直流配电系统故障分析与保护技术研究
柔性直流配电网的若干问题研究
柔性直流配电网的若干问题研究一、本文概述随着能源结构的转型和电力电子技术的快速发展，柔性直流配电网作为一种新兴的配电方式，受到了广泛关注。
其独特的优势，如能够灵活控制潮流、实现多源协调互补、适应分布式新能源接入等，使得柔性直流配电网在解决传统配电网面临的一系列问题上展现出巨大潜力。
柔性直流配电网在实际应用中仍面临诸多问题和挑战，如系统稳定性、经济性、控制策略、保护技术等方面的问题，亟待解决。
本文旨在深入研究柔性直流配电网的若干关键问题，通过对现有文献的梳理和分析，结合国内外相关研究成果，探讨柔性直流配电网的理论基础、技术难点和发展趋势。
文章首先对柔性直流配电网的基本原理和主要特点进行概述，然后重点分析其在运行控制、保护技术、经济性评估等方面的关键问题，并提出相应的解决方案和策略。
文章还对柔性直流配电网的未来发展方向进行展望，以期为我国配电网的升级改造和新能源消纳提供理论支持和实践指导。
二、柔性直流配电网的基本原理与关键技术柔性直流配电网采用基于电压源型换流器（VSC）的直流配电系统，通过PWM（脉宽调制）技术实现直流电压的灵活控制。
VSC换流器通过调整其输出电压的幅值和相位，能够独立地控制有功功率和无功功率，从而实现对配电网的灵活控制。
VSC换流器还具有快速响应、易于扩展和模块化等优点，使其成为构建柔性直流配电网的理想选择。
（1）VSC换流器技术：VSC换流器是柔性直流配电网的核心设备，其性能直接影响整个配电网的运行效率和稳定性。
研究高效、可靠的VSC换流器技术是柔性直流配电网发展的关键。
（2）直流保护技术：由于直流配电网的故障特性与交流配电网存在显著差异，传统的交流保护方法无法直接应用于直流配电网。
需要研究适用于直流配电网的故障检测、隔离和恢复技术，以确保配电网的安全稳定运行。
（3）直流配电网的规划与优化技术：随着分布式电源和电动汽车等直流负荷的快速发展，直流配电网的规划与优化问题日益突出。
需要研究考虑多种因素的直流配电网规划方法，以及基于多目标优化的配电网运行控制技术，以实现配电网的经济性、可靠性和环保性的协调优化。
低压直流配电系统保护研究综述
低压直流配电系统保护研究综述发布时间：2021-01-14T01:52:45.195Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第23期作者：陈晨[导读] 大规模建设推广光伏建筑，就地发电就地使用，可在很大程度上替代传统能源，并减少输电损耗。
海南电网公司输变电检修分公司 570000摘要：直流配电系统包括中压配电网和用户侧配电网，与传统的交流配电网相比较，由于其损耗低、没有频率和无功问题、应用直流设备时可减少交直流转换的次数等特点，具有高效率、电能质量优良、节约能源的优势。
本文对低压直流配电系统保护研究进行分析，以供参考。
关键词：低压直流；配电系统；保护研究引言大规模建设推广光伏建筑，就地发电就地使用，可在很大程度上替代传统能源，并减少输电损耗。
光伏建筑低压直流配电系统一般由光伏系统、储能装置、直流配电网络、能量管理系统以及直流负荷组成，是安全、可靠、绿色、高效、智慧的源、网、荷、储一体化建筑配电系统。
直流供电与交流供电相比，具有供电效率高、线损少、安全可靠性高等优点，尤其是光伏建筑，采用直流供电可以方便地接入光伏发电及储能设备，减少逆变成本和电能损失，对于实现建筑电力负荷的移峰填谷，降低配电容量和初投资成本，提高电网效能等具有重要作用。
1低压直流配电系统构架低压直流配电系统的结构，包括电池、低压单元、中央控制单元、绝缘监测等。
在操作中，交流输入信号提供给两种方式的交流，其中一种方式是在调节配电装置后为充电模块选择交流输入信号。
充电模块输出稳定的直流电源，补充电池组并提供组合制动输出，同时通过低压单元提供正常的负载运行电流。
绝缘监测在线监测直流母线和各道路的相对绝缘。
集中式监视单元可控制和管理交流配电装置、充电模块、直流供电装置、隔离监视单元、直流母线和电池组的运行参数，并可由后台操作人员通过远程界面进行监视。
System Control Unit 具有中央控制器设备结构，主要由CPU单片电路、隔离输入电路、隔离输出电路、显示器和键盘、通信通道、工作电路等组成。
直流电源系统智能运维技术及应用
根据大数据分析结果，对直流电源系统进行性能优化和提升，提高 系统的稳定性和效率。
运维策略制定
基于大数据分析结果，制定更加科学合理的直流电源系统运维策略， 降低运维成本。
04
CATALOGUE
面临的挑战与解决方案
数据安全与隐私保护问题
数据加密技术
采用先进的加密算法，对 传输和存储的数据进行加 密处理，确保数据的安全 性。
和互操作性。
参考国际经验
借鉴国际先进的标准和规范，结合 国内实际情况，制定适合我国直流 电源系统智能运维的技术标准和规 范。
强化技术研发
鼓励企业加强技术研发，提升直流 电源系统智能Biblioteka 维技术的自主创新 能力和核心竞争力。
跨平台集成与协同问题
统一数据接口
制定统一的数据接口标准，实现 不同平台和系统之间的数据互通
直流电源系统智 能运维技术及应 用
contents
目录
• 直流电源系统概述 • 智能运维技术介绍 • 直流电源系统智能运维应用实践 • 面临的挑战与解决方案 • 未来发展趋势与展望
01
CATALOGUE
直流电源系统概述
定义与组成
定义
直流电源系统是一种将交流电转换 为直流电，并为负载提供稳定直流 电能的装置。
02
CATALOGUE
智能运维技术介绍
预测性维护技术
基于数据驱动的预测模型
维修决策支持
利用历史数据训练模型，实现对设备 未来状态的预测。
根据预测结果，为运维人员提供针对 性的维修决策建议。
故障模式识别
通过对设备运行状态数据的分析，识 别出潜在的故障模式。
远程监控与诊断技术
实时数据采集与传输
交直流柔性配电网故障特性及保护原理
根据故障点到保护安装处的距离，设定不同的动作时限和动作电流 ，实现故障隔离。
零序保护
针对接地故障，采用零序电流和零序电压原理进行检测和保护。
交直流协调保护策略
保护配合
01
确保交流侧和直流侧保护在动作时序和动作电流上相互配合，
避免误动或拒动。
故障定位
02
利用行波原理、小波变换等方法实现交直流混合线路故障精确
根据仿真结果，分析故障电流 、电压波形及保护动作情况， 验证保护策略的正确性和有效
性。
保护策略性能评估指标体系构建
保护性能指标
包括保护动作时间、选择性、灵敏性、速动性 等。
评估方法选择
可采用模糊综合评价法、层次分析法等方法对 保护策略性能进行评估。
评估结果分析
根据评估结果，分析保护策略的优势和不足，提出改进意见。
04
保护策略二：过流保护
实施效果：在案例二中，过流保护正确动 作，切除故障线路，恢复供电
05
06
存在问题：在案例一中，过流保护动作时 间较长，影响供电可靠性
经验教训与改进措施建议
改进措施建议一
优化差动保护算法，提高保护 动作速度和准确性
改进措施建议二
加强过流保护与其他保护策略 的配合，缩短故障切除时间
有灵活、可靠、高效等特点。
组成结构
交直流柔性配电网由交流配电网 、直流配电网、换流站及控制保 护系统等部分组成，可实现多电 源供电、分布式能源接入等功能
。
应用场景
交直流柔性配电网适用于城市电 网、工业园区、海岛等场景，可 提高供电可靠性、降低损耗、促
进可再生能源消纳。
故障特性与保护原理重要性
故障类型
保护原理与方法研究
柔性直流配电网运行控制技术分析与研究
柔性直流配电网运行控制技术分析与研究发布时间：2023-01-04T08:15:39.730Z 来源：《福光技术》2022年24期作者：郭阳王晓辉[导读] 频率和电压是反映系统与负荷方面能量是否达到稳定的重要参数。
内蒙古电力（集团）有限责任公司呼和浩特供电分公司内蒙古呼和浩特 010030摘要：频率和电压是反映系统与负荷方面能量是否达到稳定的重要参数。
所以，直流系统启动的关键在于创建可靠的直流电压，随后是做好功率控制。
假如系统中安装了双向调节的储能装置，可以在下一阶段连接，从而应对电源造成的功率不稳现象；接着连接到分布式电源，最后连接电荷。
所以，对于该项课题的研究，需要基于频率和电压等相关指标，提出关键技术设备的启停控制策略。
关键词：柔性；直流配电网；运行控制技术1直流配电网协调控制保护技术现状1.1故障特性和机理故障原理和特性分析是相关故障保护技术的重要前提。
已经有学者围绕相关换流器出口极间故障与接地故障问题展开了研究，同时对于第一类故障划分为三个环节；全面探讨了直流配电系统故障电流的属性表现，为后面评估故障原理、分析动态响应创造了良好的条件。
随后对第二类故障划分为4个不同的环节，在中性点接地位置，系统梳理了接地故障的主要特征表现。
1.2故障检测和定位当直流配电系统出现运行问题时，内部保护配置首先会在尽可能短的时间内对故障问题进行评估与检测。
明确不同故障模式该通过哪个部分进行负责，随后开始启动相应的保护逻辑，对于其中的问题进行切除处理。
保障系统中的重要设备不受影响，故障意外的部分依然可以保持稳定的工作。
如今，对于直流配电领域的故障测定、定位问题已经有很多学者进行过不同角度的探讨，不过基本还是理论时期，还难以在工程项目中进行运用，所以作为重难点之一，未来时间中依然需要进一步探讨研究。
尤其是线路较短而且中点不接地情况，此时的故障评估、定位更加难以完成。
1.3故障保护配置①单端量保护。
基于单端量的直流配电系统保护一般适用于一些简单的网络，且动作时限能否满足器件安全要求也有待深入分析。
直流电源系统接地引起保护误动作的分析及对策
直流电源系统接地引起保护误动作的分析及对策摘要：随着电网的发展，全面实施和建设智能变电站，这就给电厂、变电站直流电源系统提出了更高的要求，电力系统中直流系统是十分重要的电源系统，但也容易受到各方面的影响发生直流接地故障，如何安全、快速、准确地找到接地故障位置，及时解决并消除故障恢复直流系统正常运行，是我们当前需要分析和掌握的技术。
关键词：直流电源系统；保护误动作；分析及对策发电厂和变电站的直流电源作为主要电气设备的保护、控制、信号及操作电源，是一个涉及点多、面广、线长、十分庞大的多分支供电网络。
而且整个供电网络是通过电缆、导线、汇流排等导体与户外、户内高、低压配电装置的端子箱、操作箱、自动装置、保护装置、断路器操作机构等用电装置相连接，发生接地的机率较高。
发电厂和变电站的直流电源系统本身对地是绝缘系统，一般情况下发生一点接地不会构成短路，所以不会造成熔断器熔断或断路器脱扣，直流电源系统仍能继续运行。
一但发生一点接地故障应及早发现与排除，否则当直流系统再发生另一点接地时，就有可能引起信号回路、控制回路、保护装置和自动装置回路的不正确动作。
轻者造成系统误发接地信号、严重情况下会造成保护出口继电器误动、造成断路器误跳停电事故。
电力系统中直流系统是十分重要的电源系统，但也容易受到各方面的影响发生直流接地故障。
当直流系统单点接地时，不会对信号回路、控制回路、自动装置、继电保护及事故照明等设备造成误动作或拒动作，但这样的隐患必须及时消除，否则可能发展成为两点接地，这样将会引起上述事故，产生严重的后果。
由此可见，直流系统的可靠性及安全性直接影响着整个电力系统的安全，然而目前对直流接地的文献、参考资料等都很有限，当出现直流接地故障时，往往大多数时间凭借个人经验来处理，如何安全、快速、准确地找到接地故障位置，及时解决并消除故障恢复直流系统正常运行，是我们当前需要分析和掌握的技术。
1 直流接地故障的原因直流系统容易受到各种因素（如系统分布范围广、设备外露部分多等）的影响，在灰尘、湿气的作用下容易造成绝缘元件绝缘降低，导致直流接地故障的发生。
直流NDC断路器研究及典型故障分析
直流NDC断路器研究及典型故障分析摘要：介绍广州地铁二十一号线白云BNDC直流开关的结构特点,阐述了运行原理,举例分析相关故障,并提出对应措施.以确保地铁供电系统的正常稳定运行。
关键词：直流系统；NDC断路器1前言21号线1500V开关柜采用的是白云公司生产的产品，大部分主体由英国霍克西利公司生产的LIGHTING柜构成，霍克西利开关的Lighting开关被设计用于额定系统电压最高到1800V的直流系统，断路器采用霍克西利公司的NDC4型断路器。
本文重点对断路器的运行原理、结构等方面进行介绍，同时对相关设备的典型故障进行分析，提出整改方案，确保地铁供电系统的正常稳定运行。
2 NDC断路器结构及运行原理直流开关设备由固定的柜体和可移开部件成，柜体为优质冷轧钢板、经数控加工，折弯进行铆接而成，结构上分各种功能小室。
功能小室通常有直流断路器室、保护控制室、主母线室、排气或通风室、通风腔附室、线路测试设备隔间和电缆连接室等多个部分。
其主要用于直流牵引供电系统，作为直流电能分配，实现对馈线，接触网或接触轨等设备的测控、保护和上位监控设备的总线通信。
直流开关设备除了带有完成当地控制测量、保护功能所必须的元器件外，还配置通信模块实现远方监控用的转换开关及数据传送。
（1）断路器室断路器小室包含了满足NDC断路器安全操作所需的支撑导轨、联锁和相关的电气连接。
一套设计完美的联锁方案，可根据断路器的不同位置，严格限制其使用功能，完全杜绝了断路器非安全的操作。
（2）排风小室断路器小室内配有完全绝缘的通风通道，该通道能让电离的气体和灭弧分解物等预先膨胀和冷却，然后通过断路器小室后部的排放口释放。
断路器小室内的通风通道可以使上述排放物安全消散，确保设备操作人员的安全。
（3）二次控制室控制和保护室包含了所有与直流配电盘柜体相关的控制和保护设备。
保护方案可以根据客户不同的要求设计来制定。
可选用FKI公司设计的保护装置，也可选用其他制造商的保护装置。
直流配电网故障分析和继电保护综述
直流配电网故障分析和继电保护综述发表时间：2018-10-17T10:11:26.407Z 来源：《电力设备》2018年第19期作者：刘玲[导读] 摘要：直流配电网是未来城市配电网的重要组成部分，文章对目前国内外学者关于直流配电网方面的研究工作进行了综述。
（国网太原供电公司山西太原 030010）摘要：直流配电网是未来城市配电网的重要组成部分，文章对目前国内外学者关于直流配电网方面的研究工作进行了综述。
首先分析了基于两电平VSC换流器和基于模块化多电平换流器的直流系统的故障特征，将故障过程划分为多个阶段，通过理论分析得到了各阶段的故障电流解析表达式。
其次介绍了各种适用于直流配电网的故障检测和定位原理，主要包括电压/电流保护、边界保护、纵联保护、分区保护、“握手法”等。
然后，通过对比采用交流断路器、利用换流器自清除能力和采用直流断路器的3种故障隔离方案，对直流配电网的故障隔离策略进行了分析。
最后从接地方式、保护与控制一体化、故障电流限制等方面，对配电网故障分析与处理的研究提出了建议。
关键词：直流配电网；故障分析；继电保护综述引言配电网中的故障恢复问题，是指配电网故障发生以后，经过故障定位和隔离，将故障排除，然后采用一系列的故障恢复策略，对配电网的联络开关及分段开关进行操作，将失电负荷转移到其他馈线或其他供电区域进行供电，快速有效的寻找到非故障区断的最佳恢复供电路径，完成配电网故障恢复的任务。
配电网故障恢复是一个多目标、多维数、多约束、多时段非线性的组态优化问题，是配电网故障自愈中的重要一环。
传统的交流配电网故障恢复问题是在系统允许的操作条件及电气约束下，利用网络重构将停电区域的失电负荷转供到正常供电线路上，恢复非故障区段的供电。
实际上，配电网调度员不仅需要快速有效的恢复供电，而且需要考虑开关操作寿命及有限的人力资源，要求开关操作次数尽量少。
目前国内外对故障恢复策略的研究主要针对交流配电网以及含有分布式电源的交流配电网，对含有直流配电线路的故障恢复研究还很少。
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直流配电系统故障分析与保护技术研究
发表时间：2019-09-18T10:31:29.667Z 来源：《电力设备》2019年第7期作者：高峰刘伟郑锦欢
[导读] 摘要：直流系统可将分布式发电、配电供电及储能等优点进行充分发掘，以便为电气企业的供电与用户的用电提供新效益与新价值。
（国网山西省电力公司检修分公司）
摘要：直流系统可将分布式发电、配电供电及储能等优点进行充分发掘，以便为电气企业的供电与用户的用电提供新效益与新价值。
系统保护是配电安全运行的保障，其实施难点主要是电流未能经过零点，使灭弧较难，且控制相对复杂，需给予灭弧更大的空间。
国家电气工程相关工作人员在研究直流保护的过程中，应对其运行动态与常见故障间的关联进行充分考虑，以此来获得更佳的保护效果。
文章依据直流组成及其原理，分析总结出了其系统的常见故障类型，提出的一系列故障解决策略，对直流配电系统的完善具有理论性意义，对解决其建设中的实际问题具有现实性的指导意义。
关键词：直流配电系统；故障分析；保护技术
直流配电在有效接纳分布式电源、高效稳定电压变换及控制、系统优化配置、供电可靠性等方面的技术问题已基本解决。
直流配电保护是其安全运行的关键，但国内外对直流配电的保护研究尚处于理论研究和试验探索阶段，可以预见一旦突破直流保护这一瓶颈，直流配电技术及装备将快速的发展和广泛应用。
直流配电保护实现的难点在于：直流电流无过零点，灭弧困难，需要更大的灭弧空间和复杂的控制，直流过流速断保护是一个尚需研究和攻克的难题；直流配电系统无论是故障类型、故障发展过程、故障电压电流特性还是故障后果与交流配电网都有所不同；直流配电网中接入多元化的分布式电源、负荷、储能，直流配电系统存在多种不同的运行状态，大量电力电子装置的存在，给保护配合带来了挑战。
直流保护的研究与应用必须考虑不同运行状态、源荷敏感特性与故障类型之间的关系。
保护模型需要改进或优化以得到更佳的系统参数；保护的算法及程序需要优化以得到更准确的保护整定值及更好的保护效果。
1.直流主动保护构成及其原理
直流保护系统的构成分为单母线配电、两端配电以及放射状与环状配电等四种系统，无论是应用哪一种系统，均是以DC/AC 和 DC/DC 器为载体，使储能、多型负荷及分布式发电相连接，系统保护便集成于 DC/AC 和 DC/DC 中。
其主动保护构成由短路与接地保护、绝缘下降、交直流混接、环网保护、交流电网、储能电池、光伏电池及燃料电池等组成，其借助 DC/DC 或 DC/AC 接受配电，将电供给负载。
其原理是在电子转换器构造监控与拓扑原理基础上，将其保护行为“融入”转换器的逻控之中，遵循双重保护原则，充分利用隔离单元与电子器件，使诸多故障线路与正常运行的线路自然断离，并对故障较为严重的回路进行切断处理，可阻止轻微故障变严重扩大危害范围，尽可能确保系统正常工作。
因电子转换器具有自己的保护性能，所以诸多学术研究人员对其进行探究的兴趣颇高。
此项技术具有继电保护作用，已经被国人广泛应用于电气企业当中。
直流继电器结合断路器，可对故障进行快速检测与断离。
2.直流配电系统常见故障解析
非高压直流系统中，常见的故障有短路故障与接地故障。
①短路故障：正负电极均悬空的系统，如若正负极其中一极接地，则无法造成电路短路；如若唯有接地线电压出现异常，且正负极其中一极线路接地，便会引发短路故障。
直流系统的短路故障，其电流输送速度飞快，影响范围广泛，且未经过零点。
解决直流短路故障的方法诸多，其中切除电路的方式最为直接且效果较好。
②接地故障：前期线路绝缘性能的下降与交直流交接混乱等问题并未引发接地故障，当接地电压发生异常时，如若未能对其进行有效控制，可使其最终演变成接地故障。
近几年，我国的直流断路技术还未发展成熟，对于其他故障的保护方法仅限于监测与报警，而对于接地故障保护，我国已有一定的技术成果，例如环网技术。
③直流故障具有自身独特的直流电压，其故障点位较难寻找。
直流电系中，导致线路故障形成的原因之一是直流环网出现问题。
环网故障会使直流电系统之间产生电环流，最终造成输电异常的危害，严重的情况下，很有可能导致线路出现短路或是接地故障。
3.非高压直流系统故障保护方法探析
3.1直流环网维护法
直流环网法的内涵主要指在直流系统未能并列期间，环网存有的多数电气连接。
在环网运行的过程中，受倒负荷与绝缘度降低等因素的影响，极易使其出现故障，导致产生火灾、电池使用年限缩短以及空气开关失效等问题。
若出现两个直流等级各不相同的系统电压，则会造成更为严重的后果。
例如，异常发电现象，会引发电路短路或接地等危害。
DC/DC 属于隔离型转换器，具有稳定电压的作用，在直流环网中，可确保各负荷电压始终保持平衡状态。
各支流通过使用 DC/DC可完成单独供电。
当负荷出现故障时，DC/DC 可保证各直流系统正常运作。
面对多条直流线路同时出现问题的危急时刻，借助环网监测可检测出其问题所属的故障种类，并将故障点前后电路封锁，阻止转换器输出电流，实现故障隔离，可有效避免直流主干线与其他支干线的输电工作受到影响。
3.2短路故障保护法
依照主动保护原理，短路故障的保护应以电子器件内部的运行原理及算控法为基础，通过逻辑管控与诊断，对短路电流进行切断处理。
单元隔离法将部分因故障问题流失电流进行回吸，可降低故障的破坏力，避免直流系统整体运行中断。
ASP 集成器的应用，可将DC/AC 或者是 DC/DC 器中，需要被保护的各直流线路进行串联。
考虑到转换器中电力 IGBT 的全控型运作特点及原理，一旦馈线电路或直流干线出现短路问题，可通过逻辑法实现对 IGBT 的控制。
快速完成主动保护，使功率输出停止运行，可将短路线路与主干线、分布式发电线、负载线进行脱离，加快了主动保护的速度，增强了其可靠性，使其作用得以充分发挥。
短路故障保护的主要控制开关是半导器件，其电路开关通断的控制法与其他方法不同，其故障保护总通断时长应被局限于μs 级范围内。
3.3接地故障维护法
接地保护法是指依靠快速检测，由 DC/DC 器通过将单元进行隔离，进而完成隔离接地故障的目的。
在线路馈线处，便将故障限制于此，可有效阻止主干线与电源、负载间的故障传播，为主干线路与其馈线的正常运作提供保障。
接地危害的监测工作，是实现直流保护的最大难题。
当前，经常被使用的监测方法包括三种，分别是电阻平衡法、漏电检测法及低频交流法等。
此三种方法虽然均能为故障的检测工作带来一定的效果，但是，仅能起到报警的作用，无法从根源处解决接地故障问题，防止其危害的发生。
此外，漏电后，若绝缘不及
时，会引发接地危害。
AGP 需要考虑和集成绝缘下降报警。
应用非平衡桥法，可对故障及绝缘进行监测，可考虑使用 AGP 绝缘报警。
通过对直流正负电阻的监测，可实现接地绝缘报警。
结语
总而言之，随着我国电气事业的不断发展，电力配电系统获得完善，并逐渐走向成熟，致使主动保护的灵敏度与可靠性有所提高。
电气单位做好主动保护工作，可将直流故障的影响力降至最低，破坏范围缩至最小，减小了其对断路器的伤害。
通过优化其结构，允许各环境下故障系统照常运行，既有利于直流系统接纳其他电源能力的提升，又可为电流供应商信誉的可靠度提供保障。
文章针对直流保护原理及其系统具有短路故障与接故障等问题，提出了直流环网维护法、短路故障保护法以及接地故障维护法等策略，希望能够为电企提供帮助。
参考文献
[1]吴鸣，刘海涛，陈文波，等.中低压直流配电系统的主动保护研究[J].中国电机工程学报，2016，36(4):891-899.
[2]叶风彩，姜云龙，姜德胜，等.关于直流配电系统继电保护改进方案研究[J].黑龙江电力，2017，39(3):229-234.。