本發(fā)明涉及一種直流配電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

近年來，城市的快速發(fā)展建設(shè)使傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)供電半徑擴(kuò)大，帶來了供電走廊緊張、城市中心供電不足等一系列問題。另一方面，電源與負(fù)載也發(fā)生了明顯變化，分布式電源以及直流負(fù)荷占比越來越高，但通過DC/AC變換器接入交流配電網(wǎng)，不僅會影響電能質(zhì)量、降低電能使用效率，還會增加額外的投資建設(shè)成本。電力電子技術(shù)以及柔性換流技術(shù)的發(fā)展帶動了直流微網(wǎng)，直流配電網(wǎng)的興起。相較于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)具有供電容量大、電能質(zhì)量好、可靠性高、投資成本少、適于可再生能源接入等一系列優(yōu)點，因此成為近年來學(xué)術(shù)界研究的熱點。然而，直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時直流側(cè)電容快速放電，要求保護(hù)在數(shù)毫秒內(nèi)動作，實現(xiàn)故障的快速檢測、識別以及定位。傳統(tǒng)保護(hù)方案適應(yīng)性較差，并且保護(hù)設(shè)備不完善，給直流配電網(wǎng)的保護(hù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

目前，直流配電網(wǎng)保護(hù)的方案尚處于理論研究階段，且直流配電網(wǎng)保護(hù)研究主要集中在單端直流配電網(wǎng)，對于雙端以及多端直流配電網(wǎng)的研究仍處于空白或理論研究階段。傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)保護(hù)方案如過電流、電壓、微分保護(hù)等由于選擇性以及整定問題在直流配電網(wǎng)尤其是雙端或多端直流配電網(wǎng)中適用性較差，距離保護(hù)的應(yīng)用受限于算法的限制，差動保護(hù)則在故障電流高速率變化時受數(shù)據(jù)同步的影響較大?？梢?，傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)保護(hù)方案對直流配電網(wǎng)的適用性較差，有必要研究適用于直流配電網(wǎng)的保護(hù)方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明目的是提供一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法，可實現(xiàn)直流配電網(wǎng)中直流饋線以及直流母線發(fā)生單極接地或雙極短路故障時的快速切除。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法，該方法包括以下步驟：

1)利用直流斷路器和直流母線對雙端直流配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分；

2)當(dāng)直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地或雙極短路故障時，判斷步驟1)劃分的各區(qū)域中故障電流方向；

3)對各區(qū)域中故障電流方向進(jìn)行信息交互，從而區(qū)分故障類型；

4)根據(jù)故障類型，進(jìn)行故障切除。

步驟1)中，利用直流斷路器和直流母線對雙端直流配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分的方法為：在雙端直流配電網(wǎng)中的直流母線兩端分別設(shè)置直流斷路器，以直流母線為界將直流配電網(wǎng)劃分為多個區(qū)域，使每個區(qū)域中分別配備有兩個直流斷路器。

步驟2)中，規(guī)定各區(qū)域中直流電流從直流母線流向直流饋線為正方向，從直流饋線流向直流母線為負(fù)方向。

步驟3)中，信息交互是通過具有通信功能的智能電子設(shè)備實現(xiàn)的，智能電子設(shè)備整合于直流斷路器。

步驟3)和步驟4)中的故障類型為直流饋線故障或直流母線故障。

當(dāng)流過的電流方向為正時，電子設(shè)備輸出數(shù)字信號1；當(dāng)流過的電流方向為負(fù)時，智能電子設(shè)備輸出數(shù)字信號0。

相鄰區(qū)域的智能電子設(shè)備進(jìn)行信息交互，若某區(qū)域中輸出的數(shù)字信號為“11”，則判斷為該區(qū)域內(nèi)直流饋線出現(xiàn)故障；若相鄰兩個區(qū)域中輸出的數(shù)字信號都為“00”，則判斷為位于該相鄰兩個區(qū)域中間的直流母線出現(xiàn)故障。因此，若某區(qū)域中輸出的數(shù)字信號為“11”，則斷開該區(qū)域內(nèi)兩個直流斷路器，以隔離直流饋線故障；若相鄰兩個區(qū)域中輸出的數(shù)字信號都為“00”，則斷開該相鄰兩個區(qū)域中輸出“0”的直流斷路器，以隔離直流母線故障。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明將故障時電流方向的變化與區(qū)域劃分結(jié)合，可通過不同的信號實現(xiàn)直流饋線與直流母線故障區(qū)分，從而對直流配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)；

(2)本發(fā)明的方法基于通信，但直流配電網(wǎng)線路較短且本發(fā)明的信息交互只在相鄰區(qū)域進(jìn)行，可忽略延時對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，且只傳輸?shù)字信號，使得傳輸時間基本可忽略不計；電流方向變化都在毫秒級別，且使用固體直流斷路器進(jìn)行故障切除，使得該保護(hù)方案動作速度快，可實現(xiàn)雙端直流配電網(wǎng)的快速保護(hù)；

(3)雖理論表明該方法在低阻單極接地時才會發(fā)生電流方向改變，但直流配電網(wǎng)過渡電阻較小，使得該方案仍具有一定的耐過渡電阻能力，因此對于雙端直流配電網(wǎng)的典型故障類型排除具有普遍適用性。

附圖說明

圖1典型的雙端直流配電網(wǎng)示意圖；

圖2本發(fā)明的方案中直流斷路器配置示意圖；

圖3本發(fā)明的方案中雙端直流電網(wǎng)區(qū)域劃分示意圖；

圖4雙端直流配電網(wǎng)發(fā)生雙極短路時故障電流方向示意圖；

圖5雙端直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地時故障電流方向示意圖；

圖6本發(fā)明的方案中雙端直流配電網(wǎng)的區(qū)域劃分以及故障電流方向示意圖。

具體實施方式

一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法，包括以下步驟。

(1)利用直流斷路器和直流母線對雙端直流配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分。

圖1為典型的雙端直流配電網(wǎng)，具體地，圖中示出了編號為#1到#6的直流母線，以及編號為1到7的直流饋線(圖1中用直線——表示)，每個直流母線兩端各配備有直流斷路器，圖中，直流斷路器用圖標(biāo)表示，兩個直流斷路器之間設(shè)置有用較粗的直線表示的直流母線(如圖1中的)，直流斷路器兩兩為一組，以直流母線作為分界將直流配電網(wǎng)劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域中設(shè)置有兩個直流斷路器，每個區(qū)域兩端為直流母線。#1’和#2’為交流母線。

圖2為一個區(qū)域中的直流斷路器配置圖，規(guī)定直流斷路器兩端為A、B點，每個直流斷路器的A點為相對靠近與該直流斷路器相鄰的直流母線的點，B點為相對遠(yuǎn)離與該直流斷路器相鄰的直流母線的點。另外，規(guī)定電流從直流母線流向直流饋線為正方向，反之為負(fù)，即，流經(jīng)每個直流斷路器的電流，從A點流向B點為正方向，從B點流向A點為負(fù)方向。

用直流斷路器以及直流母線位置實現(xiàn)雙端直流配電網(wǎng)區(qū)域劃分結(jié)果如圖3所示。在圖3所示的示例中，直流配電網(wǎng)被劃分為4個區(qū)域(Zone1、Zone2、Zone3、Zone4)，第一區(qū)域(Zone1)中設(shè)有兩個直流斷路器B1、B2，以及直流饋線1；第二區(qū)域(Zone2)中設(shè)有兩個直流斷路器B3、B4，以及直流饋線2；第三區(qū)域(Zone3)中設(shè)有兩個直流斷路器B5、B6，以及直流饋線3；第四區(qū)域(Zone4)中設(shè)有兩個直流斷路器B7、B8，以及直流饋線4。直流斷路器B1與標(biāo)號為#1的直流母線相連，直流斷路器B2、B3與標(biāo)號為#3的直流母線相連，直流斷路器B4、B5與標(biāo)號為#4的直流母線相連，直流斷路器B6、B7與標(biāo)號為#5的直流母線相連，直流斷路器B8與標(biāo)號為#2的直流母線相連。F1表示直流饋線故障，F(xiàn)2表示直流母線故障。

(2)當(dāng)直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地或雙極短路故障時，判斷各區(qū)域中故障電流方向。

(3)對各區(qū)域中故障電流方向進(jìn)行信息交互，從而區(qū)分故障類型。

I、根據(jù)故障電流方向判斷故障類型的原理。

雙端直流配電網(wǎng)直流饋線上發(fā)生雙極短路時兩端故障電流表達(dá)式為：

其中，E₁和E₂分別代表雙端直流配電網(wǎng)等效電源，包括直流側(cè)電容以及直流側(cè)電源。Z_1p和Z_2p分別代表正極線路到故障點的等效阻抗，Z_1n、Z_2n分別代表負(fù)極線路到故障點的等效阻抗，I_1p、I_2p分別代表雙端直流配電網(wǎng)兩側(cè)故障電流?？梢?，對于金屬性的雙極短路故障，直流配電網(wǎng)兩側(cè)故障電流方向均為正。故障電流方向示意圖如圖4所示，當(dāng)發(fā)生雙極短路故障時，兩側(cè)電源電流均流向故障點。

對于雙端直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地故障，兩端故障電流表達(dá)式為：

Z_F為發(fā)生單極接地故障時過渡電阻。

若滿足E₁＝E₂，式(3)和(4)可表示為

可見，若兩側(cè)電源相等，發(fā)生單極接地故障時直流配電網(wǎng)兩側(cè)故障電流方向均為正。

若不滿足E₁＝E₂，則只有滿足以及時，才滿足兩端故障電流為負(fù)。即在低阻的單極接地故障時，仍滿足兩側(cè)故障電流方向均為正。與雙極短路故障類似，當(dāng)發(fā)生單極接地故障且過渡電阻較低時，兩側(cè)電源電流均流向故障點，如圖5所示。

II、根據(jù)故障電流方向判斷故障類型的方法。

基于區(qū)域電流方向的區(qū)別，利用基于通信功能的智能電子設(shè)備實現(xiàn)故障時各區(qū)域故障信息的交互。將具有通訊功能的電子式互感器型智能電子設(shè)備整合于直流直流斷路器構(gòu)成集成式智能隔離直流斷路器，電子式互感器型智能電子設(shè)備由多個處理器組成，處理器能夠持續(xù)地對電壓、電流等測量值進(jìn)行監(jiān)測分析，并將測量或計算出的數(shù)據(jù)通過基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信系統(tǒng)傳送給外部或者用戶。若流過智能電子設(shè)備的電流方向為正，則智能電子設(shè)備將電流方向信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號為1，若流過智能電子設(shè)備的電流方向為負(fù)，則智能電子設(shè)備將電流方向信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號為0。

區(qū)域劃分與故障電流方向如圖6所示。在圖6所示的示例中，直流配電網(wǎng)被劃分為4個區(qū)域(Zone1、Zone2、Zone3、Zone4)，第一區(qū)域(Zone1)中設(shè)有兩個直流斷路器B1、B2，以及直流饋線1；第二區(qū)域(Zone2)中設(shè)有兩個直流斷路器B3、B4，以及直流饋線2；第三區(qū)域(Zone3)中設(shè)有兩個直流斷路器B5、B6，以及直流饋線3；第四區(qū)域(Zone4)中設(shè)有兩個直流斷路器B7、B8，以及直流饋線4。直流斷路器B1與標(biāo)號為#1的直流母線相連，直流斷路器B2、B3與標(biāo)號為#3的直流母線相連，直流斷路器B4、B5與標(biāo)號為#4的直流母線相連，直流斷路器B6、B7與標(biāo)號為#5的直流母線相連，直流斷路器B8與標(biāo)號為#2的直流母線相連。F1表示直流饋線故障，F(xiàn)2表示直流母線故障。

當(dāng)發(fā)生直流饋線故障時，兩側(cè)電流方向均為正，因此，相鄰區(qū)域的智能電子設(shè)備進(jìn)行信息交互，若整合于某一區(qū)域中兩個直流斷路器的智能電子設(shè)備輸出信號滿足“11”，則判斷為該區(qū)域發(fā)生直流饋線故障。若為直流母線故障，則該流入直流母線兩側(cè)的電流方向均為負(fù)，因此，若智能電子設(shè)備與相鄰區(qū)域進(jìn)行信息交互結(jié)果為相鄰區(qū)域出現(xiàn)連續(xù)“00”，則判斷為該相鄰區(qū)域中間的直流母線故障。

(4)根據(jù)故障類型，進(jìn)行故障排除。

當(dāng)滿足步驟(3)所述的動作判據(jù)時，直流斷路器動作實現(xiàn)直流饋線與直流母線故障的切除。即，當(dāng)整合于某一區(qū)域中兩個直流斷路器的智能電子設(shè)備輸出信號滿足“11”時，判斷該區(qū)域發(fā)生直流饋線故障，此時斷開該區(qū)域內(nèi)直流斷路器以隔離直流饋線故障；當(dāng)相鄰兩個區(qū)域中的智能電子設(shè)備連續(xù)出現(xiàn)“00”，則斷開該相鄰兩個區(qū)域出現(xiàn)“0”的直流斷路器，從而隔離直流母線故障。

本發(fā)明的方法通過智能電子設(shè)備實現(xiàn)區(qū)域電流方向的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，并利用不同信號判據(jù)實現(xiàn)直流饋線與直流母線故障區(qū)分與識別，可快速排除雙端直流配電網(wǎng)中的故障，并可普遍適用。