CN105356430B - 一种有源闭环配电网保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源闭环配电网保护系统及方法，具体包括：变电站出口线路依次连接各个节点，形成闭环环网，出线保护配置在变电站出口处，采用过流原理，作为整个环网的后备；各节点处设置有保护终端单元，各节点的所有连接线处均设有一个电流互感器。保护终端单元能实现多种保护功能。保护终端单元采集各节点的电流互感器采集的输入信号，根据其进行母线保护，并采用过流原理，对节点连接负荷的连接线进行负荷保护，根据相应连接线上电流互感器采集的输入信号和与通过该连接线连接的另一节点处的电流相角变化方向信号，进行线路纵联保护。本发明能够准确识别不同位置的配电网故障，并有效解决故障电流幅值过小的情况，准确判别故障。

Description

一种有源闭环配电网保护系统及方法

技术领域

本发明涉及一种有源闭环配电网保护系统及方法。

背景技术

我国现有城市配电网多采用多分段多联络的结构，运行方式通常采用闭环设计、开环运行。一般配置相对简单的保护装置，由配电自动化系统实现故障区段的隔离以及非故障区段的恢复供电。此种结构的特点是保护配置简单，一般只在线路出口处设置保护，因此故障时必须切除整条线路。由于故障隔离和故障后复电时的倒闸操作需要短时停电，因此限制了供电可靠性的继续提高。另外，开环运行方式无法满足分布式电源DG的友好接入。

配电网采用闭环运行方式，并配以适合配电网的保护方案，就可以最大限度的减小停电范围，从而提高供电可靠性，而且还能解决对于分布式电源DG大量并网的问题。

DG大量接入的有源配电网，与传统配电网有很大差别。不仅正常运行功率与故障电流具有双向流动的特点，而且随着运行方式的不同，短路电流的大小、流向和分布都会发生变化。传统的配电网保护方案无法满足新的要求。针对DG给现有配电网保护所带来的影响，目前已经提出了很多新型的保护方案。现有的保护方案大多只是提供一种能够判别出故障区段的保护原理，对配电网输电线路进行保护，而很少考虑到保护动作所造成的影响，很少从整体上考虑整个有源配电网保护系统的构建。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种有源闭环配电网保护系统及方法，本方法采用保护终端单元实现出线保护、线路保护、负荷保护和母线保护等功能，构建起适用于有源闭环配电网的整体保护方案，能够分别反应配电网不同位置的故障。在单端弱馈情况下，可以准确识别故障区段。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种有源闭环配电网保护系统，针对有源闭环配电网，在各个节点设置保护终端单元实现保护，包括出线保护单元、线路保护单元、负荷保护单元以及母线保护单元，其中：

所述出线保护单元配置在变电站出口处，采用过流保护原理，作为整个环网的后备；

所述线路保护单元，采用基于电流相角变化的纵联保护，用于识别故障区段，不需要根据配电网运行方式的改变而改变定值；

所述负荷保护单元，用于保护负荷分支线路，当检测到负荷线路故障时，切除线路；

所述母线保护单元，用于保护位于负荷保护以及线路保护的范围之外的负荷分支节点；

所述线路保护单元、负荷保护单元和母线保护单元共同组成保护终端单元；

所述负荷保护单元，用于保护连接并网分布式电源以及负荷的分支，与下级熔断器延时配合。

所述保护终端单元接收并处理本地节点信息，用于实现本节点的保护以及与节点相连负荷线路的负荷保护，本地保护终端单元和对端的保护终端单元构成线路纵联保护。

所述保护终端单元，采集各节点所有连接线上设置的电流互感器采集的输入信号，根据其进行母线保护，并采用过流原理，对连接负荷的连接线进行负荷保护，根据相应连接线上电流互感器采集的输入信号和与通过该连接线连接的另一节点处的电流相角变化方向信号，进行线路保护。

一种有源闭环配电网保护方法，具体包括：变电站出口线路依次连接各个节点，形成闭环环网，出线保护配置在变电站出口处，采用过流原理，作为整个环网的后备；各节点处设置有保护终端单元，各节点的所有连接线处均设有一个电流互感器，保护终端单元采集各节点的电流互感器采集的输入信号，根据其进行母线保护，并采用过流原理，对节点连接负荷的连接线进行负荷保护，根据相应连接线上电流互感器采集的输入信号和与通过该连接线连接的另一节点处的电流相角变化方向信号，进行线路保护。

所述母线保护为当故障点位于安装保护终端单元的各分支节点时，由与该节点相连的各保护装置构成母线保护，采用差动保护原理来构建母线保护。

进一步的，对于一个与k条线路相连的节点，母线保护判据设为：

式中：为与节点相连的各条线路上的电流，正方向都取节点指向线路；I_th为门限值。

所述线路保护，结合线路两端电流相角变化方向信息，来识别区内外故障，具体判据为：如果两端电流相角变化方向相反，则判定为区内故障。

所述方法中，线路保护、负荷保护以及母线保护不存在时限或者定值上的配合关系。

所述方法中，当线路保护未正确动作时，由该节点处设置的其他线路的后备保护动作来切除故障。

所述方法中，当节点连接负荷的线路上发生故障时，由负荷线路上的保护元件切断该负荷线路，如果负荷线路上的保护元件无法正确动作，由该节点处设置的其他线路的后备保护动作来切除故障。

本发明的有益效果为：

(1)本发明针对分布式电源并网的需求，提出了采用闭环运行的方式，并对闭环配电网的保护方案进行了研究，通过与开环方式比较，闭环方式能够提高供电可靠性，并且更适于DG的友好接入；

(2)只采用电流量，无须采集电压，与现有的方向保护相比，节省了电压互感器的投资，同时，由于只需传输线路两端电流相角变化的方向信息，也降低了对通信通道的要求，因此本方案应用在配电网中时，具有经济性意义；

(3)基于电流相角变化的线路保护能够有效解决故障电流幅值过小的情况，准确判别故障。

附图说明

图1为本发明的闭环配电网结构图；

图2为本发明的STU保护架构示意图；

图3(a)为本发明的线路保护正常动作示意图；

图3(b)为本发明的线路保护后备保护动作示意图；

图4(a)为本发明的负荷保护正常动作示意图；

图4(b)为本发明的负荷保护后备保护动作示意图；

图5(a)为本发明的母线保护正常动作示意图；

图5(b)为本发明的母线保护后备保护动作示意图；

图6为本发明的IEEE 30节点配电网示意图；

图7为本发明的正序分量电流幅值变化示意图；

图8为本发明的正序分量电流相角变化示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种适用于有源闭环配电网的保护架构，线路主保护采用基于电流相角变化的有源配电网保护，结合出线保护、负荷保护和母线保护，构建起适用于有源闭环配电网的整体保护方案。所采用的保护原理都具有原理简单的特点。对于闭环配电网故障时可能出现的单端弱馈问题，本发明也对所采用的线路保护原理进行了分析验证。通过分析，本发明所采用的线路纵联保护原理在单端弱馈情况下，可以准确识别故障区段。

1配电网闭环运行方式

现有配电网从简便性以及安全性的角度出发，一般采取开环运行方式，并只在馈线始端配置保护装置。当线路发生故障时，需要切除整条线路，并通过重合闸分段恢复供电。对于分布式电源大量接入的有源配电网，切除整条馈线，会引发孤岛问题。而且故障隔离和故障后复电时的倒闸操作也需要短时停电。

与开环运行相比，闭环配电网在供电连续性和改善电能质量方面有优势，也更适合DG的接入。在一些中压配电网中，闭环运行方式逐渐被采用。图1所示为闭环结构的配电网。在配电网的节点处，接有负荷以及DG。闭环运行方式会从电压、网损、最大短路电流以及保护等方面对配电网造成影响。本发明主要针对闭环运行配电网的保护问题，进行研究。

2闭环运行配电网的保护架构

2.1整体架构

闭环配电网保护由出线保护、线路保护、负荷保护以及母线保护构成。出线保护配置在变电站出口处，采用过流原理，作为整个环网的后备。图1中M、N即为出线保护。其余三种保护所采用的保护原理如下。

线路保护采用基于电流相角变化的纵联保护，能够快速识别故障区段，且不需要根据配电网运行方式的改变而改变定值。采用该纵联保护能够构建起配电网主网架的快速保护。

负荷保护用来保护负荷线路。负荷线路用来给用户供电，并可能接有用户的并网DG。当检测到负荷线路故障时，切除线路。负荷保护也可以与下级熔断器延时配合。

母线保护，用来保护负荷分支节点。由于此节点位于负荷保护以及线路保护的范围之外，需要通过设置保护。

通过在各节点处设置保护终端单元(smart terminal unit,STU)，来实现上述三种保护功能。以含有一个分支的节点为例，设置三个电流互感器以及一个STU。具体的，由STU接收并处理本地信息，实现本节点的保护以及与节点相连负荷线路的负荷保护。由本地STU与对端STU结合，构成线路纵联保护。图2以STU-B为例展示了其配置的保护架构，线路保护以保护线路BC段为例。下面主要介绍线路保护和母线保护所采用的保护原理。

2.2线路保护

当故障点位于环网线路上时，由线路两端的保护所构成的线路保护来切除故障。如当在图1中的F点发生故障时，通过B2和C1组成的线路保护来切除故障。线路保护原理可以采用基于电流相角变化的有源配电网保护方案。该方案通过结合线路两端电流相角变化方向信息，来识别区内外故障。如果两端电流相角变化方向相反，则判定为区内故障。

由于该方案只采用电流量，无须采集电压。与现有的方向保护相比，节省了电压互感器的投资。同时，由于只需传输线路两端电流相角变化量的方向信息，也降低了对通信通道的要求。因此本方案应用在配电网中时，具有经济性意义。

2.3母线保护

当故障点位于安装STU的各分支节点时，由与该节点相连的各保护装置构成母线保护。如当故障点位于B点时，由与B点相连的保护B1、B2和B3构成母线保护。

由于三个保护装置安装位置接近，所以不用考虑通信延时等因素，可以采用差动保护原理来构建母线保护。对于一个与k条线路相连的节点，母线保护判据可以设为：

式中：为与节点相连的各条线路上的电流，正方向都取节点指向线路；I_th为门限值。

3保护的动作分析

3.1保护之间的配合及后备保护

闭环配电网的线路保护、负荷保护以及母线保护都由STU来实现。其中线路保护由两个STU之间通过纵联保护实现，负荷保护采用过流原理，母线保护采用差动原理。三种之间不存在时限或者定值上的配合关系。负荷保护可以与下级熔断器存在时限上的配合。出线保护作为整个环网的后备保护。

当某一保护未能正确动作时，可以由STU通过相应的后备保护来切除故障。

1)线路保护的后备保护。图3(a)、图3(b)所示为图1中闭环配电网的一部分。B2和C1，C2和D1分别构成线路纵联保护。当BC之间发生故障时，由STU分别计算本地的电流相角突变量方向，并将结果传送给对端。其中，B2和C1的电流相角突变量方向相反，而C2和D1的突变量方向相同。因此可以判断出故障点位于BC之间。如图3(a)所示，B2和C1动作，将故障线路切除(用虚线表示)。此时环网变为两条馈线供电，而且不会影响负荷供电以及分布式电源的运行。

当线路保护未正确动作时(如C1拒动)，则由后备保护动作来切除故障。如图3(b)所示，当STU探测到C1拒动时，将会给与其相连的其它断路器C2和C3发送跳闸信号，来切除故障。此时将节点C所带的负荷以及DG切除，但是其它部分的供电未受影响。

2)负荷保护的后备保护。图4(a)、图4(b)表示节点C处的负荷线路上发生故障时，负荷保护以及后备保护的动作过程。当负荷保护正确动作时，由C3切除负荷线路，如图4(a)所示。当负荷保护无法正确动作时，由STU发送跳闸信号给C1和C2来切除故障，如图4(b)所示。

3)母线保护的后备保护。图5(b)、图5(a)表示节点C上发生故障时负荷保护以及后备保护的动作过程。当母线保护正确动作时，C1、C2和C3动作，隔离故障节点，如图5(a)所示。当负荷保护无法正确动作时，如C2拒动，由STU发送跳闸信号给D1来切除故障，如图5(b)所示。

3.2环网单端弱馈问题

对于图1所示的A1出口处发生故障时，流过保护A1和F1的故障电流差别会非常大。A1中将会流过接近全部的故障电流，而F1则会只流过很小的一部分故障电流，表现为单端弱馈。考虑故障电阻等原因，故障电流可能会更小。对于传统的某些纵联保护，故障电流过小可能会使得保护无法启动。

本发明线路保护采用的是基于电流相角变化的保护。通过检测电流相角变化来实现保护的启动以及故障区段的判断。由于该方法只需计算电流相角，因此不受故障电流大小的影响。

4仿真分析

对于本发明所提出配电网保护方案，上一节已经对所采用的各级保护以及后备保护的动作情况进行了分析。本节主要对线路保护所面临的环网弱馈问题进行仿真分析，以验证其动作性能。

利用PSCAD仿真软件搭建IEEE 30节点系统模型。此系统为网状结构，电压等级为132kV和33kV。本发明采用了其配电网部分，如图6所示。

故障点F位于节点1和节点2之间的线路上，且位于节点1的出口处。故障类型为两相短路，故障电阻20Ω。图7和图8所示分别为位于故障点两端保护R3和R4处正序分量电流的幅值和相角的变化情况。对于靠近系统侧的电流I₃，故障电流达到5.1p.u.。而另一侧的电流I₄则为0.63p.u.。如果采用传统纵联保护，可能会因为故障电流过小而使得保护R4无法启动。而采用基于电流相角变化的保护方案，I₃的相角变化量为23.5°，I₄的相角变化量为-39.3°，能够明确的计算出电流相角变化的方向。

利用基于电流相角变化量方向保护的计算结果表1所示。

表1 F点两相短路故障时的电流正序分量值

通过表1可知，当节点1和节点2之间的线路的出口处发生故障时，位于该段线路两端的保护R3和保护R4的判定结果分别为“1”和“-1”，表明正序电流相角变化方向不同。根据基于电流相角变化方向的线路保护可以识别出故障位于该保护区内。而其它各条线路两端所配备的纵联保护判定结果相同，判定出故障位于其各自的保护区外，准确不动作。

以上仿真结果表明，虽然位于R4处的电流幅值很小，根据基于电流相角变化的线路保护仍然能够准确识别出区内故障。

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)

1.一种有源闭环配电网保护系统，针对有源闭环配电网，在各个节点设置保护终端单元实现保护，其特征是：包括出线保护单元、线路保护单元、负荷保护单元以及母线保护单元，其中：

所述出线保护单元配置在变电站出口处，采用过流保护原理，作为整个环网的后备；

所述线路保护单元，采用基于电流相角变化的纵联保护，用于识别故障区段，不需要根据配电网运行方式的改变而改变定值；

所述负荷保护单元，用于保护负荷线路，当检测到负荷线路故障时，切除线路；

所述母线保护单元，用于保护位于负荷保护以及线路保护的范围之外的负荷分支节点；

所述线路保护单元、负荷保护单元和母线保护共同组成保护终端单元；

所述负荷保护单元，连接并网分布式电源，与下级熔断器延时配合；

当故障点位于安装保护终端单元的各分支节点时，由与该节点相连的各保护装置构成母线保护，采用差动保护原理来构建母线保护；

进一步的，对于一个与k条线路相连的节点，母线保护判据设为：

$\left|\underset{n=1}{\overset{k}{\Σ}}{\stackrel{\·}{I}}_n\right|\≥I_{th}---\left(1\right)$

式中：为与节点相连的各条线路上的电流，正方向都取节点指向线路；I_th为门限值。

2.如权利要求1所述的一种有源闭环配电网保护系统，其特征是：所述保护终端单元接收并处理本地节点信息，用于实现本节点的保护以及与节点相连负荷线路的负荷保护，本地保护终端单元和对端的保护终端单元构成线路纵联保护。

3.如权利要求1所述的一种有源闭环配电网保护系统，其特征是：所述保护终端单元，采集各节点所有连接线上设置的电流互感器采集的输入信号，根据其进行母线保护，并采用过流原理，对连接负荷的连接线进行负荷保护，根据相应连接线上电流互感器采集的输入信号和与通过该连接线连接的另一节点处的电流相角变化方向信号，进行线路保护。

4.一种有源闭环配电网保护方法，其特征是：具体包括：变电站出口线路依次连接各个节点，形成闭环环网，出线保护配置在变电站出口处，采用过流原理，作为整个环网的后备；各节点处设置有保护终端单元，各节点的所有连接线处均设有一个电流互感器，保护终端单元采集各节点的电流互感器采集的输入信号，根据其进行母线保护，并采用过流原理，对节点连接负荷的连接线进行负荷保护，根据相应连接线上电流互感器采集的输入信号和与通过该连接线连接的另一节点处的电流相角变化方向信号，进行线路保护；

当故障点位于安装保护终端单元的各分支节点时，由与该节点相连的各保护装置构成母线保护，采用差动保护原理来构建母线保护；

进一步的，对于一个与k条线路相连的节点，母线保护判据设为：

$\left|\underset{n=1}{\overset{k}{\Σ}}{\stackrel{\·}{I}}_n\right|\≥I_{th}---\left(1\right)$

式中：为与节点相连的各条线路上的电流，正方向都取节点指向线路；I_th为门限值。

5.如权利要求4所述的一种有源闭环配电网保护方法，其特征是：线路保护、负荷保护以及母线保护不存在时限或者定值上的配合关系。

6.如权利要求4所述的一种有源闭环配电网保护方法，其特征是：当线路保护未正确动作时，由该节点处设置的其他线路的后备保护动作来切除故障。

7.如权利要求4所述的一种有源闭环配电网保护方法，其特征是：当节点连接负荷的线路上发生故障时，由负荷线路上的保护元件切断该负荷线路，如果负荷线路上的保护元件无法正确动作，由该节点处设置的其他线路的后备保护动作来切除故障。

8.如权利要求4所述的一种有源闭环配电网保护方法，其特征是：所述线路保护，结合线路两端电流相角变化方向信息，来识别区内外故障，具体判据为：如果两端电流相角变化方向相反，则判定为区内故障。