近年来国家能源结构调整政策的持续引导，使可再生能源特别是光伏发电获得了长足的发展。光伏发电因其可靠性高、寿命长达30年、工作无污染、无噪声等优势，在国内已获得大规模推广。目前光伏发电的最常见用法是通过逆变器和交流电网连接。而随着电动汽车、LED照明、开关电源驱动的直流负载快速增长，采用直流方式将直流发电、直流负荷以及储能设备连接成低压直流配电网，成为各界研究的热点。直流配电电网因具有控制简单、传输容量大、灵活的重构能力、供电质量高等特点，易于发挥分布式电源的价值，具有较大的发展潜力。
目前直流断路器是直流配电网常用的保护手段，主要利用热磁脱扣原理，启动电流大，动作速度较慢、灵敏性差，很难满足作为主保护的要求。基于电力电子技术的固态直流断路器是未来的发展方向，但造价高昂，目前处于研究试用阶段。研制适用于低压直流配电系统的数字式保护，继承传统交流微机保护的优点，可靠、快速、灵敏、有选择地将故障元件从直流配电网中切除，对于现阶段低压直流配电网实践显得十分迫切。
本文旨在研究低压直流配电网的拓扑结构和关键设备，分析其故障类型及其电气特征，提出数字式低压直流保护的设计原则和硬件构成，并结合实际案例给出工程配置方案，并给出了实际测试结果。
1 低压直流配电网的典型拓扑及关键设备
当前，对直流配电网拓扑的研究比较多，但实践中的直流配电网出于可靠性和简洁性的目的，通常拓扑结构不会做得太复杂，基本可以分为辐射型、两端型或多端型。如图1所示。
辐射型网络
两端供电型网络
图1 直流配电网结构示意
无论何种拓扑结构，直流配电网中的基本构成元素设备变化不大，基本可以分为以下几类：
1）电源：常见的电源有光伏、风电等新能源发电，也可以是交流电网（AC/DC转换）及其他各种应急电源等。
2）变换器：变换器是直流配电网中的核心设备，承载着电能形式的变换功能，把不同形式、不同电压等级的元件联系成真正的直流配电网络。按照电能转换形式，变换器可分为交流-直流、直流-直流型变换器；按照电能传递方向，变换器可分为单向变换器、双向变换器；按照电气隔离特性，变换器可分为隔离型、非隔离型变换器；按照直流侧极性，变换器又可分为单极性变换器、双极性变换器。
3）线（支）路：作为能量传输的通道，直流线路是不可缺少的元件。由于直流配电网，尤其是低压部分，通常还处于末梢区域，线路长度普遍较短，因此此时的直流线路，称为“支路”更为确切。在大多情况下，直流配电网线（支）路为电力电缆、铜排形式，少数情况下也可以为架空线形式。
4）母线：当进出线比较多时，直流配电网络中配置一定长度的母排作为母线，用以汇流或馈出。低压直流配电网中的母线通常为柜内形式。
5）直流负荷：同交流网一样，直流负荷是电能传递的终点。直流负荷形式也比较复杂多样，如大功率的充电桩、空调、计算机群等负荷，也有小功率的照明等电器设备。
6）储能设备：储能设备是一种比较特殊的设备，它既可工作组负荷状态，又可以工作在电源状态。
7）开关设备：直流开关一直是直流配电系统关注的重点。由于直流电弧没有过零点，因此开关必须具有较强的灭弧能力。目前在中压侧已经有采用电力电子器件和机械结构的混合式开关问世，但价格仍偏高没法大规模商业推广。直流低压侧目前以塑壳式空气断路器为主，其开断能力达数十千安，断开速度在10ms左右，能够满足实际使用。
直流配电网中的这些关键设备是直流微机继电保护重点研究和保护的对象。
2 低压直流配电网基本故障类型
直流配电网的主要故障类型可分为欠电压、过电压、过负荷、绝缘下降、接地、环网、短路等。通常轻微故障得不到及时处理，会逐步积累，最后发展到严重的短路和断线等故障。对于交直流混合供电网络，还可能存在交流窜入直流的故障现象。
图2 直流配电网常见故障形式
每种故障类型，都有其不同的特征，参见表1。对于直流配电网来说，继电保护判据主要来自于直流电压、直流电流、对地阻抗（本身也基于直流电流、直流电压），相对可利用的判据组合较少，这给直流保护的原理研究带来了一定的限制；但直流配电网中变换器内一般存在较大的直流电容，大量理论分析和基于MATLAB或PSCAD/EMTDC的仿真已经证明其短路故障电流较大，暂态过程较短，电流突变特征比传统交流短路时更为明显，这也为构建新型保护算法提供了有利的条件。
表1 故障类型及其关键特征
3 直流配电网保护的基本要求
直流微机保护作为微机保护的派生和延伸，继承了传统继电保护装置的特性和要求，作为电网稳定运行的第一道屏障，必须达到以下性能要求：
1）可靠性：可靠性是对继电保护最根本的要求。继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动；而在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时必须可靠动作，即不拒动。继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。
2）速动性：速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。
3）选择性：选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。
4）灵敏性：灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作。
5）经济性：低压直流配电中使用的继电保护和高压直流输电不同，必须要充分考虑成本限制，否则直流配电的技术就很难被广为采用，尤其在民用领域。
以上5个基本要求中前4个是传统继电保护的基本要求，同样适用于直流配电。而“经济性”是中低压直流配电技术推广中必然面临的重要问题。直流配电技术的优越性，最终是需要通过“经济”指标来量化的，也决定着用户最终选择的技术方案。上述5个要求是设计、配置和维护直流配电网继电保护的完整依据，又是分析评价继电保护的基础，是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据直流配电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。
4 保护装置划分及硬件构成
按照被保护对象的划分，可以把低压直流保护装置分为以下几类：
1）线（支）路保护装置：适用保护对象为各种馈线（支路）、联络线（支路），含储能和电源分支。保护种类包括电流速断、电流上升率、电流增量、过流、电流积分、逆功率、过电压、欠电压、合闸自检、开关量联锁等保护，根据支路性质选配。
2）母线保护装置：适用保护对象为低压直流母线。保护种类包括差动、过电压、欠电压、开关量联锁等保护。
3）绝缘降低与接地保护装置：使用整个低压直流配电网网络，保护种类有正/负极绝缘降低、正/负极接地、交流窜入等保护。
值得注意的是：为简化保护配置，低压直流系统中的变换器和开关设备由于本身具有一定的自我保护的能力，不再单独配置保护。母线保护装置和绝缘降低与接地保护装置可以在实践中合二为一。
数字式保护装置是目前广为接受的继电保护设备存在形态，它以微型处理器或数字信号处理器（DSP）为核心，融入信号变换、采样、计算、逻辑判断、执行输出及其他通信等辅助功能，实现对电力系统的故障预警及快速隔离功能。数字式低压直流保护装置也遵循此基本框架，见图3。考虑到低压直流配电系统的实际施工工况和运行维护水平，宜采用一二次融合方式，但其设计中需要重点解决抗干扰和防雷保护等问题。
图3 低压直流数字式保护硬件
5 工程配置案例
图4为某低压直流配电网工程主接线图。该工程为典型的交直流配电网络，其中直流侧为750V单母分段结构，每段母线通过DC/AC与交流10KV系统。750VDC母线下接有光伏、储能、充电桩、照明及其他负荷。
图4 某工程主接线图
根据实际工程情况，保护装置配置如下：
1) 750VDC进线保护装置
主保护区段为虚拟同步机（双向AC/DC）至750VDC母线，同时为母线及馈出支路提供后备。采用数字式低压直流支路保护装置，配置速断、二段电流上升率、二段低压过流、电流积分、过电压、低电压、开关量联锁保护。当保护动作出口跳闸时，跳开本段开关时，合上750VDC母联。考虑到功率的双向流动，所有保护均不带方向。
2) 750VDC馈出线（支路）保护配置
主保护区段位本线路。采用数字式低压直流支路保护装置，配置速断、二段电流上升率、二段低压过流、电流积分、过电压、低电压、开关量联锁等保护。对于光伏支路，加配逆功率保护，其电流方向由光伏指向母线；对于储能支路不设方向；对于充电桩及远端负荷回路保护方向由母线指向负荷。当保护动作出口跳闸时，只跳本支路开关。
3) 750V DC系统接地保护配置
采用数字式低压直流绝缘与接地保护装置，配置接地阻抗保护、漏电流保护、电压不平衡保护，所有保护动作时只发告警信号。
4) 750VDC母线保护装置
采用数字式低压直流母线保护装置，配置差动保护、低电压保护、过电压保护，差动保护动作时将跳开母线上所有进出线支路开关，其余只发告警信号。
6 故障模拟及测试结果
数字式低压直流支路保护在投运前，经过了部分故障模拟及保护动作时间测试。测试表明：保护速断出口加上断路器跳闸时间在10ms左右。参见图5。实验结果表明保护动作迅速，达到预期效果。
图5 电流波形和动作时间
(额定电压750VDC短路电流16．1kA，整组动作时间11.1ms）
7 结语
通过对低压直流配电网的常见故障类型的分析，给出了数字式低压直流保护的功能要求及保护装置硬件构成，对实际工程应用中保护装置划分和配置策略进行了阐述，并进行了相关故障模拟实验，实践证明数字式低压直流保护装置在直流配电网中具有动作可靠、迅速、灵敏，智能化程度更高等优点，对提高直流配电系统故障防范能力起到了很好的支撑作用。
本文的研究将对低压直流配电网的实践和推广工作，无疑具有重要的理论指导和实践参考价值。
