一种应用于直流系统中的新型主动式保护装置

张武洋，邹学毅，曹子恒

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006；

2.南京国臣信息自动化技术有限公司，江苏南京 211100；

3.四川大学电气信息学院，四川成都 610065）

文章已被电气传动杂志社录用， 电气传动杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/dianqichuandong

摘要:交直流窜线故障是发电厂、变电站常见的一种直流系统故障，对直流系统的稳定运行具有严重的危害，而现有的交直流窜线故障的解决方法只能通过便携式的接地故障查找仪来查找接地故障，具有工程量大，时效性差的缺点。针对这种情况，本文提出了一种基于电力电子技术的新型主动式保护装置，本装置具有很好的故障隔离功能和故障检测功能，能通过单片机系统算法辨别故障的发生，从而实现故障报警和故障隔离，及时的避免了故障进一步扩大到其他支路。本文给出了该装置的控制方案，实现形式和设计拓扑结构，并且详细分析了交直流窜线故障的解决原理，之后分别介绍了该保护装置的各组成子电路，最后通过MATLAB/Simulink进行仿真验证表明了该装置功能可实现和运行控制策略正确。

关键词:交直流窜线故障;电力电子；直流系统；保护装置

A new active protection device applied in DC system

Zhang Wuyang¹, Zhou Xueyi², Cao Ziheng³

（1.Electrical Power Research Institute of Liaoning Electric Power Co.Ltd,liaoning Shenyang 110006, China;
2. Golden Cooperate Information&Technolgy CO.LTD,Jiangsu Nanjing 211100, China;

3.School of Electrical and Information Engineering University,Sichuan Chengdu 610065, China）

Abstract：the fault of Ac power flow into DC power is a common DC system fault in power plants，transformer station，and has serious harm to the stable operation of DC system, and the existing the solution of the fault of Ac power flow into DC power detect ground fault only by the portable grounding troubleshooting instrument, this intstrument has disadvantages of large quantities and the poor timeliness.For this kind of situation, this paper proposes a new active protection device based on power electronic technology，this device has good function to isolate and detect fault，it can identify fault occurs by the algorithm of single-chip microcomputer system，so as to realize alarm and isolation of fault, to avoid the fault further extend to other branches in time.this paper presents the control scheme of the device，the realization form and the topology structure of design，and analyzes the solution principle of the fault of Ac power flow into DC power in detail.Then, introduces the sub-circuits of the protection device respectively.Finally,acorrding to simulation verification of MATLAB/Simulink indicate that the function of the device can be realized and the operation control strategy of the device is correct.

Keywords：the fault of Ac power flow into DC；power electronic；DC system；protection device

1 引言

直流系统属于电力二次系统的重要组成部分，在变电站与发电厂中是必不可少的结构，是电力系统控制和保护的基础，同时也是确保事故能得到快速处理的保障^[1-2]。现在的直流统主要是由整流模块系统，监控系统，绝缘监测单元，蓄电池组，电池巡检单元，开关量检测单元，降压单元，配电单元所构成，其中蓄电池组是整个系统的核心^[3-4]。在直流配电系统中，交流回路和直流回路是两个相互独立的系统，交流回路一般是接地系统，而直流回路是浮地，所以当发生交直流窜线故障时，就会引发直流母线接地故障^[5-6]。对于交直流窜线而造成的直流母线发生接地故障的现象，现有的解决方法可以通过便携式的接地故障查找仪来查找接地故障，但是由于查找仪的兼容性低和抗干扰能力差的因素，会造成接地故障的误报，而且对于接入直流母线上的任何导线都要查找，工程量大，时效性差，交直流窜线故障难以分辨和精确查找；另外，也可以用短接试验线来识别交流电和直流电，分析故障，但无法避免误碰的错误；这些仪器或方法即使能查找到交直流窜线故障，但是无法对故障进行限制和隔离，从而导致故障会进一步扩大到整个直流配电系统，影响直流系统的稳定运行^[7]。新标准如《直流电源系统绝缘监测装置技术条件》要求在直流系统中，窜入的交流电压大于或等于10V 有效值时，装置应具有可靠的报警和定位功能^[8]。

文献[9]分析了现在的直流电源系统存在的故障，对其特点与发展过程做了详细介绍，并提出了保护装置的概念，但并没有做详细的介绍。文献[10-11]提出了基于电容隔离的检测方法和基于FFT算法的故障交流电幅值计算，但是只能实现检测和报警功能，并不能实现定位和限制故障的功能，并且算法过于复杂，不利于实现。文献[12]给出了多种交直流窜线故障检测方法，并且提出了较为详细的定位技术和算法，但是也不能实现故障的隔离和限制。文献[13]分析了直流系统中交直流窜线故障现象，并提出了基于CPU的故障检测技术，但是没有给出详细的原理和过程。

为了解决上述问题，本文提出了基于电力电子技术的新型主动式保护装置，该保护装置不仅能够准确检测出直流母线上的交直流窜线故障，而且还能实现故障的精准定位和报警功能，并且将故障隔离在相应直流负载支路，对故障进行限制，从而不会对其它直流负载支路或直流电源母线侧造成影响,最后通过仿真对比了故障前后直流电源母线侧的电压波形，证明了该主动式保护装置确定能起到隔离交直流窜线故障的作用，验证了本文提出的主动式保护装置功能实现的有效性与正确性。

2 交直流窜线故障分析

2.1 交直流窜线故障的现象

直流系统中交直流窜线故障指的是交流电源直接接入直流系统中的正极或者负极母线。如图1所示，其中U_dc为蓄电池电源，R₁，R₂为正负母线的绝缘检测电阻，AC为窜入的交流故障电源。由图1可以看出，由于交流故障电源AC接地并且与直流母线相连接，所以对于直流系统来说，相当于正极或者负极母线发生了接地故障，而对于交流系统来说，电阻R₁，R₂和交流故障电源构成回路，从而输出交流电压，对直流母线电压产生影响。例如图1(a)，交流故障电源窜AC入正极母线，对于直流回路来说，则正极母线相当于接地，所以正极母线的直流电压大小为0，对于交流回路来说，正极母线的交流电压的大小为交流故障电源AC的大小，最终正极母线电压为交流故障电源电压。由于正极母线发生接地故障，则负极母线的直流电压大小变为正负母线电压之间的电压大小，而负极母线的交流电压仍为交流故障电源AC的大小，所以最终负极母线电压为交流故障电源电压和直流电压相叠加，若交流故障电源AC窜入负极母线也同理。

(a) 交流故障电源窜入正极母线

(b) 交流故障电源窜入负极母线

图1 交直流窜线故障现象

Fig.1 Appearance of the fault of Ac power flow into DC

2.2 交直流窜线故障的产生原因

在直流配电系统中，交流回路和直流回路是两个相互独立的系统，交流回路一般是接地系统，而直流回路是浮地，发生交直流窜线故障的因素主要有三个：

(1)人为因素

由于现场人为误操作，会造成交流的火线或零线与直流系统的正或负母线连接，例如对变电站或者发电厂情况不熟悉，以及在技术上的失误等都有可能错误地将交流电接到直流系统供电回路中去，从而导致发生交流电源窜入直流电源系统的事故。

(2)绝缘下降

电缆面上的保护层绝缘下降也可导致交流窜入直流系统中，因为这样一来交流电缆和直流电缆的内芯可能发生电气接触，从而导致故障。

(3)天气影响

在雨天当中，也可能会发生雨水进入配电箱的情况，导致发生交直流窜线故障。

2.3 直流系统中交直流窜线故障的危害

当直流系统中发生交直流窜线故障时，就会造成直流系统母线接地，如果接地发生在直流正极，就会造成保护发生误动的可能；如果发生在直流负极，就会造成保护发生拒动的可能；而且交直流电压叠加于直流跳闸回路的中间继电器两端，其幅值远超过中间继电器的动作电压，因此就会出现周期性的继电器抖动或光电隔离信号的动作。

以交流故障电源接入直流正极为例,当处于交流正部分的时候，电压最高的时候高于正常电压 537V，将严重超出正常直流电压，当绝缘下降时，击穿设备，发生直流放电。当交流部分处于负极的时候，压力又低于正常电压。最低时候低于－110V，这样可能直接导致保护设备误动作。目前，交直流窜线故障是发电厂、变电站经常可能遇到的异常情况。这些异常不但影响到直流系统本身，而且在一定条件下引发信号回路及继电保护装置的误动作，给发供电带来严重后果。

3 新型主动式保护装置的拓扑设计以及故障解决原理

3.1 新型主动式保护装置的拓扑设计

针对在直流系统当中出现的交直流窜线故障故障，目前的便携式检测技术具兼容性低和抗干扰能力差的因素，会造成接地故障的误报以及具有工程量大，时效性差，交直流窜线故障难以分辨和精确查找的缺点。本文提出了一种用于直流配电系统当中解决交直流窜线故障的新型主动式保护装置。

下面对该装置的拓扑结构进行详细介绍，如图2所示，该保护装置的输入端连接直流电源（蓄电池组），输出端连接直流负载；其包括双管正激DC/DC变换器、单片机控制电路、输出二极管以及检测电路；双管正激DC/DC变换器的输入端连接直流电源，双管正激DC/DC变换器的输出端通过输出二极管连接直流负载；单片机控制电路连接双管正激DC/DC变换器的驱动端；检测电路包括直流正母线交流信号采样电路和直流负母线交流信号采样电路，检测电路将采集到的母线正极或负极交流电压信号传输给单片机控制电路。

本文提出的用于直流配电系统的新型主动式保护装置还包括RS-485通讯接口和人机交互界面，RS-485通讯接口和人机交互界面分别与单片机控制电路连接；当有交流电压窜入直流正负母线时，通过检测电路采样交流窜入直流正负母线电压，送到单片机控制电路进行数据处理，单片机控制电路一方面通过SPI通讯接口送到显示屏（人机交互界面）进行显示，给出交直流窜线故障报警信号，进行就地显示；一方面还可通过RS-485通讯接口进行故障信息的远程上传，实现远程监控；同时单片机控制电路通过PWM1、PWM2两个驱动控制信号来控制双管正激DC/DC变换器两个MOS管的工作状态，通过整个保护系统的工作实现了交直流窜线故障的检测，定位和隔离功能。

如图3所示，本文提出的保护装置可多个并联设置，多个并联保护装置的输入端均与直流电源连接，输出端分别通过输出二极管对应连接不同的直流负载支路。

图2 具有新型主动式保护装置的直流系统拓扑结构

Fig.2 Topology structure of DC system incluedes new active protection device

图3 直流系统并联多个主动式保护装置的拓扑图

Fig.3 The topology of multiple parallel active protection device in DC system

3.2 直流系统中交直流窜线故障解决方法

该保护装置的主要是通过检测电路采样双管正激DC/DC变换器输出端口的正负极母线上的电压，将采样到的电压值传输到单片机控制电路，然后进行相关的逻辑、数据处理和数据运算来实现交直流窜线故障的检测，若一旦检测到故障，马上对其进行报警和定位，然后通过单片机电路断开DC/DC变换器的两个MOS管，在这里面DC/DC变换器主要作用是对故障进行隔离，因为变换器内部具有高频升压器，而该升压器具有隔离直流电的功能，故障交流电源在故障端构成回路后，输出的交流电经高频变压器副边侧的二极管后变为直流电，而直流电无法通过高频变压器，所以故障端对其他支路没有影响，从而将故障限制在本支路，防止故障扩张到蓄电池侧和其他负载支路，实现了故障支路和非故障支路之间的电气隔离，但是为了防止DC/DC变换器的输出端由于交流电压峰值过高而导致保护发生误动或者拒动的现象，所以一旦发生故障，单片机会控制两个MOS管从而断开DC/DC变换器的输出电压和输出电流，起到保护输出端支路的作用。

单片机的故障识别原理如下：

假设一个周期单片机采样100个点，连续采样N个周期的数据，则形成N个周期的正弦波形，因为在第一节当中说过，假设交流电源窜入负载端正极母线，导致正极母线发生接地故障，所以母线上的直流电压大小为0，最终正极母线电压为故障交流电源电压，若负极母线发生故障同理。

如图1(a)，例如在220V直流系统中，正极母线中窜入50Hz的有效值为50V故障交流电，故正极母线电压值U₁₊和负极母线电压值U_1-分别为式1和式2：

(1)

(2)

故直流母线正极电压U₁₊的变化范围为[,],直流母线负极电压U_1-的变化范围为[149.28,290.71]。

如图1(b),若在负极母线中窜入50Hz的有效值为50V故障交流电，则正极母线电压值U₂₊和负极母线电压值U_2-分别为式3和式4：

(3)

(4)

故直流母线正极电压U₂₊的变化范围为[149.28,290.71],直流母线负极电压U_2-的变化范围为[，]。

由式(1)和式(3)可知，发生交直流窜线故障的那一极由于接地，导致母线电压为标准的交流电，所以在(=0,1,2,3…n)处必然等于或接近于0，所以我们可以根据所采集N个周期的电压值在(=0,1,2,3…n）处的值是否接近0来判断该侧是否为故障发生侧。若在处等于0或接近于0上，则说明故障发生在该侧，若远大于或小于0，则说明另一侧发生交直流窜线故障。

判断出发生故障的那一侧后，并且依据那一侧所采样的N个交流电压值来计算故障交流电的有效值。对于交流电压的计算，一般通过取方均根值获得，其计算过程如式5：在采样一个周期内采样n个点的电压值U₁,U₂，…，U_n,则电压方均根值为

(5)

计算出窜入的故障交流电压值后，则发出报警信号和定位信息，图4为新型保护装置解决交直流窜线故障的工作流程图。

图4 故障决解的工作流程图

Fig.4 Working flow chart of fault solution

4 新型主动式保护装置的各部分子电路介绍

4.1 主电路设计

在新型主动式保护装置当中双管正激DC/DC变换器有着极其重要的快速隔离功能，通过对DC/DC变换器的输入电流，输出电流，输出电压的参数进行采样，再进行单片机相关的逻辑数据处理和数据运算。若单片机检测到故障，则发出报警信号并且通过PWM驱动信号断开DC/DC变换器的MOS开关，断开输出电压和输出电流，从而防止故障端因交流电压峰值过高而导致保护发生拒动或者误动的现象，由于DC/DC变换器中间具有高频隔离变压器，与其他支路有电气隔离，所以交直流窜线故障被限制在该支路，有效的避免了故障进一步扩大。

图5 双管正激DC/DC变换器

Fig.5 Workflow chart of fault solution

如图5所示，Uin为输入电压，Uo为输出电压，L为电感，T为高频隔离变压器，C1、C2为滤波电容，功率管Q1、Q2选用MOS管，MOS管的型号为FQA28N50；PWM1、PWM2由单片机控制电路给出2个同开或同关的驱动控制信号，D1、D2为续流二极管，选用快恢复的二极管，整流二极管D3、D4选用快恢复二极管。

4.2 检测电路设计

新型主动式保住装置的检测电路原理图如图6所示，直流220V的电源为双管正激DC/DC变换器的输出电压，在输出电压正负母线上分别加装一个输出二极管，检测电路包含了两个电路：正极采样电路与负极采样电路，检测电路检测的就是双管正激DC/DC变换器输出电压正负母线上是否交流电，当有正极或者负极有交流电时，等效为交流电源直接与故障极相连接，并且将采集到的正负极电压值传输给单片机电路，进行数据运算和检测。

图6 检测电路原理图

Fig.6 Principle diagram of detection circuit

4.3 单片机控制电路设计

单片机控制电路原理图如图8所示，单片机控制电路中DSPIC单片机的型号为DSPIC30F2023，其中AN3、AN4为交流窜入直流正负母线电压采样端口，其采样输入电压来交流窜入直流正负采样电压，单片机的PWM1、PWM2信号用来控制双管正激DC/DC变换器的两个MOS管，单片机的AD采样端口AN0、AN1、AN2分别采集双管正激DC/DC变换器的输入电压、输出电压以及输出电流；单片机的485A和485B端口即为RS-485通讯接口，单片机通过其SPI通讯接口（SDI、SCK、SDO）与人机交互界面实现通讯。

图7 单片机控制电路原理图

Fig.7 Principle diagram of single-chip microcomputer control circuit

5 实验验证

为了验证新型主动式保护装置在负载端支路发生交直流窜线故障的情况下是否能有效的隔离故障支路，保证蓄电池支路母线电压不受影响，本文进行了验证新型主动式保护装置功能的相关实验。

(1)首先分别给出正常情况下蓄电池侧正负母线对地电压，如图8。其中，通道1代表正常情况下负载端正极母线对地电压，通道3代表正常情况下蓄电池侧正极母线对地电压112V，通道4代表正常情况下蓄电池侧负极母线对地电压-120V

(a) 正常情况下蓄电池侧的正极母线对地电压

(b) 正常情况下蓄电池侧的负极母线对地电压

图8 正常情况下蓄电池侧的正负母线对地电压

Fig.8 Ground voltage of positive and negative busbar on battery side in normal situation

(2) 若负载端的负极母线发生交直流窜线故障，则给出故障情况下的蓄电池侧的正负母线对地电压(通道3和通道4)与负载端正极母线对地电压(通道1)，如图9。可图9(b)与图9(c)不难发现，在负载端负极母线发生交直流窜线故障的情况下，蓄电池侧的正负母线对地电压不受故障影响，仍然分别是112V与-120V，与图8中正常情况下的对地电压一致。而负载端的正极母线对地电压为峰值-95V到545V的交流电，等于直流电压与交流故障电压相叠加。

(a) 故障情况下负载端正极母线对地电压

(b) 故障情况下蓄电池侧正极母线对地电压

图9 故障情况下蓄电池侧正负母线对地电压和负载端正极母线对地电压

Fig.9 Ground voltage of positive and negative busbar on battery side and positive busbar on load side in the fault situation

(3) 若负载端的正极母线发生交直流窜线故障，则给出该故障情况下的蓄电池侧的正负母线对地电压(通道3和通道4)与负载端正极母线对地电压(通道1)，如图10，由图10看出当故障发生在负载端的正极母线时，蓄电池侧的正负母线对地电压仍然不受故障影响。由于负载端的正极母线接入接地的交流故障电源，导致该母线发生接地故障，故负载端正极母线的直流电压为0，所以该母线对地电压为峰值-325V到335V的交流电。

(a) 故障情况下负载端正极母线对地电压

(b) 故障情况下蓄电池侧正极母线对地电压

图10 故障情况下蓄电池侧正负母线对地电压和负载端正极母线对地电压

Fig.10 Ground voltage of positive and negative busbar on battery side and positive busbar on load side in the fault situation

通过上述在故障情况下的实验验证，发现无论故障发生在负载端的正极还是负极母线，蓄电池侧的正负极母线电压始终不受影响，由此我们可以确定该新型主动式保护装置对故障支路具有电气隔离的功能，实现了该侧故障不会影响其他支路的稳止运行，防止了故障的进一步扩大。之后通过单片机逻辑运算判断出发生交直流窜线故障的那一极，并且同时发出报警信号，对故障经行精准定位，通过实验证明了该新型主动式保护装置能很好的实现对交直流窜线故障的检测，定位和隔离功能。

6 总结

本文首先分析了交直流窜线故障在直流系统中的危害与产生原因，并且给出了故障发生的等效电路图。针对当前的研究技术不能很好的解决交直流窜线故障，因此本文提出了一种基于电力电子技术的新型主动式保护装置，之后详细阐述了该保护装置在直流系统中的拓扑结构设计，故障的解决原理以及该保护装置的电路组成，最后通过实验验证了该新型主动式保护装置具有对故障支路隔离，报警，定位的功能，有效的减小了交直流窜线故障对直流电源系统的影响，很好的解决了在现有技术上故障精准定位难，防止故障扩大难等问题，给现有的交直流窜线故障决解技术提供了很大帮助，保证了直流电源系统运行的安全性和可靠性。

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