直流微電網環網系統保護方案初探

王超柱

摘要：針對直流微電網環網系統，根據不同參數的特征，對其保護方案進行探討。采用大電流脫扣保護、定時限過電流保護和方向電流保護的保護策略，通過合理的保護配合實現單元級保護和網絡保護。該保護方案保護范圍大，能實現快速故障診斷與隔離。

關鍵詞：直流微電網；保護策略；方向電流保護；故障診斷與隔離

中圖分類號：U665文獻標識碼： A

0引言

在能源需求和環境保護的雙重壓力下，分布式發電應運而生[1]。為充分挖掘分布式能源的價值，微電網的概念也隨之出現[2]。微電網是一個包含分布式微電源、負載、儲能裝置以及控制裝置等設備的可控系統，具有低成本、低電壓和低污染等優點。

微電網的組網方式包括交流微網、直流微網和交直流混合微網[3]。目前，直流微電網仍處于研究階段，相關的研究成果甚少，同時也缺少規范和工業標準。由于直流微電網潮流的特殊性，傳統交流電網的繼電保護方案無法完全適用。直流牽引供電技術[4]，已經發展了數十年，具備了較為成熟的直流繼電保護方案，為直流微電網保護的研究提供了重要指導。文獻[5]介紹了直流微電網的研究現狀。根據已有的研究成果，創新性的引入方向電流保護；通過單元保護和網絡保護的配合，使得保護方案的保護范圍覆蓋整個系統。

1系統結構

本文以一個電壓等級為400V、容量為80kW的車載移動式直流微電網作為研究對象展開論述。該系統采用環網結構，由4條直流母線和4個SRMU（smart ring micro-grid unit）組成，分別通過4個雙向DC/DC變流器聯結組成四邊形，具有可拓展性，能實現“即插即用”的功能，其系統結構如圖1所示。

圖1 直流微電網框架

該系統以柴油發電機組（指由原動機、發電機和整流設備組成的統一體）作為主要供電設備，額定功率為20kW；以聚合物鋰離子電池作為儲能設備，額定容量為7kW，出口電壓為72V。通過合理的能量管理系統，優化儲能設備充放電管理，提高利用能源利用率。同時在主供電設備故障條件下實現不間斷供電。

2 保護策略

2.1 大電流脫扣保護

大電流脫扣保護的特點是對于電源近端的短路故障響應速度快、靈敏度高，可以快速地切除短路故障電流。其保護整定值的以線路發生短路故障時的最小電流為基準，計算表達式為：

（2-1）

式中為可靠性系數，一般取1.5；為發生短路故障時的最小電流。

2.2 定時限過電流保護

定時限過電流保護屬于延時性的保護方式，能有效識別非金屬短路，同時也能防止線路長時間超負荷運行，故而選擇它作為一種后備保護。

定時限過電流保護策略需要預先整定過電流和時限。為了擴大保護范圍，參數應該盡量小，時限盡量長。一般而言，的整定需避開最大負荷和最大充電電流；時限應考慮系統中電機負載等啟動時或變流器開機電容充電的電流峰值時間和電纜熱負荷承受能力來設定。

如圖2所示，當電流為正時，曲線a的電流瞬時值有兩次超過，但是持續時間都沒有達到，因而不視為故障。曲線b中電流超過其持續時間達到，視為故障，斷路器跳閘。

圖2 定時限過電流保護

2.3 方向電流保護

根據直流組網的電流特征，在特定的運行方式下，各支路的電流方向具有唯一性。通過合理的配置電流互感器，對各線路的電流方向進行實時監測。根據檢測結果進行邏輯判斷，可以實現故障檢測和定位。

3 保護的配合

3.1 單元保護

由于直流環網潮流的特殊性，單純的保護策略無法滿足保護的需要。因此需要通過保護策略的配合，對系統單元進行合理的保護。

如圖3中，當區域1發生短路故障時，為負，由于平波電容的存在，在發生短路故障時，電容放電。此時其他之路電流流向短路點，該狀態下各電流檢測點電流方向具有唯一性。同理其它區域的故障診斷也可以根據各線路電流方向為判據，由此可見，通過方向電流診斷可以對全區域金屬短路故障進行保護。

圖3 單元保護原理示意圖

3.2網絡保護

網絡保護是指對于各單元間的連接線纜的保護。如圖4所示，考察短路故障F1，此時需要動作的斷路器是CB1和CB2，而CB3和CB4不動作。在無配合情況下，CB1和CB3都會動作，從而導致故障影響擴大化。

圖4 方向電流保護網絡

欲實現基于方向電流的網絡保護，需要一套完備的故障診斷算法。規定電流從直流母線流向線路的方向為正方向，記為1；反之記為-1。當故障F1發生時，監測點J1～J6都能檢測到故障電流?？赡艿墓收宵cF2線路兩端電流方向和值為0；同理F3線路兩端電流方向和值也為0；F1線路兩端電流均是由母線流向線路，和值為2。由此可見，故障點一定是存在于線路兩端電流方向和值為2的線路上。從而實現了故障定位和故障隔離。

4 結論

針對直流環狀微電網的特征，采用大電流脫扣保護、定時限過電流保護和方向電流保護的保護策略。通過合理的保護配合可實現系統的單元級保護和網絡保護，可實現快速的故障定位和故障隔離。

參考文獻：

[1]梁有偉,胡志堅,陳允平.分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述[J].電網技術.2004, 27(12):71-75.

[2]魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化.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,徐勁松,張長銀.??直流牽引供電系統的微機保護測控探討[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