CN112582992A - 直流微网支路联动控制***及方法 - Google Patents

直流微网支路联动控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种直流微网支路联动控制***及方法。直流微网支路联动控制***包括：检测单元，对连接到直流微网母线的每个支路进行实时电压检测和电流检测；控制器，针对检测的电压和电流进行频率分析和阈值分析，基于所述频率分析和阈值分析来判断直流微网中出现的故障，并且基于所述故障进行多个支路的联动控制；以及支路联动机构，在控制器的控制下对***中的支路执行联动保护。

Description

直流微网支路联动控制***及方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，本发明涉及一种直流微网支路联动保护控制***及方法。
背景技术
随着光伏发电项目增多、电动汽车充电站的大量应用、锂电池后备电站的大量应用，直流***以及直流微电网的应用也越来越多，然而直流保护相对交流保护要求速度快，保护可靠，其实现难度较大。直流微电网也是最近几年刚刚兴起，其保护理论以及保护方法还不如交流保护***完善成熟。
直流微电网近几年刚刚兴起，所以从控制理论到具体实现方式、设备都存较多不足。如在直流保护方法上，现有技术中大多采用的是电压和电流阈值保护方法，对于不同工况不能准确的区分，易出现误动作；另外，现有技术还利用电流和电压斜率法，这种方法较阈值法使情况有所改善，误判情况有所下降，但是对于一些高速的负荷变化也易产生误判。此外，这些方法只针对特定故障情况进行处理，没有考虑到整体微电网的联动控制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了新的故障判别方法、实现方式，以及具体的控制***。针对直流微电网应用的特点提出了一种基于频率特性进行故障判别的方法，针对直流微电网应用的特点提出了直流微网中多支路同时联动的控制策略，并基于以上提出了具体的控制***。
一种直流微网支路联动控制***，包括：检测单元，对连接到直流微网母线的每个支路进行实时电压检测和电流检测；控制器，针对检测的电压和电流进行频率分析和阈值分析，基于所述频率分析和阈值分析来判断直流微网中出现的故障，并且基于所述故障进行多个支路的联动控制；以及支路联动机构，在控制器的控制下对***中的支路执行联动保护。
控制器执行的所述频率分析可通过对实时采集的每个支路的电压信号和电流信号进行实时快速傅里叶变换分析，来得到直流分量和高频分量。
控制器执行的所述频率分析可对所述高频分量进行预先判断，然后对直流分量进行判断。
当控制器执行的所述频率分析确定所述高频分量出现突变并且控制器执行的所述阈值分析确定所述直流分量的幅值超过预定阈值时可确认出现故障。
所述控制器可根据当前各支路的运行情况，控制所述支路联动机构切除故障支路并调节其余支路的负载分配和母线电压。
一种直流微网支路联动控制方法，包括：对连接到直流微网母线的每个支路进行实时电压检测和电流检测；针对检测的电压和电流执行频率分析和阈值分析；基于所述频率分析和阈值分析来判断直流微网中出现的故障；当判断出现故障时对***中的支路执行联动保护。
所述方法中，所述频率分析可通过对实时采集的每个支路的电压和电流信号进行实时快速傅里叶变换分析，来得到直流分量和高频分量。
所述方法中，所述频率分析可对所述高频分量进行预先判断，然后对直流分量进行判断。
所述方法中，当通过所述频率分析确定所述高频分量出现突变并且通过所述阈值分析确定所述直流分量的幅值超过预定阈值时确认出现故障。
所述方法中，可根据当前各支路的运行情况，切除故障支路并调节其余支路的负载分配和母线电压。
本发明所提供的直流微网支路联动保护控制***可提供如下优点：提出一种新的直流故障检测方法，与其他保护方法相配合使用，可以更加快速准确的实现故障判断；提出一种联动的直流微网支路控制结构，其应用到直流微电网中使直流微网控制更加高效可靠。
附图说明
图1是根据本发明的直流微网支路联动保护控制***的示图；
图2是根据本发明的三支路小容量微电网原理图；
图3是根据本发明的三支路小容量微电网的电压和电流波形图；
图4是根据本发明的三支路小容量微电网的电压和电流波形图的T1时刻放大图；
图5A和图5B分别是根据本发明的频测法的硬件结构图及软件流程图；
图6是根据本发明的直流微网支路联动保护控制***的控制流程图；
图7是根据本发明的直流微网支路联动保护控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例以直流微电网的实际应用情况为依据，提出的一种新的直流故障检测方法、控制方法以及相应的控制***。
本发明的实施例的优点在于对于单个故障点采用频测法加阈值法的方法，从而加快故障的判别速度及准备率，同时利用中央控制***对微电网进行多支路智能控制，从而达到维持***稳定性的目的。
本发明的实施例提供的直流微网支路联动保护控制***，在直流微电网架构基础上设置了支路联动保护控制***。
图1是根据本发明的直流微网支路联动保护控制***的示图。如图1所示，直流微网包括直流母线以及连接至直流母线的多个直流支路。直流支路包括DC/DC变换器，所述DC/DC变换器一端连接直流母线，另一端分别连接分布式直流电源或者储能***。例如，分布式直流电源可以是光伏电池，储能***为锂电池、铅碳电池或者超级电容。所述DC/DC变换器还可连接电动汽车充电***。另外，直流支路还包括连接至直流母线的负载。直流母线经过AC/DC变换器、AC变压器连接至交流电网。
支路联动保护控制***包括检测单元100、控制器(例如智能控制设备)200和支路联动机构300。
直流微网中的直流母线通过支路联动机构300和检测单元100连接分布式直流电源、储能***或者负载。
检测单元100对连接到直流微网母线的每个支路进行时实电压和电流检测。检测单元100可以以多种形式实现，包括但不限于传感器、互感器等。
支路联动机构300是支路联动保护***的执行机构，它通过智能控制设备200的控制对***中的支路执行联动保护。支路联动机构300可以以多种方式实现，包括但不限于带有通信功能的断路器、具有通信功能的固态保护开关等。
智能控制设备200是支路联动保护控制***的核心组成部分。智能控制设备200分别与检测单元100、支路联动机构300通信连接，通过检测单元100实时采集直流支路中的电压和电流，控制支路联动机构300中的断路器或者保护开关进行导通或者关断。智能控制设备200按照预先设置的联动控制策略以及保护算法快速识别故障并利用算法对各支路的故障类型进行分类、分级处理，然后通过通信模块实时发送故障信息，以进行多个支路之间的联动控制。智能控制设备200可以以多种方式实现，包括但不限于工业电脑、工控机等。
频测法判断故障
直流故障多分为直流短路故障、极间拉弧故障、过电压故障等。过电压类型的故障用普通的阈值法可以做到有效的检测及保护，在此将省略相关描述。比较难检测的是直流短路故障和极间拉弧故障。本发明针对这两种故障提出一种频测法(频率分析)进行故障判断。
下面以三支路为例描述频测法。图2是根据本发明的三支路小容量微电网原理图。
将参照图2描述频测法判断故障的原理，在图2中，三支路小容量微电网原理图仅示出存在3个支路的小容量微电网结构，然而，本发明的实施例不限于此，并且可应用于大于3个支路的***。图2中示出的直流微网的母线电压为800V，支路阻抗用电感与电阻进行等效。在支路2中，分别接入正常的负载和短路故障用于表示正常负载投入和短路故障发生。
同时对母线电压和支路电流进行监测，并对监测到的母线电压Etest和支路电流Itest进行快速傅里叶变换(FFT)分析，即对被测信号进行频率分析，从而得到Umeg、Udc、Imeg、Idc等4个分量，用以判断故障。具体波形数据如图3所示。
图3是根据本发明的三支路小容量微电网的电压和电流波形图。
在图3中示出了T0时刻(即在0.2s附近)投入正常的负载，电压和电流出现波动，可以在图3中的A处看出负载投入时电压和电流都出现了波动，但电压波动幅度较小，电流上升率较小。在T1时刻(即0.4S附近)发生了支路短路故障，可以在图3中的B处看出电流和电压都出现了较大的变化，支路短路时，电压下降较大，电流上升斜率较大。图3中，电压波形Udc指示的是母线电压的变化情况；电流波形Idc指示的支路2的电流变化情况；Umeg是电压波形Udc经过FFT频率分析后的电压频谱变化情况；Imeg是支路2的电流波形Idc经FFT频率分析后的电流频谱变化情况。
图4是根据本发明的三支路小容量微电网的电压和电流波形图的T1时刻放大图。参照图3和图4可以看出当负载投入时，所在支路的电压和电流发生变化并且相应的Umeg和Imeg也同步发生变化。此外，当T0时投入正常的负载，支路电流和电压的变化幅度较小并且Umeg和Imeg变化也很小；而当T1时短路故障发生，支路电流和电压的变化幅度较大，其电压下降率和电流的上升率都较大(相比于正常的负载投入)，并且Umeg和Imeg变化也较大。
根据以上特征，可以进行有效的DC直流支路故障判断。
本发明中的具体实施例用于说明监测DC直流短路故障的频测法，然而，所述方法不仅可以应用在直流微电网中，也可以应用在其他直流电路的故障监测当中。
直流故障存在多种判断方法，包括：阈值法，对电压或电流的保护阈值进行预先设定，当电压或电流达到或超过预先设定的阈值时，则判断为出现故障；斜率法，对电压或电流的变化率进行判断，当电压或电流的变化率出现较大的变化时，则判断为出现故障；频测法，对实时监测的电压或电流进行频谱分析，跟据正常负载工作时的频谱与故障出现时的频谱不同，利用不同的频谱特征进行故障的判断。在频测法中，当发生故障时，电压和电流的高频分量出现巨大变化，以此识别故障，可进行有效的保护。本发明采用的故障识别方法以频测法为基础结合阈值法对***中出现的故障进行监测和分析。
图5A和图5B分别是根据本发明的频测法的硬件结构图及软件流程图。
支路通过对电压和电流的实时采集并进行实时FFT分析，得到直流分量和高频分量。FFT分析可以由硬件电路来实现，也可以利用软件实现。通过FFT分析，基于直流分量的大小和高频分量的大小进行故障判断。在图5B的软件流程图中可以看出，用频测法对故障进行判断是对高频分量进行预先判断，而后再对直流分量进行判断。这是因为如图4中所示，在T1时刻发生短路故障，在T2时间高频分量开始出现(参见Umeg和Imeg曲线)，在此期间电流幅值逐渐增大，随后在T3时刻达到支路电流幅值的保护参考阈值(见IDC曲线图)，或者达到直流母线电压幅值的保护参考阈值。由此可见，当短路故障发生时，高频分量会预先出现，可利用这种特征对故障进行提前预判断，以缩短故障判断所需时间；再利用阈值分析对其直流分量的幅值进行二次确认，使故障判断的更加准确，以防止误判断。
直流微网支路联动控制策略
图6是根据本发明的直流微网支路联动保护控制***的控制流程图。
参照图1和图6，检测单元100设置在直流微电网的各个直流支路中对各支路的电压和电流进行实时检测，检测单元100在监测期间检测到的电压和电流信号可能包括故障异常信号，检测到的包括故障异常信号的电压和电流信号通过通信的方式被发送到智能控制设备200。智能控制设备200可采用智能算法对支路是否发生了故障进行分析，智能算法包括但不限于频测法，在频测法中对电压和电流信号进行前述FFT分析，并随后进行阈值分析。通过对FFT分析得到的直流分量和高频分量的特征判断来确定支路故障。由于支路中发生故障时高频分量通常提前出现，因此通过对FFT分析得到的高频分量的变化进行检测，可提前判断故障，然后对直流分量是否超过阈值的判断来确定支路故障，可防止出现误判。通过频率分析和阈值分析的结合确定发生故障，智能控制设备200根据当前各支路的运行情况进行综合控制，利用支路联动机构300切除故障支路，同时调节其他电路的负载分配(例如，调低其它支路的负荷)，并调整直流母线电压(例如，在电源支路中加大电压调整参数)，以保证直流母线工作稳定正常，避免故障的扩大化。通过根据本发明的直流微网智能支路联动保护控制***实现故障的判断和微网***的保护，从而实现直流母线的电压和电流的稳定运行。
图7是根据本发明的直流微网支路联动保护控制方法的流程图。
参照图7，在步骤710，直流微网支路联动控制方法对连接到直流微网母线的每个支路进行实时电压检测和电流检测，在监测期间检测的电压和电流信号可能包含异常信号，检测到的电压和电流信号通过通信的方式被发送到智能控制设备200。
在步骤720，可采用智能算法对支路是否发生了故障进行分析，智能算法包括但不限于频测法，在频测法中对电压和电流信号进行前述FFT分析，并随后进行针对直流母线的电压幅值或者支路电流幅值的阈值分析。
在步骤730，由于支路故障时高频分量通常提前出现，因此通过对FFT分析得到的高频分量的变化进行检测，可提前判断故障，然后对直流分量是否超过阈值的判断来确定支路故障，可防止出现误判。
在步骤740，根据当前各支路的运行情况进行综合控制，利用支路联动机构300切除故障支路，同时调节其他电路的负载分配，并调整母线电压以保证母线工作正常，对直流微网中的支路执行联动保护避免故障的扩大化。
本发明提出的直流微网支路联动保护控制***和方法可提供如下优点：提出一种新的直流故障检测方法，与其他保护方法相配合使用，可更加快速准确的实现故障判断；提出一种联动的直流微网支路控制结构，其应用到直流微电网中使直流微网控制更加高效可靠。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的直流无刷电机的控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机***读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的直流微网支路联动控制方法的计算机程序。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种直流微网支路联动控制***，所述直流微网包括直流母线以及连接至所述直流母线的多条直流支路，其特征在于，包括：
检测单元，对连接到直流微网母线的每个支路进行实时电压检测和电流检测；
控制器，针对检测的电压和电流进行频率分析和阈值分析，基于所述频率分析和阈值分析来判断直流微网中出现的故障，并且基于所述故障进行多个支路的联动控制；以及
支路联动机构，在控制器的控制下对***中的支路执行联动保护。
2.根据权利要求1所述的直流微网支路联动控制***，其特征在于，
控制器执行的所述频率分析通过对实时采集的每个支路的电压信号和电流信号进行实时快速傅里叶变换分析，来得到直流分量和高频分量。
3.根据权利要求2所述的直流微网支路联动控制***，其中，控制器执行的所述频率分析对所述高频分量进行预先判断，然后对直流分量进行判断。
4.根据权利要求2所述的直流微网支路联动控制***，其特征在于，当控制器执行的所述频率分析确定所述高频分量出现突变并且控制器执行的所述阈值分析确定所述直流分量的幅值超过预定阈值时确认出现故障。
5.根据权利要求1所述的直流微网支路联动控制***，其特征在于，所述控制器根据当前各支路的运行情况，控制所述支路联动机构切除故障支路并调节其余支路的负载分配和母线电压。
6.一种直流微网支路联动控制方法，所述直流微网包括直流母线以及连接至所述直流母线的多条直流支路，其特征在于，包括：
对连接到直流微网母线的每个支路进行实时电压检测和电流检测；
针对检测的电压和电流执行频率分析和阈值分析；
基于所述频率分析和阈值分析来判断直流微网中出现的故障；
当判断出现故障时对***中的支路执行联动保护。
7.根据权利要求6所述的直流微网支路联动控制方法，其特征在于，
所述频率分析通过对实时采集的每个支路的电压和电流信号进行实时快速傅里叶变换分析，来得到直流分量和高频分量。
8.根据权利要求7所述的直流微网支路联动控制方法，其特征在于，所述频率分析对所述高频分量进行预先判断，然后对直流分量进行判断。
9.根据权利要求7所述的直流微网支路联动控制方法，其特征在于，当通过所述频率分析确定所述高频分量出现突变并且通过所述阈值分析确定所述直流分量的幅值超过预定阈值时确认出现故障。
10.根据权利要求6所述的直流微网支路联动控制方法，其特征在于，根据当前各支路的运行情况，切除故障支路并调节其余支路的负载分配和母线电压。
11.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求6至10中任意一项所述的直流微网支路联动控制方法。
12.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求6至10中任意一项所述的直流微网支路联动控制方法。
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