CN105633922B - 一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置 - Google Patents

一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，通过对各分支电流的简单判断，确定并联接点及各分支是否存在短路故障；同时判断各分支的功率方向，确定故障电流的路径，根据输入条件进行逻辑运算；判断发生短路故障分支。本发明为电气回路故障分析提供了一种新的方法；能够解决因多级电流定值加时限配合的保护方式，对中压3~20kV配电网中的局域性供电网、多分支配电线路、小区环形供电网不适用，进而导致只能采用熔断器保护或保护不能有效配合的问题，同时也能能够解决高低压母线在双电源时只能分段运行的问题，提供了适合的短路保护方案。另外，本发明具有动作速度非常快；其可靠性高；具有良好的可扩展性，及维修的方便性。

Description

一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置
技术领域
本发明涉及一种电网中节点故障保护装置，尤其涉及一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置。
背景技术
目前，电力系统的高低压配电系统故障保护，仍然是采用多级差电流保护定值配合保护动作时限的继电保护。参见说明书附图中图1到图3，是三种常见的局域性供电网络及小区供电网络。该供电网络存在如下问题：
一、多级差电流保护定值配合保护动作时限的继电保护不适用于局域性供电网络及小区供电网络。
多级差电流保护定值配合保护动作时限的继电保护是10kV配电网中常用的也是唯一的一种故障保护手段，但是这种保护手段却没有被广泛应用于局域性供电网络及小区供电网络中。原因分析如下：
(1)对于单电源环网供电网络，见图1：
电流保护定值需整定成：IS1>IA1>IA2>IA3>IA4>IA5。由于各点的短路电流值相差不多，每一级的级差非常小，保护非常容易误动作。
时间定值需整定成：tS1>tA1>tA2>tA3>tA4>tA5。时间间隔的逐级累加，必然会使变电所馈线断路器的保护动作时限tS1变长，出现与上一级保护时限无法配合的情况。
(2)对于双电源环形供电网络，见图2：
除了会有上述条1的情况，也会有当供电电源由S1切换到S2时，电流定值IS1～IA6及保护延时tS1～tA6的大小顺序呈现逆向变化，需要进行保护定值区域的现场人工切换，其工作量及出现差错的机会是可以想象的。
当采用双电源同时供电时，定值的整定就更加困难了，所以双电源的环形网络极少采用双电源同时供电，只能采用切换供电方式。对于石化、轧钢、纺织、造纸、印染、精密加工等连续生产企业，双电源的高可靠性没有得到真正的发挥。
(3)对于辐射形供电网络，见图3：
这种网络是比较多见的结构形式，尤其是农网及油田生产电网中更为常见。遇到的定值整定及时限配合的问题与条(1)及条(2)基本是相同的。
(4)对于变电所双电源供电的分段母线，见图4：
对于常见的双电源供电时的高压或低压分段母线，与上述(2)的原因相同，分段断路器A0一般不能合闸，两段母线带各自的负荷，不可避免的造成了两段母线的负荷不同程度的不均衡甚至严重不均衡，同时也使得双电源供电的可靠性没有得以有效发挥。分段运行的结果对于供电的安全性、可靠性、经济性的影响是显而易见的。
二、无保护、熔断器保护、柱上断路器电流脱扣及分界开关看门狗保护，很难实现局域性供电网络及小区供电网络保护之间的配合及对故障点的准确选择。
如上述条(1)、(2)、(3)、(4)所分析，多级差电流保护定值配合保护动作时限的继电保护手段应用于局域性供电网络及小区供电网络，几乎是不具备可行性。所以在实际应用中，环网供电网络中环网开关A基本都是无保护的；辐射形供电网络中，分段或分支开关A较多的采用了带有过流脱扣的柱上断路器，甚至是跌落开关，也几乎难以实现保护的配合。局域性供电网络及小区供电网络内部的故障保护最终有效的手段还是变电所的馈线断路器，这经常会造成一点故障停一大片用户的问题，扩大了停电范围、降低了供电可靠性、影响了供电效益同时也可能会引发安全问题和社会问题。
所以目前：
(1)局域性供电网络及小区供电网络目前还没有真正适用的故障保护手段。
(2)双电源的环网供电网络一般只能单电源切换供电。
(3)双电源供电的分段母线必须分段运行。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题的电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，为电力网络的故障保护提供了一种新的分析判断方法。以本方法形成的逻辑保护装置为变电所、工厂高低压配电室、局域性供电网络及小区供电网络提供了一种能够准确、快速地切除故障，同时解决双电源环网不能双电源供电、变电所及工厂高低压配电室双电源同时运行时母联开关不能合闸的问题的新型的保护手段。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，所述电气回路包括一个母线和多个支路，母线上设有电压互感器，所述电压互感器输出端连接母线电压信号检测单元，所述母线电压信号检测单元获取母线的电压信号，滤波整形后输出电压至一导线，所述导线为电压模拟信号母线；
支路上设有电流互感器，所述电流互感器输出端依次连接有与支路对应的支路电流检测单元、支路故障分析单元和支路逻辑判断单元；
所述支路电流检测单元获取对应支路电流信号，滤波整形后输出到支路故障分析单元；
所述支路故障分析单元的输入端为两路，其中一路与对应支路的支路电流检测单元连接，另一路与电压模拟信号母线相连，根据输入的电流、电压信号输出支路的故障电平信号F及功率方向电平信号D；
所述支路逻辑判断单元根据故障电平信号F及功率方向电平信号D判断各支路故障。
本发明为电气回路故障分析提供了一种新的方法；能够解决因多级电流定值加时限配合的保护方式，对中压3～20kV配电网中的局域性供电网、多分支配电线路、小区环形供电网不适用，进而导致只能采用熔断器保护或保护不能有效配合的问题，提供了适合的短路保护方案。
(1)不必再针对某一支路考虑复杂的电流定值及时限配合的问题，而是通过对各分支故障的简单判断及故障电流在并联节点的方向及分布来定位故障点；
(2)解决了局域供电网、环形供电网无继电保护可用的问题；
(3)解决了双电源供电的高低压母线不能并网供电的问题。
作为优选：所述母线电压信号检测单元和支路电流检测单元均采用50Hz有源带通滤波器，获取母线的电压信号和各支路电流信号，并滤波整形后输出。
作为优选：所述支路故障分析单元具体分析方法为：
设定电流变化的阈值，若该支路电流变化超过阈值，则F＝1，识别为有故障，反之F＝0，识别为无故障；
依据故障电流的功率因数角决定故障功率方向，若故障功率方向为由节点流向支路时D＝1，由支路流向节点时D＝0，当F＝0时，强置D＝0。
我们设定节点各支路的逻辑状态定义如表1，其中：F—故障电平信号；D—功率方向电平信号；LP＝f(D，F)—逻辑保护的输出函数。
表1并联节点上各支路的状态逻辑
状态 值 状态 值
识别为无故障 F＝0 识别为有故障 F＝1
指向节点的故障方向 D＝0 流出节点的故障方向 D＝1
保护不动作 LP＝0 保护动作 LP＝1
参见图6-1、6-2、6-3、6-4，表示了五支路网络故障示意图的四种故障状态，L1～L5分别代表五个支路。当并联节点(母线)故障及支路线故障时，故障电流的途径及方向如图6的所示。
对于图6所示的四种可能的故障点，各支路的D、F值如表2。
表2支路并联节点各种故障的D、F值及LP计算结果
由表2得出的判断逻辑是：
(1)当任一个支路检测到有流入并联节点的故障电流、但其它支路没有检测到流出的故障电流时，则一定是并联节点发生故障；
(2)当一个支路检测到有流出并联节点的故障电流时，不论其它支路检测结果如何，一定是本支路故障；
由此，假设一个五支路并联节点故障，则可得出五支路并联接点故障逻辑判断的公式参见表3，表3中，公式(1.1)～(1.5)分别表示第1到第5支路逻辑保护的输出函数的公式。
表3：各逻辑保护的输出函数的公式
对于图1的四种故障，LP的计算结果如表2。LP＝1时，保护动作与断路器跳闸，切除故障。
所以根据上述分析，我们建立支路逻辑判断单元的逻辑门电路。逻辑门电路具体电路图参见图7。结合图7，我们可以知道，支路逻辑判断单元是由多个非门、两输入与门、(n-1)输入或门、两输入或门电路共四种门电路构成。这些门电路的连接方式根据公式
建立，若LP＝1，判断为本支路故障，反之则无故障；具体为：
(1)当前支路D1、F1通过一两输入与门电路连接输出D1F1；
(2)当前支路D1通过一非门输出后，再与F1通过一两输入与门电路连接输出
(3)其余支路D和F分别经两输入与门电路进行与运算后，输出信号再与(n-1)输入或非门的输入端连接，输出
(4)步骤(2)(3)的输出端，经一两输入与门电路后，与步骤(1)的输出端共同连接一两输入或门的输入端，两输入或门的输入端即为支路故障判断信号LP。
其余支路都依此类推即可判断当前支路是否存在故障。
为了更方便的描述和理解，我们将各支路输出的D、F值输出到D-F电平信号母线，并统一从D-F电平信号母线获取各个支路的D、F值。
由上述公式我们可以看出，输出端LP的两输入或门连接了两个故障判断主条件电路，满足任一主条件时，输出为LP＝1，本支路保护动作。
主条件一电路为，从D-F电平信号母线获取当前支路的D、F值，通过一个二输入与门作为最高权限的判断条件，当检测到有流程并联接点的故障电流时，本支路D＝1、F＝1时，LP＝1，判断为本支路故障。
主条件二电路包含了两个子条件电路，同时满足两个故障子条件时，主条件二电路输出为1，判断为本支路故障：
a)子条件一电路：本支路的输出是两输入与门电路，一端通过非门连接到本分支路D-F电平信号母线D，另一端直接连接到本分支路D-F电平信号母线F。当本支路检测到有流入并联接点的故障电流时输出为1；
b)子条件二电路：本支路的输出是(n-1)输入或非门，(n-1)个输入端连接的是两输入与门电路，而这些两输入与门电路的两端连接到本分支路D-F电平信号母线非本支路的D端及F端。如果这些(n-1)个支路中的任何一个都不存在流出并联接点的故障，则子条件二电路输出1。
作为优选：支路电流检测单元、支路故障分析单元和支路逻辑判断单元集成在板卡上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：为电气回路故障分析提供了一种新的方法；能够解决因多级电流定值加时限配合的保护方式，对中压3～20kV配电网中的局域性供电网、多分支配电线路、小区环形供电网不适用，进而导致只能采用熔断器保护或保护不能有效配合的问题，提供了适合的短路保护方案。
(1)不必再针对某一支路考虑复杂的电流定值及时限配合的问题，而是通过对各分支故障的简单判断及故障电流在并联节点的方向及分布来定位故障点；
(2)解决了局域供电网、环形供电网无继电保护可用的问题；
(3)解决了双电源供电的高低压母线不能并网供电的问题。
另外，通过对电源电流的简单判断，确定并联接点及各分支是否存在短路故障；同时判断各分支的功率方向，确定故障电流的路径；根据输入条件进行逻辑运算判断短路故障分支。由于逻辑判断的运算是硬件电路完成的，没有复杂的软件程序，因此其动作速度非常快；故障的定位是对一个电气接点的所有分支综合分析的结果，是系统级的保护，因此其可靠性高；每个分支的逻辑判断单元都是独立的插件板，具有良好的可扩展性，及维修的方便性。
附图说明
图1为本发明现有技术中单电源环网供电网络图；
图2为本发明现有技术中双电源环网供电网络图；
图3为本发明现有技术中辐射型供电网络图；
图4为本发明现有技术中变电所高低压分段母线供电网络图；
图5为本发明电路原理拓扑图；
图6-1为五支路网络故障示意图中的单电源母线故障图；
图6-2为五支路网络故障示意图中的单电源支路故障图；
图6-3为五支路网络故障示意图中的双电源支路故障图；
图6-4为五支路网络故障示意图中的双电源母线故障图；
图7为本发明一个支路的支路逻辑判断电路图；
图8为图7中逻辑判断原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1到图7，根据上述技术方案，建立一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，我们假设支路为五条，应用在多种供电网络中。
实施例1：参见图1其中，本发明应用在单电源环网供电网络中，A1、A2、B1、B2、B3的公共点构成了一个并联电气节点P1，同理A3、A4、B4、B5、B6以及A5、B7、B8、B9分别构成了并联电气节点P2及P3。对于P1到P3的每一个节点都可以采用本发明的逻辑保护，故障点及故障电流的路径如图6-1及图6-2所示，分析的结果如表2。
实施例2：参见图2，本发明应用在双电源环网供电网络中，(A1、A2、B1、B2、B3)的公共点构成了一个并联电气节点P1，同理(A3、A4、B4、B5、B6)以及(A5、A6、B7、B8、B9)分别构成了并联电气节点P2及P3。与实施例1不同的是多了电源S2的进线开关A6。对于P1到P3的每一个节点都可以采用本发明的逻辑保护，故障点及故障电流的路径如图6所示，而对于节点P1及P3同时存在图6所示的故障。分析的结果如表2。
实施例3：参见图3，本发明应用在辐射型供电网络中，(S1、A1、A4)、(A2、A3、A5)、(A4、B1、B2)及(A5、B3、B4)分别构成了并联电气节点P1到P4。对于每一个节点都可以采用本发明的逻辑保护，故障点及故障电流的路径仍然可以等效成节点的故障如图6-1及支路的故障如图6-2所示，分析的结果如表2。
实施例4：参见图4，本发明应用在变电所高低压分段母线供电网络中，(A1、A0、B1、B2)及(A2、A0、B3、B4)分别构成了并联电气节点P1及P2，对于每一个节点都可以采用本发明逻辑保护。当分段开关合闸时，把母线分段开关视为一个电源，则故障点及故障电流的路径仍可等效成双电源节点故障如图6-3双电源支路故障如图6-4；当分段开关断开时，P1及P2均为单电源，则故障点及故障电流的路径仍可等效成单电源节点故障如图6-1、单电源支路故障如图6-2。分析的结果如表2。

Claims (5)

1.一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，所述电气回路包括一个母线和多个支路，其特征在于：
母线上设有电压互感器，所述电压互感器输出端连接母线电压信号检测单元，所述母线电压信号检测单元获取母线的电压信号，滤波整形后输出电压至一导线，所述导线为电压模拟信号母线；
支路上设有电流互感器，所述电流互感器输出端依次连接有与支路对应的支路电流检测单元、支路故障分析单元和支路逻辑判断单元；
所述支路电流检测单元获取对应支路电流信号，滤波整形后输出到支路故障分析单元；
所述支路故障分析单元的输入端为两路，其中一路与对应支路的支路电流检测单元连接，另一路与电压模拟信号母线相连，根据输入的电流、电压信号输出支路的故障电平信号F及功率方向电平信号D；
所述支路逻辑判断单元根据故障电平信号F及功率方向电平信号D判断各支路故障。
2.根据权利要求1所述的一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，其特征在于：所述母线电压信号检测单元和支路电流检测单元均采用50Hz有源带通滤波器，获取母线的电压信号和各支路电流信号，并滤波整形后输出。
3.根据权利要求1所述的一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，其特征在于：所述支路故障分析单元具体分析方法为：
设定电流变化的阈值，若该支路电流变化超过阈值，则F＝1，识别为有故障；反之F＝0，识别为无故障；
依据故障电流的功率因数角决定故障功率方向，若故障功率方向为由节点流向支路时D＝1，由支路流向节点时D＝0，当F＝0时，强置D＝0。
4.根据权利要求1所述的一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，其特征在于：支路逻辑判断单元由逻辑门电路构成，假设支路为n条，当前在测支路为第一条，当前支路逻辑判断单元的逻辑门电路根据公式建立，若LP＝1，判断为本支路故障，反之则无故障；具体为：
(1)当前支路D1、F1通过一两输入与门电路连接输出D1F1；
(2)当前支路D1通过一非门输出后，再与F1通过一两输入与门电路连接输出
(3)其余支路D和F分别经两输入与门电路进行与运算后，输出信号再与(n-1)输入或非门的输入端连接，输出
(4)步骤(2)(3)的输出端，经一两输入与门电路后，与步骤(1)的输出端共同连接一两输入或门的输入端，两输入或门的输入端即为支路故障判断信号LP。
5.根据权利要求1所述的一种电气回路并联节点故障的逻辑式保护装置，其特征在于：支路电流检测单元、支路故障分析单元和支路逻辑判断单元集成在板卡上。
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