直流微电网环网系统保护方案初探

王超柱

摘要：针对直流微电网环网系统，根据不同参数的特征，对其保护方案进行探讨。采用大电流脱扣保护、定时限过电流保护和方向电流保护的保护策略，通过合理的保护配合实现单元级保护和网络保护。该保护方案保护范围大，能实现快速故障诊断与隔离。

关键词：直流微电网；保护策略；方向电流保护；故障诊断与隔离

中图分类号：U665文献标识码： A

0引言

在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电应运而生[1]。为充分挖掘分布式能源的价值，微电网的概念也随之出现[2]。微电网是一个包含分布式微电源、负载、储能装置以及控制装置等设备的可控系统，具有低成本、低电压和低污染等优点。

微电网的组网方式包括交流微网、直流微网和交直流混合微网[3]。目前，直流微电网仍处于研究阶段，相关的研究成果甚少，同时也缺少规范和工业标准。由于直流微电网潮流的特殊性，传统交流电网的继电保护方案无法完全适用。直流牵引供电技术[4]，已经发展了数十年，具备了较为成熟的直流继电保护方案，为直流微电网保护的研究提供了重要指导。文献[5]介绍了直流微电网的研究现状。根据已有的研究成果，创新性的引入方向电流保护；通过单元保护和网络保护的配合，使得保护方案的保护范围覆盖整个系统。

1系统结构

本文以一个电压等级为400V、容量为80kW的车载移动式直流微电网作为研究对象展开论述。该系统采用环网结构，由4条直流母线和4个SRMU（smart ring micro-grid unit）组成，分别通过4个双向DC/DC变流器联结组成四边形，具有可拓展性，能实现“即插即用”的功能，其系统结构如图1所示。

图1 直流微电网框架

该系统以柴油发电机组（指由原动机、发电机和整流设备组成的统一体）作为主要供电设备，额定功率为20kW；以聚合物锂离子电池作为储能设备，额定容量为7kW，出口电压为72V。通过合理的能量管理系统，优化储能设备充放电管理，提高利用能源利用率。同时在主供电设备故障条件下实现不间断供电。

2 保护策略

2.1 大电流脱扣保护

大电流脱扣保护的特点是对于电源近端的短路故障响应速度快、灵敏度高，可以快速地切除短路故障电流。其保护整定值的以线路发生短路故障时的最小电流为基准，计算表达式为：

（2-1）

式中为可靠性系数，一般取1.5；为发生短路故障时的最小电流。

2.2 定时限过电流保护

定时限过电流保护属于延时性的保护方式，能有效识别非金属短路，同时也能防止线路长时间超负荷运行，故而选择它作为一种后备保护。

定时限过电流保护策略需要预先整定过电流和时限。为了扩大保护范围，参数应该尽量小，时限尽量长。一般而言，的整定需避开最大负荷和最大充电电流；时限应考虑系统中电机负载等启动时或变流器开机电容充电的电流峰值时间和电缆热负荷承受能力来设定。

如图2所示，当电流为正时，曲线a的电流瞬时值有两次超过，但是持续时间都没有达到，因而不视为故障。曲线b中电流超过其持续时间达到，视为故障，断路器跳闸。

图2 定时限过电流保护

2.3 方向电流保护

根据直流组网的电流特征，在特定的运行方式下，各支路的电流方向具有唯一性。通过合理的配置电流互感器，对各线路的电流方向进行实时监测。根据检测结果进行逻辑判断，可以实现故障检测和定位。

3 保护的配合

3.1 单元保护

由于直流环网潮流的特殊性，单纯的保护策略无法满足保护的需要。因此需要通过保护策略的配合，对系统单元进行合理的保护。

如图3中，当区域1发生短路故障时，为负，由于平波电容的存在，在发生短路故障时，电容放电。此时其他之路电流流向短路点，该状态下各电流检测点电流方向具有唯一性。同理其它区域的故障诊断也可以根据各线路电流方向为判据，由此可见，通过方向电流诊断可以对全区域金属短路故障进行保护。

图3 单元保护原理示意图

3.2网络保护

网络保护是指对于各单元间的连接线缆的保护。如图4所示，考察短路故障F1，此时需要动作的断路器是CB1和CB2，而CB3和CB4不动作。在无配合情况下，CB1和CB3都会动作，从而导致故障影响扩大化。

图4 方向电流保护网络

欲实现基于方向电流的网络保护，需要一套完备的故障诊断算法。规定电流从直流母线流向线路的方向为正方向，记为1；反之记为-1。当故障F1发生时，监测点J1～J6都能检测到故障电流。可能的故障点F2线路两端电流方向和值为0；同理F3线路两端电流方向和值也为0；F1线路两端电流均是由母线流向线路，和值为2。由此可见，故障点一定是存在于线路两端电流方向和值为2的线路上。从而实现了故障定位和故障隔离。

4 结论

针对直流环状微电网的特征，采用大电流脱扣保护、定时限过电流保护和方向电流保护的保护策略。通过合理的保护配合可实现系统的单元级保护和网络保护，可实现快速的故障定位和故障隔离。

参考文献：

[1]梁有伟,胡志坚,陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J].电网技术.2004, 27(12):71-75.

[2]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述[J].电力系统自动化.2007,31(19):100-107.

[3]Jiang Zhenhua, Yu Xunwei. Hybrid DC and AC-Linked Micro-grids: Towards Integration of Distributed Energy Resources[C]. Energy 2030 Conference, GA USA, 2008. IEEE, 2008:1-8.

[4]周捷,宋云翔,徐劲松,张长银.  直流牵引供电系统的微机保护测控探讨[J].

[5]Cuzner R M, Venkataramanan G. The Status of DC Micro-grid Protection[C].IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Edmonton, Alberta, Canada, 2008.IEEE,2008:1-8