CN109921389B - 一种直流微电网故障保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流微电网保护方法，包括安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。本发明提供的技术方案中通信数据源之间不需要时间同步，能够准确完成的故障定位和保护，保护区段内可自由接入分布式电源和储能，保护算法逻辑清晰、易于工程实施。

Description

一种直流微电网故障保护方法及系统

技术领域

本发明涉及领域直流配电网保护，具体涉及一种直流微电网故障保护方法及系统。

背景技术

微电网内光伏、风机、燃料电池、电池储能单元等产生的电能大部分为直流电或非工频交流电；常用电气设备，如个人电脑、手机、LED照明、变频空调和电动汽车等，皆通过相应适配器变成直流电驱动。上述发电单元或负荷如果接入交流微电网，则需要通过相应DC-DC和DC-AC等电力电子变流器构成的多级能量转换装置，若接入合适电压等级的直流微电网，将省去部分交直流变换装置，减小成本、降低损耗。直流母线电压是衡量直流微电网系统内有功功率平衡的唯一标准，系统内不存在类似交流系统里的频率稳定、无功功率等问题。直流微电网还可通过双向DC-AC变流器与现有交流微电网或配电网并联，并能有效隔离交流侧扰动或故障，可保证直流微电网内负荷的高可靠供电。

由于包含有分布式电源、储能，在接入自由度较大时，直流微电网内的潮流将呈现出双向特性，直流微电网内由于有大量电力电子变换器的存在，发生短路故障时，瞬间故障电流会较大，几毫秒后由于变换器的限流特性，其故障电流会快速衰减，即使直流微电网并网运行，由于需要通过变换器接入交流配电网，微电网内故障时并网变换器也需要限流，因此直流微电网并网和独立运行时的故障电流差异不大。

目前直流微电网内的保护设备主要为熔断器和直流断路器，基于电流保护原理，当面对结构较为复杂以及分布式电源和储能的接入自由度较高的直流微电网时，很难定位故障发生区域，造成供电恢复时间的延长。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案采用利用很少的通信数据，准确完成直流微电网的故障定位和保护，且通信数据源之间不需要时间同步，保护区段内可自由接入分布式电源和储能。

一种直流微电网故障保护方法，其改进之处在于，所述方法包括：

安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；

保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。

优选地，所述当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置包括：

当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端计算电流瞬时值差值；

依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值。

优选地，所述依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值包括：

所述电流瞬时值差值大于零时，故障信息标志的值为-1；

所述电流瞬时值差值小于零时，故障信息标志的值为1；

所述电流瞬时值差值等于零时，故障信息标志的值为0。

一种直流微电网故障保护系统，包括采集模块、计算模块和动作模块；

采集模块：用于安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

计算模块：用于当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；

动作模块：用于保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。

一种直流微电网故障保护方法，所述方法包括：

保护装置接收保护终端计算的故障信息标志值，并依据所述故障信息标志值生成故障信息向量；

保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域；

保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令。

优选地，所述故障信息向量如下式所示：

B＝{b_j}

式中，B：故障信息向量；b_j：故障信息标志值，其中j＝1,2,…K，其中，K：直流微电网中保护终端的数量。

优选地，所述故障标志向量按下式计算：

式中，s_ij：所述拓扑矩阵的矩阵元素，其中，i＝1,2,…M，M：断路器分割的区域的数量；j＝1,2,…K，K：直流微电网中保护终端的数量。

优选地，所述预先建立的拓扑矩阵包括：

保护装置依据直流微电网内断路器的连接关系建立直流微电网的拓扑矩阵；所述拓扑矩阵包含方向信息，方向从断路器的一端流向另一端。

优选地，所述保护终端和保护装置通过以太网交换机进行数据通信。

一种直流微电网故障保护系统，包括信息向量模块、标志向量模块、区域确定模块和指令发送模块；

信息向量模块：用于保护装置接收保护终端计算的故障信息标志值，依据所述故障信息标志值生成故障信息向量；

标志向量模块：用于保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

区域确定模块：用于保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域；

指令发送模块：用于保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令。

与最接近的已有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的技术方案利用保护终端计算故障前后的电流瞬时值差值，生成故障信息标志，判断故障区域，有效规避直流微电网内动态变化的故障电流问题，准确完成直流微电网的故障定位和保护，缩短供电恢复时间。

本发明提供的技术方案将直流微电网的保护系统划分成多个保护终端和一个保护装置，将原本都由保护装置计算的数据量分解到各个保护终端，提升了保护的反应速度，降低了通信数据量交互，且交互的通信数据不需要时间同步。

本发明提供的技术方案保护区段内可自由接入分布式电源和储能，适用于结构较为复杂以及分布式电源和储能的接入自由度较高的直流微电网，保护的适应性强，保护算法逻辑清晰、易于工程实施。

附图说明

图1是本发明保护终端直流微电网故障保护方法的示意图；

图2是本发明保护终端直流微电网故障保护系统的示意图；

图3是本发明保护装置直流微电网故障保护方法的示意图

图4是本发明保护装置直流微电网故障保护系统的示意图；

图5是直流微电网故障保护装置和保护终端连接方式示意图；

图6是直流微电网结构示意图；

图7是直流微电网结构模型图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一、

一种直流微电网故障保护方法，如图1所示，包括：

步骤1：安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

步骤2：当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；

步骤3：保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。

步骤2中，所述当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置包括：

当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端计算电流瞬时值差值；

依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值。

具体地，所述依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值包括：

所述电流瞬时值差值大于零时，故障信息标志的值为-1；

所述电流瞬时值差值小于零时，故障信息标志的值为1；

所述电流瞬时值差值等于零时，故障信息标志的值为0。

实施例二、

一种直流微电网故障保护系统，如图2所示，包括：计算模块和动作模块；

采集模块：用于安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

计算模块：用于当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；

动作模块：用于保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。

所述计算模块中，当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置包括：

当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端计算电流瞬时值差值；

依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值。

具体地，所述依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值包括：

所述电流瞬时值差值大于零时，故障信息标志的值为-1；

所述电流瞬时值差值小于零时，故障信息标志的值为1；

所述电流瞬时值差值等于零时，故障信息标志的值为0。

实施例三、

一种直流微电网故障保护方法，如图3所示，包括：

步骤1：保护装置接收保护终端计算的故障信息标志值，依据所述故障信息标志值生成故障信息向量；

步骤2：保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

步骤3：保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域；

保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令。

步骤2中，保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量。

具体地，所述故障信息向量如下式所示：

B＝{b_j}

式中，B：故障信息向量；b_j：故障信息标志值，其中j＝1,2,…K，其中，K：直流微电网中保护终端的数量。

具体地，所述故障标志向量按下式计算：

式中，s_ij：所述拓扑矩阵的矩阵元素，其中，i＝1,2,…M，M：断路器分割的区域的数量；j＝1,2,…K，K：直流微电网中保护终端的数量。

具体地，所述预先建立的拓扑矩阵包括：

保护装置依据直流微电网内断路器的连接关系建立直流微电网的拓扑矩阵；所述拓扑矩阵包含方向信息，方向从断路器的一端流向另一端。

步骤4中保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令包括：

所述保护终端和保护装置通过以太网交换机进行数据通信。

实施例四、

一种直流微电网故障保护系统，如图4所示，包括信息向量模块、标志向量模块、区域确定模块和指令发送模块；

信息向量模块：用于保护装置接收保护终端计算的故障信息标志值，依据所述故障信息标志值生成故障信息向量；

标志向量模块：用于保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

区域确定模块：用于保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域；

指令发送模块：用于保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令。

实施例五、

下面结合直流微电网结构图对本发明的具体实施方式作进一步的说明

步骤1：安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

步骤2：当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；

步骤3：保护装置接收保护终端计算的故障信息标志值，并依据所述故障信息标志值生成故障信息向量；

步骤4：保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

步骤5：保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域；

步骤6：保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令；

步骤7：保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。

如图6所示的直流微电网，B1～B8为断路器，DG为分布式电源，还包括储能和负载。整个直流微电网通过并网变流器接交流配网。

直流微电网中有多个保护终端和一个保护装置，保护装置通过以太网交换机与多个保护终端进行连接，将原本都由保护装置计算的数据量分解到各个保护终端，提升了保护的反应速度，降低了通信数据量交互，且交互的通信数据不需要时间同步。

保护装置和保护终端的连接方式如图5所示，所述保护装置通过交换机与7个保护终端进行通信，保护装置用于接收所述保护终端上传的数据和向保护终端发送指令，保护终端安装在直流微电网内的各个断路器处。

步骤1：安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

步骤2：当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置。

直流微网内发生故障时，保护终端会捕捉到欠电压，欠电压的程度会随着距离故障点的远近而变化，越远，欠电压程度越轻，越近，欠电压程度越重。

当保护终端所采集到的U<U_Z，U_Z为整定值，在直流母线额定电压可接受的最小值以下，保护终端触发计算，定义检测到U<U_Z后的第1个采样点所采集到的电流瞬时值为I_f1，U<U_Z前的倒数第2个采样点所采集到的电流瞬时值为I₂，定义触发前后电流瞬时值差值ΔI＝I_f1-I₂。

传统线路保护中采用的起动元件多为对电流绝对值、电流突变量值等的越限判断，含有分布式电源、储能高自由度接入的直流微网，单向潮流变为双向潮流，且故障电流值的大小不定，保护起动元件采用电流越限判断则影响判断结果，所以在本发明中采用电压起动元件。采用电压起动元件可以自由面对分布式电源的接入，而不受其运行方式和运行工况的影响。

若ΔI>0，b＝-1；若ΔI<0，b＝1；若ΔI＝0，b＝0。所有的保护终端各自触发计算后，都计算出对应的b值。ΔI>0，相当于保护终端触发后电流瞬时值在正方向上得到了进一步加强，说明有故障附加电流流入了终点区域，ΔI<0，相当于保护终端触发后电流瞬时值在正方向上得到了进一步减弱，说明有故障附加电流流入了起点区域。

保护终端触发计算后，将计算出的b值通过通信上传给保护装置。

步骤3：保护装置接收所述保护终端计算的故障信息标志值，依据所述故障信息标志值生成故障信息向量。

保护装置收集到所有保护终端上传的b值后，形成故障信息向量B，向量元素为b_i(i＝1～K)。

具体地，所述故障信息向量如下式所示：

B＝{b_j}

式中，B：故障信息向量；b_j：故障信息标志值，其中j＝1,2,…K，其中，K：直流微电网中保护终端的数量。

步骤4：保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

图6中虚线圈出的表示由断路器B3分隔出的一块区域，按此类推，所有断路器分隔出的区域情况如图7所示，共有8个区域。根据图7中直流微网内断路器的连接关系建立直流微网的拓扑矩阵S，用来描述直流微网的结构。该拓扑矩阵包含方向信息，方向从断路器的一端流向另一端，可任意指定，方向的起点所连接的区域为起点区域，方向的终点所连接的区域为终点区域。矩阵S中，列数为断路器的数目，记为K，行数为区域的数目，记为M，矩阵元素为s_ij(i＝1～M，j＝1～K)列中断路器的起点区域为1，终点区域为-1，按照此原则建立的矩阵S为：

保护终端1～7在其安装点采集断路器处的直流电压瞬时值U和电流瞬时值I，电流的参考方向与图7中断路器的指定方向保持一致。

定义微网故障标志向量F，向量元素向量F中哪个值为正，则该值对应的区域发生了故障。

具体地，所述故障标志向量按下式计算：

式中，s_ij：所述拓扑矩阵的矩阵元素，其中，i＝1,2,…M，M：断路器分割的区域的数量；j＝1,2,…K，K：直流微电网中保护终端的数量。

以区域2、区域3和区域6分别发生故障为例，假设故障发生时储能处于放电状态，并网变流器用于稳定直流母线电压。

区域2发生故障：B^T＝[-1 1 1 1 1 1 1]，则F^T＝[-1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1]，可以看出向量F中，对应区域2的值为正，表明该区域发生故障。

区域3发生故障：B^T＝[-1 -1 1 1 1 1 1]，则F^T＝[-1 -1 1 -1 -1 -1 -1 -1]，可以看出向量F中，对应区域3的值为正，表明该区域发生故障。

区域6发生故障：B^T＝[-1 1 1 1 -1 1 1]，则F^T＝[-1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1]，可以看出向量F中，对应区域6的值为正，表明该区域发生故障。

步骤5：保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域。

步骤6：保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令。

步骤7：保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。

如区域2故障时，保护终端1～7都会收到跳闸指令；区域3故障时，保护终端1会收到跳闸指令；区域6故障时，保护终端5会收到跳闸指令。

事实表明，本发明提供的技术方案利用保护终端计算故障前后的电流瞬时值差值，生成故障信息标志，判断故障区域，有效规避直流微电网内动态变化的故障电流问题，准确完成直流微电网的故障定位和保护，缩短供电恢复时间。

本发明提供的技术方案将直流微电网的保护系统划分成多个保护终端和一个保护装置，将原本都由保护装置计算的数据量分解到各个保护终端，提升了保护的反应速度，降低了通信数据量交互，且交互的通信数据不需要时间同步。

本发明提供的技术方案保护区段内可自由接入分布式电源和储能，适用于结构较为复杂以及分布式电源和储能的接入自由度较高的直流微电网，保护的适应性强，保护算法逻辑清晰、易于工程实施。

本发明提供的技术方案在一次保护设备误动的情况下，包括熔断器和直流断路器，仍然可以准确定位故障发生区域。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直流微电网故障保护方法，其特征在于，所述方法包括：安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；

保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器；

所述当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置包括：

当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端计算电流瞬时值差值；

依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值；

所述依据所述电流瞬时值差值，保护终端确定故障信息标志的值包括：

所述电流瞬时值差值大于零时，故障信息标志的值为-1；

所述电流瞬时值差值小于零时，故障信息标志的值为1；

所述电流瞬时值差值等于零时，故障信息标志的值为0；

定义检测到直流电压瞬时值小于整定值后的第1个采样点所采集到的电流瞬时值为I_f1，直流电压瞬时值小于整定值前的倒数第2个采样点所采集到的电流瞬时值为I₂，定义触发前后电流瞬时值差值ΔI＝I_f1-I₂；

保护装置接收保护终端计算的故障信息标志值，并依据所述故障信息标志值生成故障信息向量；

保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域；

保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令；

所述故障信息向量如下式所示：

B＝{b_j}

式中，B：故障信息向量；b_j：故障信息标志值，其中j＝1,2,…K，其中，K：直流微电网中保护终端的数量；

所述故障标志向量按下式计算：

式中，s_ij：所述拓扑矩阵的矩阵元素，其中，i＝1,2,…M，M：断路器分割的区域的数量；j＝1,2,…K，K：直流微电网中保护终端的数量；

所述预先建立的拓扑矩阵包括：

保护装置依据直流微电网内断路器的连接关系建立直流微电网的拓扑矩阵；所述拓扑矩阵包含方向信息，方向从断路器的一端流向另一端。

2.一种直流微电网故障保护系统，用于实现如权利要求1所述的一种直流微电网故障保护方法，其特征在于，所述系统包括采集模块、计算模块和动作模块；

采集模块：用于安装于各个断路器处的保护终端分别采集断路器处的直流电压瞬时值和电流瞬时值；

计算模块：用于当直流电压瞬时值小于整定值时，保护终端进行计算，得到故障信息标志值，并发送给保护装置；

动作模块：用于保护终端依据保护装置发送的跳闸指令，动作出口，分断断路器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护终端和保护装置通过以太网交换机进行数据通信。

4.一种直流微电网故障保护系统，用于实现如权利要求1所述的一种直流微电网故障保护方法，其特征在于，所述系统包括信息向量模块、标志向量模块、区域确定模块和指令发送模块；

信息向量模块：用于保护装置接收保护终端计算的故障信息标志值，依据所述故障信息标志值生成故障信息向量；

标志向量模块：用于保护装置依据所述故障信息向量和预先建立的拓扑矩阵，生成故障标志向量；

区域确定模块：用于保护装置将所述故障标志向量为正的区域确定为直流微电网保护装置故障区域；

指令发送模块：用于保护装置向故障区域的保护终端发送跳闸指令。