CN103457247A - 低压系统多层级全范围选择性协调保护技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压系统短路故障早期检测及其预测的多层级全范围选择性协调保护技术。该技术通过监测流经各层级各支路断路器的电流、电压，在本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置中，对其进行实时的在线短路故障早期检测。然后，将预测结果及断路器地址信息上传到智能控制与信息交换平台，与预先存储在平台中的对应支路及其上下级断路器的参数进行分析比较，判断出能可靠分断已发生的短路故障且最靠近故障点的相应层级支路断路器，并给其发送动作命令。最后，接收到动作命令的本地装置控制本支路断路器，配合快速分断机构，在短路早期快速切断短路故障，由此实现系统范围内的多层级选择性协调保护。

Description

低压系统多层级全范围选择性协调保护技术

技术领域

本发明涉及低压系统中的选择性保护技术，具体是应用短路故障早期检测及其预测来实现的系统保护选择性的技术。

背景技术

传统的低压系统中采用三段式过电流保护，上下级断路器之间常通过设定不同的整定电流或动作延时时间来实现系统保护的选择性。但这种保护方式是以牺牲保护的快速性为代价来获取保护的选择性，而且这种保护方式无法实现准确的选择性保护。当系统级数较少时，延时时间较短，对处于发生短路故障的设备影响较小。如果级数过多，延时时间过长，则由于短路导致的电压跌落会影响正常负荷的运行；同时过长的延时时间还可能导致局部过热、对正常设备造成损坏。此外，低压配电网络规模相对较小，短路后相邻两级的保护开关所处部位的短路电流值相近，使得保护开关的动作电流值难以整定，当系统中任意部位发生短路故障后，虽然可以最终达到可靠隔离故障的作用，但有可能引起非故障区域断电，达不到较好的选择性。

近年来，许多学者及企业在改进选择性保护技术方面进行了大量的研究，在传统的时间——电流选择性的基础上，提出或推出了如虚拟时间选择性、能量选择性、区域选择性联锁等选择性保护方案及产品。但这些方案或产品仅是对传统过流保护方法的改进，并不适用于所有场合，也无法实现准确的全选择性保护。

随着电网的发展尤其是智能配电网的应用需求，其对配电线路保护的速动性和选择性提出了更高的要求。当前选择性保护技术的发展方向已不仅是局部选择性提升到全局选择性，而且将系统的选择性保护范围从电源侧向终端侧延伸。本发明将基于低压系统短路故障早期检测及其峰值预测方法，配合以智能的信息交换及快速分断操作机构，由此提高低压系统保护的选择性，实现多层级配电系统全范围智能化的选择性协调保护。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的低压配电系统选择性保护技术，该技术以短路故障早期检测及其峰值预测为基础，配合智能的信息交换平台及快速分断机构，实现多层级配电系统全范围智能化的选择性保护。

    本发明采用以下方案实现：一种低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于： 

   1）监测流经低压系统各层级各支路断路器的电流、电压量，并对其进行实时的在线短路故障早期检测；

   2）就地判断低压系统各层级各监测支路是否发生了短路故障；若是，对该支路的故障电流进行峰值预测；若否，继续监测；

   3）各个检测到短路故障的支路将该支路的故障电流预测结果及断路器编号上传到智能控制与信息交换平台；然后在平台上，将上传的信息与预先存储在平台中的各层级的各支路断路器信息进行分析比较；最后根据分析诊断结果，向能可靠分断已发生的短路故障的相应层级的支路断路器发送控制命令；   

4）支路断路器根据接收到的命令，在短路早期快速切断短路故障。

所述的短路故障早期检测是基于短路电流奇异性特征及其辨识期间的电压变化率综合分析的早期检测方法。近年来，许多学者对于短路故障的早期监测方法进行了大量的研究，如基于回归分析的峰值预测法、小波分析法、立方判据法等。但若仅使用其中一种方法，则检测的可靠性可能达不到要求。为了提高短路故障早期检测的可靠性，本发明采用基于短路电流奇异性特征及电压变化率综合分析的早期检测方法。

为了实现多层级的选择性协调保护，无论短路故障发生在任何层级或支路节点，所述的故障电流峰值预测对于各层级每一个检测到短路故障的支路都要进行。由于短路故障的峰值电流与故障初相角、预测时刻的电流瞬时值有很大的关系，所述的故障电流峰值预测需要考虑到短路故障的初相角、短路故障早期可靠辨识时刻（一般短路故障早期辨识时间需要0.2-0.5ms）的电流瞬时值等信息。且为了减少智能信息交换平台判断时间及其与各支路断路器短路故障检测装置的通讯时间，所有的峰值预测均在各支路断路器处的本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置中进行。

要实现系统范围的选择性协调保护，必须要有一个中心的智能控制与信息交换平台。在该平台中，各支路断路器的信息能进行无障碍的分析比较，从而智能地判断该由哪条支路的断路器动作。本发明所述的智能控制与信息交换平台中需预先存储各层级支路断路器的信息，如：断路器（地址）编号、额定电流、额定短路开断电流等。所述的分析比较，是将各支路上传的故障电流峰值预测结果与相应编号的断路器的额定短路开断电流进行比较。当编号为N-m的断路器的额定短路开断电流≥K×该支路故障电流预测峰值，且在满足该条件的所有检测到短路故障的相应层级支路断路器中，此编号为N-m的断路器的层级号最大（即其最接近故障点），则判断该断路器动作，其中K为考虑早期检测时间、峰值预测时间、通信延时、断路器固有动作时间及断路器开断电弧时间的综合系数，K≤1。

附图说明

图1 多层次低压配电系统示意图，示意图只给出三区段的分级低压系统，具体层级不限。

图2 本发明的系统原理框架。

图3 各层级支路短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置的流程示意图。

图4 利用小波分析法来进行短路故障早期检测的示意图。

图5 发生单相对中线短路故障时故障相电流及脱扣信号实测波形。

图6 短路电流峰值预测的流程图示意图。

图1中：H1~2－高压断路器

Tr.1~2－变压器

K1-1~3－隔离开关

DL1-1~3－低压断路器

DL2-1,DL12－低压断路器

RDK1-1－隔离开关熔断器

C1-1~2－接触器

RJ1-1~2－热过载继电器

D1-1~2－电动机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例提供了一种低压配电系统选择性保护的实现方法。该方法的整体架构如图2所示，各支路断路器通过传感器实时对流经其的电流、电压量进行监测，并根据所获运行参数在本地的短路故障早期检测辨识及峰值预测装置中进行实时在线的短路早期检测。当相关层级及支路断路器检测到短路故障时，立即就地对该点的故障电流进行峰值预测。然后将预测结果及断路器（地址）编号上传到智能控制与信息交换平台，与预先存储在平台中的各支路断路器参数进行分析比较，最后根据比较结果判断并给相应的断路器发送动作命令。

本方案中的各层级每个断路器所接的本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置的运行步骤如下：

（1）对电流、电压信号进行固定采样频率的A/D采样。

（2）对A/D转换结果进行相应的算法处理，提取出短路电流的特征量。

（3）将所得特征量与设定阈值进行比较，综合当前的电压变化率，判断是否发生了短路故障。若是，跳到步骤（4）；若否，调回步骤1重新开始。

（4）根据早期检测过程中得到的数据（短路故障早期可靠辨识时刻，故障初相角等）对流经该断路器的短路电流进行峰值预测。

（5）将峰值预测结果及断路器（地址）编号通过高速信道发送到智能控制与信息交换平台。

（6）等待接收智能控制平台的控制信号，确定本地断路器是否要跳闸。若在设定的时间内接收到了控制命令，根据控制命令判断是否要跳闸，若是则驱动本地断路器动作切断故障；若未在设定时间内接收到控制命令，跳到步骤（7）。

（7）重新对短路故障进行检测，判断故障是否已被排除。若是，跳到步骤（1）进入新一轮的循环；若否，控制本地断路器按常规整定值与动作延时时间加以分断操作。

以下对上述步骤中的短路故障早期检测及其峰值预测的方法、系统中的智能控制与信息交换平台、快速分断机构等做进一步的解释。

本发明中，短路故障早期检测是利用短路电流奇异性特征及电压变化率综合分析的检测方法。目前，检测信号奇异性的方法主要有：小波分析法、短时傅里叶变换法、希尔伯特-黄变换法、分形维数等。如图3为各层级支路短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置的流程示意图；由图4为利用小波分析法来进行短路故障早期检测的示意图；图5为示波器拍摄的实际早期检测装置的运行图。由此可以看出，利用信号奇异性检测方法能在很短的时间内检测到短路故障。发生短路故障时一般都会伴随着电压跌落现象，且故障点与电源距离的越长，电压跌落越明显。为了提高短路故障早期检测的可靠性，本发明中采用短路电流奇异性及其辨识期间的电压变化率综合分析的短路故障早期检测方法。

对于峰值预测，目前主要是应用神经网络及其改进型预测模型的方法来实现，如：BP网络、支持向量机、极端学习机等，所选的网络模型输入参数主要包括短路故障早期可靠辨识时刻（一般为短路发生后0.2-0.5ms内）的短路电流瞬时值及故障初相角等，网络模型输出为短路电流的变化趋势或预测峰值。要进行峰值预测，首先，需建立低压系统的短路故障仿真模型，获取全相角范围的故障样本；或通过实验、现场实时在线监测采集获取故障样本；然后，利用这些故障样本，建立短路故障趋势及其峰值预测模型并进行离线训练；之后再将训练好的预测模型参数映射到本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置中，用于对实际的短路电流进行峰值预测。如图6为短路电流峰值预测的流程图框图。

本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置，在检测到短路故障且进行其峰值预测后，需将峰值预测结果及断路器（地址）编号通过高速信道上传到中央智能控制与信息交换平台。智能控制与信息交换平台中预先存储有系统各级每个断路器的（地址）编号、额定短路开断电流等信息，当其接收到本地装置上传的信息后，将对各层级支路上传的故障电流峰值预测结果与相应编号的断路器的额定短路开断电流进行比较。当编号为N-m的断路器的额定短路开断电流≥K×该支路故障电流预测峰值，且在满足该条件的所有检测到短路故障的相应层级支路断路器中，此编号为N-m的断路器的层级号最大（即其最接近故障点），则判断该断路器动作，其中K为考虑早期检测时间、峰值预测时间、通信延时、断路器固有动作时间及断路器开断电弧时间的综合系数，K≤1。

在实现短路故障早期检测的基础上，配合快速分断动作机构可以更有效地实现对短路故障的快速切除，提高断路器等开关保护元件的分断能力。目前，快速分断机构主要有电磁式、压电式、磁致伸缩式、化学式等四类。

最后值得一提的是，本发明的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术适用于低压系统中的各类短路故障，包括：三相短路、两相短路（包括两相接地故障）、单相短路（包括单相接地故障）的故障。

亦适用于低压系统中的各类接地型式，包括：IT、TT、TN－C、 TN－S、TN—C—S及其它低压系统接地型式。但本发明不局限于以上具体的实施方式，只要采用了本发明的基于短路故障早期检测及其预测的低压系统多层级选择性协调保护方法的系统原理及架构，无论采用哪一种短路故障早期检测方法、峰值预测方法或快速分断机构，应用于哪一种电压等级、哪一类短路故障或低压系统接地型式，都落入本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于： 

   1）监测流经低压系统各层级各支路断路器的电流、电压量，并对其进行实时的在线短路故障早期检测；

   2）就地判断低压系统各层级各监测支路是否发生了短路故障；若是，对该支路的故障电流进行峰值预测；若否，继续监测；

   3）各个检测到短路故障的支路将该支路的故障电流预测结果及断路器编号上传到智能控制与信息交换平台；然后在平台上，将上传的信息与预先存储在平台中的各层级的各支路断路器信息进行分析比较；最后根据分析诊断结果，向能可靠分断已发生的短路故障的相应层级的支路断路器发送控制命令；   

   4）支路断路器根据接收到的命令，在短路早期快速切断短路故障。

2.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：所述的短路故障早期检测是基于短路电流奇异性特征及其辨识期间的电压变化率综合分析的早期检测方法。

3.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：无论短路故障发生在任何层级或支路节点，所述的短路故障电流峰值预测对于各层级的每一个检测到短路故障的支路都要进行，且为了减少智能信息交换平台判断时间及其与各支路断路器短路故障检测装置的通讯时间，所有的峰值预测均在各支路断路器处的本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置中进行。

4.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：所述的短路故障电流峰值预测需要考虑到如下特征量：短路故障的初相角、短路故障早期可靠辨识时刻的电流瞬时值、电压变化率。

5.根据权利要求4所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：所述短路故障电流峰值预测包括：首先，采用低压系统的短路故障仿真模型，获取全相角范围的故障样本；或通过实验、现场实时在线监测采集获取故障样本；其次，利用这些故障样本及所述特征量，建立短路故障趋势及其峰值预测模型并进行离线训练；之后再将训练好的预测模型参数映射到本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置中，用于对实际的短路电流进行峰值预测。

6.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：所述的智能控制与信息交换平台中预先需存储各层级支路断路器的信息有：断路器编号、额定电流、额定短路开断电流；其中，断路器根据其在系统中所处的位置，从电源向终端编号为N-m，N、m均为自然数，N为层级号，m为该层级的支路编号，且电源处N=1。

7.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：所述的智能控制与信息交换平台中信息的分析比较，是将检测到短路故障的各层级各支路上传的故障电流峰值预测结果，与对应编号的断路器的额定短路开断电流进行比较；当编号为N-m的断路器的额定短路开断电流 ≥ K×该支路故障电流预测峰值，且在满足该条件的所有检测到短路故障的相应层级支路断路器中，此编号为N-m的断路器的层级号最大，则判断该断路器动作，其中K为考虑早期检测时间、峰值预测时间、通信延时、断路器固有动作时间及断路器开断电弧时间的综合系数，K≤1。

8.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：所述的断路器的操作机构为普通断路器分断动作机构或快速分断动作机构。

9.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：保留所述低压系统中常规的三段式保护整定；所述低压系统正常运行时，屏蔽该三段式保护中短路故障保护的控制，断路器的短路故障保护动作由本地短路故障早期检测辨识及其峰值预测装置加以控制；在该低压系统发生故障时，如通信故障或智能控制与信息交换平台故障，而使得本地装置未能在上传信息后的设定的时间内接收到控制信号，则开启常规的三段式保护设定，以便断路器按其常规整定值与动作延时加以分断操作。

10.根据权利要求1所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术，其特征在于：所述的低压系统多层级全范围选择性协调保护技术适用于低压系统中的各类短路故障，包括：三相短路、两相短路、单相短路的故障；也适用于低压系统中的各类接地型式，包括：IT、TT、TN－C、 TN－S、TN—C—S低压系统接地型式。

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