CN102611086B - 一种区域配电网集中式网络化保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种区域配电网集中式网络化保护系统及方法，属于电力系统自动化及继电保护领域。该保护系统包括至少两台集中式保护装置、智能终端和通信网络模块，集中式保护装置通过通信网络模块与智能终端通信，所述的智能终端随开关设备配置，分布在每个线路区段，用于采集数据、后备保护和执行跳合闸命令，所述的集中式保护装置设置在区域配电网监控中心，用于根据智能终端采集到信息和区域配电网的拓扑结构生成差动保护元件，并判定故障发生的区域及发送跳合闸控制命令。本发明可实现配电网供电区段短路故障的准确定位、快速隔离，减少了非故障线路的停电几率，缩小停电范围，实现配电网的快速重构及自愈，同时解决分布式接入系统对配电网保护的影响。

Description

一种区域配电网集中式网络化保护系统及方法
技术领域
本发明涉及一种区域配电网集中式网络化保护系统及方法，属于电力系统自动化及继电保护领域。
背景技术
为提高配电系统供电可靠性，现在配电网架已经开始尝试采用环网结构，环网结构下，以过流保护为主要保护的变电站馈出线、配网主干线保护的定值难于整定，定值与时延上均无法配合，此外分布式电源的接入改变了原有配网的拓扑结构，使其由单电源辐射状变成多电源网状结构，这对配网的继电保护带来了很大影响。目前国内配电自动化多采用重合器/分段器方式、基于通信的馈线自动化方式等。然而，对于重要负荷，这些控制方式不可避免的存在故障切除选择性不高、非故障区段停电、开关设备损耗大、故障处理时间长等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种区域配电网集中式网络化保护系统及方法，以解决现有区域配电网络保护过程中出现的故障切换选择性不高、开关设备损耗大以及非故障区段停电故障处理时间长。
本发明为解决上述技术问题提供了一种区域配电网集中式网络化保护系统，该保护系统包括集中式保护装置、智能终端和通信网络模块，集中式保护装置通过通信网络模块与智能终端通信，所述的智能终端随开关设备配置，分布在每个线路区段，所述的智能终端包括采集模块和执行模块，采集模块用于采集区域配电网中各个区域的电流和开关状态，执行模块用于对故障启动和动作命令多帧确认后执行以实现区域故障隔离，所述的集中式保护装置设置在区域配电网监控中心，包括差动保护元件生成模块、计算模块、判断模块和故障启动及动作命令发布模块，差动保护元件生成模块用于根据接收到的电流数据和开关状态以及该区域配电网的电气拓扑结构，识别每个节点关联的支路，基于广义基尔霍夫定律，确定若干差动保护最小区间，生成对应个数的差动保护元件，计算模块用于计算每个差动保护元件的差动电流与制动电流，判断模块用于根据每个差动保护元件的差动电流与制动电流判断是否需要采取差动电流保护动作，故障启动及动作命令发布模块用于判断故障发生的区域，及对该区域发送故障启动和动作命令，所述的通信网络模块采用的是环网结构。
所述的通信网络模块为PTN的光纤环网，采用IEC61850 GSOOSE传输协议，所述的集中式保护装置和智能终端采用IEC 61850 GOOSE协议传输矢量值与跳合闸控制命令。
所述的采样模块在对区域配电网中电流和开关状态采样时，需要首先通过IEEE1588网络对时获得采样同步时钟，以时钟零时刻为基准进行采样调整，然后通过小矢量算法计算出三相电流的实时幅值和角度，并以同步时刻为基准标记矢量序号。
所述的智能终端对保护启动命令采用多帧确认，对于保护范围内主干线路各区段配置负荷开关的情况，短路故障隔离策略为先发命令跳开变电站相应馈线断路器，在跳开故障区段负荷开关。
本发明还提供了一种区域配电网集中式网络化保护方法，该保护方法的步骤如下：
1).采集区域配电网中各个区域的电流和开关状态；
2).根据采集到的电流数据和开关状态以及该区域配电网的电气拓扑结构动态调整电气拓扑，生成对应个数的差动保护元件；
3).计算每个差动保护元件的差动电流与制动电流；
4).根据每个差动保护元件的差动电流与制动电流判断是否需要采取差动电流保护动作；
5).如果某个差动保护元件的差动电流值和制动电流满足动作方程且其无闭锁信息，判断故障发生在该区域，分别对该区域发送故障启动和动作命令；
6).对故障启动和动作命令多帧确认后驱动启动继电器，开放跳闸继电器的励磁电源，实现该区域故障的隔离。
所述的步骤1)中在对区域配电网中电流和开关状态采样时，需要首先通过IEEE1588网络对时获得采样同步时钟，以时钟零时刻为基准进行采样调整，然后通过小矢量算法计算出三相电流的实时幅值和角度，并以同步时刻为基准标记矢量序号。
所述的步骤1)中在发送采集到电流值和开关状态时，按IEC61850 GOOSE协议打包到数据帧中，该数据帧中还包括本智能终端对应的开关编号、支路编号和开关状态的电气拓扑信息。
所述的步骤2)在生成相应个数的差动保护元件时，需要使每个差动保护元件与对应的采集终端、开关编号、采样数据、后备差动元件和断路器失灵元件形成影射关系。
所述的步骤6)在实现故障隔离时对保护启动命令采用多帧确认，对于保护范围内主干线路各区段配置负荷开关的情况，短路故障隔离策略为先发命令跳开变电站相应馈线断路器，再跳开故障区段负荷开关，然后合上馈线断路器恢复非故障区域的供电，以保证非故障区段的正常供电。
本发明的有益效果是：本发明通过把区域配电网作为一个整体进行统筹保护与控制，缩短短路故障造成的连锁停电时间，提高供电可靠性，本发明采用分散采集、集中处理的思想，分散在供电区段随开关设备配置的实时数据采集终端及设置在区域配网控制中心的集中式保护构成集中式网络化保护系统，数据传输网络采用基于PTN的光纤环网，保证了数据传输的实时性与可靠性。
附图说明
图1是本发明的区域配电网集中式网络化保护系统的结构图；
图2是本发明的集中式网络化保护系统启动和跳闸双命令串联策略图；
图3是本发明在主干线路采用断路器模式下故障隔离及转供电流程图；
图4是本发明在主干线路采用负荷开关模式下故障隔离及转供电流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明的一种区域配电网集中式网络化保护系统的实施例
如图1所示，该网络化保护系统包括集中式网络保护装置、通信网络和智能终端，在配电主站和智能终端间建立通信网络，实现集中式网络保护及配网自动化，集中式保护控制系统采用分散采集、集中处理的结构，集中式保护装置装置双重化冗余配置，与智能配电主站部署在一起，智能终端，随配网供电区段开关配置，就地安装，通信网络为基于PTN的光纤环网，采用IEC61850 GSOOSE传输协议，集中式保护装置和智能终端采用IEC 61850GOOSE协议传输矢量值与跳合闸控制命令。智能终端包括采集模块和执行模块，采集模块用于采集区域配电网中各个区域的电流和开关状态，执行模块用于通过多帧确认后执行保护装置实现区域故障隔离的命令，集中式保护装置包括差动保护元件生成模块、计算模块、判断模块和故障启动及动作命令发布模块，差动保护元件生成模块用于根据接收到的电流数据和开关状态以及该区域配电网的电气拓扑结构动态调整电气拓扑，生成对应个数的差动保护元件，计算模块用于计算每个差动保护元件的差动电流与制动电流，判断模块用于根据每个差动保护元件的差动电流与制动电流判断是否需要采取差动电流保护动作，故障启动及动作命令发布模块用于判断故障发生的区域，以及对该区域发送故障启动和动作命令。该系统的工作过程如下：
1.首先各智能终端通过IEEE1588网络对时获得采样同步时钟，采样中断(采样频率为4k/s)以时钟零时刻为基准进行采样调整，通过小矢量算法计算出三相电流的实时幅值和角度，并以同步时刻为基准标记矢量序号，按IEC 61850 GOOSE协议打包到数据帧中，数据帧中还包含本终端对应的开关编号、支路编号、开关状态等电气拓扑信息，智能终端还把小矢量折算成电流幅值，通过标准反时限曲线，完成反时限过流保护功能，利用PTN的光纤环网将小矢量数据传送给集中式保护装置。
2.集中式保护装置将获取到各采集终端上送的模拟量信息及动态电气拓扑信息，结合投运时下装的区域配网电气拓扑，形成支路-节点关联数据表，使用深度优先搜索方法，生成若干差动保护元件，使每个差动保护元件与对应的采集终端、开关编号、采样数据、后备差动元件、断路器失灵元件形成映射关系。
3.每个差动保护元件基于小矢量算法进行差动电流与制动电流的计算，差动元件根据映射关系表决定采用两端差动还是多端差动。公式(1)、(2)分别为两端、多端差动的动作方程，多端差动制动系数k根据参与计算的测点多少自适应调整。
I d = | I · 1 + I · 2 | > I SET I d > K * I r - - - ( 1 )
其中 Ir = | I · 1 - I · 2 | , k＝0.7
I d = | I · 1 + . . + I n | I d > k * I r I r = k * Σ 1 n | I n | - - - ( 2 )
公式(1)和(2)分别为两端和多端差动的动作方程，多端差动制动系数k根据参与计算的测点多少自适应调整。
4.差动保护元件设故障启动判断模块以及差动判断模块。故障启动模块判断出启动后，立即向对应的智能终端发送故障启动GOOSE命令。故障启动判据为相电流电流突变量以及智能终端通过瞬时采样值判断的电流突变量启动状态。如果某个差动保护元件的差动电流值和制动电流满足动作方程且其无闭锁信息，判定故障发生在该相关区域，分别对该区域相关的智能终端发送跳闸命令信号。
5.智能终端收到故障启动GOOSE命令，并多帧确认后驱动启动继电器，开放跳闸继电器的励磁电源，再收到跳闸GOOSE命令驱动跳闸跳闸继电器，见图2。智能终端在无闭锁条件下跳开对应开关，实现故障区域的隔离，如开关拒动，集中式保护装置按照动态拓扑关系生成的失灵保护元件，触发本开关对应的失灵保护元件，延时后跳开与失灵开关有电气关系的相邻开关；如因本故障区段对应的智能终端异常或通信中断，覆盖本故障区域的后备差动保护经短延时(延时按躲开保护及开关动作时间考虑)后，仍旧可以隔离短路故障区段。
集中式电流差动保护动作时间小于50ms，转供电时间为亚秒级。对于保护范围内主干线路均配置断路器时，短路故障隔离时间小于120ms(计及断路器开断时间70ms)；对于保护范围内主干线路配置负荷开关时，故障隔离时间小于200ms(计及断路器、负荷开关开断时间70ms)。
本发明的一种区域配电网集中式网络化保护方法的实施例
该方法能够实现集中式网络保护及配网自动化，采用分散采集、集中处理的思想，区域配电网络的通信网络为基于PTN的光纤环网，采用IEC61850 GOOSE传输协议，其具体步骤如下：
1.通过IEEE1588网络对时获得采样同步时钟，采样中断(采样频率为4k/s)以时钟零时刻为基准进行采样调整，通过小矢量算法计算出三相电流的实时幅值和角度，并以同步时刻为基准标记矢量序号，将采样数据按IEC 61850 GOOSE协议打包到数据帧中，发送间隔5ms，数据帧中还包含本终端对应的开关编号、支路编号、开关状态等电气拓扑信息，智能终端还把小矢量折算成电流幅值，通过标准反时限曲线，完成反时限过流保护功能。
2.根据获取到各采集终端上送的模拟量信息及动态电气拓扑信息，结合投运时下装的区域配网电气拓扑，形成支路-节点关联数据表，使用深度优先搜索方法，生成若干差动保护元件，这样每个差动保护元件与对应的采集终端、开关编号、采样数据、后备差动元件、断路器失灵元件等就形成了映射关系。
3.对每个差动保护元件利用小矢量算法进行差动电流与制动电流的计算，差动元件根据映射关系决定采用两端差动还是多端差动，式(1)、(2)分别为两端和多端差动的动作方程，多端差动制动系数k根据参与计算的测点多少自适应调整，
I d = | I · 1 + I · 2 | > I SET I d > K * I r - - - ( 1 )
其中 Ir = | I · 1 - I · 2 | , k＝0.7，Id为差动电流，Ir为制动电流，
I d = | I · 1 + . . + I n | I d > k * I r I r = k * Σ 1 n | I n | - - - ( 2 )
4.进行故障判别，故障启动判据为相电流突变量以及智能终端通过瞬时采样值判断的电流突变量启动状态，如果某个差动保护元件的差动电流值和制动电流满足动作方程且其无闭锁信息，判定故障发生在该相关区域，就对该区域相关的智能终端发送故障启动和动作双命令信号。
5.收到故障启动GOOSE命令，通过多帧确认后驱动启动继电器，开放跳闸继电器的励磁电源，再收到跳闸GOOSE命令驱动跳闸继电器，见图2，在无闭锁条件下跳开对应开关，实现故障区域的隔离。如开关拒动，按照动态拓扑关系生成的失灵保护元件，触发本开关对应的失灵保护元件，延时后跳开与失灵开关有电气关系的相邻开关；如因本故障区段对应的智能终端异常或通信中断，覆盖本故障区域的后备差动保护经短延时(延时按躲开保护及开关动作时间考虑)后，仍旧可以隔离短路故障区段。
对于全配电网各供电区段配置断路器的情况，如图3，正常运行时，联络开关D处于断开状态，当c区段发生短路故障，则集中式保护系统50ms动作，100ms后就可以跳开B、C开关，延时一段时间后再合上联络开关D，实现由馈线另一侧转供电，保证了供电区段d对应的用户供电。
对于全配电网各供电区段配置负荷开关的情况，如图4，正常运行时，联络开关D处于断开状态，当c区段发生短路故障，则集中式保护系统50ms动作，120ms后就可以跳开变电站馈线断路器CB1，再跳开B、C负荷开关，隔离故障区段，然后再合上馈线断路器CB1及及联络开关D，实现由馈线另一侧转供电，保证了供电区段a、b、d对应的用户供电。
本发明采用智能终端和集中式保护装置保护启动和跳闸双命令的安全机制，且智能终端对保护启动命令采用多帧确认，对于保护范围内主干线路各区段配置负荷开关的情况，短路故障隔离策略为先发命令跳开变电站相应馈线断路器，再跳开故障区段负荷开关；如供电区段均配置断路器，则可以直接跳闸断开故障电流，除事故区间用户停电外，线路上其他用户的供电不受影响。集中式电流差动保护动作时间小于50ms，转供电时间为亚秒级。对于保护范围内主干线路均配置断路器时，短路故障隔离时间小于120ms(计及断路器开断时间70ms)；对于保护范围内主干线路配置负荷开关时，故障隔离时间小于200ms(计及断路器、负荷开关开断时间70ms)。

Claims (9)

1.一种区域配电网集中式网络化保护系统，其特征在于：该保护系统包括集中式保护装置、智能终端和通信网络模块，集中式保护装置通过通信网络模块与智能终端通信，所述的智能终端随开关设备配置，分布在每个线路区段，所述的智能终端包括采集模块和执行模块，采集模块用于采集区域配电网中各个区域的电流和开关状态，执行模块用于对故障启动和动作命令多帧确认后执行以实现区域故障隔离，所述的集中式保护装置采用双重化冗余配置，与智能配电主站部署在一起；所述的集中式保护装置设置在区域配电网监控中心，包括差动保护元件生成模块、计算模块、判断模块和故障启动及动作命令发布模块，差动保护元件生成模块用于根据接收到的电流数据和开关状态以及该区域配电网的电气拓扑结构识别每个节点关联的支路，基于广义基尔霍夫定律，确定若干差动保护最小区间，生成相应个数的差动保护元件，计算模块用于计算每个差动保护元件的差动电流与制动电流，判断模块用于根据每个差动保护元件的差动电流与制动电流判断是否需要采取差动电流保护动作，故障启动及动作命令发布模块用于判断故障发生的区域，及对该区域发送故障启动和动作命令，所述的通信网络模块采用的是环网结构。
2.根据权利要求1所述的区域配电网集中式网络化保护系统，其特征在于：所述的通信网络模块为PTN的光纤环网，采用IEC61850GSOOSE传输协议，所述的集中式保护装置和智能终端采用IEC61850GOOSE协议传输矢量值与跳合闸控制命令。
3.根据权利要求1或2所述的区域配电网集中式网络化保护系统，其特征在于：所述的采样模块在对区域配电网中电流和开关状态采样时，需要首先通过IEEE1588网络对时获得采样同步时钟，以时钟零时刻为基准进行采样调整，然后通过小矢量算法计算出三相电流的实时幅值和角度，并以同步时刻为基准标记矢量序号。
4.根据权利要求1所述的区域配电网集中式网络化保护系统，其特征在于：所述的智能终端对保护启动命令采用多帧确认，对于保护范围内主干线路各区段配置负荷开关的情况，短路故障隔离策略为先发命令跳开变电站相应馈线断路器，再跳开故障区段负荷开关。
5.一种区域配电网集中式网络化保护方法，其特征在于：该保护方法的步骤如下：
1).采集区域配电网中各个区域的电流和开关状态；
2).根据采集到的电流数据和开关状态以及该区域配电网的电气拓扑结构识别每个节点关联的支路，基于广义基尔霍夫定律，确定若干差动保护最小区间，生成相应个数的差动保护元件；
3).计算每个差动保护元件的差动电流与制动电流；
4).根据每个差动保护元件的差动电流与制动电流判断是否需要采取差动电流保护动作；
5).如果某个差动保护元件的差动电流值和制动电流满足动作方程且其无闭锁信息，判断故障发生在该区域，分别对该区域发送故障启动和动作命令；
6).对故障启动和动作命令多帧确认后驱动启动继电器，开放跳闸继电器的励磁电源，实现该区域故障的隔离。
6.根据权利要求5所述的区域配电网集中式网络化保护方法，其特征在于：所述的步骤1)中在对区域配电网中电流和开关状态采样时，需要首先通过IEEE1588网络对时获得采样同步时钟，以时钟零时刻为基准进行采样调整，然后通过小矢量算法计算出三相电流的实时幅值和角度，并以同步时刻为基准标记矢量序号。
7.根据权利要求5所述的区域配电网集中式网络化保护方法，其特征在于：所述的步骤1)中在发送采集到电流值和开关状态时，按IEC61850GOOSE协议打包到数据帧中，该数据帧中还包括本智能终端对应的开关编号、支路编号和开关状态的电气拓扑信息。
8.根据权利要求5所述的区域配电网集中式网络化保护方法，其特征在于：所述的步骤2)在生成相应个数的差动保护元件时，需要使每个差动保护元件与对应的采集终端、开关编号、采样数据、后备差动元件和断路器失灵元件形成影射关系。
9.根据权利要求5所述的区域配电网集中式网络化保护方法，其特征在于：所述的步骤6)在实现故障隔离时对保护启动命令采用多帧确认，对于保护范围内主干线路各区段配置负荷开关的情况，短路故障隔离策略为先发命令跳开变电站相应馈线断路器，再跳开故障区段负荷开关，然后合上馈线断路器恢复非故障区域的供电，以保证非故障区段的正常供电。
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