CN102290803B - 微电网继电保护方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微电网继电保护方法及装置，其通过检测微电网与大电网之间连接的微电网开关的分合闸状态，判断所述微电网的运行状态，当微电网处于孤网运行状态时，使微电网继电保护装置运行在微电网继电保护状态，依据孤网运行标准进行微电网内线路的继电保护，当微电网处于并网运行状态时，使微电网继电保护装置退出微电网继电保护状态，进入常规继电保护模式。本发明适应于微电网在孤网/并网间切换的场合，针对微电网孤网运行时短路电流较并网时小、但增长更为急剧的特点，采用包含突变量启动和两点计算过程的新型、简洁的故障电流算法，可将整个出口时间控制在3ms左右，实现10ms内跳闸的出口时间，提高了快速速断保护的时效性。
Description
技术领域
本发明涉及微电网继电保护技术领域，具体涉及一种既可满足微电网孤网运行中的继电保护又可满足微电网孤网运行与微电网和大电网双网并网运行这两种模式间切换的方法和相应的装置。
背景技术
微电网（Micro Grid）是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，其既可以连接到外部大电网上运行（称为“并网”运行），也可以脱开外部大电网孤立运行（称为“孤网”运行）。
在微电网的继电保护方面，一方面，目前现有的继电保护装置不具备“孤网/并网”模式转换功能，因此在实践中还不能适应微电网的上述双网切换的工作方式；另一方面，由于微电网内部有数量众多的分布式电源，且它们之间的距离很短，容易造成短路电流的急剧增大，如果不能及时断开相应回路，则危害性较强，而现有的继电保护装置都是针对10KV及以上电压的大电网线路应用而设计的，在时效性上不能满足400V及以下微电网快速切除故障的保护需求，从而严重威胁了电力电子设备的安全。基于以上两点，微电网技术的发展与应用受到了很大限制。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种微电网继电保护方法及一种采用该方法的微电网继电保护装置，不仅能够适应微电网的孤网/并网相转换的工作方式，并可应用于400V及以下的微电网线路中，满足微电网孤网运行状态下的快速速断保护需要。
本发明所采用的主要技术方案是：
一种微电网继电保护方法，通过检测微电网与大电网之间连接的微电网开关的分合闸状态，判断所述微电网的运行状态，当所述微电网处于孤网运行状态时，使所述微电网内的微电网继电保护装置运行在微电网继电保护状态，依据孤网运行的标准进行微电网内线路的继电保护，当所述微电网处于并网运行状态时，使所述微电网继电保护装置退出微电网继电保护状态,进入常规继电保护模式。
所述微电网处于孤网和并网运行状态的判断依据可以为：当检测出所述微电网PCC开关处于分闸或非合闸位置状态时，则判断为所述微电网处于孤网运行状态；当检测出所述微电网开关处于合闸或非分闸位置状态时，则判断为所述微电网处于并网运行状态。
所述微电网继电保护装置在微电网继电保护状态下的工作方式为：将所采集的微电网的相关线路的电流与相应的预设保护定值进行比较运算，如在设定的延迟时间内相关线路的电流达到和/或超过其保护定值，则输出跳闸控制信号断开该相应线路上的断路开关。
所述微电网继电保护方法采用交流采样，具体是对相应线路的电流进行连续的电流数据采样，每个基波电流周期内的采样数为N，N>4，并采用以下步骤进行所述比较运算：
（1）突变量判断：在采样过程中，记录最近的连续N＋1点采样值，将每点采样值和前一周期的同位置采样值进行比较，当正负偏差超过突变量定值时，启动快速出口计算，运行步骤（2）；
（2）快速出口计算：继续采样至少M点的值 
，M≥3,采用两点法计算电流工程量，所述电流工程量的平方为：
计算出至少两个所述电流工程量的平方，比较所述电流工程量是否均大于相应的所述保护定值，如果是，则输出所述跳闸控制信号；如果否，结束本次快速出口计算。
本发明还保护一种微电网继电保护装置，包括能够接收微电网与大电网之间连接的微电网开关的分合闸状态信号并将其转换成适宜数字信息的开入模块、能接收所述微电网的各电流数据信号并将其转换成适宜数字信息的模入模块、能够接收来自模入模块和开入模块的信息并进行逻辑处理后输出控制指令信息的主控制单元以及能够接收来自所述主控制单元的控制指令信息并控制所述微电网内部线路上的各断路开关分、合闸的控制输出模块，所述主控制单元依据所述开入模块传递的所述分合闸状态信号确定所述微电网继电保护装置进入还是退出微电网继电保护状态，在微电网继电保护状态下依据孤网运行的标准进行微电网内线路的继电保护。
所述微电网继电保护装置还包括与所述主控制单元连接并双向通信的通信模块，所述通信模块上可以设有用于与外界通信的RS232和/或RS485接口。
本发明的工作过程（如图3所示）是：本装置上电，进行初始化（包括对输入输出口、定时器、定值、通信参数等的初始化），通过开入模块进行开入信号采集，当开入模块送来的是孤网模式信号或非并网模式信号时，开始对模入模块送来的电流信号进行采集并进行比较运算，进行模拟量采样变换，将采集的电流数据与预先设定的保护定值进行比较，进行保护逻辑判断，一旦发现任意电流数据在其预定的延迟时间内始终达到或超过其保护定值，则在该延迟时间结束时通过控制输出模块控制相应线路上的断路开关跳闸。其中，针对短路电流，无延迟地迅速输出跳闸控制指令以驱动所述断路开关立即跳闸，整个过程可在10ms内完成。当开入模块送来的是并网模式信号或非孤网模式信号时，本装置退出继电保护状态。
本发明的有益效果是：
本发明的微电网继电保护方法及装置能够适应微电网在孤网和并网两种工作模式间的切换，并且，所述微电网继电保护装置可用于400V及以下的微电网线路中，完全满足微电网孤网运行时短路电流相比于并网状态下更小的、但增长更急剧的情况下的快速速断保护需要；
由于在比较运算中采用了快速出口计算算法，能够在3ms内计算出故障电流的大小，从而能够在最短的时间内判断出故障，保证了10ms内跳闸的出口时间，从理论上保证了速断保护动作的时效性；
由于所述微电网继电保护装置设置了带RS232和/或RS485接口的通信模块，既可与本地用PC机连接进行定值查询和配置数据，又可与GSM模块等多种网络设备相配合，通过短消息模式实现遥控、遥信、遥测和遥调等功能。
附图说明
图1为本发明的双网切换原理图；
图2为本发明的一个实施例的内部结构框图；
图3为本发明的程序流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种既可为微电网内部线路提供继电保护又能够适应微电网的双网切换工作方式（孤网/并网切换）的继电保护方法和装置，双网结合与切换的原理图如图1所示。
所述微电网继电保护方法具体是在微电网中设置微电网继电保护装置，通过检测微电网与大电网之间连接的微电网开关（如图1中的微电网PCC开关）的分合闸状态，判断所述微电网的运行状态，当所述微电网处于孤网运行状态时，使所述微电网内的微电网继电保护装置运行在微电网继电保护状态，依据孤网运行的标准进行微电网内线路的继电保护，微电网内部线路的保护由所述微电网继电保护装置承担，所述的内部线路主要包括微电网内的用电负载所在的支路；当所述微电网处于并网运行状态时，使所述微电网继电保护装置退出微电网继电保护状态，进入常规继电保护模式。一般情况下，此时微电网内部线路的保护由与其相连的大电网中设置的传统的继电保护装置承担。
所述微电网处于孤网和并网运行状态的判断依据可以为：当检测出所述微电网开关处于分闸或非合闸位置状态时，则判断为所述微电网处于孤网运行状态；当检测出所述微电网开关处于合闸或非分闸位置状态时，则判断为所述微电网处于并网运行状态。
所述微电网继电保护装置在微电网继电保护状态下的工作方式为：将所采集的微电网的相关线路的电流与相应的预设保护定值进行比较运算，如在设定的延迟时间内相关线路的电流达到和/或超过其保护定值，则输出跳闸控制信号断开该相应线路上的断路开关。
所述微电网继电保护装置的核心控制部分中设有可控制外部数据采集的专用数据采集控制模块，因此具有高精度的测量功能和保护功能。模入模块受所述数据采集控制模块的控制。所述微电网继电保护装置主要针对50Hz输入信号设计，实际可适应45～55Hz之间变化的输入信号的采集。
针对不同线路的电流数据，可以设置各不相同的保护定值和延迟时间，实现过流保护、短路保护、小电流接地/系统单相接地保护、快速速断保护等。而针对同一线路的电流数据，也可根据实际的线路状况如负载为阻性还是容性负载等特点设置多对保护定值和延迟时间，并根据需要启用不同的保护模式，以适应各种线路状况的微电网内部的线路故障保护。保护定值和延迟时间的设定可以通过人工输入或修改，或者由控制装置自行进行优化控制。
进行比较运算时，通常进行交流采样，为了计算二次谐波，通常每个周期应进行不低于36点的采样，如果采用传统的傅利叶计算方法或其变种，50hz交流电的正常故障检测计算时间为20-40ms，不能适应当前对故障的快速反应要求。
为满足快速性要求，特别是为适应短路时的速断保护需要，本发明采用了一种新型、简洁的故障电流快速计算方法：对相应线路的电流进行连续的电流数据采样，每个基波电流周期内的采样数为N，N>4，并采用以下步骤进行所述比较运算：
（1）突变量判断：在采样过程中，记录最近的连续N＋1点采样值，将每点采样值和前一周期的同位置采样值进行比较，当正负偏差超过突变量定值时，启动快速出口计算，运行步骤（2）；
（2）快速出口计算：继续采样至少M点的值
，M≥3,采用两点法计算电流工程量，所述电流工程量的平方为：
其中：
，
为相应线路的电流的频率、为采样周期，
，当频率为50Hz、采样点数为36时，
，计算出至少两个所述电流工程量的平方，比较所述电流工程量是否均大于相应的所述保护定值（为便于表达，将此算法中涉及的保护定值称为快速速断保护定值），如果是，则输出所述跳闸控制信号；如果否，结束本次快速出口计算。所述电流工程量也可以采用其他各种适宜的算术或几何平均值。
可根据对精确度和时间的要求调整所要计算的所述电流工程量的平方的个数，个数越多，采样点就越多，精确度相对更高，但时间越长。由于通过单片机进行浮点运算会耗费大量的时间，优选地，在定值修改或者系统启动时，计算所述电流工程量的平方，并直接同所述快速速断保护定值的平方进行比较，其目的是尽量避免或减少浮点运算。进行36点采样，每个采样点间隔约为0.556ms，采用上述突变量启动、两点计算方法，整个出口时间可以控制在3ms左右，为快速速断保护提供了有力保证。
上述算法主要用于短路电流的快速速断保护，其他保护计算故障电流时可以采用常规傅里叶计算方法或其变种。
所述微电网继电保护装置所采集的电流数据可以包括A、B、C三相电流数据，也可以包括A、B、C三相电流数据以及零序电流数据。由于利用三相电流合成的计算方法，通过三相电流的矢量和的精确计算可以得到零序电流的大小，因此也可以只检测A、B、C三相电流数据。
由于大多数情况下，线路故障（如雷击、风害等）是暂时性的，断路开关跳闸后线路的绝缘性能（绝缘子和空气间隙）能得到恢复，及时地重合闸能够提高电力系统供电的可靠性。所述微电网继电保护方法还包括重合闸方法，即所述微电网继电保护装置使所述微电网的某条内部线路的断路开关断开后，当所述微电网继电保护装置检测到相关线路的电流重新处于正常范围，则恢复被断开的内部线路的正常运行的方法，即使得所述断路开关重新合闸，通常这种重合闸不是无限次的，而是人为设定的。所述重合闸的必要条件是：（1）所述断路开关处于分闸状态；（2）相应于所述断路开关的线路电流均小于各自对应的合闸设定值；（3）重合闸次数不超过最高设定次数。当上述条件满足时，则允许所述微电网继电保护装置向处于分闸状态的所述断路开关输出合闸指令，否则不输出合闸指令。
通常可设置多次重合闸，重合次数、合闸设定值等的设定均可采用与前述保护定值相同的设定方法。当设置为多次重合闸后，每次进行重合闸判断还要附加已执行的重合闸次数的判断，以保证总的重合闸次数不超出限定范围。所谓“允许所述微电网继电保护装置向处于分闸状态的所述断路开关输出合闸指令”，是指满足上述三个条件后，系统状态具有了重合闸的基础，实践中还可根据具体情况，主要从可靠等角度出发设定其他的重合闸条件，当所有条件满足后才能重合闸。
本发明还提供了一种实现上述微电网继电保护方法的微电网继电保护装置，如图2所示，包括能够接收微电网与大电网之间连接的微电网开关的分合闸状态信号并将其转换成适宜数字信息的开入模块、能接收所述微电网的各电流数据信号并将其转换成适宜数字信息的模入模块、能够接收来自模入模块和开入模块的信息并进行逻辑处理后输出控制指令信息的主控制单元以及能够接收来自所述主控制单元的控制指令信息并控制所述微电网内部线路上的各断路开关分、合闸的控制输出模块，所述主控制单元依据所述开入模块传递的所述分合闸状态信号确定所述微电网继电保护装置进入还是退出微电网继电保护状态，在微电网继电保护状态下依据孤网运行的标准进行微电网内线路的继电保护。所述主控制单元中还设有可控制外部数据采集的专用数据采集控制子模块，因此同时具有高精度的测量功能和保护功能。所述微电网继电保护装置主要针对50Hz输入信号设计，实际可适应45～55Hz之间变化的输入信号的采集。
以MG2100型的微电网继电保护装置为例，所述开入模块可以将外界的开关量信息传递给主控制单元，包括微电网内受所述控制输出模块控制的断路开关的开合闸信息、微电网孤网/并网工作模式信息和手动分合闸指令信息，分别用于判断是否具备重合闸操作条件、是否应该投入或退出微电网继电保护状态、是否应进行手动分合闸操作，为了接收到上述信息，所述开入模块分别设置了用于同所述断路开关分合闸位置检测装置、孤网模式检测装置（即所述微电网开关的分合闸位置检测装置）、手动分合闸指令输入装置连接的输入端。当微电网开关处于合闸位置，微电网与外部大电网连接，主控制单元接到开入模块发来的并网模式信号或未接到开入模块发来的孤网模式信号，实践中也可以设定当接到非孤网模式信号时，表示微电网工作在并网模式，所述微电网继电保护装置退出继电保护工作状态，此时由外界的传统继电保护设备进行线路故障保护。当外部大电网出现供电故障断电后，微电网开关迅速跳闸，微电网开关处于分闸位置，微电网与外部大电网隔离，主控制单元接到开入模块发来的孤网模式信号，表示微电网工作在孤网模式，所述微电网继电保护装置进入继电保护状态，保护微电网内的用电负载。
所述模入模块连接各电流检测装置并接收其检测的所述微电网的各电流数据信号，所述各电流检测装置可以包括A、B、C相电流检测装置和零序电流检测装置。由于利用三相电流合成的计算方法，通过三相电流的矢量和的精确计算可以得到零序电流的大小，因此也可以只设置A、B、C三相电流检测装置。所述各电流检测装置优选采用精密电流互感器进行电流检测。所述控制输出模块接收来自主控制单元的信息，接通合闸、分闸回路。所述外壳可以起到保护、防尘和抗电磁干扰作用。当A、B、C三相中任一相电流大大超过速断电流定值，本装置将在10ms内跳闸出口。通过上述电流检测，本装置可以实现三段式电流保护、小电流接地/系统单相接地保护、快速速断保护等功能。
所述微电网继电保护装置还包括与所述主控制单元连接并双向通信的通信模块，所述通信模块上可以设有用于与外界通信的RS232和/或RS485接口，支持MODBUS规约，通讯功能强大，互操作性好。通过该接口，所述微电网继电保护装既可与本地用PC机连接实现定值查询和配置数据，又可与GSM模块支持光MODEM、GSM/GPRS（配置短消息模块后，可以通过手机对开关实现控制监视功能）等多种网络设备相配合，通过短消息模式实现遥控、遥信、遥测和遥调等功能。可以通过跳线选择RS232或RS485接口。
所述微电网继电保护装置还可以包括遥控模块，所述遥控模块与所述主控制单元连接并双向通信。所述遥控模块可以包括相互配套并无线连接的遥控发射子模块和遥控接收子模块，所述遥控接收子模块与所述主控制单元集成于一体，所述遥控发射子模块独立于所述外壳设置。通过该遥控模块，可以实现遥控、遥信、遥测和遥调。
优选地，所述遥控发射子模块包括信号发射电路、用于为所述信号发射电路瞬时供电的储能电路、为所述储能电路充电的遥控器电源以及分别用于操控所述信号发射电路发送遥控指令和控制所述储能电路充电的控制按键和储能按键。通过所述控制按键，可遥控其所控制的继电器动作，从而控制相应断路器的合、分闸，可以使工作人员不用上杆即可完成对断路器的合、分闸操作。为了避免误动作，必须先按储能按键数秒钟（如5秒）储能完毕后再按所述控制按键（如合闸、分闸按钮）控制断路器的分合。是否采用遥控方式，优选通过设置遥控器软压板退此功能，例如，当遥控器软压板置1时可以投入遥控功能，置0时退出遥控功能。
所述微电网继电保护装置还可以包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述主控制单元连接并双向通信，使用者可通过所述人机交互模块完成对定值的查看和修改、对测量值的查看等。所述人机交互模块包括输入子模块和输出子模块，所述输入子模块包括按键，所述输出子模块包括液晶显示屏和/或LED指示灯。所述主控制单元可通过输出子模块向使用者传递所述主控制单元的电流测量值、保护定值、告警等信息，使用者可以通过输出子模块中的按键向主控制单元传递查询、修改等信息。
所述液晶显示屏（用于响应各按键命令、显示人机对话界面、主动显示事故告警）和/或LED指示灯以及按键设置在该装置的控制面板上，所述控制面板采用用一体化设计，便于嵌入式安装。以MG2100型微电网继电保护装置为例，所述LCD指示灯包括运行指示灯（用于表示装置上电、电源工作正常）、通讯指示灯（用于表示液晶屏与CPU通讯，召唤数据正常）、保护指示灯（用于过流或速断保护事件告警）和备用指示灯。所述按键包括复位键（用于复位液晶显示）、上、下移按键（用于移动光标、翻页操作及修改定值大小）、左、右移按键（用于移动定值有效位光标）、确认按键（用于激活主菜单、进人下级菜单、修改定值后确认执行以及保护动作后复归）和退出按键（用于返回上级菜单）。
所述主控制单元采用第三代微机保护硬件的设计原则，应用多种新技术进一步提高硬件的可靠性，该单元除进行系统自检外，还要接收来自人机交互模块、模入模块、开入模块、通信模块传递的信息，经过逻辑处理后向人机交互模块、通信模块、控制输出模块传递信息。此外，主控制单元中还设有可控制外部数据采集的专用数据采集控制子模块，因此同时具有高精度的测量功能和保护功能。所述微电网继电保护装置主要针对50Hz输入信号设计，实际可适应45～55Hz之间变化的输入信号的采集。
所述微电网继电保护装置还可以包括将输入的电源电压变换成各个所述模块需要的工作电压的电压变换模块，为各个所述模块供电。所述微电网继电保护装置既可以外接电源，也可以自备电源，这些电源用以提供所述电源电压。
所述模入模块中用于将所述微电网的各电流数据信号转换成数字信息的模数转换器优选为高速、高精度模数转换器，进一步提高比较运算速度和精度。所述主控制单元采用高速信号处理电路，从硬件上进一步缩短故障电流信号程序判断处理时间。
Claims (8)
1.一种微电网继电保护方法，其特征在于通过检测微电网与大电网之间连接的微电网开关的分合闸状态，判断所述微电网的运行状态，当所述微电网处于孤网运行状态时，使所述微电网内的微电网继电保护装置运行在微电网继电保护状态，依据孤网运行的标准进行微电网内线路的继电保护，当所述微电网处于并网运行状态时，使所述微电网继电保护装置退出微电网继电保护状态，进入常规继电保护模式；所述微电网继电保护装置在微电网继电保护状态下的工作方式为：将所采集的微电网的相关线路的电流与相应的预设保护定值进行比较运算，如在设定的延迟时间内相关线路的电流达到和/或超过其保护定值，则输出跳闸控制信号断开该相应线路上的断路开关；
对相应线路的电流进行连续的电流数据采样，每个基波电流周期内的采样数为N，N>4，并采用以下步骤进行所述比较运算：
（1）突变量判断：在采样过程中，记录最近的连续N＋1点采样值，将每点采样值和前一周期的同位置采样值进行比较，当正负偏差超过突变量定值时，启动快速出口计算；
（2）快速出口计算：继续采样至少M点的值 
，M≥3,采用两点法计算电流工程量，所述电流工程量的平方为：
其中：
，
为相应线路的基波电流的频率、
为采样周期，
，
计算出至少两个所述电流工程量的平方，比较所述电流工程量是否均大于相应的所述保护定值，如果是，则输出所述跳闸控制信号；如果否，结束本次快速出口计算。
2.如权利要求1所述的微电网继电保护方法，其特征在于所述微电网处于孤网和并网运行状态的判断依据为：当检测出所述微电网开关处于分闸或非合闸位置状态时，则判断为所述微电网处于孤网运行状态；当检测出所述微电网开关处于合闸或非分闸位置状态时，则判断为所述微电网处于并网运行状态。
3.如权利要求2所述的微电网继电保护方法，其特征在于所述微电网继电保护装置所采集的电流数据包括A、B、C三相电流数据或A、B、C三相电流数据以及零序电流数据。
4.如权利要求3所述的微电网继电保护方法，其特征在于所述断路开关断开后还能够进行N次重合闸，所述重合闸的条件是：
（1）所述断路开关处于分闸状态；
（2）相应于所述断路开关的线路电流均小于各自对应的合闸设定值；
（3）重合闸次数不超过最高设定次数；
如满足上述条件，则允许所述微电网继电保护装置向处于分闸状态的所述断路开关输出合闸指令，否则不输出合闸指令。
5.一种微电网继电保护装置，其特征在于包括能够接收微电网与大电网之间连接的微电网开关的分合闸状态信号并将其转换成适宜数字信息的开入模块、能接收所述微电网的各电流数据信号并将其转换成适宜数字信息的模入模块、能够接收来自模入模块和开入模块的信息并进行逻辑处理后输出控制指令信息的主控制单元以及能够接收来自所述主控制单元的控制指令信息并控制所述微电网内部线路上的各断路开关分、合闸的控制输出模块，所述主控制单元依据所述开入模块传递的所述分合闸状态信号确定所述微电网继电保护装置进入还是退出微电网继电保护状态，在微电网继电保护状态下依据孤网运行的标准进行微电网内线路的继电保护；所述微电网继电保护装置在微电网继电保护状态下的工作方式为：将所采集的微电网的相关线路的电流与相应的预设保护定值进行比较运算，如在设定的延迟时间内相关线路的电流达到和/或超过其保护定值，则输出跳闸控制信号断开该相应线路上的断路开关；
对相应线路的电流进行连续的电流数据采样，每个基波电流周期内的采样数为N，N>4，并采用以下步骤进行所述比较运算：
（1）突变量判断：在采样过程中，记录最近的连续N＋1点采样值，将每点采样值和前一周期的同位置采样值进行比较，当正负偏差超过突变量定值时，启动快速出口计算；
（2）快速出口计算：继续采样至少M点的值
，M≥3,采用两点法计算电流工程量，所述电流工程量的平方为：
，i=1、2、……、M-1，
其中：
，
为相应线路的基波电流的频率、
为采样周期，
，
计算出至少两个所述电流工程量的平方，比较所述电流工程量是否均大于相应的所述保护定值，如果是，则输出所述跳闸控制信号；如果否，结束本次快速出口计算。
6.如权利要求5所述的微电网继电保护装置，其特征在于还包括与所述主控制单元连接并双向通信的通信模块，所述通信模块上设有用于与外界通信的RS232和/或RS485接口。
7.如权利要求6所述的微电网继电保护装置，其特征在于还包括遥控模块，所述遥控模块与所述主控制单元连接并双向通信。
8.如权利要求7所述的微电网继电保护装置，其特征在于还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述主控制单元连接并双向通信，所述人机交互模块包括输入子模块和输出子模块，所述输入子模块包括按键，所述输出子模块包括液晶显示屏和/或LED指示灯。
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