CN105977937B - 一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统及方法 - Google Patents
一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了电力系统继电保护领域中一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统及方法。基于逻辑量信息的配电网区域保护系统由顺序相连的故障信息采集模块、故障定位模块和跳闸指令输出模块组成；基于逻辑量信息的配电网区域保护方法包括采集配电网中各个节点的三段式电流保护装置动作信息，利用故障信息采集模块采集到的三段式电流保护信息和区域保护动作判据准确识别区内、区外故障，最后输出断路器跳闸或闭锁指令。本发明能够准确识别区内故障、闭锁区外故障，且以多信息构成冗余，具有较强的容错能力，同时由于采用逻辑量，信息交互量少，不受信息非同步的影响。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，尤其涉及一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统及方法。
背景技术
配电系统通常为多分支辐射型结构，馈线段电气距离短，且存在T型连接的节点。这使得基于动作电流整定的保护选择性较差，而利用动作延时整定的保护不能满足速动性要求，系统安全稳定性难以保证。同时，基于就地信息的本地保护难以适应分布式电源(Distributed Generation,DG)接入和系统运行方式多变，潮流方向不确定等问题，存在较高的拒动或误动风险。基于广域信息的保护原理充分利用多点信息，从而使故障定位更为准确可靠。
基于广域信息的保护原理最关键的问题是明确所利用信息的类型和处理信息的方法。目前，国内外学者对基于广域信息的保护方案研究包括：利用馈线段两端节点是否均流过故障电流判断故障线路、通过比较电流幅值差判断故障线路、集合所有保护从机的故障方向信息并利用矩阵算法进行故障搜索等，但对于DG接入的多源网络难以判断故障位置，也难以保证保护的速动性和可靠性。
鉴于此，本发明提出基于逻辑量信息的配电网区域保护方案，消除多DG和多分支的影响，保证故障快速可靠切除。首先，分析多DG和多分支线路下本地电流保护存在的问题，在此基础上，提出三段式方向电流保护整定及配合原则，然后根据断路器配置情况划分区域范围，并结合电流保护动作信息 构成区域保护动作判据，准确识别区内故障、闭锁区外故障。该方案以多信息构成冗余，具有较强的容错能力，同时由于采用逻辑量，信息交互量少，不受信息非同步的影响。IEEE 33节点配电系统验证了保护方案的正确性和有效性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统，其特征在于，所述系统包括顺序相连的故障信息采集模块、故障定位模块和跳闸指令输出模块；
所述故障信息采集模块用于采集配电网中各个节点的三段式电流保护动作信息，并将所采集信息发送至故障定位模块；
所述故障定位模块利用保护区域内各个节点的三段式电流保护动作信息得到区内保护信息逻辑值，然后根据区域保护动作判据得出区域保护动作信号；
所述跳闸指令输出模块用于发出断路器跳闸或闭锁信号。
一种基于逻辑量信息的配电网区域保护方法，其特征在于，所述方法包括步骤1、故障信息采集
采集配电网中各个节点的三段式电流保护装置动作信息；
步骤2、故障定位
利用故障信息采集模块采集到的三段式电流保护信息和区域保护动作判据准确识别区内、区外故障；
步骤3、结果输出
判断断路器是否动作，输出断路器跳闸或闭锁指令。
所述步骤2中的区域保护动作判据为
设区域内有n个开关节点并按供电路径顺序编号；
当末节点为断路器时，各节点的区内保护信息表示为
其中，P为保护动作信息，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为电流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段；表示开关i处的保护综合动作信息，i＝1,2,…,n-1,表示电流Ⅰ段、Ⅱ段或Ⅲ段动作；表示保护均不动作；Pj,Ⅲ为开关j处的电流Ⅲ段，Pj,Ⅲ＝1即动作，Pj,Ⅲ＝0即不动作；An-1表示区域内第n-1条支路的故障情况，用于确认故障是否发生在该支路上，An-1＝1时故障发生在该条支路上，An-1＝0时故障未发生在该条支路上；
当末节点为末梢节点即为只连接用户或联络开关的节点，节点的区内保护信息表示为
联立式(1)和式(2)，得区内保护信息逻辑值为
E表示该区域内的故障情况，用于确认故障是否发生在该区域内，E＝1时表示故障发生在该区域内，E＝0时表示故障未发生在该区域内；
Ak表示区域内第k条支路的故障情况，用于确认故障是否发生在该支路上，Ak值为1则表示故障发生在该条支路上，Ak值为0则表示故障未发生在该条支路上；
区域保护动作判据为
式中，M1为区域保护动作信号，M1为1表示保护动作，立即向首节点断路器发送跳闸信号并向上级区域发送闭锁信号，M1为0表示保护不动作；Ck表示下级保护区域闭锁信号，Ck为1表示收到闭锁信息，Ck为0即未收到闭锁信息。
步骤3中判断断路器是否动作具体为当故障发生后，保护区域将定期收到首节点断路器的状态B，B值为1表示断路器闭合，B值为0表示断路器断开，当一定时间内B＝1且M1＝1，则表明保护出口动作信息与断路器信息不一致，判定断路器出现失灵故障，及时向主站发送断路器失灵信息；若未失灵则断开故障馈线段负荷开关。
故障馈线段定位判据为式(5)，根据该判据能在断路器灭弧后断开m,m+1节点处的分段开关，恢复正常线路供电；
M2表示第m节点与第m+1节点之间的支路故障情况，若M2值为0则表示该支路上无故障，M2值大于0则表示故障发生在该条支路上。
有益效果
本发明能够准确识别区内故障、闭锁区外故障，且以多信息构成冗余， 具有较强的容错能力，同时由于采用逻辑量，信息交互量少，不受信息非同步的影响。
附图说明
图1是本发明的一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统结构图。
图2是本发明实施方式中的配电网典型接线图。
图3是本发明实施方式中的配电网区域划分示例图。
图4是本发明实施方式中的典型故障位置邻域信息交互保护判据结果。
图5是区域保护方案故障处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明提供的一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统结构图，包括顺序相连的故障信息采集模块、故障定位模块和跳闸指令输出模块。
图2为含DG的配电网典型接线图，矩形开关为断路器，圆形开关为负荷开关。实心表示开关为常闭状态，空心表示开关为常开状态，图中处于常开状态的开关为联络开关。配电网络存在馈线段繁多、节点数目庞大的特点，通常只在部分节点配置断路器，其他节点采用负荷开关作为分段开关，以减少设备投资成本。本地保护在故障发生时，首先由最近的断路器跳闸遮断故障电流，再将故障馈线段两端的负荷开关断开，恢复正常线路供电。这将导致保护范围内存在大量T型连接的DG和分支，严重影响本地保护的正常工作。由图2知，S1处的主保护必须切除L1、L2、L3、L7、L8、L10、L11馈线段任意位置的故障，导致S1在保护范围内存在多个T接DG，其助增作用缩小本地保护电流Ⅰ段的保护范围，大部分线路故障需由电流Ⅱ段以一定延时切除， 速动性受到严重影响。同时，多分支馈线结构下，单个保护需要切除多条线路的故障电流，导致电流Ⅰ段的保护范围更为缩短。例如，对S1的电流Ⅰ段进行整定时，需要躲过L3、L8、L11三条馈线段末端短路情况下的故障电流，导致本地保护范围严重缩小。同时，电流Ⅱ段根据DG额定容量计算最大分支系数以保证灵敏性，导致电流Ⅱ段往往超过下级Ⅰ段动作范围，能造成故障停电范围扩大。例如：S1的Ⅱ段根据DG1、DG2、DG3的额定容量进行整定，当L6发生故障时，能发生S4的Ⅰ段不动作，而S1的Ⅱ段和S4的Ⅱ段均动作的情况，进而导致一定延时后，断路器S1和S4均断开，整条馈线发生短时停电。由此，本地保护通过断路器节点实现配合，导致电流Ⅰ段保护范围缩短，保护速动性难以保证；而电流Ⅱ段存在较大的误动风险，能造成故障停电范围扩大。
为解决本地保护存在的上述问题，本发明提出三段式方向电流保护整定及配置原则，进而利用保护动作情况构成区域保护逻辑判据。为避免T接DG助增电流对电流Ⅰ段的影响，每个分段开关均配置有保护装置，并根据自适应方向电流保护原理实现故障判断。需要说明，三段式方向电流保护动作后，并不直接向断路器发送跳闸命令，而是作为逻辑信息构成区域逻辑判据准确定位故障，进而由区域保护向断路器发送跳闸指令。图3为三段式方向电流保护范围示意图，电流Ⅰ段覆盖本线路70％，电流Ⅱ段根据DG额定电流计算最大分支系数，保护范围至少为本线路全长，同理电流Ⅲ段保护范围至少为下级线路全长。考虑到DG容量波动，Ⅱ、Ⅲ段保护范围会有一定延伸，区域保护利用多个保护动作信息构成逻辑判据，同时保证选择性和灵敏性要求。
保护区域划分原则：
负荷开关不具备开断故障电流的能力，线路发生故障后，均由离故障馈 线段最近的上游断路器切除短路电流。因此，保护区域根据断路器切除故障的馈线段构成划分原则：1)区域内所有馈线段处于同一供电路径；2)离馈线段最近的上游断路器为同一个断路器；3)区域末端为末梢节点或下级断路器。图4是配电网区域划分示例图，{L1、L2、L3}、{L4、L5、L6}、{L1、L7、L8}、{L1、L2、L10、L11}为4个不同的保护区域。根据划分原则，处于同一区域的馈线段故障由同一断路器切除，保护区域的首节点均为断路器，用以开断该区域所有位置的故障，末节点为断路器或末梢节点。
不同保护区域含有相同的馈线段，如{L1、L2、L3}、{L1、L7、L8}及{L1、L2、L10、L11}含有共同的馈线段L1，称三者为同级保护区域。每个区域及其同级区域的相邻下游区域均为该区域的下级保护区域，例如，{L4、L5、L6}为上述三个区域的下级保护区域。将区域内的保护动作信息构成逻辑判据，并结合下级保护区域是否发送闭锁信号，准确判定区内是否发生故障。
区域保护动作判据：
在判断区内是否发生故障前，首先利用保护区域内所有保护装置的三段式电流保护动作信息得到区内保护信息逻辑值，设区域内有n个开关节点并按供电路径顺序编号。
当末节点为断路器时，各节点的区内保护信息表示为：
其中，P为保护动作信息，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为电流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。表示开关i处的保护综合动作信息，为1表示电流Ⅰ段、Ⅱ段或Ⅲ段动作；为0 表示保护均不动作。Pj,Ⅲ为开关j处的电流Ⅲ段，为1即动作，为0即不动作。
当末节点为末梢节点(末梢节点为只连接用户或联络开关的节点)，节点的区内保护信息表示为：
联立式(1)和式(2)，得区内保护信息逻辑值为：
为保证下级区域故障时区域保护不误动，将式(3)中的逻辑值与下级保护区域闭锁信号结合，构成区域保护动作判据：
式中，M1为区域保护动作信号，1表示保护动作，立即向首节点断路器发送跳闸信号并向上级区域发送闭锁信号，0表示保护不动作；Ck表示下级保护区域闭锁信号，1表示收到闭锁信息，0即未收到闭锁信息。
上述判据准确识别区内、区外故障，以图1中{L1、L2、L3}保护区域为例。F1处发生故障时，区域内保护动作信息为：P2,Ⅲ＝1、P3,Ⅱ＝1、P3,Ⅲ＝1、P4,Ⅲ＝0，且下级区域向该区域发送的闭锁信号∑Ck＝0。根据式(1)知，区内保护信息计算结果为A1＝0，A2＝1，A3＝1，再由式(4)得保护动作判据M1＝1，因此区域保护将向S1发送断路器跳闸指令。
由于判据利用多信息形成冗余，因此，本发明所提出的区域保护方案在即使信息部分缺失或错误情况下仍然能准确判断故障。在本地保护配置下， S1的Ⅰ段受DG助增影响，保护范围缩小不能动作，需要电流Ⅱ段或Ⅲ段以一定延时切除，然而区域保护实现保护加速动作、减少故障持续时间。以当F3处发生故障为例，在DG影响下，保护的动作信息为P1,Ⅲ＝1、P2,Ⅲ＝1、P3,Ⅲ＝0，P4,Ⅲ＝0，根据式(3)知区域{L1、L2、L3}保护逻辑值E＝1，再由式(4)得区域{L4、L5、L6}的动作判据结果为1，该区域保护动作，同时向区域{L1、L2、L3}发生闭锁信号，即∑Ck＝1，根据式(4)知，区域{L1、L2、L3}保护判据结果M1＝0，即该区域保护不会误动。同理知，区域{L1、L7、L8}也不会发生保护误动情况。然而，对于本地保护而言，S1的电流Ⅱ段在助增作用下保护范围得到延时，而S4的Ⅰ段不动作，因此S1和S4的电流Ⅱ段在一定延时后同时动作，故障范围严重扩大。由此，区域保护有效的缩短故障停电范围。
需要说明，区域保护方案不影响本地电流保护正常工作，只要本地保护满足动作电流判据和动作延时则执行动作指令，区域保护只起到加速保护动作的作用，不对本地保护判断结果产生影响。
区域保护方案不仅具备故障识别功能，还具备断路器失灵判别功能。当故障发生后，保护区域将定期收到首节点断路器的状态，B＝1表示断路器处于闭合状态，当一定时间内B＝1且M1＝1，则表明保护出口动作信息与断路器信息不一致，判定断路器出现失灵故障，及时向主站发送断路器失灵信息。
故障切除后，配电自动化系统通过重合器和电压-时间分段器配合，利用负荷开关两端失压情况，将故障馈线段隔离。这种方式不仅会导致馈线发生两次短时停电，而且DG接入的多源配电系统能发生非同期重合闸。区域保护方案在每个开关均装有保护装置，根据保护动作信息确定故障馈线段，因此无需多次停电也将故障有效隔离。故障馈线段定位判据为式(5)，根据该判据在断路器灭弧后断开m,m+1节点处的分段开关，恢复正常线路供电。
表1给出了图2的区域划分结果，表2给出了不同故障下区域保护逻辑值及判据结果。由表2知，区域保护有效避免多DG和多分支情况下保护拒动和误动，满足保护对选择性和灵敏性的要求，同时还加速保护动作。
表1
表2
区域保护方案容错性分析：
基于多信息的保护方案对传送信息的正确性有一定的依赖，接下来将对保护信息错误、缺失等情况进行容错性分析。
1、保护动作信息错误情况分析：
保护动作信息为逻辑信号，在通信过程中会存在传输错误，本发明所提出的区域保护方案通过利用多信息进行冗余判断，实现自我纠错。
情况1：以图1为例，F2处发生故障时，保护S1未动作，但由于信息传输过程中出现错误使得保护S1能发生误动。此时，S1所在区域保护收到L9区域的闭锁信号，根据式(4)得M1＝0，由此避免信息错误情况下该区域保护的错误动作。
情况2：F3处发生故障时，保护S6的动作信息发生错误使保护 S4出现拒动，但由于保护S5的电流Ⅲ段延伸至L6，即根据区域保护动作判据知，保护S4能够可靠动作。
情况3：综合动作信息错误时，区域保护自动纠正。例如，发生故障F1时，由本地保护装置传输到子站的保护S4动作信息为P4,Ⅰ＝1、P4,Ⅱ＝0、P4,Ⅲ＝0，由于Ⅱ、Ⅲ段保护范围大于Ⅰ段，知Ⅰ段信息错误。
根据上述分析，在保护动作信息存在一定错误时，本发明所提出的区域保护不发生拒动和误动，具有较强的纠错能力。
2、保护动作信息缺失情况分析：
发生故障时，若非首末节点的保护信息缺失，则根据区内其他保护动作信息判定故障。
若首节点信息缺失，且故障发生在首段馈线段，则由本地保护切除；若故障在非首段馈线段，则由下游保护信息判别故障。
若末节点信息缺失，Pn,Ⅲ＝0，由式(1)-(4)知，区内故障判别不受影响。因此，在发生单一保护动作信息缺失的情况下，区域保护方案能够可靠工作，满足n-1要求。本发明所提出的区域保护方案故障处理流程图如图5所示。
Claims (4)
1.一种基于逻辑量信息的配电网区域保护系统，其特征在于，所述系统包括顺序相连的故障信息采集模块、故障定位模块和跳闸指令输出模块；
所述故障信息采集模块用于采集配电网中各个节点的三段式电流保护动作信息，并将所采集信息发送至故障定位模块；
所述故障定位模块利用保护区域内各个节点的三段式电流保护动作信息得到区内保护信息逻辑值，然后根据区域保护动作判据得出区域保护动作信号；
所述跳闸指令输出模块用于发出断路器跳闸或闭锁信号,
所述区域保护动作判据的建立方法为
设区域内有n个开关节点并按供电路径顺序编号；
当末节点为断路器时，各节点的区内保护信息表示为
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其中，P为保护动作信息，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为电流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段；Pi Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ表示开关i处的保护综合动作信息，i＝1,2,…,n-1,Pi Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ＝1表示开关i处电流Ⅰ段、Ⅱ段或Ⅲ段动作；Pi Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ＝0表示保护均不动作；Pj,Ⅲ为开关j处的电流Ⅲ段，Pj,Ⅲ＝1即开关j处的电流Ⅲ段动作，Pj,Ⅲ＝0即开关j处的电流Ⅲ段不动作；An-1表示区域内第n-1条支路的故障情况，用于确认故障是否发生在该支路上，An-1＝1时故障发生在该条支路上，An-1＝0时故障未发生在该条支路上；
当末节点为末梢节点即为只连接用户或联络开关的节点，节点的区内保护信息表示为
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联立式(1)和式(2)，得区内保护信息逻辑值为
E表示该区域内的故障情况，用于确认故障是否发生在该区域内，E＝1时表示故障发生在该区域内，E＝0时表示故障未发生在该区域内；
Ak表示区域内第k条支路的故障情况，用于确认故障是否发生在该支路上，Ak值为1则表示故障发生在该条支路上，Ak值为0则表示故障未发生在该条支路上；
所述区域保护动作判据为
式中，M1为区域保护动作信号，M1为1表示保护动作，立即向首节点断路器发送跳闸信号并向上级区域发送闭锁信号，M1为0表示保护不动作；Ck表示下级保护区域闭锁信号，Ck为1表示收到闭锁信息，Ck为0即未收到闭锁信息。
2.一种基于逻辑量信息的配电网区域保护方法，其特征在于，所述方法包括
步骤1、故障信息采集
采集配电网中各个节点的三段式电流保护装置动作信息；
步骤2、故障定位
利用故障信息采集模块采集到的三段式电流保护信息和区域保护动作判据准确识别区内、区外故障；
步骤3、结果输出
判断断路器是否动作，输出断路器跳闸或闭锁指令,
所述步骤2中的区域保护动作判据的建立方法为
设区域内有n个开关节点并按供电路径顺序编号；
当末节点为断路器时，各节点的区内保护信息表示为
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其中，P为保护动作信息，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为电流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段；Pi Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ表示开关i处的保护综合动作信息，i＝1,2,…,n-1,Pi Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ＝1表示开关i处电流Ⅰ段、Ⅱ段或Ⅲ段动作；Pi Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ＝0表示保护均不动作；Pj,Ⅲ为开关j处的电流Ⅲ段，Pj,Ⅲ＝1即开关j处的电流Ⅲ段动作，Pj,Ⅲ＝0即开关j处的电流Ⅲ段不动作；An-1表示区域内第n-1条支路的故障情况，用于确认故障是否发生在该支路上，An-1＝1时故障发生在该条支路上，An-1＝0时故障未发生在该条支路上；
当末节点为末梢节点即为只连接用户或联络开关的节点，节点的区内保护信息表示为
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联立式(1)和式(2)，得区内保护信息逻辑值为
E表示该区域内的故障情况，用于确认故障是否发生在该区域内，E＝1时表示故障发生在该区域内，E＝0时表示故障未发生在该区域内；
Ak表示区域内第k条支路的故障情况，用于确认故障是否发生在该支路上，Ak值为1则表示故障发生在该条支路上，Ak值为0则表示故障未发生在该条支路上；
所述区域保护动作判据为
式中，M1为区域保护动作信号，M1为1表示保护动作，立即向首节点断路器发送跳闸信号并向上级区域发送闭锁信号，M1为0表示保护不动作；Ck表示下级保护区域闭锁信号，Ck为1表示收到闭锁信息，Ck为0即未收到闭锁信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于逻辑量信息的配电网区域保护方法，其特征在于，步骤3中判断断路器是否动作具体为当故障发生后，保护区域将定期收到首节点断路器的状态B，B值为1表示断路器闭合，B值为0表示断路器断开，当一定时间内B＝1且M1＝1，则表明保护出口动作信息与断路器信息不一致，判定断路器出现失灵故障，及时向主站发送断路器失灵信息；若未失灵则断开故障馈线段负荷开关。
4.根据权利要求3所述的一种基于逻辑量信息的配电网区域保护方法，其特征在于，故障馈线段定位判据为式(5)，根据该判据能在断路器灭弧后断开m,m+1节点处的分段开关，恢复正常线路供电；
M2表示第m节点与第m+1节点之间的支路故障情况，若M2为0则表示该支路上无故障，M2大于0则表示故障发生在该条支路上。
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