[论文解读] An Adaptive Overcurrent Protection for Solar-based DC Microgrids Using IEC 61850

Saeed Sanati, Maher A. Azzouz+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2023

Islanding Detection in Power Systems被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于 IEC 61850 协议的通信辅助自适应过电流保护方案，适用于基于太阳能的直流微电网。通过 IEC 61850 数据交换，根据实时电网和故障条件动态选择继电器整定值，该方案在应对高故障电流上升时间及直流接地问题等挑战时，仍能实现快速、选择性故障清除，经 MATLAB 和 OPAL-RT 仿真验证。

ABSTRACT

Over-Current (OC) protection is one of the pervasive protections in solar-based DC microgrids. Fast operation is a key advantage of its popularity. On the other hand, utilizing OC in DC microgrids has some challenges that are not in AC grids. Some of these challenges are related to the grounding approach of the DC microgrid, and others are related to the high rise time of the fault current in DC microgrids. Considering these challenges, an adaptive OC scheme with high selectivity and speed is presented in this paper. The proposed scheme is communication-assisted and relies on IEC 61850 protocol. In this scheme, different setting groups for each OC relay are defined, and based on the grid and fault conditions, a setting group is selected. This option is performed considering the data transferred via communication level using IEC 61850 protocol between relays. To evaluate the efficiency of the proposed scheme, simulations using MATLAB software and the experimental tests using OPAL-RT real-time simulator and Zenon software are presented.

研究动机与目标

• 解决传统过电流保护在直流微电网中面临的挑战，如高故障电流上升时间及接地问题。
• 提升在传统交流保护方案不适用的太阳能直流微电网中的保护选择性与速动性。
• 开发一种基于 IEC 61850 的通信辅助保护方案，实现实时协调与自适应继电器整定。
• 通过仿真与实时测试验证该方案在多种故障条件下的性能。

提出的方法

• 根据系统运行方式和故障类型，为每个过电流继电器定义多个整定组。
• 通过基于 IEC 61850 的通信实现继电器之间的协调，支持继电器之间实时交换系统与故障数据。
• 通过 IEC 61850 协议触发故障检测与数据交换，实现最优整定组的选择，确保自适应响应。
• 系统采用 MATLAB 进行离线仿真，利用 OPAL-RT 实时仿真器与 Zenon 软件进行实验验证。
• 明确建模故障电流上升时间与直流接地配置，以真实反映微电网动态特性。
• 通过标准化的 IEC 61850 消息实现与现有变电站自动化系统的集成，确保互操作性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使直流微电网中的过电流保护能够适应多变的故障与系统条件？
• RQ2 基于 IEC 61850 的通信在实现动态继电器协调以提升选择性方面发挥何种作用？
• RQ3 所提出的方案如何应对直流微电网中典型的高故障电流上升时间？
• RQ4 与固定整定值相比，自适应整定选择在多大程度上提升了故障清除速度与选择性？

主要发现

• 该自适应方案通过根据实时系统数据动态调整继电器整定值，成功实现了高选择性的故障清除。
• IEC 61850 的使用实现了继电器之间可靠且快速的通信，支持故障事件中的快速协调。
• 仿真与实时测试结果证实，该方案在不同运行条件下均能准确区分内部与外部故障。
• 与传统固定整定值过电流继电器相比，该方案在高电感直流系统中表现出更快的故障清除时间。
• 基于故障电流上升时间与系统配置的多组整定值集成，显著提升了协调精度。