CN101938117A - 一种适用于智能配电网的电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于智能配电网的电流差动保护方法，它在智能配电网的每个开关处均装设电流互感器和智能配电终端，每个智能终端作为一个Agent，各Agent之间通过光纤以太网互联，规定所有电流的正方向为系统电源指向线路末端的方向；通过Agent自动检测通信网络的工作状态，确定是否投入电流差动保护；当通信网络工作不正常时，采用传统的三段式电流保护；当通信网络工作正常时，投入电流差动保护，并将其作为主保护；Agent通过检测到的本地开关电流和下游Agent传输过来的下游开关电流，计算差动电流和制动电流，确定保护是否动作；过电流保护为近后备保护，上游Agent的保护为本地的远后备保护。

Description

一种适用于智能配电网的电流差动保护方法

技术领域

本发明涉及一种适用于智能配电网的电流差动保护方法，属于配电网保护技术领域和智能配电网技术领域。

背景技术

智能配电网(SDG)是智能电网(SG)的重要组成部分，智能电网与传统电网的区别在配电网上表现地更为明显。现有配电网的智能化和自动化水平程度远低于输电网，因此配电网智能化是建设智能电网的重要环节。由于智能配电网中存在大量的分布式电源(DG)，DG接入配电网之后，配电网将不再是纯粹的单电源、辐射型供电网络，若系统发生故障，短路电流的大小、流向和分布等都会受DG的影响，传统的三段式电流保护已无法满足智能配电网对保护的要求。

电流差动保护因为其具有简单可靠和动作速度快且不受电力系统振荡影响等优点，而被广泛应用于输电网。随着光纤以太网和智能配电终端(IDT)在智能配电网中的成功应用，电流差动保护必将成为智能配电网的最理想保护方法。但是传统的电流差动保护需要在线路两侧均安装断路器和保护装置，无疑大大增加了智能配电网的成本。为此，需要在现有配电网结构基础上，通过对传统电流差动保护进行改进，实现智能配电网的保护。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统电流差动保护不能应用于现有配电网的缺点，提出了一种适用于智能配电网的电流差动保护方法，该方法通过本地Agent与上、下游Agent的信息交互，利用流经本地开关的电流相量与流经下游所有开关的电流相量和构建差动量和制动量，通过比较大小实现对智能配电网的继电保护。

本发明采用的电流差动保护方法包括下列步骤：

一种适用于智能配电网的电流差动保护方法，在智能配电网的每个开关处均装设电流互感器和智能配电终端，每个智能终端作为一个Agent，各Agent之间通过光纤以太网互联，规定所有电流的正方向为系统电源指向线路末端的方向；通过Agent自动检测通信网络的工作状态，确定是否投入电流差动保护；当通信网络工作不正常时，采用传统的三段式电流保护；当通信网络工作正常时，投入电流差动保护，并将其作为主保护；Agent通过检测到的本地开关电流和下游Agent传输过来的下游开关电流，计算差动电流和制动电流，确定保护是否动作；过电流保护为近后备保护，上游Agent的保护为本地的远后备保护；最末端Agent处的保护不采用差动保护，而是采用常规的过电流保护。

所述各Agent间进行信息交互，各Agent均可接收其他Agent发出的跳闸命令，若本Agent允许实现直跳命令，则执行跳闸命令；若不允许，则不执行跳闸命令。

当本地保护动作后，本地Agent自动向下游分布式电源处的Agent发直跳闸命令，切除分布式电源；对于瞬时性故障，则根据设定直接快速重合闸或检同期三相一次重合闸。

计算差动电流和制动电流时，在Agent中分别计算出本地开关的电流相量与下游各开关电流相量之和的相量差和相量和，并将其模分别作为差动电流和制动电流，然后根据判据

且

确定是否发生了内部故障；若为内部故障，且开关为断路器，则跳开断路器，并通过通信网络向下游Agent发出跳闸信号跳开下游断路器；若本地开关不具有分断短路电流的能力，则通过通信网络向上游Agent发出跳闸信号，跳开上游断路器；若下游开关不具有分断故障电流的能力，则下游Agent通过通信网络向其下游的Agent发送跳闸信号。

为了实现各Agent间的通信，应对各Agent的地址进行编码，该地址编码中不仅包含区分不同Agent的地址信息，而且包含Agent间的关系信息，即一个Agent根据其地址编码识别出其上游Agent和下游Agent，从而可以实现与上、下游Agent的信息交互。

所述智能终端由结构分为四层：I/O层、计算层、决策层和通讯层，实现电流信号采集、开关动作控制、保护计算和数据通信功能；其中I/O层包括数据采集模块和执行模块，两者与线路和电气设备连接；数据采集模块将采集的到的线路和电气设备信号送入计算层的保护计算模块和预处理模块，保护计算模块与执行模块连接；预处理模块则与决策层的数据库连接，数据库与协调模块双向通信，协调模块与通讯层的通信模块双向通信，同时决策层还设有监控模块和保护模块，分别于协调模块双向通信；通信模块则与其他智能终端和用户通信；协调模块与执行模块通信。本发明在智能配电网的每个开关处均装设电流互感器和智能配电终端，每个智能终端看作一个Agent，各Agent之间通过光纤以太网互联。Agent自动检测通信网络的工作状态，确定是否投入电流差动保护。当通信网络工作不正常时，采用传统的三段式电流保护；当通信网络工作正常时，投入电流差动保护，并将其作为主保护。在该电流差动保护方法中，规定电流的正方向为系统电源指向线路末端的方向，Agent通过检测到的本地开关的电流相量和下游Agent传输过来的各下游开关的电流相量，计算差动电流和制动电流，与设定的差动门槛定值进行比较，确定保护是否动作。过电流保护作为近后备保护，上游Agent的过电流保护作为本地保护的远后备保护。

本发明还支持命令直接跳闸功能，可以通过Agent间的信息交互，接收其他Agent发出的跳闸命令实现直接跳闸。通过该功能不仅可以实现线路一侧断路器跳闸后给另一侧保护发直跳命令，跳开线路另一侧断路器，实现线路的故障隔离；而且该功能还可以在故障后自动切除下游分布式电源，即当保护动作后，自动向下游分布式电源处的Agent发送跳闸命令，切除分布式电源。

本发明设置了自动重合闸功能用来切除瞬时性故障，若重合于永久性故障，则重合闸后加速保护跳闸。

本发明中Agent的结构分为四层：I/O层、计算层、决策层和通讯层，实现电流信号采集、开关动作控制、保护计算和数据通信等功能。

本发明的有益效果是：它支持命令直接跳闸功能，Agent可以接收其他Agent发出的远跳信号实现直接跳闸。配置了灵活的三相一次自动重合闸功能用来切除瞬时性故障，可以实现直接快速重合闸或检同期重合闸。该保护配置灵活，能够很好地适应智能配电网。

附图说明

图1为本发明电流差动保护方法的程序流程图；

图2为电流差动保护在智能配电网中应用方案示意图；

图3为本发明的Agent结构框图；

图4为智能配电网仿真模型；

图5为编码方式。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1所示为本发明电流差动保护方法的程序流程图。该保护方法支持命令直接跳闸，而且可以通过直跳控制字选择是否投入。总启动元件是一个灵敏度很高的电流突变量启动元件。如果总启动元件动作，说明可能发生故障，进入故障处理程序。通过判断网络通信是否正常来确定是否启用电流差动保护。若通信网络工作不正常，则启用传统的三段式电流保护；若通信网络工作正常，则启用电流差动保护，程序流程简述如下：

首先通过通信网络获取下游开关的三相电流相量，结合本地开关的三相电流相量，由Agent内部的保护模块分相计算差动电流和制动电流，然后根据如下判据判断是否发生了内部故障：

$\left\{\begin{array}{c}|{\stackrel{\·}{I}}_m-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mi}}|-K_Z|{\stackrel{\·}{I}}_m+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mi}}|\≥I_0\\ |\stackrel{}{{\stackrel{\·}{I}}_m}-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mi}}|\≥I_0\end{array}\right.----\left(1\right)$

其中，i_m为本地开关m的电流相量，i_mi为开关m的下游第i个开关的电流相量，I为与开关m相连的下游开关的数量，K_Z为制动系数，I_o为差动门槛定值；I_o的整定原则是躲过上游开关和下游开关之间线路的电容电流、不平衡电流以及引出负荷的负荷电流。如果发生了内部故障，则Agent发跳闸命令，跳开本地断路器。如果本地开关不是断路器，不具有分断短路电流的能力，则本地Agent向上游Agent发送直跳命令，跳开上游断路器。同时，本地Agent向下游相邻开关的Agent和下游分布式电源接入Agent发直跳命令，跳开下游相邻开关，并切除下游分布式电源。然后，检查是否投入了自动重合闸功能，若是，则执行自动重合闸程序。

图2为电流差动保护在智能配电网中应用方案示意图。借鉴传统配电网结构并按照智能电网要求设计智能配电网，智能配电网主要由变电站、开关站、环网设备、柱上开关、微网(MG)、分布式电源(DG)、馈线、智能配电终端(IDT)、全球定位系统(GPS)和通信网络等组成。每个断路器或分段开关处均安装有电流互感器，且安装一台IDT，每个IDT作为一个Agent，图中的A1-A15分别表示Agent1-Agent15，各Agent之间通过光纤以太网组成一个多智能体系统(MAS)。

图2所示为一含有分布式电源的双电源环形接线的10kV智能配电网，开环点为断路器10。电流差动保护的工作过程如下：

当线路BC段的k₁点发生故障时，Agent1(图中用A1表示，其余的Agent2-14用A2-14逐个表示)将检测的流过开关1的电流与通过通信网络由Agent2传输过来的流过开关2的电流进行比较，不满足公式(1)的保护动作判据，因而Agent1的保护不动作；Agent2将流过开关2的电流与Agent3传输过来的流过开关3的电流进行比较，满足保护动作判据，故障位于BC段，Agent2的保护动作；Agent3将流过开关3的电流与Agent4和Agent5传输过来的流过开关4和开关5的电流之和进行比较，不满足保护动作判据，因而Agent3的保护不动作；以同样方法判断Agent4-Agent15的保护均不动作。断路器2跳开后，Agent2向下游的Agent3、Agent5和Agent15发直跳命令，跳开断路器3、5和15，即跳开下游相邻开关并切除下游所有DG。经过一段延时后，Agent2启动自动重合闸，闭合断路器2，若为瞬时性故障则重合闸成功，并向Agent3发送闭合断路器3的命令，然后向Agent5和Agent15发送闭合断路器5和15的命令，Agent5和Agent15在检测同期后闭合断路器5和15，重新接入分布式电源。若为永久性故障，则Agent2的保护重新启动，断开断路器2，不再执行重合闸。

当线路CD段的k₂点发生故障时，Agent1-5和Agent7-15的保护均不动作，Agent6将流过开关6的电流与流过开关7的电流进行比较，满足保护动作判据，故障位于CD段，但是开关6和7为分段开关，不能分断短路电流，因而Agent6向Agent4发送直跳命令，跳开断路器4。在检测断路器4可靠断开后，Agent6断开分段开关6，并向Agent7和Agent15发直跳命令，断开分段开关7和断路器15，切除DG2。在检测断路器15可靠断开后，Agent4启动自动重合闸，断路器4闭合后，Agent6在检测到电压后闭合分段开关6。若为瞬时性故障，重合闸成功，重新闭合分段开关7和断路器15，配电网恢复正常工作。若为永久性故障，Agent6的保护又启动，重新向Agent4发送直跳命令，跳开断路器4。断路器4可靠断开后，Agent6断开分段开关6。分段开关6可靠断开后，又向Agent4发送合闸命令，闭合断路器4，从而恢复开关4和开关6之间的负荷供电。

为了实现Agent间的通信，并在通信基础上实现智能配电网的电流差动保护，需要对各Agent进行编码，以便Agent可以识别上、下游Agent，发送相应的直跳命令。对于不同类型的开关，Agent对其进行的操作方式不同，因此在Agent的编码中包含对应开关的类型码。智能配电网是一个含有多电源的系统，每个开关均有一个特定的系统电源为其供电。若Agent属于某系统，则Agent编码中包含该系统的编码。从系统电源开始沿着电流的方向，将各Agent进行分级，最靠近系统电源的Agent为一级Agent，其下游Agent为二级Agent，依次类推，分支处的Agent属于同一级，从而实现了整个智能配电网的Agent编码。Agent的编码采用二进制编码方式，具体如图5所示。

下面举例说明Agent的编码方式。对于图2所示的智能配电网，该配电网包含两个系统电源和两个分布式电源，开关10为联络开关，系统正常工作时处于打开位置。系统1内的Agent级数有8级，因此，属于该系统的Agent编码按8级进行编码。系统2有2级Agent，属于该系统的Agent编码按2级进行编码。比如：Agent1的编码为：00 0001 0001 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000；Agent13的编码为：00 0001 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000；Agent15的编码为：11 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0010；Agent10的编码为：10 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000；Agent11的编码为：000010 0001 0001。Agent编码中已经包含了各Agent之间的关系，比如要识别上游Agent，只需找到除最高2位的开关类型编码外，与本级编码以上的高级编码完全相同，且本级编码及本级以下的低级编码全为0的Agent为其上游Agent；而除最高2位的开关类型编码外，与本级编码及本级以上的高级编码相同，且下一级编码不为0，而再下一级以后的低级编码全为0的Agent为其下游Agent。当某个Agent出现故障时，则将其退出网络，其下游Agent的编码依次前移。比如：当Agent6因故障而退出系统时，系统的Agent级数由8级降为7级，Agent7的编码变为：01 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0000 0000，Agent15的编码变为：11 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0001 0010

图3为本发明的Agent结构框图。本发明中Agent的结构分为四层：I/O层、计算层、决策层和通讯层，I/O层实现电流信号的采集和开关动作的控制；计算层实现保护启动判断，并进行保护计算以实现电流速断保护；决策层主要实现原始数据、中间数据和公共信息的存储，实现监控报警、电流差动保护、后备保护等决策，并协调Agent内各模块的工作；通信层主要实现与其他Agent的通信和与用户交互。

图4为智能配电网仿真模型。该模型是一个典型的带有分布式电源和两条馈线的放射式10kV配电网。线路的正序阻抗为Z₁＝(0.17+j0.38)Ω/km，正序对地导纳为b₁＝(j3.045)μs/km，零序阻抗为Z_o＝(0.23+j1.72)Ω/km，零序对地导纳为b_o＝(j1.884)μs/km。电力系统的容量为500MVA，分布式电源的容量为3MVA。

下面利用该模型对上述保护方法进行仿真分析。设

为差动电流，

为制动电流，制动系数K_Z＝0.2，差动门槛定值I_o＝0.3I，I为配电网正常工作时流过本地开关的额定电流。

(1)当CD段的k₁点发生B、C两相短路故障时，各Agent检测到的本地开关电流与下游开关电流的各相的差动电流和制动电流以及相应的保护动作情况如表1所示。由表可知，Agent4处的保护动作，其他Agent处的保护不动作，保护正确。

表1差动保护的电流值和动作情况

Tab.1 Current value and relay operation of differential protection

(2)当AE段的k₂点发生三相短路故障时，各Agent检测到的本地开关电流与下游开关电流的各相的差动电流和制动电流以及相应的保护动作情况如表2所示。由表可知，Agent6处的保护动作，其他Agent处的保护不动作，保护正确。

表2差动保护的电流值和动作情况

Tab.2 Current value and relay operation of differential protection

以上仿真结果表明，无论是本线路出现故障，还是相邻线路出现故障，保护均能正确动作，没有误动或拒动情况。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施方案。应该明白，本发明的其他变化和修改对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不局限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于智能配电网的电流差动保护方法，其特征是，在智能配电网的每个开关处均装设电流互感器和智能配电终端，每个智能终端作为一个Agent，各Agent之间通过光纤以太网互联，规定所有电流的正方向为系统电源指向线路末端的方向；通过Agent自动检测通信网络的工作状态，确定是否投入电流差动保护；当通信网络工作不正常时，采用传统的三段式电流保护；当通信网络工作正常时，投入电流差动保护，并将其作为主保护；Agent通过检测到的本地开关电流和下游Agent传输过来的下游开关电流，计算差动电流和制动电流，确定保护是否动作；过电流保护为近后备保护，上游Agent的保护为本地的远后备保护；最末端Agent处的保护不采用差动保护，而是采用常规的过电流保护。

2.如权利要求1所述的适用于智能配电网的电流差动保护方法，其特征是，所述各Agent间进行信息交互，各Agent均可接收其他Agent发出的跳闸命令，若本Agent允许实现直跳命令，则执行跳闸命令；若不允许，则不执行跳闸命令。

3.如权利要求1所述的适用于智能配电网的电流差动保护方法，其特征是，当本地保护动作后，本地Agent自动向下游分布式电源处的Agent发直跳闸命令，切除分布式电源；对于瞬时性故障，则根据设定直接快速重合闸或检同期三相一次重合闸。

4.如权利要求1所述的适用于智能配电网的电流差动保护方法，其特征是，计算差动电流和制动电流时，在Agent中分别计算出本地开关的电流相量与下游各开关电流相量之和的相量差和相量和，并将其模分别作为差动电流和制动电流，然后根据判据

且

确定是否发生了内部故障；若为内部故障，且开关为断路器，则跳开断路器，并通过通信网络向下游Agent发出跳闸信号跳开下游断路器；若本地开关不具有分断短路电流的能力，则通过通信网络向上游Agent发出跳闸信号，跳开上游断路器；若下游开关不具有分断故障电流的能力，则下游Agent通过通信网络向其下游的Agent发送跳闸信号。

5.如权利要求2所述的适用于智能配电网的电流差动保护方法，其特征是，为了实现各Agent间的通信，应对各Agent的地址进行编码，该地址编码中不仅包含区分不同Agent的地址信息，而且包含Agent间的关系信息，即一个Agent根据其地址编码识别出其上游Agent和下游Agent，从而可以实现与上、下游Agent的信息交互。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的适用于智能配电网的电流差动保护方法，其特征是，所述智能终端由结构分为四层：I/O层、计算层、决策层和通讯层，实现电流信号采集、开关动作控制、保护计算和数据通信功能；其中I/O层包括数据采集模块和执行模块，两者与线路和电气设备连接；数据采集模块将采集的到的线路和电气设备信号送入计算层的保护计算模块和预处理模块，保护计算模块与执行模块连接；预处理模块则与决策层的数据库连接，数据库与协调模块双向通信，协调模块与通讯层的通信模块双向通信，同时决策层还设有监控模块和保护模块，分别于协调模块双向通信；通信模块则与其他智能终端和用户通信；协调模块与执行模块通信。

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