CN105281435B - 面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统及工作方法，包括：安装于智能配电网各测量点处的智能配电终端以及设置于变电站的管理维护工作站；所述智能配电终端之间进行对等通信，智能配电终端与管理维护工作站之间进行主从式通信；本发明有益效果：本发明通过智能配电终端与智能配电终端之间以及智能配电终端与管理维护工作站之间的通信，能够实现管理维护工作站对遥测、遥信、遥控以及智能终端的管理功能；智能配电终端能够根据当前网络拓扑结构与相邻智能配电终端对等交互故障信息，实现对故障区域的准确有效隔离，满足智能配电网对故障检测与隔离的快速性、灵活性和可靠性要求。

Description

面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统及工作方法

技术领域

本发明属于智能配电网故障检测与隔离技术领域，特别涉及一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统及工作方法。

背景技术

智能配电网集成了配电技术、传感和测控技术，以安全快速的计算机通信技术为基础，允许接入大量分布式电源DG(Distributed Generation)并为用户提供选时用电的高质量电能，能够快速、灵活、可靠的对配电网故障并进行检测和隔离。

智能配电网与传统配电网的重要区别是智能配电网具有自愈功能，是指智能配电网通过自我预防、自我恢复为用户提供不间断供电。故障会给电网的安全可靠供电带来极大威胁，故障自愈是智能配电网自愈功能中的重要组成部分，也是检验自愈功能的重要指标之一。要实现故障自愈，首先要确保故障发生后，能够快速的检测故障所在位置并对故障进行可靠隔离。

传统配电网中大多采用断路器与各类重合器(电压型重合器或电流型重合器)配合动作完成故障隔离，这种故障检测与隔离方案成本较低，便于实施，但故障隔离时间较长，通常为数十秒甚至到几分钟，无法达到自愈对故障隔离快速性的要求，且在故障检测与隔离期间，断路器需要进行多次分合闸操作，故障线路上的非故障区域也会经历一定的停电时间。此外还有借助配网自动化系统完成故障的检测和隔离，该方案需要借助通信系统实施，成本较高，虽然能够减少断路器的操作次数，但所需的时间仍然较长，最快也需要数秒钟，仍难以满足自愈对故障隔离快速性的要求。且该类方案对自动化系统的主站依赖性较大，一旦主站系统故障或通信系统不可靠，会导致故障隔离时间延长、停电区域扩大等严重后果。

随着分布式发电技术的发展，越来越多的分布式电源(DG)接入配电网或构成微网后接入配电网并网运行，这将导致配电网的分支数量进一步增加，网络结构更加复杂，因此会增大故障发生概率。分布式电源的接入使得配电网有传统的辐射型网络变为多端电源网络，不仅网络结构和性质发生了改变，由于DG的存在使得故障发生后电气量变化规律更加复杂，这给配电网的故障检测和隔离带来更大的挑战。因此，结合当前智能配电网的特点和故障自愈功能的要求，建立一种新型的故障检测与隔离系统具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为满足智能配电网对故障检测与隔离的快速性、灵活性和可靠性要求，提供一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统及工作方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统，包括：安装于智能配电网各测量点处的智能配电终端以及设置于变电站的管理维护工作站；所述智能配电终端之间进行对等通信，管理维护工作站与智能配电终端之间进行主从式通信；

在每个智能配电终端配置安装点处的局部拓扑信息，智能配电终端自动与相邻智能配电终端交互网络拓扑信息，以获取局部或者全网的拓扑信息；

智能配电终端采集安装位置处的电气量与开关位置状态信息，通过网络上传至变电站的管理维护工作站。

系统发生故障时，智能配电终端根据采集到的安装位置处的电气量进行故障电流、故障方向、短路阻抗参数的计算，并与相邻智能配电终端进行对等通信交互各自的故障判断结果，判断故障所在位置。

智能配电终端根据网络当前拓扑结构和故障区域内开关类型，操作相应位置的断路器和分段开关动作，完成故障的隔离。

所述管理维护工作站接收智能配电终端上传的数据，分别实现遥测、遥信、遥控以及智能配电终端管理的功能。

所述对等通信和主从通信的通信网络采用光纤以太网通信网络。

一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)智能配电终端初始化操作；包括：通信参数初始化、网络拓扑参数初始化以及电网参数和保护定值初始化；

(2)智能配电终端网络拓扑结构自动辨识；智能配电终端基于初始化时存储的开关编号和相邻支路信息，查找相邻节点，即相邻智能配电终端的安装处；通过依次查找其他支路和节点，直至获得局部或者整条馈线的网络拓扑结构；

(3)系统处于正常运行状态时，各智能配电终端负责采集安装位置处的电压、电流、功率、频率模拟量信息和所在位置开关的位置状态信息，并将信息按照设定时间周期上传给管理维护工作站进行显示；

(4)系统发生故障时，智能配电终端由正常运行状态转入故障判断状态，智能配电终端首先计算安装位置处的故障电流、故障方向和短路阻抗故障信息，然后通过与相邻智能配电终端对等交互上述故障信息，判断出故障是否位于保护区内；

(5)根据故障位置，进行相应的故障隔离。

所述步骤(2)中，每个智能配电终端在进行网络拓扑结构自动识别时，根据不同功能的需要可获取相邻多级线路、整条馈线甚至全网的拓扑信息；

如果发生开关变位或出现支路的增、减情况，由相应开关对应的智能配电终端发出网络拓扑更新信息，相邻智能配电终端接收该信息并更新相应的网络拓扑结构。

所述步骤(3)中，如果需要远程遥控某个开关，通过管理维护工作站下发遥控命令，遥控命令经过光纤以太网下发至对应的智能配电终端，由智能配电终端操作相应断路器，完成遥控命令。

所述步骤(4)中，智能配电终端首先基于安装位置处的电压和电流信息，计算故障电流、故障方向和短路阻抗故障信息，然后根据当前网络拓扑结构与相邻智能配电终端对等交互上述故障信息，每个智能配电终端基于自身计算得到的故障信息和相邻测量点的故障信息，判断出故障是否位于保护区内。

所述步骤(5)中，如果故障位于保护区内，根据故障区域内开关是否具有切除短路电流的能力，做出故障隔离策略，如果故障区域内开关能够切除短路电流，直接跳闸完成故障隔离，否则跳开离故障区域最近的断路器切断故障电流，然后快速跳开故障区域内的负荷开关，最后重合断路器恢复对非故障停电区域的供电；

如果故障不在保护区域内，智能配电终端不会操作对应的开关立即跳闸，但会启动后备保护功能，防止由于操作电源故障或断路器失灵原因导致故障无法隔离。

本发明的有益效果是：

本发明通过管理维护工作站与智能配电终端之间的主从式通信，能够实现管理维护工作站对智能配电网的遥测、遥信、遥控以及智能终端的管理功能；通过智能配电终端之间的对等通信，能够实时确定当前网络拓扑结构，并当故障发生时，基于对等通信的工作方式比较故障区域内智能配电终端的故障判断信息，从而实现快速、可靠的故障位置检测及有效的故障隔离，满足智能配电网对故障检测与隔离的快速性、灵活性和可靠性要求。

附图说明

图1是本发明面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统结构示意图；

图2是智能配电网示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：

本发明公开了一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统，如图1所示，包括：

(1)安装于智能配电网各测量点处的智能配电终端；

(2)基于光纤以太网的快速通信网络；

(3)位于变电站的管理维护工作站(或称为主站系统)。

智能终端分散安装在智能配电网的各测量点处。一般情况下配电网的测量点都位于开关处，包括断路器和分段开关，所以智能终端安装位置与开关位置是一一对应的。智能配电终端的功能如下：

(1)电网拓扑自动识别。每个智能配电终端只需配置安装点处的局部拓扑信息，包括安装位置的节点名称和节点两侧的支路名称，当智能配电终端上电投入运行后，自动与相邻智能配电终端交互网络拓扑信息，可以获取局部甚至全网的拓扑信息；

(2)基于光纤以太网的智能配电终端之间的对等(Peer to Peer)通信功能和智能配电终端与主站系统间的主从式通信功能。其中智能配电终端之间的对等通信功能用于相互之间交互故障判断信息，完成快速可靠的故障检测功能，通信延时不超过10ms，可以采用自定义的SV/GOOSE Over UDP的通信方式。智能配电终端与主站系统间的主从式通信功能主要完成常规的管理和维护功能，例如智能终端参数管理，定值的远方整定，测量点参数的上传，遥控功能的实现等，可以采用常规的TCP/IP通信方式；

(3)采集安装位置处的电气量与开关位置状态信息，正常情况下测量安装点处的电压、电流、功率、频率、开关位置状态等信息，借助光纤以太网将测量信息上传至配网自动化系统完成监控功能；

(4)当系统发生故障时，智能配电终端基于安装位置处的电气量进行故障电流、故障方向、短路阻抗等参数的计算，与相邻智能配电终端进行对等通信交互各自的故障判断结果，判断故障所在位置；

(5)结合网络当前拓扑结构和故障区域内开关类型的不同，做出合理的故障隔离方案，并操作相应位置的断路器和分段开关，完成故障的快速、可靠隔离。

通信网络采用光纤以太网(EPON)，能够提供对等通信和主从式通信等两种不同的通信服务功能。

(1)对等通用于在各智能配电终端之间交互故障判断信息，交互的信息类型包括以SV(模拟量采样值)形式表示的电压、电流同步采样值信息，以GOOSE(面向通用对象的变电站事件)形式表示的开关量信息以及其他形式的故障判断信息等，信要求有足够的快速性(通信延时不超过10ms)和足够高的通信可靠性，因此可以采用SV/GOOSE Over UDP的通信机制，充分利用UDP协议的快速性，可靠性可以通过不等间隔延时重发的方式来保证；

(2)主从式通信用于在智能配电终端和主站系统之间交互遥测、遥信和遥控信息，对快速性和可靠性要求较对等通信而言稍低，可以采用常规的TCP/IP通信方式。

位于变电站的管理维护工作站即主站系统，主要完成变电站的远程监视和控制功能，具体包括：

(1)遥测功能。借助光纤以太网获取各智能配电终端上传的电压、电流、功率、频率等测量信息，并在主站系统的监控界面上显示；

(2)遥信功能。借助光纤以太网和智能配电终端，获取各开关的位置状态信息，并在主站系统的监控界面上显示；

(3)遥控功能。在主站系统下发开关操作命令，该操作命令通过光纤以太网下发至对应的智能配电终端，由配电终端控制开关完成跳闸或合闸操作；

(4)智能终端管理功能。主站系统管理配电终端的各项参数，进行配电终端的初始化操作，管理智能配电终端的保护定值并进行定值的远方整定和修改。

需要说明的是，主站系统只完成常规的遥测、遥信、遥控和数据管理功能，就故障检测和隔离功能而言，完全由智能配电终端以对等通信的方式完成，无需主站系统的参与。

一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统，其工作方法如下：

(1)智能配电终端初始化操作。

在智能配电终端投入到现场运行之前，需要对其参数进行初始化设置，主要包括：

通信参数初始化，设置通信节点名称，通信地址参数等；

网络拓扑参数初始化，设置所在位置处开关编号和相邻支路编号；

电网参数和保护定值初始化，设置对应的电网参数及合理的保护动作定值；

(2)智能配电终端网络拓扑结构自动辨识。

当智能配电终端初始化完毕上电运行时，首先要进行网络拓扑结构的自动辨识。智能配电终端基于初始化时存储的开关编号和相邻支路信息，借助通信网络依靠支路编号信息查找相邻节点，即相邻智能配电终端的安装处，然后可以依次查找其他支路和节点，直至获得局部甚至整条馈线的网络拓扑结构。

理论上智能配电终端可以获得整个网络的拓扑结构信息，但受智能配电终端存储容量和数据处理能力的限制，每个智能配电终端不适合存储过多的网络拓扑信息。此外，故障检测和隔离功能的特点也决定了每个智能配电终端无需获取全网拓扑结构信息，只需获取局部网络拓扑信息即可，因为故障的影响范围是有限的，完成故障检测和隔离功能所需的信息范围也是有限的。

因此每个智能配电终端在进行网络拓扑结构自动识别时，只需获取相邻两级线路的拓扑信息即可，这样既减少了拓扑识别和拓扑信息维护的工作量，也能够满足故障检测和隔离的功能要求。如果其他功能要求获得更多网络拓扑信息，智能配电终端可以扩大网络拓扑信息识别的范围，直至满足相关功能的要求。

如果发生开关变位或出现支路的增、减等情况，由相应开关对应的智能配电终端发出网络拓扑更新信息，相邻智能配电终端接收该信息并更新相应的网络拓扑结构。

(3)系统处于正常运行状态下的功能。当系统处于正常运行状态时，各智能终端负责采集安装位置处的电压、电流、功率、频率等模拟量信息和所在位置开关的位置状态信息，通过光纤以太网将信息按照一定的时间周期(一般为3-10秒)上传给主站系统，主站系统接收信息并进行显示。如果需要远程遥控某个开关，通过主站的人机交互系统下发遥控命令，遥控命令经过光纤以太网下发至对应的智能配电终端，由智能配电终端操作相应断路器，完成遥控命令。

(4)系统发生故障时的功能。当系统发生故障时，感受到电气量变化的智能终端由正常运行状态转入故障判断状态，首先基于安装位置处的电压和电流信息，计算故障电流、故障方向和短路阻抗等故障信息，然后根据当前网络拓扑结构与相邻智能配电终端对等交互上述故障信息，每个智能配电终端基于自身计算得到的故障信息和相邻测量点的故障信息，能够快速可靠判断出故障是否位于保护区内。

如果某智能配电终端判断有故障电流，且能够判断出故障电流方向，则获取故障电流所指方向处的相邻智能配电终端的故障信息，如果相邻智能配电终端均判断不存在故障电流，或虽然存在故障电流但故障方向相反，就可以判断故障位于该智能配电终端的保护区内；如果相邻智能配电终端中有任意一个判断存在故障电流且电流方向与该智能配电终端判断的电流方向相同，说明故障不在该智能配电终端的保护区内。

如果故障位于保护区内，根据故障区域内开关是否具有切除短路电流的能力，做出故障隔离策略，如果故障区域内开关能够切除短路电流，可以直接跳闸完成故障隔离，否则跳开离故障区域最近的断路器切断故障电流，然后快速跳开故障区域内的负荷开关，最后重合断路器恢复对非故障停电区域的供电。如果故障不在保护区域内，智能配电终端不会操作对应的开关立即跳闸，但会启动后备保护功能，防止由于操作电源故障或断路器失灵等原因导致故障无法隔离。

下面以图2所示的智能配电网为例，说明分布式故障检测与隔离系统的工作流程。

设图2中所有开关均为具有切断短路电流能力的断路器，S8为联络开关，正常情况下处于断开状态，故障位于L4上的F1处。S为断路器，智能配电终端的安装位置与断路器位置一致，二者采用相同的名称表示。L表示配电线路，DG表示分布式电源。

当智能配电终端上电运行后，各配电终端进行网络拓扑结构自动识别。以智能配电终端S4为例，对应的开关为断路器S4，相连的线路为L2和L4，而线路L2另一侧的开关是断路器S2，对应着智能配电终端S2,；同理L4另一侧是断路器S5、S6、S7，对应着智能配电终端也是S5、S6、S7。这样智能配电终端S4就获得了上游和下游网络拓扑结构信息，为执行分布式的故障检测和隔离策略做好了准备。

正常情况下，智能配电终端S4采集安装位置处的电压信息和流过断路器S4的电流信息，同时监视断路器S4的位置状态，将采集到的信息上传至主站系统。当主站系统下发遥控命令操作断路器S4时，智能配电终端S4经过反复校核确认遥控命令的有效性，然后控制断路器S4动作，完成遥控功能。

当L4的F1点处发生相间短路故障时，S1、S2、S3、S4、S7等会感受到故障电流而启动，进入故障判断程序。以S4为例，S4会感受到故障电流，且电流方向从S4指向线路L4，意味着故障位于S4的下游(系统电源侧为上游，负荷、DG和联络开关侧为下游)，此时S4与相邻的下游智能配电终端S5、S6和S7交互故障信息，S5、S6处没有故障电流，因此故障不在L5、L6及下游线路上，S7一般情况下会感受到由线路L7指向开关S7的故障电流，如果DG2的容量较小或不具备低电压穿越功能，可能也会感受不到故障电流，无论是哪种情况，都不会感受到由开关S4指向线路L7的短路电流，那么也意味着故障不在线L7上。S4通过获取并比较相邻智能配电终端的故障信息，就能够确定故障位于线路L4上。

判断出故障位置后，就要进行故障隔离。根据开关类型的不同以及是否需要联络开关恢复供电，可分为以下几种情况：

(1)如果各开关均为断路器，能够直接切断故障电流，那么当故障位于线路L4上时，可直接跳开S4、S5、S6和S7，达到彻底隔离故障的目的。这种故障隔离方式允许联络开关闭合恢复对非故障线路L5、L6和L7的供电；

(2)如果各开关均为断路器，但不要求联络开关闭合恢复对非故障线路的供电时，可以只跳开开关S4和S7，就能达到隔离故障的目的；

(3)如果只有出线开关S1、DG并网开关S3和S7为断路器，而其它开关为负荷开关时，当L4发生故障后，首先跳开断路器S1和S7切断故障电流，然后跳开S4、S5和S6处的负荷开关，达到彻底隔离故障的目的。然后闭合断路器S1和联络开关S8，恢复对非故障线路的供电。如果不需要联络开关闭合恢复供电，那么只需跳开负荷开关S4，然后闭合断路器S1，恢复对非故障线路L1、L2和L3的供电。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统，其特征是，包括：安装于智能配电网各测量点处的智能配电终端以及设置于变电站的管理维护工作站；所述智能配电终端之间进行对等通信，智能配电终端与管理维护工作站之间进行主从式通信；在每个智能配电终端配置安装点处的局部拓扑信息，智能配电终端自动与相邻智能配电终端交互网络拓扑信息，以获取局部或者全网的拓扑信息；

智能配电终端采集安装位置处的电气量与开关位置状态信息，通过网络上传至变电站的管理维护工作站；

系统发生故障时，智能配电终端根据采集到的安装位置处的电气量进行故障电流、故障方向、短路阻抗参数的计算，并与相邻智能配电终端进行对等通信交互各自的故障判断结果，判断故障所在位置；

智能配电终端根据网络当前拓扑结构和故障区域内开关类型，操作相应位置的断路器和分段开关动作，完成故障的隔离。

2.如权利要求1 所述的一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统，其特征是，所述管理维护工作站接收智能配电终端上传的数据，分别实现遥测、遥信、遥控以及智能配电终端管理的功能。

3.如权利要求1 所述的一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统，其特征是，所述对等通信和主从通信的通信网络采用光纤以太网通信网络。

4.一种如权利要求1-3 所述的任一面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

(1) 智能配电终端初始化操作；包括：通信参数初始化、网络拓扑参数初始化以及电网参数和保护定值初始化；

(2) 智能配电终端网络拓扑结构自动辨识；智能配电终端基于初始化时存储的开关编号和相邻支路信息，查找相邻节点，即相邻智能配电终端的安装处；通过依次查找其他支路和节点，直至获得局部或者整条馈线的网络拓扑结构；

(3) 系统处于正常运行状态时，各智能配电终端负责采集安装位置处的电压、电流、功率、频率模拟量信息和所在位置开关的位置状态信息，并将信息按照设定周期上传给管理维护工作站进行显示；

(4) 系统发生故障时，智能配电终端由正常运行状态转入故障判断状态，智能配电终端首先计算安装位置处的故障电流、故障方向和短路阻抗故障信息，然后通过与相邻智能配电终端对等交互上述故障信息，判断出故障是否位于保护区内；

(5) 根据故障位置，进行相应的故障隔离。

5.如权利要求4所述的一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统的工作方法，其特征是，所述步骤(2) 中，每个智能配电终端在进行网络拓扑结构自动识别时，获取相邻两级线路的拓扑信息；

如果发生开关变位或出现支路的增、减情况，由相应开关对应的智能配电终端发出网络拓扑更新信息，相邻智能配电终端接收该信息并更新相应的网络拓扑结构。

6.如权利要求4所述的一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统的工作方法，其特征是，所述步骤(3) 中，如果需要远程遥控某个开关，通过管理维护工作站下发遥控命令，遥控命令经过光纤以太网下发至对应的智能配电终端，由智能配电终端操作相应断路器，完成遥控命令。

7.如权利要求4 所述的一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统的工作方法，其特征是，所述步骤(4) 中，智能配电终端首先基于安装位置处的电压和电流信息，计算故障电流、故障方向和短路阻抗故障信息，然后根据当前网络拓扑结构与相邻智能配电终端对等交互上述故障信息，每个智能配电终端基于自身计算得到的故障信息和相邻测量点的故障信息，判断出故障是否位于保护区内。

8.如权利要求4所述的一种面向智能配电网的分布式故障检测与隔离系统的工作方法，其特征是，所述步骤(5) 中，如果故障位于保护区内，根据故障区域内开关是否具有切除短路电流的能力，做出故障隔离策略，如果故障区域内开关能够切除短路电流，直接跳闸完成故障隔离，否则跳开离故障区域最近的断路器切断故障电流，然后快速跳开故障区域内的负荷开关，最后重合断路器恢复对非故障停电区域的供电；如果故障不在保护区域内，智能配电终端不会操作对应的开关立即跳闸，但会启动后备保护功能，防止由于操作电源故障或断路器失灵原因导致故障无法隔离。