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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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低压直流环形母线微电网系统故障检测、隔离与故障定位识别

S.Vimalraj1, Dr.P.Somasundaram2
  1. PG学生[PSE]， EEE，工程学院，金迪，安娜大学，金奈，印度
  2. 电力系统工程副教授印度金奈安娜大学工程学院金迪分部
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

与传统的交流配电系统不同，直流系统的保护一直是一个挑战。多端直流电源系统不像交流电源系统那样具有多年的实践经验和标准。此外，目前的电力电子设备无法承受或承受高震级故障。在故障条件下，转换器会自动关闭以保护自己。这使得直流系统故障定位困难，导致直流母线失能。为了解决上述问题，本文提出了一种低压直流环形母线微电网系统的故障保护算法。该方法的主要目的是检测和隔离直流环形母线系统中的故障，而不需要整个系统断电，也不需要确定故障的位置。本文还提出了一种基于探针功率的非迭代故障定位技术。该探头电源也可用于主CB重合闸前的中试，以避免由于永久故障而导致重合闸失败时可能出现的系统问题。提出的概念已通过OrCAD/Pspice仿真验证

关键字
直流配电，故障保护，故障定位，微电网，电力系统保护

介绍
近年来，人们研究开发了许多分布式电力系统，特别是为了满足可再生能源的高渗透率需求，如风力涡轮机和光伏系统。分布式电力系统具有输配电容量减轻、发电效率运行效率高、经济效益好、可靠性高、生态友好、电能质量[1]等优点。微电网系统是由分布式能源和分布式负荷组成的小规模分布式电力系统，可与可再生能源[2]轻松集成。由于微电网方法的分布式性质，可以删除或最小化与中央调度的连接，从而增强敏感负载的电能质量。一般有单机(孤岛)模式和并网模式两种运行模式。
微电网系统根据所连接的总线可分为交流总线系统和直流总线系统。基于交流总线的微电网的优点是现有的交流电网技术易于应用。然而，交流电网的问题，包括同步、无功功率控制和总线稳定性，仍然存在。基于直流环形母线的系统可以成为可行的解决方案，因为微电网是小型的局部系统，传输损耗可以忽略不计。直流总线微电网的原理图如图1所示。虽然直流微电网的优势是相当大的，但直流配电系统的保护提出了许多挑战，如自主定位微电网内的故障，断开直流电弧，直流保护设备，当然也缺乏标准、指南和经验。提出了一种低压直流环形母线微电网系统的故障检测、隔离和故障定位识别方案。
该方案的主要目标是检测设备之间总线段的故障，然后隔离故障段，使系统继续运行而不使整个系统瘫痪。此外，还提出了一种非迭代、确定性的故障定位技术。从探头电流中提取故障定位信息。
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探头电源单元还可用于先导试验，在主CB重合闸之前确定故障是否为暂时故障，以避免故障为永久性故障时可能造成的系统损坏。为了实现这一目标，本文提出了一种环形直流母线微电网系统，该系统在连接元件之间设置分段控制器。

低压直流总线微电网
与高压直流(HVDC)系统相比，低压直流(LVDC)系统在电力分配中是一个相对较新的概念。对于小型系统，LVDC微电网与传统交流配电系统相比具有许多优势。对于交流和直流微电网，需要电力电子转换器将各种源和负载连接到公共总线。使用直流总线需要更少的转换阶段[3]。此外，交流和直流电源系统的电缆是根据系统的峰值电压选择的，交流系统提供的功率是根据有效值，而直流功率是根据恒定的峰值电压。因此，使用相同的电缆，直流系统的交付效率是交流系统的√2倍。而且直流系统不受集肤效应的影响。因此，直流系统可以利用整根电缆，从而降低损耗[4]。
当系统需要可靠和多功能保护时，直流微电网就会出现问题。交流系统在系统保护方面有丰富的经验和标准。直流系统不具备这些优点。直流系统中的开关柜必须非常坚固，以便处理故障电流中断期间产生的直流电弧。商用低压直流母线系统的保护装置是保险丝和断路器(CBs)[3]。传统的交流CB机构依靠交流电流的自然过零来打开电路，不足以中断直流电流。更重要的是，由于CB运行时间的增加，故障持续存在。允许故障电流在微电网总线上持续存在可能是灾难性的。
由于微电网系统需要多终端，必须使用电压源变换器(vsc)将不同的子系统连接到总线上。当交流电源接口的VSC系统直流侧发生故障时，绝缘栅双极晶体管(igbt)失去控制，自由轮二极管成为桥式整流器。保护VSC系统的挑战是必须非常快速地检测和熄灭故障电流，因为转换器的故障承受额定值通常只有满载额定值[5]的两倍。

直流配电系统故障

A.可能的故障
直流系统存在两种类型的故障:1)线对线和2)线对地，如图2所示。一个相间
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当在正极和负极线之间创建了一条路径，使它们一起短路时，就会发生故障。当正极或负极对地短路时，就会发生线对地故障。线路接地故障是工业配电系统[6]中最常见的故障类型。vsc可能会出现内部交换机故障，导致线对线短路故障。无法清除的设备终端故障;在大多数情况下，设备需要更换。因此，直流熔断器将是这种故障的适当保护措施。在交流系统中，交流侧CB会跳闸。

B.直流故障电流
当某段发生故障时，线路电流会在负载电流和故障电流之间分裂
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故障电流的大小取决于故障位置和故障电流路径的电阻。如果故障路径的阻抗较低(例如，接地牢固的线对地故障)，接收端的电流极性可能会反转，从而根本无法支持负载。来自电源和母线电容器的故障电流可计算为:
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式中，Vs为线电压，Rc、Lc为包括源、线、地分量在内的等效电阻和电感，Rc、Ce分别为母线电容器的等效串联电阻(ESR)和电容。直流故障电流的时间常数非常小，因为直流系统的线路电阻与线路中有高电抗的交流电源系统相比可以忽略不计。母线电压会下降甚至崩溃，这取决于母线中电源和储能装置的容量，以及接地阻抗。

C.故障保护技术
直流系统的保护已经通过直流保护开关柜以及传统的交流设备完成，如cb和保险丝。虽然交流设备具有成本低、技术成熟、交货时间短等优点，但只要可能，直流设备是更好的选择。直流保护装置可以比交流保护装置更快地中断恒流，隔离故障线路，维持正常线路[2]的运行。

D.故障定位技术
已经研究了几种方法来定位交流系统中的故障。根据线路[13]某一端记录的故障电流和电压信息，计算出的电抗可确定故障位置。基本相量信息[14]，相量测量单元(PMU)[15]，故障电压暂降[16]也可以使用。行波法通过计算与故障相连的两个或多个位置的瞬态波阵面到达时间的差值来定位故障[17]。
现有的直流故障定位技术采用电流上升率、电流大小、电流振荡模式[12]、连续小波变换[30]、分布参数线模型[19]、参考电压迭代估计[20]和人工神经网络[18]。上述方法的准确性显示出了希望;然而,
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对两端测量的依赖限制了实际应用。仪器方面，如传感器误差和通信延迟的影响，已在[21]中进行了研究。此外，由于直流故障电流上升得如此之快，在获得一些用于故障定位的有用信息之前，可能必须中断直流故障电流。此外，在故障发生时，由于故障电流是由其他母线段和元件以及故障阻抗决定的，因此很难提取故障定位所需的信息。

建议故障保护方法
与以前提出的直流系统[12]，[22]的其他方法不同，所提出的保护方法不需要完全关闭微电网。相反，只有受影响的部分被隔离和断电。这是用直流母线的环形母线配置演示的，创建了几个保护区域，可以使用母线内的重叠节点和链路定义这些保护区域。每个节点由三个CBs组成，一个总线段的两端有两个CBs构成一个链路。这可以用于双极系统的正极和负极。在每个节点，探针电源单元将安装定位故障和测试总线重合闸。所提出的系统的详细示意图如图3所示。建议的保护方案包括以下部分。

A.故障检测与隔离
主控制器监测一个段内从控制器的两个当前读数的差值
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I in和I out是总线段两端的线路电流。当差值超过该阈值时，控制器向从控制器发送相应的命令，使故障段从系统中分离出来。由于该系统采用差动继电器原理，只监测某段输入输出电流的相对差值，因此无论故障电流幅值大小或电源馈电容量大小，都能检测到母线故障。一旦故障段被隔离，母线电压将恢复，系统的其余部分可以继续在环形母线上运行。即使有多个故障线段，如果部分电源到负载的线段完好无损，系统也能部分运行。如果将段控制器安装在尽可能靠近连接点的地方，则可以将设备连接点附近发生故障的可能性降至最低。
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所提出的保护方案的实现如图4所示，图3中A段的配置如图4所示。半导体双向开关S1和D2二极管分别用于分段分离和故障电流自由转动。在正常操作中，开关S1是闭合的，二极管D2是打开的。当故障发生时，主控制器通过从控制器的当前信息检测到故障，并打开S1开关。二极管D2同时导通，形成故障电流的自由路径，使S1开关打开，故障电流通过电阻熄灭。段控制器可以检测线对地故障(从A点或B点到G点)和线对线故障(从A点到B点)的故障电流。S1开关包括一个关断缓冲电路，以限制由线路电感引起的电压超调。
线路接地故障如图4所示。可以看出，故障电流在自由轮回路中是隔离和熄灭的。自由路径阻抗决定了故障电流的消光率，可得:
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式中，Rf、Lf分别为自由路径上的电阻、电感。
当配电线路中发生线对地或线对线故障时，如果由于容量不足而限制源电流，则母线电压崩溃将不允许负载通过。这对于vsc接口的微电网系统来说尤其如此。此外，即使系统有足够的馈电能力，也需要尽可能快地熄灭故障电流。因此，最好的解决方案之一是尽快隔离故障线路，并在母线段和子系统完好无损的情况下继续运行。为了实现这一点，段控制器需要能够快速差分电流检测和总线开关控制。自动重合闸算法对于故障恢复和更稳健的操作是必要的。

B.缓冲器电路
缓冲电路是保护固态cb免受母线电感引起的电压瞬变所不可或缺的。特别是在环路型母线中，与点对点型系统不同，线路电感存在于CB的两侧。虽然需要尽快中断故障电流，但高di/dt会使固态开关的瞬态电压急剧升高。抑制线路电感引起的关断过电压的缓冲电路拓扑有几种，如解耦电容器、放电限制解耦电容器、放电-充放电型RCD缓冲器和放电抑制型RCD缓冲器[8]。据报道，去耦电容器具有低损耗，但也有振荡问题，RCD缓冲器具有较高的损耗，但没有振荡问题，适用于大电流应用[9]。由于固态cb没有高频开关，因此选择充放电型RCD缓冲器以获得更好的电压抑制性能。

C.用探头电源单元进行故障段建模
一旦故障母线段被隔离，就可以通过故障路径与探测功率单元形成一个二阶RLC电路，如图8所示的等效电路。当探头电源单元的开关Sp关闭时，探头电流的动态可表示为
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故障路径的等效电阻和电感分别为线路电阻和故障电阻以及线路和探头电感之和，如图5所示。线路漏电容量可以忽略，因为探头电容的电容要大得多。探头电容和探头电感将决定探头电流的频率。由于[23]功率电缆R/L比大，在没有探头电感的情况下探头电流衰减过快。因此，故障电路元件，包括探测单元元件，表示为
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其中R1和L1为故障位置的线路电阻和电感，定义为
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由于电路中除了初始探头电容电压外没有驱动电压，探头电流i可以作为RLC电路的零输入响应
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D.故障定位
探头电流的欠阻尼响应频率是固有频率和阻尼因子的函数。如果阻尼因子足够小(探头电容和电感可控)，阻尼响应频率变得非常接近固有频率，这是故障段电感L1、探头电感LP和探头电容CP的函数。由于探头电路的电容和电感(CP和LP)以及线路的单位电感Lu是已知参数，到故障位置的距离可以很容易地从探头电流频率fip计算，使用(17)
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阻尼共振频率可以通过快速傅里叶变换(FFT)算法从采样电流数据中获得。

仿真结果
本文对微电网系统进行了计算机模拟，该系统由三种典型的能源设备组成:电源、负载和储能。连接如图7所示。假设硬直流电源，以恒定的故障电流由电源馈电没有电压降。模拟了一种240V双极直流母线，母线段为200m，母线中间(100m)发生故障。仿真参数见表一。
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在1ms的时间内模拟了总线A段中间的正接地故障。图8显示了带保护和不带保护的线路接地故障的源电流和负载侧电流。可以看到，在0.5 msec后，源电流增加到180 A。故障电流大小取决于故障路径的阻抗。故障前电流相同的各段电流在故障后有明显的差异。线路到线路的故障电流将更高，因为没有电阻限制它。因此，快速检测和隔离至关重要。在仿真中假设段控制器可以检测到并在250s内开启/关闭固态CBs，考虑到当前微控制器和开关器件的速度，在此速度范围内快速中断是可行的。图8所示。图9。also shows that the fault currents are extinguished when the faulted segment is separated.
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图10分别显示了没有缓冲电路和有缓冲电路的固态CB S11的电压瞬态。它还显示了断层在自由路径上的消失。由于线路电感和高di/dt，关断时的电压瞬态非常高，很容易损坏固态开关。也可以看出，暂态电压被缓冲电路抑制在一个可容忍的水平。
图11显示了负载上的电压。接地故障将正极电压拉至零，双极直流母线将在故障极上经历电压偏移。然而，在故障段被分离后，负载电压很快恢复。
图12为母线C段电流和B、C段电压及自由路径电流。母线C段经历了接地故障电流和电压骤降，母线B段和C段经历了接地故障电流和电压骤降。
故障段被ied隔离后，由探头电源单元进行检测，确认故障状态和位置。探头功率单元组件的电容和电感值分别为27 F和657 μH，阻尼系数为0.025，探测周期为50ms。探头电流按设计衰减，并清楚地显示振荡频率。母线段100m故障，频率为718.95 Hz。FFT分析提取频率为719.0 Hz，用(17)确定故障位置，误差为0.02% (100.02m)。
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本仿真中忽略了母线段B和C中的保护装置，因为如果母线没有故障，所提出的检测净电流流量差异的保护方案将不会被触发。这可以通过图12所示的流入和流出完整母线段C的电流来验证。即使是A总线段故障引起的暂态，C段的输入电流和输出电流是相同的。所提出的检测电流差的方法对共模噪声和由故障引起的瞬态具有鲁棒性。

结论
提出了一种适用于直流微电网系统的故障检测、隔离与定位方案。所提出的保护方案由能够检测母线段故障电流并隔离母线段的简易爆炸装置组成，以避免整个系统停机。本文介绍了一种基于环形总线的微电网系统。针对已分离的故障段，提出了一种不需要重合闸的探测功率单元故障定位算法。该母线探测方法可以保证重合闸前线路状态正常，提高了系统可靠性和保护装置的平均无故障时间(MTBF)。此外，它可以很容易地应用于交流电力系统，以消除重合闸故障所引起的问题，并确定故障的位置。通过计算机模拟，成功地实现了故障检测、隔离和定位。

参考文献























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