,伪能量从电力计算被计算,该电力计算通过假设故障电流电阻值为一(即R=1)被简化。另外或备选地,伪能量计算使用测量的电流的立方或更高次幂的值,而不是与电力的计算相关联的平方电流值。重要的是,这里教导的伪能量累加从系统10内的下游电容器捕捉放电电流,这意味着在系统10中的不同位置处的故障电流幅度中的差异通过关于那些不同位置累加的伪能量值被加强,而在不同位置处的时间常数中的差异被平滑。
作为示例,第一分支电路12被指定为分支电路12-1,并且第一分支电路12包括第一保护元件20-1,第一保护元件20-1又与第一控制装置22-1相关联。第二分支电路12-2在系统10的电气结构或拓扑结构方面在第一分支电路12-1的下游,并且第二分支电路12-2包括与第二控制装置22-2相关联的第二保护元件20-2。类似地,第三分支电路12-3在第二分支电路12-2的下游,并且第三分支电路12-3包括与第三控制装置22-3相关联的第三保护元件20-3。
当为了清楚起见不需要后缀时,附图标记“22”用于指代单数意义上的任何给定的控制装置22或指代复数意义上的多个控制装置22。相同的方式用于分支电路12和保护元件20。
示例性实施例中的每个控制装置22包括接口电路24、处理电路26和存储设备或电路28。存储设备28包括计算机可读介质,该计算机可读介质至少在用于安装的设置之后存储配置数据30。示例设备包括但不限于闪存和/或EEPROM。此外,在处理电路26包括数字处理电路的实施例中,该数字处理电路经由计算机程序指令的执行而被编程配置,存储设备28存储计算机程序32,计算机程序32的执行专门将作为处理电路26的微处理器或其他数字处理器适配为执行这里教导的处理算法。然而,广义上,处理电路26可以包括固定电路系统、编程电路系统或两者的混合。
图2示出了另一实施例,其中给定的控制装置22耦合到多于一个保护元件20,并且被配置为关于各个分支电路12执行监测和控制,各个分支电路12对应于多个保护元件20。因此,在一些实施例中,至少一个控制装置22与多个分支电路12相关联,并且为这些分支电路12中的每一个提供保护元件控制。在该方面中,由控制装置22的“集中式”版本执行的故障检测和控制操作仍然可以关于每个相关联的分支电路12独立地进行,例如,控制装置22的集中式版本关于其监视的每个分支电路12独立地执行故障检测处理。
在备选实施例中,如图3所示,控制装置22可以与单个分支电路12相关联,并且仅控制针对该分支电路12的保护元件20。在至少一个这种实施例中,控制装置22和保护元件20被一起集成为保护设备34。这种保护设备34例如被配置用于安装在目标分支电路12内,并且作为针对目标分支电路12的独立保护开关操作。
然而,控制装置22也不限于图1的示例系统10中所示的电气结构或拓扑。在未明确示出的另一示例中,系统10至少部分地具有“环”拓扑,其中DC母线16是经由开关或转换器互连的岛。每个岛可以具有为负载14供电或耦合到其他DC母线16的多个分支电路12。在这种电气结构的上下文中,这里设想的控制装置22可以被配置为例如通过控制在环内互连DC母线16的开关或转换器来保护环内的DC岛。另外或备选地,给定的控制装置22可以用于保护各个分支电路12免受母线16中的任何一个或多个的影响。
考虑到这些示例,根据这里的教导的控制装置22被配置为保护例如在系统10中的DC配电系统中的分支电路12。在示例实施例中的控制装置22包括上述接口电路24和处理电路26。接口电路24被配置为获得针对分支电路12的局部测量,例如针对分支电路12的分支电压和/或分支电流测量和/或分支电压或电流导数。
这些测量通过在控制装置22-1、22-2和22-3之间以及它们相应的分支电路12-1、12-2和12-3之间示出的虚线来表明。在该方面中,接口电路24将被理解为包括滤波器、缓冲器、放大器和数字化器,或者根据需要的其他这种电路系统,以获得针对分支电路12的电压和/或电流测量。
继而,处理电路26被配置为确定在DC配电系统中存在故障情况,在故障情况持续时累加伪能量值,并且响应于累加的伪能量值达到定义的伪能量阈值而使针对分支电路12的保护元件20跳闸。在该上下文中,基于处理电路26被配置为重复采样针对分支电路12的电流来累加伪能量值。
为了理解“伪能量”表示,考虑到能量E被经典地表示为
E=功率×时间,
并且有效电功率P被表示为
P=VI=I2R,
其中V=电压,I=电流,R=电阻。在这里教导的伪能量计算的一个实现方式中,控制装置22假设R为一的值,即R=1。该假设反映了在短路故障点处的电阻低的认识。伪能量计算也可以使用电流的立方(或甚至更高幂指数),而不是其平方。值得注意的是,使用这些较高次幂的电流值可以帮助加强直接涉及短路故障的分支电路12与不直接涉及故障的分支电路12(即,远离故障的分支电路12)之间的故障电流幅度中的差异。
为了进一步加强电流幅度差异,伪能量的阶数可以是常数或时间相关变量。例如,伪能量可以在初始瞬态时段期间(例如高达1-2毫秒)使用立方或高次幂来计算,并且然后针对剩余故障时段或定义的时间段使用平方来计算。因此,在一个或多个实施方案中,为了在故障情况存在时累加伪能量值,处理电路26被配置为基于提高到等于2或更大的n次幂指数的分支电流测量或估计来计算每个伪能量值,并且根据时间来改变幂指数。例如,处理电路26被配置为在确定存在故障情况之后的初始时间段期间使用较高的幂指数,并且在随后的时间段期间使用较低的幂指数。
借助于将针对给定的分支电路12的跳闸控制动作绑定到针对该分支电路12累加的伪能量,并且通过适当地设置用于触发跳闸的伪能量阈值,受影响的分支电路12中的保护元件20(即,直接涉及故障的分支电路12)将在不直接涉及故障的分支电路12内的类似受控的保护元件20之前跳闸。为了获得期望的行为,在这里的一个或多个实施例中,用于保护每个给定的分支电路12的定义的伪能量阈值根据该分支电路12在系统10的电气结构内的位置或定位而被配置。
这种细节反映了这里的有利认识,可以通过将针对被保护的分支电路12的分支电流(平方或其他方式)转换为无单位能量∫indt,来扩大在系统10中的不同分支电路12中看到的故障电流中的差异。该无单位能量值有效地区分不同的故障位置并且因此使得分布式保护机构(即分布式保护元件20和对应的控制装置22)能够可靠地使在直接涉及故障的分支电路12中的保护元件20跳闸。
更详细地,在一个或多个实施例中,在确定存在故障情况时并且在故障情况持续时,给定的控制装置22的处理电路26被配置为基于被配置为如下来累加针对分支电路12的伪能量值:(a)基于针对分支电路的重复采样电流,在故障情况持续时累加伪能量值,以及(b)响应于累加的伪能量值达到定义的伪能量值,使针对分支电路12的保护元件跳闸。
在一个实施例中,累加伪能量值包括在连续计算间隔上累加伪能量值。该累加处理基于处理电路26,处理电路26被配置为:(a)确定提高到n次幂的针对当前计算间隔的分支电流测量或估计和提高到n次幂的针对先前计算间隔的分支电流测量或估计之间的差,(b)将该差乘以当前计算间隔和先前计算间隔之间的经过时间,以获得针对当前计算间隔的伪能量值,以及(c)将针对当前计算间隔的伪能量值添加到动态求和(running sum)。
在相同或其他实施例中,处理电路26被配置为基于在伪能量值被累加的至少一些计算间隔中使用分支电流估计而不是分支电流测量来用于伪能量值的计算,来减少用于采样分支电流的采样率。例如,每隔一个计算间隔使用例如如从先前的实际测量推断的分支电路电流的估计。
至少在一些实施例中,定义的伪能量阈值根据分支电路12在系统10的电气结构内的位置而被设置,例如,根据与系统10内的分支电路12相关联的RLC参数。此外,在一个或多个实施例中,由给定的控制装置22用于控制在被监视分支电路12中的保护元件20的跳闸的定义的伪能量阈值是对应于不同负载电流值的多个定义的伪能量阈值之一。
在这种实施例中,给定控制装置22的处理电路26被配置为基于选择与分支电路12的故障前负载情况最佳匹配的定义的伪能量阈值,来从多个定义的伪能量阈值选择哪个定义的伪能量阈值用于使保护元件20跳闸。换句话说,因为分支电路12中的瞬态故障电流的幅度和/或其他参数是分支电路12中的故障前电流的函数,控制装置22根据分支电路12的故障前负载情况来调节用于跳闸控制的定义的伪能量阈值。
此外,如注意到的,处理电路26并不开始累加伪能量,直到它检测到故障情况存在为止。对应地,在一个或多个实施例中,处理电路26被配置为基于被配置为从分支电路电压或电流或从分支电路电压或电流的导数检测到故障情况来确定存在故障情况。此外,在一个或多个实施例中,处理电路26被配置为基于被配置为重复地确定以下各项中的至少一个来确定故障情况是否持续:分支电流是否高于用于故障检测的电流阈值,以及分支电压是否低于用于故障检测的电压阈值。受制于针对保护动作的响应时间限制,任何或所有这种测量可以被过滤或以其他方式限制用于控制稳定性。
在相同或进一步的实施例中,处理电路26被配置为响应于以下各项中的至少一个来重置保护元件12:在控制装置22处接收到控制输入,确定故障情况不再存在,以及与确定自从使保护元件20跳闸起已经经过了定义的时间段相结合地确定故障情况不再存在。这里,控制输入可以例如经由被包括在接口电路24中的信令电路来自具有与控制装置22的信令链路的更高级别的监督控制器。另外或备选地,控制输入可以是来自合格用户(例如,与系统10的所有者相关联的维护人员)的手动输入。
还如前面注意到的,在一些实施例中,给定的控制装置22和给定的保护元件20可以被集成在一起,例如以形成如图3所示的集成保护设备34。应当理解,在这种实施例中由控制装置22使用的一个或多个定义的伪能量阈值可以作为包括前述配置数据30的一部分的预定义的值被加载到控制装置22中或以其他方式在控制装置22中被配置。可以鉴于关于所讨论的特定分支电路12的系统10的电气特性,或者至少关于分支电路12在系统10的整个电气结构内的一般位置来计算或以其他方式设置这种值。
此外,在至少一些实施例中,控制装置22支持现场配置过程或其他制造后过程,其中由控制装置22用于保护控制的定义的伪能量阈值经由膝上型计算机或其他编程设备被加载到控制装置22中。这种操作可以被锁或其他防窜改物理特征限制和/或可以使用加密、专有信令协议或已知用于保护通信并将通信限于授权设备和软件的其他机制来限制。
在任何情况下,用于控制针对给定的分支电路12的保护元件跳闸的一个或多个预定义的伪能量阈值的值可以根据分支电路12的已知或预期负载、分支电路12上的一个或多个负载14的类型以及向分支电路12中看或从分支电路12向外看的阻抗被设置。关于被配置用于在系统10内的相应的分支电路12处的单独安装的多个控制装置22,每个这种控制装置22使用适合于与其相应的分支电路12相关联的电气特性的定义的伪能量阈值。
此外,每个这种控制装置22被配置为仅在存在检测到的故障时累加伪能量,否则清除或不累加伪能量。该行为与位置定制的伪能量阈值的使用相结合,意味着故障位于的分支电路12中的保护元件20将在不直接涉及故障的分支电路12中的保护元件20之前跳闸。
图4提供与直接涉及短路故障的第一分支12(“分支1”)和不直接涉及故障的第二分支12(“分支2”)相关联的瞬态电流的示例曲线图。每个电流曲线中的第一个峰与快速电容器放电相关联,而第二个较宽的峰主要归因于系统10中的分布式能量源。因此可以看到电流导数和/或峰值检测器不是故障位置的可靠的指示,但是如这里教导的伪能量累加避免了这些问题。
也就是说,假设分支1直接涉及故障,并且分支2不直接涉及故障,即分支2与故障位置分开一定的电气“距离”,并且假设定义的伪能量阈值被适当地设置用于分支1和分支2,在针对分支2的累加的伪能量值达到分支2的定义的伪能量阈值之前,针对分支1的累加的伪能量值将达到分支1的定义的伪能量阈值。因此,在针对分支2的累加的伪能量值达到分支2的对应定义的伪能量阈值之前,针对分支1的保护元件20将跳闸。
为了更好地理解该行为,考虑图5的示例。给定的控制装置22的处理电路26包括故障检测电路40、伪能量计算电路42和跳闸控制器电路44。在一个或多个实施例中的跳闸控制器电路44被配置有查找表46或作为配置信息30的一部分被包括的其他数据结构。
故障检测电路40包括用于在故障检测中使用、如需要用于获得分支电路电压和/或电流测量的测量电路(例如,缓冲器、滤波器、放大器、数字化器),或故障检测电路40与可以被包括在接口电路24中的这种电路对接。在任何情况下,故障检测电路40向跳闸控制器电路44提供故障检测信号。在其他实施例中,故障检测电路40或伪能量计算电路42向跳闸控制器电路44提供由跳闸控制器电路44处理以检测故障情况的出现/持续的原始值。
伪能量计算电路42被配置为例如针对相关联的分支电路12以定义的采样率获得分支电流样本,并且累加对应的伪能量值。表示伪能量值的累加的动态求和可以在故障前状态下被初始化为零,并且在故障情况持续时被主动地维持。累加的伪能量值在图5中被示出为“E”,作为从伪能量计算电路42到跳闸控制器电路44的输出。
在一些实施例中,跳闸控制器电路44使用单个定义的伪能量阈值用于评估从伪能量计算电路42输出的累加的伪能量值。在其他实施例中,定义的伪能量阈值根据故障前负载情况被适配。例如,查找表46包括对应于不同的故障前负载情况(例如,被表示为不同的故障前负载电流范围)的多个第一条目ipfx。这里,“x”表示1、2等。每个第一条目映射到对应的定义的伪能量阈值Ex。因此,用于相关联的分支电路12中的保护元件20的跳闸控制的特定Ex值取决于针对分支电路12已知或测量的故障前状态。
该多个或一组Ex值定义了针对控制装置22的时间能量曲线TEC的范围。此外,可以看到控制装置22的跳闸时间根据实际TEC被确定,该实际TEC是在故障情况期间经历的实际伪能量累加率以及沿着实际TEC的“跳闸”点的函数。该跳闸点由与从查找表46中选择的Ex值对应的交点确定。
当给定的控制装置22被配置为保护DC配电系统中的两个或更多个分支电路12时,每个分支电路12具有相应的保护元件20并且与相应地限定的伪能量阈值相关联。对应地,控制装置22的该“集中式”版本的接口电路24被配置为获得针对两个或更多个分支电路12中的每一个的测量,并且处理电路26被配置为针对两个或更多个分支电路12中的每一个独立地累加伪能量值,并且使两个或更多个分支电路12中的任何给定的分支电路的相应的保护元件独立地跳闸。该跳闸响应于针对给定的分支电路12的累加的伪能量值达到给定的分支电路12的定义的伪能量阈值来进行。集中式控制装置22的处理电路26可以被配置为针对每个相关联的分支电路12使用Ex值的不同的查找表46。
图6示出了用于例如如上所述的控制装置22的操作的一种方法600。应当理解,控制装置22可以被配置为基于其执行包括图1所示的计算机程序32的程序指令,或者基于控制装置22内的固定电路系统的配置来执行方法600。此外,应当理解,方法600中的一个或多个步骤或操作可以以与图6中表明的顺序不同的顺序来执行,和/或结合其他处理来执行。此外,可以关于与集中式控制装置22相关联的每个分支电路12通过集中式控制装置22或者通过与各个分支电路12相关联的各个控制装置22来进行。
方法600包括监视(框602)故障情况。在一个实施例中,故障监视包括基于电流的监视,其中控制装置22重复测量分支电流并将测量的电流与故障电流阈值(例如关于电流的上限)进行比较。在另一实施例中,故障监视包括基于电压的监视,其中控制装置22监视分支电压并将测量的电压与故障电压阈值(例如关于电压的下限)进行比较。一些实施例组合电压和电流监视,使得在局部分支电流或局部分支电压被检测为在定义的操作限制之外的情况下检测到故障。在其他实施例中,在由控制装置22声明故障情况之前,电压和电流都必须超出限定的操作限制之外。
在其他实施例中,控制装置22被配置为计算分支电压测量和/或分支电流测量的导数。在这种实施例中,控制装置22基于确定针对局部分支电路12中的电压和/或电流的定义的变化率限制已经被超过来检测系统10内的故障。当然,受制于响应时间限制,故障声明可以被过滤或以其他方式限制,以确保更健壮的故障检测。
如果没有检测到故障(从框604为否),则控制装置22继续监视故障情况,并且不开始或继续累加伪能量值和不使对应的保护元件20跳闸。当然,控制装置22也可以执行其他动作,如至少在控制装置22例如经由被包括在接口电路24中的通信电路提供与外部设备的通信或信令的实施例中,向系统10中的更高级别的控制实体报告状态。
如果检测到故障情况(从框604为是),则处理电路26开始累加伪能量值(框606)。在这种处理的一个示例中,处理电路26开始重复采样分支电流,并计算对应的伪能量值,该伪能量值添加到动态求和。例如,处理电路26每“x”毫秒或更快地采样分支电路电流,对每个测量求平方,基于每个求平方的测量来计算新的伪能量,并将新的伪能量值添加到动态求和。在每一个这种累加处,或在每隔一个、两个或其他数量的累加之后,将动态求和与定义的伪能量阈值进行比较。也就是说,将累加的伪能量值与定义的伪能量阈值进行比较(框608),并且响应于确定累加的伪能量值达到或超过定义的伪能量阈值(从框610为是),使保护元件20跳闸(框612)。
如果在框610中进行的比较检查处,处理电路26确定累加的伪能量值低于定义的伪能量阈值(从框610为否),则处理电路26确定故障情况是否仍然持续而继续处理(框614)。该检查包括例如将局部分支电流的新的或最近的测量或对应的已过滤的值与故障电流阈值进行比较。如果处理电路26基于其评估决定故障情况仍然不存在时(从框616为否),则处理电路26转换到“复位”处理(框618)。注意,持续/不持续的故障情况评估可以在适用于所期望的响应时间的任何间隔上进行。
在复位处理的示例情况下,处理电路26停止伪能量累加,并且在一些实施例中,处理电路26清除当时存在的累加的伪能量值并以其他方式“复位”其整个控制算法。然而,如果处理电路26决定故障情况仍然持续(从框616为是),则处理返回到框606,在框606处处理电路26继续伪能量累加。
概括地说,关于系统10中的给定的分支电路12,方法600可以被理解为确定故障情况在系统10中存在,并且在故障情况持续时累加伪能量值。通过重复采样分支电流和计算对应的伪能量值来累加伪能量。方法600还包括响应于累加的伪能量值达到定义的伪能量阈值,使针对分支电路12的保护元件20跳闸。
在示例方式中,处理电路26被配置为在每一个计算间隔中计算新的伪能量值并且在连续计算间隔上累加伪能量值。计算间隔率可以等于用于采样分支电流的电流采样率,或者在计算间隔中的至少一些中使用估计的分支电流的实施例中,计算间隔率可以高于电流采样率。
令t1是与先前的计算间隔相关联的时间值,并且令t2是与当前计算间隔相关联的时间值。类似地,令是提高到n=2或更大次幂的针对先前的计算间隔的估计的或采样的分支电流。类似地,令是提高到相同的n次幂的针对当前计算间隔的估计的或采样的分支电流。在一个或多个实施例中,针对当前计算间隔的伪能量值E2因此被计算为
注意,该时间t2和t1可以以某个动态计数值(例如,秒的分数)来表示。因此,累加的伪能量值包括例如基于在每个这种间隔测量的或估计的电流和从先前的计算的经过时间,来在连续计算间隔计算和累加E值。
这种处理有利地捕捉或说明在系统10内的不同的分支电路12中出现的故障电流中的差异,该差异归因于例如在系统10中的各种位置处的相关联的电网连接、局部发电机、分布式电容器和能量储存设备。分布式电容器包括在系统10中的线的电容,并且例如连接作为系统10中的负载14的任何转换器(例如,DC-DC和DC-AC转换器)的电容。
在系统10中的不同的分支电路12处看到的故障电流取决于相关联的电阻、电感和电容RLC值。可以针对来自系统10的已知电气结构的每个分支电路12,估计针对系统10中的任何给定的分支电路12的瞬态故障电流的特性,并且相应地设置定义的能量阈值。
如注意到的,因为DC故障电流快速发展,在任何给定的控制装置22中的处理电路26可以被配置为使用分支电流样本和分支电流估计两者。例如,可以通过使用估计的分支电流,而不是测量的分支电流来计算每隔一个的伪能量值,来使所需的采样率减半。设想了其他分数减少(fractional reduction),并且测量的故障电流对估计的故障电流的混合可以例如根据电流斜率被动态地改变。
在分支电流估计的一个示例中,处理电路26根据测量的电流的斜率和最后的实际样本与估计时间之间的时间差来近似实际电流样本之间的时刻处的分支电流。例如通过预测未来的分支电流值和针对预测的电流值累加伪能量值,这种估计也可以用于缩短控制装置22的响应时间。
在给定的分支电路12上使用的定义的伪能量阈值也可以鉴于连接到分支电路12的设备(例如,针对转换器或针对其他功率半导体开关)的安全操作区或SOA评级而被配置。每个受保护的分支电路12可以具有一组TEC,其包括如由针对连接的设备定义的最小和最大能量限制确定的Emin值和Emax值。此外,用于给定的分支电路12的一个或多个定义的伪能量阈值可以基于任何一个或多个保护标准,包括可靠性、稳定性、选择性、速度等。那么,有效地,取决于不同的保护要求,用于保护给定的分支电路12的TEC的形状可以与在另一分支电路12中使用的TEC的形状不同。更进一步地,在例如与不同的故障前条件对应地定义多个伪能量阈值的程度上,由伪能量阈值表示的TEC可以具有不同的形状,并且在TEC之间可以存在不连续或阶跃变化。
值得注意的是,受益于在前述描述和相关联附图中呈现的教导的本领域技术人员可以想到所公开的一个或多个发明的修改和其他实施例。因此,应当理解,一个或多个本发明不限于所公开的具体实施例,并且修改和其他实施例旨在被包括在本公开的范围内。虽然这里可以使用的特定术语,但是它们仅在一般和描述性意义上使用,而不是为了限制的目的。

Claims (20)

1.一种在保护直流DC配电系统中的分支电路的控制装置中的方法,所述方法包括:
确定所述DC配电系统中存在故障情况;以及
基于针对所述分支电路的重复采样电流,在所述故障情况持续时累加伪能量值;以及
响应于累加的所述伪能量值达到定义的伪能量阈值,使针对所述分支电路的保护元件跳闸。
2.根据权利要求1所述的方法,其中累加所述伪能量值包括基于以下各项在连续计算间隔上累加所述伪能量值:
确定提高到n次幂的针对当前计算间隔的分支电流测量或估计和提高到所述n次幂的针对先前计算间隔的分支电流测量或估计之间的差;
将所述差乘以所述当前计算间隔和所述先前计算间隔之间的经过时间,以获得针对所述当前计算间隔的所述伪能量值;以及
将针对所述当前计算间隔的所述伪能量值添加到动态求和。
3.根据权利要求1所述的方法,还包括基于在所述伪能量值被累加的至少一些计算间隔中使用分支电流估计而不是分支电流测量来用于所述伪能量值的计算,来减少用于采样所述分支电流的采样率。
4.根据权利要求1所述的方法,其中根据所述分支电路在所述DC配电系统的电气结构内的位置来设置所述定义的伪能量阈值。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述定义的伪能量阈值是对应于不同负载值的多个定义的伪能量阈值中的一个,并且其中所述方法还包括基于选择与所述分支电路的故障前负载情况最佳匹配的所述定义的伪能量阈值,来从所述多个定义的伪能量阈值选择哪个定义的伪能量阈值用于使所述保护元件跳闸。
6.根据权利要求1所述的方法,其中确定所述故障情况存在包括从分支电路电压或电流或者从所述分支电路电压或电流的导数检测所述故障情况。
7.根据权利要求1所述的方法,还包括确定所述故障情况是否持续,其中确定所述故障情况是否持续包括重复地确定以下各项中的至少一个:
分支电流是否高于用于故障检测的电流阈值;以及
分支电压是否低于用于故障检测的电压阈值。
8.根据权利要求1所述的方法,还包括响应于以下各项中的至少一个来重置所述保护元件:在所述控制装置处接收控制输入,确定所述故障情况不再存在,以及与确定自从所述保护元件跳闸起已经经过了定义的时间段结合地确定所述故障情况不再存在。
9.根据权利要求1所述的方法,其中在故障情况持续时累加所述伪能量值包括基于提高到等于2或更大的n次幂指数的分支电流测量或估计来计算每个伪能量值,并且其中所述方法还包括基于在确定所述故障情况存在之后的初始时间段期间使用较高的幂指数,以及在随后的时间段期间使用较低的幂指数,来根据时间改变所述幂指数。
10.一种被配置为保护直流DC配电系统中的分支电路的控制装置,所述控制装置包括:
接口电路,其被配置为获得针对所述分支电路的局部测量;
处理电路,被配置为:
确定所述DC配电系统中存在故障情况;以及
基于针对所述分支电路的重复采样电流,在所述故障情况持续时累加伪能量值;以及
响应于累加的所述伪能量值达到定义的伪能量阈值,使针对所述分支电路的保护元件跳闸。
11.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述控制装置被配置为保护所述DC配电系统中的两个或更多个分支电路,每个分支电路具有相应的保护元件并且与相应地定义的伪能量阈值相关联,并且对应地,其中所述接口电路被配置为获得针对所述两个或更多个分支电路中的每一个的测量,并且所述处理电路被配置为针对所述两个或更多个分支电路中的每一个独立地累加伪能量值,并且响应于针对所述两个或更多个分支电路中的任何给定的分支电路的累加的所述伪能量值达到所述给定的分支电路的所述定义的伪能量阈值,独立地使所述给定的分支电路的相应的所述保护元件跳闸。
12.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述处理电路被配置为基于被配置为在连续计算间隔上累加所述伪能量值来累加伪能量值,包括被配置为:
确定提高到n次幂的针对当前计算间隔的分支电流测量或估计和提高到所述n次幂的针对先前计算间隔的分支电流测量或估计之间的差;
将所述差乘以所述当前计算间隔和所述先前计算间隔之间的经过时间,以获得针对所述当前计算间隔的所述伪能量值;以及
将针对所述当前计算间隔的所述伪能量值添加到动态求和。
13.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述处理电路被配置为基于在所述伪能量值被累加的至少一些计算间隔中使用分支电流估计而不是分支电流测量来用于所述伪能量值的计算,来减少用于采样所述分支电流的采样率。
14.根据权利要求10所述的控制装置,其中根据所述分支电路在所述DC配电系统的电气结构内的位置来设置所述定义的伪能量阈值。
15.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述定义的伪能量阈值是对应于不同负载值的多个定义的伪能量阈值中的一个,并且其中所述处理电路被配置为基于选择与所述分支电路的故障前负载情况最佳匹配的所述定义的伪能量阈值,来从所述多个定义的伪能量阈值选择哪个定义的伪能量阈值用于使所述保护元件跳闸。
16.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述处理电路被配置为基于被配置为从分支电路电压或电流或者从所述分支电路电压或电流的导数检测到所述故障情况,来确定所述故障情况存在。
17.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述处理电路被配置为基于被配置为重复地确定以下各项中的至少一个来确定所述故障情况是否持续:
分支电流是否高于用于故障检测的电流阈值;以及
分支电压是否低于用于故障检测的电压阈值。
18.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述处理电路被配置为响应于以下各项中的至少一个来重置所述保护元件:在所述控制装置处接收到控制输入,确定所述故障情况不再存在,以及与确定自从使所述保护元件跳闸起已经经过了定义的时间段结合地确定所述故障情况不再存在。
19.根据权利要求10所述的控制装置,其中所述控制装置和所述保护元件被集成在一起作为保护设备。
20.根据权利要求10所述的控制装置,其中为了在所述故障情况持续时累加所述伪能量值,所述处理电路被配置为:
基于提高到等于2或更大的n次幂指数的分支电流测量或估计来计算每个伪能量值;
基于在确定所述故障情况存在之后的初始时间段期间使用较高的幂指数,以及在随后的时间段期间使用较低的幂指数,来根据时间改变所述幂指数。
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