CN104242274B - 含分布式电源配电网的状态量差动保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，要解决的技术问题是对接入有分布式电源的配电网进行有效保护。本发明的方法包括以下步骤：线路保护终端判定与其连接的节点的边界开关的状态量特征，经通信网络与配电网内边界开关的线路保护终端共享，有边界节点处于过流状态，故障位置在保护区域内，保护动作出口。本发明与现有技术相比，利用线路上的出线开关、分段开关、负荷开关及其它开关将配电网线路划分成多个区域，将某一区域作为保护对象，用发生过流故障状态和故障位置，判断区域内故障，保护动作出口，有效保护接入有分布式电源的配电网。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力系统中压配电网的保护方法，特别是一种含有分布式电源接入配电网的差动保护方法。
背景技术
分布式电源DG(distributed generation)是一种新兴的电力能源，包括光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机发电系统等。分布式发电技术具有环保、经济等一系列优点，能够很好地满足人们对电力安全稳定和经济环保的要求，已引起广泛关注，并逐渐得到推广和发展。然而，DG接入配电网也给配电网的保护带来了新的问题和挑战。DG接入配电网后对原有配电网保护的影响包括：1)原有配电网保护是基于传统的辐射型配电网配置的，DG接入配电网后，使得配电网成为了功率双向流动的多源网络，DG的接入对原有保护的影响变现为助增电流、外汲电流(汲出电流)和反向电流；2)DG的出力具有间歇性和随机波动性，DG接入后保护也不易整定。因此，DG的接入改变了配电网的故障电流分布以及原有配电网保护配置的基础条件，使得原有配电网保护可能拒动作或者误动作，并且保护不易整定。
发明内容
本发明的目的是提供一种含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，要解决的技术问题是对接入有分布式电源的配电网进行有效保护。
本发明采用以下技术方案：一种含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，包括以下步骤：
一、对于分布式电源连接到母线和/或分布式电源T接到线路上的6-35kV的中压配电网，线路保护终端判定与其连接的节点的边界开关的状态量特征，经通信网络与配电网内边界开关的线路保护终端共享；所述状态量特征为过流和故障位置，所述过流为电流幅值超过整定值，故障位置为在保护区域内或保护区域外；
二、线路保护终端检查本保护区域所有边界开关的状态量特征；有边界节点处于过流状态；
三、线路保护终端检查保护区域所有边界节点的状态量特征，检测到故障位置在保护区域内；
四、保护区域边界开关没有闭锁保护信号，保护动作出口。
本发明的边界开关的线路保护终端将所有保护动作的信息通过面向通用对象的变电站事件发布和订阅机制，在被保护的配电网内共享，每个边界开关的线路保护终端只订阅其周边边界开关的状态量特征信息。
本发明的配电网内设有与各线路保护终端通信联网的区域保护主站，各线路保护终端将与其连接的边界开关的状态量特征，发送到区域保护主站，区域保护主站将保护动作出口的指令发送到该区域边界开关的线路保护终端。
本发明的区域边界开关的保护装置独立投退。
本发明的步骤一线路保护终端检测到与其连接的边界节点的电压互感器断线，生成电压互感器断线告警信号，将电压互感器断线告警信号发送到该保护区域的其它边界开关的线路保护终端，闭锁状态量差动保护。
本发明的步骤二过流状态下节点的电压不低于设定的参数值，进行过流状态重置，所述设定的参数值为0.5-0.8额定电压。
本发明的节点电压设定的参数值为0.7额定电压。
本发明的步骤二没有过流，结束该轮判断。
本发明的步骤三线路保护终端检查保护区域所有边界节点的状态量特征，检测到故障方向指向保护区域外，结束该轮判断。
本发明的分布式电源接到母线上，在母线上游加装开关；分布式电源T接到线路上，在分布式电源侧配置状态量差动保护装置。
本发明与现有技术相比，利用线路上的出线开关、分段开关、负荷开关及其它开关将配电网线路划分成多个区域，将某一区域作为保护对象，用发生过流故障状态和故障位置，判断区域内故障，保护动作出口，有效保护接入有分布式电源的配电网。
附图说明
图1是状态量差动保护区域的原理图。
图2是基于架空线单联络结线方式的DG直接接到母线的配电网拓扑图。
图3是基于架空线单联络结线方式的DG T接到线路的配电网拓扑图。
图4是状态量差动区域集中式的实现方案架构示意图。
图5是状态量差动智能分布式的实现方案架构示意图。
图6是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
DG接入6-35kV的中压配电网(配电网，系统)以后，会对配电网原有的保护方法产生影响，当DG容量较大，原有三段过流保护装置经简单调整，如重新整定定值，仍然不能满足要求的情况下，必须在配电网中采用新的保护方法。分布式电源接入配电网以后，使得原来配电网的单电源系统变成了分散的多电源系统。现有技术通过重合闸排除瞬时性故障的方法因为DG的接入而失去了效用，为保证配电网仍然具有较高的供电可靠性，要求在保护动作之初就将故障隔离在尽可能小的范围内。
方向元件的过电流保护可以在很大程度上降低对DG准入容量的限制，但需要保护装置在动作延时上配合以实现保护的选择性，定值整定也比较困难。自适应保护对DG准入容量无限制，且整定简单，但其计算分析基础是故障分量，加之DG对出力的波动性影响，自适应保护只能设置为自适应速断保护，不能够保护配电网中的线路全长。差动保护能够准确地保护线路全长，并且可以有效地应对DG接入带来的不利影响。但采样值差动保护要求保护装置之间有较高的同步性，对通信的实时性要求非常高，因此必须采用光纤等高速通信介质作为通信媒介。采用光纤作为通信媒介不仅工程成本比较高，而且也非常不适用于拓扑结构易变的配电网。差动保护仅适合作为关键线路或者必要情况下的保护方法。
配电网的通信系统以光纤+无线专网方式为发展方向，在关键区域如重点供电区域，采用光纤通信，非必要情形如非密集用电区，则采用无线专网通信，因为无线专网具有非常适合配电网分散且拓扑易变的特性，尤其在分布式电源的快速发展，使得配电网分散其拓扑易变的特点更加明显的情况下。因此，本发明的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，是基于无线专网、适应分布式电源接入、定值整定相对容易、兼容性强的状态量差动保护方法，其基本思想来源于现有技术的闭锁式保护，其动作逻辑判据是保护装置检测到的保护装置故障方向都指向故障区域。不同于现有技术的过流保护需要考虑时延及过流定值的配合来实现保护的选择性，提出的状态量差动保护方法定值统一按躲过最大负荷整定即可，整定相对容易，同时通过增加过流状态非低压无效的逻辑，抵消负荷波动带来的的不利影响，使得整定更加简单，方法既适用于不含分布式电源的配电网，也适用于含分布式电源的配电网，兼容性强。
状态量差动判据的电气量基础是过流保护+方向元件，这一点与加有方向元件的过电流保护是一致的。如果在加有方向元件的过电流保护装置中的通信系统引入相应措施，比如闭锁或联跳，也能够解决DG带来的不利影响，但是状态量差动保护相对有如下优势：1、保护原理对同步性与实时性要求不高，可以适用于配电网较差的通信条件；2、整定无需考虑时间上的配合，整定相对简单；3、整定无需考虑太多的相关节点，在有新节点加入时只需考虑其相邻节点，一定程度上实现“即插即用”；4、能够比较好地适应配电网拓扑结构易变的特点。
配电网中含有大量的配电开关(边界开关，开关，边界节点，节点)，包括出线开关、主干线上的分段开关和重要分支线上的分支开关，这些配电开关将配电网分成了多个区域，这些区域以配电开关为界。当区域内的线路发生故障时，区域边界的配电开关所呈现的状态特征，与区域外发生故障时的状态特征不完全相同，依据状态特征的不同来判别区域内的线路是否发生故障，进而决定配电开关的跳闸逻辑，是状态量差动保护的核心。
如图1所示，区域k连接有4个边界开关BS(Boundary Switch)，第一边界开关BS1的另一侧连接有接地开关ES，第二边界开关BS2的另一侧连接有的分布式电源，第三边界开关BS3的另一侧连接有负载，第四边界开关BS4的另一侧连接有微电网Micro Grid，可以等效为分布式电源。当区域k内部发生故障时，BS1必然流过故障电流，BS3没有故障电流，BS4和BS2的状态主要受分布式电源的容量影响，相对配电网容量有限的分布式电源在配电网故障时提供的短路电流较小，甚至小于负荷电流，保护装置可能能够检测到故障电流，也可能检测不到故障电流，状态不确定。
在本发明发方法中，设置并定义状态量差动判据中的状态量特征及其标识为：
1)过流状态的标识为“S”，共2个取值，有过流，标识为“1”，没有过流，标识为“0”，发生过流的判据为电流幅值超过整定值；
2)故障位置的标识为“DS”，共2个取值，故障在保护区域内，标识为“1”，故障保护区域外，标识为“0”。故障位置标识按功率方向判定，通常功率方向为正则故障位置标识取值为1，两者的对应关系可预先设定，即保护元件故障位置取值也可以设定功率方向为负故障位置标识取值为1。
状态量差动保护的动作逻辑是：对于一个区域，若其所有边界开关中至少有一个检测到过流，且检测到过流的边界开关的故障方向都是指向该区域内，则判定该区域内有故障，全跳(断开)该区域的所有边界开关。
为更好的适应分布式电源的接入，简化定值的整定，在过流状态的判断过程中引入非低压无效的判断逻辑，即在过流状态下节点的电压不低于设定的参数值，保护装置即使检测到过流状态(S＝1)仍然判定该状态量无效，进行过流状态重置(S＝0)。节点电压设定的参数值为0.5-0.8额定电压UN，一般取0.7UN。设置该取值范围是为了保证保护装置可靠判定过流状态的状态量，以保证发生故障时保护装置能够正确判定故障。因为短路故障时，电流增大、电压降低，如果故障点在某保护装置保护范围的远端，保护装置检测到的电压较额定值下降较小，而参数值设置偏小时，比如设定值小于0.5UN，可能会导致该节点被判定为非低压状态，进而可能导致对状态量的误判。
保护动作的条件表达式为：
式(1)中，x表示保护区域边界节点编号，Y表示保护区域所有边界节点，Sx表示节点x是否检测到过流状态，DSx表示节点x故障方向的指向，φ表示空集。
本发明方法提出的的状态量差动保护，计及了分布式电源对配电网故障特性造成的影响。下面针对DG的两种接入方式，分别说明状态量差动保护方法对DG造成的不利影响的适应性。
DG直接连接到母线上，并在接入点上游加装开关，如图2中的开关6。这种方式的好处在于，如果DG容量足够大或者能够作为主电源支撑孤岛运行时，可以尽可能不损失下游负荷，提高供电可靠性。在这样的接入方式下，即使DG容量较大，外汲作用(DG的接入使得短路电流相较于无DG接入时变小)影响明显，保护仍然可以准确动作。
如图2所示，当区域2的K1点故障时，流过故障点下游的短路电流由下游的DG提供，由于DG出力的随机性，连接在边界开关上的保护装置(保护)3可能检测得到过流的故障特征，也可能检测不到过流的故障特征，流过保护2的短路电流由系统电源提供，保护2能够检测到过流的故障特征。区域2的两个边界节点的保护装置至少有1个能够检测到指向保护区域内的过流状态且不会有边界保护节点检测到指向保护区域外的过流状态，保护装置能够正确动作。
分布式电源DG T连接(T接)到线路，可能会因为DG容量及其随机出力都比较大而导致的保护拒动，因此在DG侧配置保护装置，如图3中的保护6。
如图3所示，区域4的K2点发生故障时，如果DG随机出力较低，外汲作用影响不明显，DG上游保护1、保护2、保护3、保护4能够检测正向过流状态(S＝1)，区域4的边界节点4、边界节点5检测到指向区域4内的过流状态，其它边界节点检测不到过流状态，保护装置能够准确动作。如果DG随机出力较大，外汲作用影响明显，DG上游保护1、保护2、保护3、保护4不能够检测到过流状态(S＝0)，但是保护6在整定合适的前提下，能够检测到过流状态(S＝1)，区域4的边界节点6能够检测到指向区域4内的过流状态，而且没有边界保护节点检测到指向区域外的过流状态，保护装置仍能够准确动作。这种情形下保护6的定值整地存在困难，为解决这一问题在保护逻辑中引入非低电压无效的判断方法。
在非故障情况下，如果DG容量及其实时出力都比较大，保护6能够检测到指向区域4的过流状态，但是因为其检测到的电压不够低，电压不低于设定的参数值，导致过流状态量无效，区域4的3个边界节点的保护装置都没有检测到指向区域4的过流状态，保护装置可靠不动作。K2点发生故障时，如果DG容量及实时出力都比较小，保护4能够检测到指向保护区域4的过流状态，区域4的3个边界开关可靠动作。如果DG容量及实时出力都比较大，保护4检测不到过流状态，但是保护6检测到过流状态而且因为电压低而有效，区域4的3个边界开关可靠动作。
本发明的方法实现可以选择两种架构：1)区域集中式的实现方案；2)智能分布式的实现方案。
如图4所示，区域集中式的保护方案中设有一个区域保护主站(区域保护终端)。区域保护终端中存储有配电网的拓扑结构，并通过配置设有各区域保护所需的节点状态信号映射(状态量特征对应关系)。区域保护终端内配置有各区域的状态量差动保护功能(判断逻辑)，每一个区域边界开关的保护装置都可以独立投退；根据所述逻辑判断出区域故障后，将故障跳闸信号通过面向通用对象的变电站事件GOOSE机制发送给需要跳闸开关的线路保护终端；线路保护终端接收到跳闸信号后，控制与其连接的开关跳闸，隔离故障。
如图5所示，智能分布式的实现方案中不设置区域保护终端，各个节点的线路保护终端将所有保护逻辑中所需要的信息通过GOOSE发布和订阅机制，在被保护的配电网内共享。每个节点的线路保护终端只订阅其周边开关的线路保护终端的状态量特征信息。智能分布式架构在配电网架构发生变化时，有更好的适应性。在增加或减少线路时，仅需对周边间隔的配置进行修改，大幅减少对全系统的影响，在一定程度上可以实现“即插即用”的要求。
实施例1，对智能分布式的实现方案，有DG连接到母线和/或DG T接到线路上的配电网，如图6所示，本发明的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，包括以下步骤：
一、线路保护终端判定与其连接的保护元件(边界开关)的状态量特征，并经通信网络将其发送给本保护区域的其它边界开关的线路保护终端，接收其它边界开关的线路保护终端发来的状态量特征。如果线路保护终端检测到与其连接的边界节点的电压互感器PT断线则生成“PT断线告警”信号，将“PT断线告警”信号发送到该保护区域的其它边界开关的线路保护终端，用以闭锁状态量差动保护。
二、线路保护终端顺序检查本保护区域所有边界开关的状态量特征；如果有边界节点处于过流状态(S＝1)，进入步骤三；若没有过流状态(S＝0)，则结束该轮判断。
三、线路保护终端继续检查该保护区域所有边界节点的状态量特征，如果有检测到过流状态但故障方向指向保护区域反方向(S＝1&DS＝0)，即故障位置在保护区域外，则结束该轮判断；如果所有检测到过流状态且故障方向指向保护区域正方向(S＝1&DS＝1)，即故障位置在保护区域内，则进入步骤四。
四、如果保护区域有边界节点发出“PT断线告警”，则闭锁保护。如果没有闭锁保护信号，则保护动作出口。
实施例2，对区域集中式的实现方案，有DG连接到母线和/或DG T接到线路上的配电网，设有与各线路保护终端通信联网的区域保护主站，各线路保护终端将与其连接的保护元件(边界开关)的状态量特征，发送到区域保护主站，由区域保护主站按照实施例1的步骤二至四判断故障所在的保护区域，将保护动作出口的指令发送到该区域节点的线路保护终端，保护动作出口。
现有技术的中压配电网保护方法一般以电流速断为主保护，以第三段过电流保护为后备保护。
但配电网保护的多点、分段、分区域的配置会随着分布式电源的接入越来越成为一种趋势，现有技术的保护方法存在越来越多的局限性，尤其在保证分布式电源在线率方面。本发明的方法将基于通信系统的状态量差动保护与基于本地信息的电流速断保护作为主保护，第三段过电流保护作为后备保护，共同构成一套适用于分布式电源接入的配电网保护方法。
线路上的出线开关、分段开关、负荷开关及其它开关将配电网线路划分成多个区域，状态量差动保护将某一区域作为保护对象。状态量差动保护包含有两个状态量特征：1)过流状态S；2)故障位置DS。区域内故障和区域外故障时，区域边界开关检测到的状态量是存在差异的，据此作为所有开关是否动作的判据。在状态量差动保护逻辑中增加非低压状态量无效的判断，在保证保护对DG适应性的同时能够确保定值整定的简单性，定值仍可按照躲过最大负荷电流整定。
基于本地信息的电流速断保护(《电力系统继电保护原理》第四版，贺家李等编，中国电力出版社，2010年8月1日，第13-17页)，在出现严重故障时能够迅速断开供电电源与故障点之间的电气联系，能够对提出的状态量差动保护在时效性方面起到很好的补充。
过电流保护(《电力系统继电保护原理》第四版，贺家李等编，中国电力出版社，2010年8月1日，第20至23页)，在通信系统失效、电流速断保护拒动时起到后备保护的作用。
对大容量DG或旋转型DG，考虑到供电可靠性的问题，一般直接接到母线上，并在母线上游端加装开关；但如果大容量DG或旋转型DG没有接到母线上而是T接到线路上，必须在DG侧配置状态量差动保护装置。小容量的逆变型分布式电源T接到线路上可以不配置状态量差动保护装置。
保护方法有两种实现方案:1)区域集中式的实现方案和2)智能分布式的实现方案。分布式的实现方案更能满足“即插即用”的要求。
状态量差动不仅仅可以应用到三相短路和两相短路故障的保护中，而且能够应用到单项接地故障的保护中，包括中性点不接地、中性点经小电阻接地以及中性点有效接地3种系统，其差别在于对状态量的定义。
Claims (8)
1.一种含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，包括以下步骤：
一、对于分布式电源(DG)连接到母线和/或分布式电源(DG)T接到线路上的6-35kV的中压配电网，线路保护终端判定与其连接的节点的边界开关的状态量特征，经通信网络与配电网内边界开关的线路保护终端共享；所述状态量特征为过流和故障位置，所述过流为电流幅值超过整定值，故障位置为在保护区域内或保护区域外；
二、线路保护终端检查本保护区域所有边界开关的状态量特征；有边界节点处于过流状态；
三、线路保护终端检查保护区域所有边界节点的状态量特征，检测到故障位置在保护区域内；
四、保护区域边界开关没有闭锁保护信号，保护动作出口；
所述边界开关的线路保护终端将所有保护动作的信息通过面向通用对象的变电站事件(GOOSE)发布和订阅机制，在被保护的配电网内共享，每个边界开关的线路保护终端只订阅其周边边界开关的状态量特征信息；
或所述配电网内设有与各线路保护终端通信联网的区域保护主站，各线路保护终端将与其连接的边界开关的状态量特征，发送到区域保护主站，区域保护主站将保护动作出口的指令发送到该区域边界开关的线路保护终端。
2.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，其特征在于：所述区域边界开关的保护装置独立投退。
3.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，其特征在于：所述步骤一线路保护终端检测到与其连接的边界节点的电压互感器(PT)断线，生成电压互感器(PT)断线告警信号，将电压互感器(PT)断线告警信号发送到该保护区域的其它边界开关的线路保护终端，闭锁状态量差动保护。
4.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，其特征在于：所述步骤二过流状态下节点的电压不低于设定的参数值，进行过流状态重置，所述设定的参数值为0.5-0.8倍额定电压(UN)。
5.根据权利要求4所述的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，其特征在于：所述节点电压设定的参数值为0.7倍额定电压(UN)。
6.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，其特征在于：所述步骤二没有过流，结束判断。
7.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，其特征在于：所述步骤三线路保护终端检查保护区域所有边界节点的状态量特征，检测到故障方向指向保护区域外，结束判断。
8.根据权利要求1所述的含分布式电源配电网的状态量差动保护方法，其特征在于：所述分布式电源(DG)接到母线上，在母线上游加装开关；分布式电源(DG)T接到线路上，在分布式电源(DG)侧配置状态量差动保护装置。
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