站用直流電源系統中新型主動式保護裝置的研究

張武洋，王同 ，曹子恒，鄒學毅

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065；3.南京國臣信息自動化技術有限公司，江蘇 南京 211100）

站用直流電源系統屬于電力二次系統的組成部分，既是電力系統控制和保護的重要基礎，同時也是確保事故能得到快速處理的關鍵保障，在目前的變電站與發電廠中廣泛存在[1?4]。

在站用電源系統中，交流回路和直流回路是兩個相互獨立的系統，交流回路一般是接地系統，而直流回路是不接地系統，所以當發生交流竄入直流時，就會引發直流母線接地故障[5?6]。對于交流竄入直流而造成的母線接地故障，現有的解決方法可以通過便攜式的接地故障查找儀來檢測故障，但是該方法存在明顯的缺點：1）由于查找儀自身兼容性低和抗干擾能力差的因素，可能會造成接地故障的誤報；2）需對任何饋線支路進行檢測，具有工作量大、時效性差的缺點。另外，也可以用萬用表拆除部分回路接線來查找故障，但易造成誤觸誤碰事故的發生，更重要的是，這些儀器或方法無法對故障進行有效地限制和快速地隔離，進而可能導致故障進一步擴大到整個系統[7?8]。因此，標準 DL/T1392—2014《直流電源系統絕緣監測裝置技術條件》要求在站用直流電源系統中，竄入的交流電壓有效值大于或等于10 V時監測裝置應具有測記和報警功能[9]。

文獻[10?12]分析了現在站用直流電源系統中所存在的故障，對其特點與發展過程做了詳細介紹，并提出了保護裝置的概念，但并沒有給出詳細的設計方案。文獻[13]提出了基于電容隔離的檢測方法和基于快速傅里葉變換的故障幅值計算方法，但是只能實現檢測和報警功能，并不能實現定位和限制故障的功能，并且檢測方法過于復雜，不利于實現。文獻[14]首先分析了多種交流竄入直流故障的檢測方法，之后提出了一種新型故障定位算法，但同樣不能實現故障的隔離和限制。文獻[15]同樣針對交流竄入直流故障，提出了基于中央處理器的故障檢測技術，但其適用性還有待進一步驗證。

針對交流竄入直流故障，文章提出了一種基于電力電子設備的新型主動式保護裝置，可實現故障主動隔離、故障主動檢測、故障主動定位和設備保護的功能。故障的檢測和定位功能主要通過系統控制算法來實現，而故障的隔離功能則是通過保護裝置的電路拓撲結構來實現的，最后通過現場實驗驗證了文章提出裝置功能的有效性。

1 交流竄入直流故障分析

1.1 交流竄入直流故障的現象

交流竄入直流故障指的是交流電源連接直流正極母線或者負極母線的情況，如圖1所示。圖1中，Udc為母線極間電壓；Rp，Rn為正負母線的絕緣檢測電阻；Uac為竄入的交流故障電源有效值。由圖1可以看出，由于Uac接地并且與直流母線相連接，所以對于直流回路來說，相當于母線發生了接地故障，而對于交流回路來說，Uac可通過Rp，Rn輸出交流電，從而對直流母線電壓產生影響。

圖1 交流竄入直流故障現象Fig.1 Appearance of the fault when AC power flow into DC

定義正常情況下正極母線對地電壓為Up，負極母線對地電壓為Un，定義故障情況下正極母線對地電壓為Up*，負極母線對地電壓為Un*。

根據圖1a有下式成立：

1.2 交流竄入直流故障的產生原因及危害

經過多次的現場調研與討論，發生交流竄入直流故障的因素主要分為三類[16]：

1）人為因素。由于現場人為誤操作，會造成交流的火線或零線與站用直流電源系統的正或負母線連接，例如對變電站或者發電廠情況不熟悉，以及在技術上的失誤等都有可能錯誤地將交流電接到直流系統供電回路中去，從而導致發生交流電源竄入直流系統的事故。

2）絕緣下降。電纜面上的保護層絕緣下降也可導致交流竄入直流系統中，這樣一來交流電纜和直流電纜的內芯可能發生電氣接觸，從而導致故障。

3）天氣影響。在雨天當中，也可能會發生雨水進入配電箱的情況，導致發生交流竄入直流故障。

交流竄入直流故障可能引發如下危害[17]：

1）繼電保護裝置拒動或誤動。如果故障發生在正極母線，可能會造成繼電保護裝置誤動的情況；如果發生在負極母線，可能會造成繼電保護裝置拒動的情況。

2）繼電器抖動或光電隔離信號的動作。故障情況下，交直流電壓疊加于直流跳閘回路的中間繼電器兩端，其幅值會遠超過中間繼電器的動作電壓，可能會出現周期性的繼電器抖動或光電隔離信號的動作。

根據圖1b有下式成立：

目前，交流竄入直流故障是發電廠、變電站經常可能遇到的異常情況，這不但會影響到站用直流電源系統本身的可靠運行，而且在一定條件下會引發信號回路及繼電保護裝置的誤動和拒動，嚴重影響了系統的發供電效率[18]。

2 提出新型主動式保護裝置

針對現有故障檢測技術的不足，提出了一種基于電力電子設備的新型主動式保護裝置，該保護裝置可實現對故障的主動隔離、精確檢測以及快速定位，同時還能保護故障支路的設備。

2.1 新型主動式保護裝置的拓撲結構

新型主動式保護裝置的拓撲結構如圖2所示，該保護裝置的輸入端連接電源系統的發電端蓄電池組、輸出端連接直流負載。整個保護裝置包括雙管正激DC/DC變換器、單片機控制電路、輸出二極管以及檢測電路。雙管正激DC/DC變換器的輸入端連接直流電源，雙管正激DC/DC變換器的輸出端通過輸出二極管連接直流負載；單片機控制電路連接雙管正激DC/DC變換器的驅動端，還同時連接檢測電路的傳輸接口；檢測電路包含直流正負母線的交流信號采樣電路、檢測電路的采樣端口及連接DC/DC變換器輸出端的輸出二極管。

圖2 新型主動式保護裝置的拓撲結構Fig.2 Topology structure of new active protection device

本文提出的用于直流配電系統的新型主動式保護裝置還包括RS?485通訊接口和人機交互界面，RS?485通訊接口和人機交互界面分別與單片機控制電路連接。單片機控制電路一方面通過串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）連接顯示屏，一方面還可通過RS?485通訊接口進行故障信息的遠程上傳，實現遠程監控；同時單片機控制電路通過脈寬調制（pulse width modu?lation，PWM）兩個驅動控制信號來控制變換器的兩個金屬氧化物半導體管（metal oxide semicon?ductor，MOS）的工作狀態。

2.2 新型主動式保護裝置的功能實現方式

在實際應用中，保護裝置通常串聯在負載支路和直流母線之間，如圖3所示。

圖3 站用直流電源系統中主動式保護裝置的連接方式Fig.3 Connection mode of active protection device in DC power system of station

新型主動式保護裝置的主動保護作用是通過四大功能來實現的，即故障主動隔離功能、故障主動檢測功能、故障主動定位功能以及設備保護功能。

1）故障主動隔離功能。由于主動式保護裝置當中DC/DC正激變換器與負載支路直接相連接，并且DC/DC正激變換器當中含有高頻隔離變換器，可實現負載支路與蓄電池側的電氣隔離，從而將故障限制在本支路，防止故障擴張到蓄電池側和其他負載支路，實現了故障支路和非故障支路之間的電氣隔離。值得注意的是，由于DC/DC變化器自身內部具有一定的保護功能，可防止過流、過壓、斷路、短路等故障的發生，一定程度上增加了站用直流電源系統的安全性能。

2）故障主動檢測功能。該保護裝置當中的檢測電路和單片機電路可實時監測負載端母線的電壓情況，若母線發生故障，單片機控制電路對采樣得到的負載端母線的電壓信號進行相關數據處理和計算，識別出交流電源竄入負載母線的情況，并進行交流竄入電壓有效值的計算，最后通過SPI通訊對故障信息進行上傳，從而實現了對交流竄入直流故障的精確檢測。

3）故障主動定位功能。若某負載支路發生交流竄入直流故障時，則該支路的主動式保護裝置可發出報警信號，報警信號通過通訊設備上傳到顯示屏或者遠程監控室，全方位實現了對所有負載支路故障的快速定位。

4）設備保護功能。為了防止負載支路發生交流竄入直流故障后出現設備擊穿或者保護設備誤動、拒動的現象，當保護裝置的單片機電路檢測出直流母線上的故障后，會立即斷開DC/DC正激變換器的PWM開關驅動信號、關閉兩個MOS管的工作狀態、停止對負載支路的供電，從而實現了對負載端設備的保護。

值得注意的是，由于站用直流電源系統中含有較多負載支路，并且保護裝置內含有多個電路與器件，相比于現在通用的便攜式接地故障查找儀，雖然一定程度上增加了站用直流電源系統的經濟成本，但是能大幅提高故障檢測的時效性，大大減少了工程查找量，節約了人力，而且該保護裝置能將故障限制在故障支路，實現了故障主動隔離與保護的效果，避免了整個站用直流電源系統接地甚至發生短路以及直流消失的風險，而這些優勢都是現有技術不具備的。

綜上所述，相比于現在通用的故障查找儀技術，所提出的新型保護裝置在站用直流電源系統中的應用效益更大，用途更加廣泛，提升了站用直流電源系統的智能化技術。

2.3 新型主動式保護裝置的故障檢測方案

該保護裝置的故障主動檢測功能主要是通過檢測電路和單片機控制電路來完成，為了彌補現有技術難以分辨和精確查找的缺點，該保護裝置不僅能通過單片機電路的相關數據處理檢測出故障極，還能計算出竄入的故障交流電壓的有效值，故障檢測的詳細方案如下：

1）直流母線的故障判斷。故障交流電壓一個周期的時間約為20 ms，單片機的一個周期大約采樣100個點，連續采樣3個周期的數據，則形成三個周期的正弦波形，由于發生故障的一極將直接連接交流故障電源，因此，故障檢測方法會根據兩極電壓的峰值和來判斷故障交流電源竄入哪一極，通過式（1）、式（2）可以發現，若峰值和接近0，則為故障極。

2）故障交流電壓的有效值計算。有效值的計算可通過均方根公式獲得，若單片機在3個周期內連續采樣n個點的電壓瞬時值記為U1～Un，則計算竄入的交流電壓Uac的有效值表達式如下式所示：

圖4為故障檢測方案的流程圖，在各模塊及各參數初始化之后，保護裝置啟動，啟動完成后，單片機控制電路通過自身的A/D采樣單元采集雙管正激DC/DC變換器輸出端的交流電壓信號，并進行直流母線的故障判斷和竄入的交流電壓有效值計算，得出相關故障信息后進行上傳。

圖4 故障檢測方案的流程圖Fig.4 Flow chart of fault detection programme

2.4 新型主動式保護裝置的電路設計

2.4.1 主電路設計

在新型主動式保護裝置當中雙管正激DC/DC變換器有著極其重要的快速隔離功能，當故障交流電源竄入直流母線并構成回路后，故障交流電經高頻變壓器副邊側的整流電路和二極管后變為直流電，而直流電無法通過高頻變壓器，所以負載端的故障對其他支路沒有影響，故交流竄入直流故障可被限制在該支路，有效地避免了故障進一步擴大。

圖5為雙管正激DC/DC變換器的拓撲結構。其中，Uin為輸入電壓；Ct為儲能電容；Uo為輸出電壓；L，C2為LC濾波器的濾波電感與濾波電容；T為高頻隔離變壓器；Q1，Q2為MOS開關管；PWM1，PWM2為控制兩個開關管的驅動信號；D1，D2為續流二極管；D3，D4為整流二極管。

圖5 雙管正激DC/DC變換器的拓撲結構Fig.5 Topology structure of two switches forward DC/DC converter

2.4.2 檢測電路設計

新型主動式保護裝置的檢測電路原理圖如圖6所示，直流220 V的電源為雙管正激DC/DC變換器的輸出電壓，檢測電路包含了兩個電路：正極采樣電路與負極采樣電路，檢測電路的功能為檢測雙管正激DC/DC變換器輸出電壓的正負母線上是否含有交流電，當有正極或者負極含有交流電時，則等效為交流電源直接與故障極相連接，并且將采集到的正負極交流電壓信號傳輸給單片機電路，從而引導單片機控制電路對電壓信號進行采樣。

圖6 檢測電路原理圖Fig.6 Principle diagram of detection circuit

2.4.3 單片機控制電路設計

圖7 單片機控制電路原理圖Fig.7 Principle diagram of single-chip microcomputer control circuit

2.5 站用直流電源系統的供電可靠性分析

由于本文提出的新型主動式保護裝置串接在蓄電池與負載之間，實現了交流竄入直流故障的主動隔離功能，但是接入了電力電子設備，增加了中間環節，如果主動式保護裝置本身發生故障，會造成其輸入端微型斷路器動作，從而造成負荷停電。因此，文章第二個重點在于提高站用直流電源系統加入保護裝置之后的供電可靠性，故提出了一種提高供電可靠性的新型拓撲結構，如圖8所示。該方案優勢在于提高了供電可靠性。

圖8 提高站用直流電源系統供電可靠性的新型拓撲結構Fig.8 Topology structure of DC power system of the station after improving reliability of power supply

為了防止保護裝置的DC/DC變換器發生故障、導致該負載支路發生供電中斷的情況，可在保護裝置旁并聯冗余裝置，冗余裝置為一個雙管正極DC/DC變換器。當保護裝置的DC/DC變換器發生故障時，可通過切換到冗余裝置繼續對負載傳輸供電，從而提高整個站用直流電源系統的供電可靠性，此外，為了進一步提高供電可靠性，冗余裝置的供電由充電機提供。由圖8可以看出，交流電源通過多個整流模塊為各支路的冗余裝置供電，可防止蓄電池發生故障時，導致負載支路停止供電的現象。同時，為了提高保護裝置自身DC/DC變換器的安全性能，變換器內部所有器件按照二倍以上的安全參數來設計。

3 實驗驗證

為了驗證提出的新型主動式保護裝置在負載端支路發生交流竄入直流故障的情況下能有效地隔離故障支路、保證蓄電池支路母線電壓不受影響，本文給出了相關實驗驗證。

首先分別給出正常情況下蓄電池側正負母線的對地電壓、負載端正極母線的對地電壓以及負載端的輸入電流，如圖9所示，其中從下至上分別為通道1～通道4曲線（圖10～圖11相同）。通道1為正常情況下負載端正極母線的對地電壓，電壓值為100 V左右；通道2為正常情況下負載端的輸入電流，電流值為7.3 A左右；通道3為正常情況下蓄電池側母線正極的對地電壓，電壓值為112 V；通道4為正常情況下蓄電池側母線負極的對地電壓，電壓值為?120 V。

圖9 正常情況下站用直流電源系統的電流電壓參數Fig.9 Parameters of current and voltage of DC power system of the station in normal situation

圖10為負載端的母線負極發生交流竄入直流故障（故障1）時，蓄電池側正負母線的對地電壓（通道3和通道4）、負載端正極母線的對地電壓（通道2）以及負載端的輸入電流（通道1）的變化情況。由圖10可知，在負載端負極母線發生交流竄入直流故障的情況下，蓄電池側的正負母線對地電壓不受故障影響，仍然分別為112 V與?120 V，與圖9中正常情況下的對地電壓一致，而負載端的母線正極受到故障影響，由于圖9中100 V左右的直流電變為電壓范圍為[?95，545]的交流電，其峰值的和為450且遠大于0，說明故障發生極不是該極，符合了2.3節的理論分析。另外，負載端的輸入電流同樣與正常情況下一致，說明蓄電池側未受到故障的影響，維持了正常情況下的供電能力。

圖10 故障1情況下站用直流電源系統的電流電壓參數Fig.10 Parameters of current and voltage of DC power system of the station in the fault situation 1

圖11為負載端的母線正極發生交流竄入直流故障（故障2）時，蓄電池側的正負母線對地電壓（通道3和通道4）、負載端正極母線的對地電壓（通道2）以及負載端的輸入電流（通道1）的變化情況。由圖11看出當故障發生在負載端母線的正極時，蓄電池側正負母線的對地電壓仍然不受故障影響。由于負載端正極母線發生故障，其對地電壓變為電壓范圍為[?325，335]的交流電，其峰值的和為10且接近于0，說明故障發生極為該極，驗證了2.3節分析的正確性。負載端的輸入電流仍然為7.3 A左右，與圖9一致。

圖11 故障2情況下站用直流電源系統的電流電壓參數Fig.11 Parameters of current and voltage of DC power system of the station in the fault situation 2

綜合圖9～圖11實驗結果可知，該故障不會影響蓄電池電源對負載支路提供的供電電流，有效地保護了蓄電池對所有支路的供電能力。

通過上述在故障情況下的實驗驗證，發現無論故障發生在負載端的母線正極還是母線負極，蓄電池側的正負極母線電壓始終不受影響，可以確定該新型主動式保護裝置對故障支路具有主動隔離的功能，實現了該側故障不會影響其他支路的穩定運行的功能，防止了故障的進一步擴大。同時單片機控制電路通過前文敘述的數據處理得出故障相關信息，并且發出報警信號，通過通訊設備對故障信息和報警信號進行上傳，之后關閉DC/DC變換器的驅動信號，實現了對故障的主動隔離、主動檢測、主動定位以及設備的保護，克服了現有技術對于交流竄入直流故障難以分辨和精確查找的缺點，有效地減少了故障解決的工程量，提高了故障的解決效率。

4 結論

本文針對當前的研究技術不能很好地解決交流竄入直流故障的問題，提出了一種基于電力電子設備的新型主動式保護裝置，該保護裝置能實現對故障的精確檢測、主動隔離以及報警，同時還能保護故障支路的用電設備，從而大幅提高了交流竄入直流故障的檢測時效性，減少了檢測工程的查找量，解決了現有技術中存在的工程量大、時效性差的問題，下一步將圍繞減小新型主動式保護裝置經濟成本的問題進行相關研究，并將該保護裝置拓展應用到站用直流電源系統中其他故障的解決方案上。