CN105140894A - 一种基于相位差原理的配电网差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于相位差原理的配电网差动保护方法，采集各个负荷开关处的电流和电压信号；计算相邻两个负荷开关对应的电流的相位差；其中，相邻两个负荷开关中，至少有一个为满足ΔI_φmax＞n·ΔI_T+ΔI_dz的负荷开关；如果某相邻两个负荷开关对应的电流的相位差大于一设定阈值，那么，该相邻的两个负荷开关之间的区段为故障区段，跳开该相邻的两个负荷开关。该方法只需计算相邻的负载开关处的电流的相位差，根据相位差满足的条件实现故障的判定，该方法对于数据的同步要求低，根据采集到的信息即可进行故障判定，整个判定过程所需的时间很短，保护动作速度快，解决了配电网现有继电保护方法中出现的速动性差的问题。

Description

一种基于相位差原理的配电网差动保护方法

技术领域

本发明涉及一种基于相位差原理的配电网差动保护方法，属于配电网差动保护技术领域。

背景技术

长期以来，我国中低压配电网的建设远远滞后于高压输电系统，存在网架结构薄弱，自动化水平偏低等问题。随着越来越多分布式光伏电源接入配电网，势必会对配电网现有继电保护与自动化产生深刻的影响，亟待进一步改进配电网继电保护新原理，提升继电保护性能。

目前，配电网配置了主动防御型的电流保护和被动型的主站式配电自动化自愈控制系统，来确保配电网故障隔离和恢复，但存在诸多问题。传统配电网主动防御型电流保护一般通过时间配合来保证动作的选择性。当保护级数过多时(如3级)，将导致最后一级(变电站出口断路器)保护动作时间过长(大于1s)，持续存在的短路电流以及由此引发的电压骤降，将威胁到配电网设备安全以及电压质量敏感负荷的正常运行。

传统的主站式配电自动化自愈控制系统侧重于对开关、继电保护装置等的协调控制，在保护装置切除故障后，通过预设的策略进行自愈。由于是在配电网传统继电保护动作后的被动型自愈控制，不但继承了传统过流保护动作时间长的特性，还存在“离线策略，实时控制”准确度差和时间长的问题，最终导致配电网自愈过程时间更长，不利于保证配电网的供电质量。

配电网广域层大数据交互是配电网保护新技术发展方向之一。传统的电力通信系统从技术体制、传送能力、带宽、实时性等方面无法满足配电网保护新技术应用的需要，制约了保护新原理的发展。SDH技术是在电力系统应用最为广泛的的通信传输技术，是基于时隙交换的技术，每个业务占用固定的时隙带宽，即便信道上没有业务传送，该带宽也并不会释放，带宽利用率较低，组网灵活性不够，无法实现广域范围内大容量、高实时性数据交换。

目前，国内一些学者和设备制造商提出了配电网差动保护和自愈方案，在一定程度上解决了配电网保护选择性差、动作时间长、自愈效率低的问题。

如授权号为CN1167176，发明创造名称为“配电网继电保护与故障定位系统”的发明专利，公开了一种配电网的继电保护和故障定位技术。该发明通过检测和比较所有流过被保护配电设备的故障分量电流极性的异同，判断该设备是否发生故障；再利用通信手段连接同一个被保护设备的所有继电器，实现所有配电线路、配电母线和配电变压器的继电保护；再利用通信手段把这些电流极性信息传送给调度中心，工作人员可以很快发现故障位置，从而实现快速故障定位。该发明专利存在以下3点局限性：1)该发明专利受限于当时的配电网技术条件，采用本世纪初的老式常规继电器对电流的正负极性进行比较，需要配置大量的老式常规继电器，已经无法适应当今配电网技术的发展，不再适用于智能配电网建设；2)该发明专利通过相邻元件处的极性比较继电器互相对比极性是否同为正或同为负判断故障区间，由相邻元件的继电器互相组合构成了大量的区段保护，保护功能需要大量的继电器配合才能实现，任何一个极性比较继电器判断错误或故障，都会导致保护误动或拒动，降低了继电保护的四性；3)该发明专利需要在相邻元件间搭建专用通信通道，用于互相比较电流的正负极性，费用高且通信速率慢。

再如申请号为201410114922.5，发明创造名称为“花瓣型配电网保护控制系统”的发明专利申请，公开了一种花瓣型配电网保护控制系统，该控制系统包括主站层、区域层、间隔层；主站层包括自动化主站，区域层包括区域控制主站及集中式保护终端，区域控制主站设置于变电站中，集中式保护终端设置于配电房，间隔层包括集中式保护终端及纵联保护装置，集中式保护终端用于保护配电房内除进出线之外的所有间隔，纵联保护装置用于保护配电房间的进出线和联络线；区域控制主站与集中式保护终端及纵联保护装置连接；区域控制主站用于接收实时信息。该发明专利存在以下3点局限性：1)该发明中集中式保护终端配置了纵联差动保护，需要在相邻元件间搭建专用的光纤通道，由于配电网元件节点众多，将导致通信网络投资大幅增加，不利于推广；2)该发明中集中式保护终端通过比较电流幅值差值判断故障区间，对相邻元件间的数据同步要求高，同步精度误差一般不允许超过1us，一旦同步精度不够将导致误动，同时将增加相邻节点间同步系统投资，降低经济性；3)该发明专利集中式保护终端将动作信息传送给区域控制主站，由区域控制主站完成故障后自愈，导致实现配电网自愈功能的环节过多，自愈时间长。

综上，现有的配电网差动保护和故障后自愈的技术方案存在滞后于配电网技术发展、相邻元件专用光纤通道投资大、高度依赖数据同步、自愈实现环节过多等问题。针对配电网快速故障隔离和自愈，探索一种造价低、原理可靠并且动作速度快的差动保护和故障后自愈实现方法迫在眉睫。

随着通信技术、数字化技术、网络控制技术、配电网终端的数据处理能力与智能化水平不断提高，推动配电网继电保护系统结构和形态均发生了革命性变化，促进多方位、多层次地将继电保护、自愈控制系统等有机地结合在一起，通过同层次的功能整合、多层次的信息交互，获取广域配电网的运行信息，协调保护与控制的配合关系，并对保护判据、控制策略进行分析和评估，并做出全局的优化，以改善现有保护的性能，优化控制策略。

通信技术是实现配电网保护技术革新与突破的重要基础。PTN技术支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通，具有适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力，提供了更加适合于IP业务特性的“柔性”传输管道，可以实现传输级别的业务保护和恢复。因此，PTN高速数据网技术更适用于大数据量信息交互，为实现基于相位差原理的主动型配电网广域差动保护控制系统提供重要保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相位差原理的配电网差动保护方法，用以解决传统的配电网差动保护存在着诸多弊端的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种基于相位差原理的配电网差动保护方法，包括以下步骤：

1)、采集各个负荷开关处的电流和电压信号；

2)、计算相邻两个负荷开关对应的电流的相位差；其中，所述相邻两个负荷开关中，至少有一个为满足ΔI_φmax＞n·ΔI_T+ΔI_dz的负荷开关；ΔI_φmax为对应负荷开关处的三个相电流突变量中的最大值，n为一设定的比例值，ΔI_dz为电流突变量启动定值，ΔI_T为门槛值；

3)、如果某相邻两个负荷开关对应的电流的相位差大于一设定阈值，那么，该相邻的两个负荷开关之间的区段为故障区段，跳开该相邻的两个负荷开关。

所述各个负荷开关处均配设有馈线智能终端，所述馈线智能终端采集对应负荷开关处的电流和电压信号并输出给控制系统，控制系统进行数据的处理并作出保护的判定。

所述馈线智能终端将采集到的所述对应负荷开关处的电流和电压信号转换为光数字信号，通过高速光纤以太网输出给所述控制系统。

所述控制系统对数据的处理后产生相应的保护控制命令，并将该命令通过高速光纤以太网传输给各个馈线智能终端。

在所述步骤3)后，所述差动保护方法还包括如下步骤：延时一设定时间后，投入联络开关。

n为1.25。

本发明提供的基于相位差原理的配电网差动保护方法中，首先采集各个负荷开关处的电流和电压信号；计算相邻两个负荷开关对应的电流的相位差；其中，相邻两个负荷开关中，至少有一个为满足ΔI_φmax＞n·ΔI_T+ΔI_dz的负荷开关，如果某相邻两个负荷开关对应的电流的相位差大于一设定阈值，那么，该相邻的两个负荷开关之间的区段为故障区段，进行保护动作。该方法只需计算相邻的负载开关处的电流的相位差，根据相位差满足的条件实现故障的判定，该方法对于数据的同步要求低，根据采集到的信息即可进行故障判定，整个判定过程所需的时间很短，保护动作速度快，解决了配电网现有继电保护方法中出现的速动性差的问题。

而且，该差动方法能够确定故障产生的区段，精确度高，只针对故障区段进行跳闸保护，其他的正常区段不进行跳闸，保障了其他无故障区段的正常供电运行，提高了配电网的可靠性。

附图说明

图1是配电网广域差动保护控制系统技术框架示意图；

图2是开环运行的闭环配电网F点发生故障示意图；

图3是开环运行的闭环配电网F点发生故障后快速自愈示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，每个负荷开关处均配设有一个馈线智能终端，其中，智能终端通过互感器采集负荷开关处的电流和电压信号，而且，智能终端通过断路器进行保护动作的实现。配电网广域差动保护控制系统由一台硬件和软件模块高度集成的装置构成，而且配电网广域差动保护控制系统设有千兆光以太网口，每个智能终端通过高速光纤以太网均连接差动保护控制系统的千兆光以太网口。该配电网中的所有馈线智能终端通过高速光纤以太网和控制系统上的千兆光口实现数据信息的交互，其中，高速光纤以太网同时具备千兆光口和百兆光口。

本发明提供的基于相位差原理的配电网差动保护方法的步骤如下：

(1)配电网内各负荷开关处的馈线智能终端采集对应负荷开关处的电流和电压开关量模拟量信号，由模拟量/数字量转换插件转换为内部数字信号，再由通讯转换插件转换为光数字信号，最后通过百兆光以太网口输出光数字信号；

(2)各负荷开关处的馈线智能终端通过高速光纤以太网将数据传递给配电网广域差动保护控制系统。各负荷开关处的馈线智能终端按照“分区、分级、就近接入”的原则接入高速光纤以太网，将数据传递给配电网广域差动保护控制系统；

(3)配电网广域差动保护控制系统获取配电网中各负荷开关的电流和电压信号。首先，配电网广域差动保护控制系统保护逻辑模块配置相电流突变量启动元件，其动作方程为：

ΔI_φmax＞1.25ΔI_T+ΔI_dz，

其中：ΔI_φmax为每个负荷开关处的三个相电流突变量中的最大值，ΔI_dz为电流突变量启动定值；ΔI_T为浮动门槛，随着变化量输出增大而逐步提高，本实施例取1.25倍可保证门槛电流始终高于不平衡输出；

通过实时检测负荷开关处的各相电流采样瞬时值的变化情况，来判断是否发生故障。如果有负荷开关处的电流满足上述方程，那么，配电网广域差动保护控制系统保护逻辑模块采用基于相位差原理的分相差动算法，计算相邻两个负荷开关处的对应电流的相位差。在计算相位差时，要指定一个电压为基准，而且要指定一个方向，比如：以某变电站出口断路器电压为基准，指向负荷开关为正方向，计算配电网内相邻两个负荷开关对应的电流的相位差，其中，相邻两个负荷开关中，至少有一个为满足上述方程的负荷开关。如果某一个相位差大于相位差定值，那么，判定该相位差对应的两个负荷开关之间的区段为故障区段，可以使用下述动作方程表示：

|Δθ|＞θ_set

其中：Δθ为相邻负荷开关处的电流相位差，θ_set为相位差设定值；

计算结果满足动作条件后，配电网差动保护控制系统保护动作，跳开故障区段两侧的负荷开关。配电网广域差动保护控制系统将保护跳闸控制命令通过高速光纤以太网发送到馈线智能终端，实现隔离区段的开关跳闸动作；然后，延时一定时间后，快速投入联络开关，恢复非故障区域供电，实现快速自愈。

配电网广域差动保护控制系统实现基于相位差原理的主保护和自愈控制功能融合，传统的变电站出口断路器过流主保护改为配电网后备保护，各馈线智能终端不配置就地保护。

该差动保护方法中，采用高实时性、高带宽、高可靠的高速光纤以太网进行数据交互，以满足继电保护动作特性的要求。高速光纤以太网采用PTN技术，为实现基于相位差原理的主动型配电网广域差动保护控制系统提供重要支撑。PTN技术作为新一代数据传送技术，具备可靠性、高效性、冗余性、容错性、可管理性、适应性、低延时性等特性，满足承载广域配电网大容量数据交互的需要。

以下给出一个具体应用实例：

如图2所示，配电网采用开环运行的环网，开关Q5是联络开关。以变电站1出口断路器电压为基准，指向负荷开关为正方向。在F点发生故障时，QF1、Q1、Q2同时流过短路电流，Q3～Q7没有流过短路电流。配电网广域差动保护控制系统根据智能终端传输的对应负荷开关处的电流和电压信息进行处理，得到QF1、Q1、Q2的相电流突变量元件开放，然后，计算QF1与Q1处电流相位角度差、Q1与Q2处电流相位角度差、Q2与Q3处电流相位角度差。QF1、Q1、Q2处电流相位全部相同，Q3处无故障电流，电流角度为0。QF1与Q1处电流相位角度差接近0，无故障；Q1与Q2处电流相位角度差接近0，无故障；Q2处有故障，其电流角度有一定值，Q3处无故障电流，Q3处电流角度为0，则计算得到的Q2处与Q3处电流相位角度差大于相位差定值，判定Q2和Q3之间的区段为故障区间。配电网广域差动保护控制系统发出控制指令，跳开Q2与Q3开关，切除故障区间。

配电网广域差动保护控制系统在控制切除故障区间Q2与Q3后，经延时将联络开关Q5投入，恢复非故障区段供电，如图3所示。

上述n取1.25，当然，其并不局限于1.25，可以根据具体情况设置。

上述实施例中，给出了一种具体的信息传输的方式，作为其他实施例，其并不局限于上述信息传输方式，比如说，采用一般的数据传输线路进行信息传输。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。另外，说明书中未详细说明的部分属于本领域技术人员公知的常规技术。

Claims (6)

1.一种基于相位差原理的配电网差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、采集各个负荷开关处的电流和电压信号；

2)、计算相邻两个负荷开关对应的电流的相位差；其中，所述相邻两个负荷开关中，至少有一个为满足ΔI_φmax＞n·ΔI_T+ΔI_dz的负荷开关；ΔI_φmax为对应负荷开关处的三个相电流突变量中的最大值，n为一设定的比例值，ΔI_dz为电流突变量启动定值，ΔI_T为门槛值；

3)、如果某相邻两个负荷开关对应的电流的相位差大于一设定阈值，那么，该相邻的两个负荷开关之间的区段为故障区段，跳开该相邻的两个负荷开关。

2.根据权利要求1所述的基于相位差原理的配电网差动保护方法，其特征在于，所述各个负荷开关处均配设有馈线智能终端，所述馈线智能终端采集对应负荷开关处的电流和电压信号并输出给控制系统，控制系统进行数据的处理并作出保护的判定。

3.根据权利要求2所述的基于相位差原理的配电网差动保护方法，其特征在于，所述馈线智能终端将采集到的所述对应负荷开关处的电流和电压信号转换为光数字信号，通过高速光纤以太网输出给所述控制系统。

4.根据权利要求2所述的基于相位差原理的配电网差动保护方法，其特征在于，所述控制系统对数据的处理后产生相应的保护控制命令，并将该命令通过高速光纤以太网传输给各个馈线智能终端。

5.根据权利要求1所述的基于相位差原理的配电网差动保护方法，其特征在于，在所述步骤3)后，所述差动保护方法还包括如下步骤：延时一设定时间后，投入联络开关。

6.根据权利要求1所述的基于相位差原理的配电网差动保护方法，其特征在于，n为1.25。