CN107800121B - 一种分布式配电线路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种分布式配电网线路保护方法，适用于有旋转型分布式电源接入或者合环运行的配电网线路。所述方法将配电网开关视为节点，且于每个节点处配置一套分布式配电保护终端装置。本发明的特点在于：无需依赖配电自动化主站系统，安装于各节点处的配电保护终端一方面通过就地采样模块采集本地电压电流数据以及断路器/负荷开关位置，另一方面通过横向通信交互数据，综合本地及相邻节点的信息，定位并隔离故障点。所述方案在断路器/负荷开关拒动时，终端亦能根据自身及相邻开关的信息启动失灵保护，确保在”N‑1”条件下正确隔离故障。所述方案亦能在终端间的通信发生“N‑1”故障时，依靠容错保护定位并隔离故障点，从而提高配电网供电可靠性。

Description

一种分布式配电线路保护方法

技术领域

本发明涉及配电自动化领域，更具体地说，涉及一种分布式配网线路保护方法。

背景技术

配电网输电线保护目前多采用集中型馈线自动化以及电压/电流-时间型重合器模式实现。其中集中型馈线自动化方式需要配网主站系统参与，保护动作时间长；电压/电流-时间型重合器模式需要变电站出口断路器多次重合闸，对系统冲击大。随着越来越多的分布式电源接入到10kV配电网中，配电网变成了具有双端或者多端电源的网络。另一方面，为进一步提高供电可靠性，一些重要负荷区域采用了多电源、多联络，甚至是合环运行的运行方式。这些都将改变配电网的故障电流分布，使得上述集中型馈线自动化以及电压/电流-时间型重合器模式不再适用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种分布式配网线路保护方法，能有效解决有分布式电源接入或合环运行的配网线路的继电保护问题，包括如下步骤。

本发明以馈线终端(FTU)或站所终端(DTU)等二次设备的形式与一次设备配合。下面将馈线终端和站所终端统称为配电终端。

装置通过I/O模块及采样模块与一次电压/电流互感器以及开关相连，并通过通信模块与线路上其他终端连接，互相交换数据。

配电终端之间将以数据包的形式交换数据，并将对外发送与其开关数量相等的数据包。每个数据包的内容为：开关编号，开关位置，过流元件动作信号，过流元件动作方向，主保护动作信号，容错保护动作信号。上述信号一部分作为在线拓扑识别的判据，一部分作为分布式配电线路保护的判据。

不论是以离线整定或是在线识别的方法，在终端获取了线路全局拓扑后，各终端将以自身开关过流状态及方向、相邻开关过流状态及方向、开关位置、主保护动作信号以及容错保护动作信号作为分布式配电线路保护动作的判据。

对于有分布式电源接入或合环运行的配电线路，当发生线路故障时，随着故障点的不同，各开关的过流方向会发生改变。为对方向做出判别，各开关必须安装电压互感器。同时由于分段开关两侧都有相邻开关，为对两侧的开关加以区分，定义一侧为第一相邻开关，另一侧为第二相邻开关。

将各分段开关两侧的相邻开关加以区分，定义一侧为第一相邻开关，另一侧为第二相邻开关，两侧的相邻开关数量可以为一个，也可以为多个。

本发明的有益效果是：提供的分布式配网线路保护方法，不但能有效解决有分布式电源接入或合环运行的配网系统的线路保护问题，还能定位并隔离位于开闭站或环网柜内的母线故障。此外，当出线断路器失灵或通信异常时，本发明亦能通过失灵保护及容错保护定位并隔离故障点。

基于以上定义，分布式配电线路主保护定位线路故障点的条件为：

(1)若某一开关过流元件动作，且故障电流所指向的一侧的所有开关过流元件均未动作或有开关过流元件动作但其故障电流指向本开关，则可以判定本开关位于故障点上游；

(2)若某一开关过流元件未动作，且在其一侧的相邻开关中，有至少一个开关的过流元件动作，且故障电流均指向本开关，则可以判定本开关位于故障点下游。

在有些情况下，由于条件的限制，并非所有的间隔都安装有电压互感器来进行方向判别，若此时线路是多电源合环运行，抑或是有分布式电源接入，带方向的分布式配电线路保护将不再适用；但若是系统固定为开环运行，且无分布式电源接入，不带方向的分布式配电线路保护依然适用，其故障定位的判据如下：

(1)若某一开关过流元件动作，且其一侧的相邻开关中没有一个过流元件动作，即可判定该开关位于故障点上游。

(2)若某一开关过流元件未动作，且相邻开关中有且只有一个开关过流元件动作，即可判定该开关位于故障点下游。

以上是一般分段开关的动作逻辑，分支线开关只要满足过流条件即可出口，接有小电源的分支线开关不算做分支线开关，认为是首端分段开关。由于首端分段开关无法接收到电源侧的信息，故当电源侧逻辑开关过流方向为正时即判定为故障点上游，并出口跳闸；此外，当首端分段开关检测到母线失压时，即认为是故障点下游，并出口跳闸，同时在检测到过流元件启动时，闭锁失压跳闸保护，为了避免首端站所发生母线三相接地时，同时发生过流和失压而产生的竞争关系。

对于负责单间隔保护的FTU而言，一旦定位为故障点上游或者下游，跳开本开关即可。而对于负责多个间隔保护的DTU而言，若故障区段在站所外，仅需跳开故障点上游开关即可，若故障区段定位与站内，即母线故障，站内所有开关均需跳闸。

常规失灵保护由过流元件启动，经失灵保护延时后动作。但在配网线路中，仅凭这一条无法构成失灵保护的判据。因为在单电源线路中，位于故障点下游的开关过流元件不会动作，无法依靠过流元件启动。故统一将启动信号定为相邻开关分布式配电线路保护动作。在经过失灵保护延时后，检测到故障电流未消失或相邻开关的分闸位置开关量依旧为0，则失灵保护动作。

发生节点交换机故障或配电终端故障等通信故障时，通信中断节点处的配电终端与两侧相邻开关的通信均中断，闭锁所有保护；通信中断处的配电终端仅与一侧相邻开关的通信中断，闭锁分布式配电线路主保护，保留容错保护。容错保护动作的判据为：

(1)仅与一侧相邻开关的通信中断，若本开关过流元件动作，且故障电流所指向的一侧的所有通信正常的开关过流元件均未动作或有开关过流元件动作但其故障电流指向本开关，则可以判定本开关位于故障点上游；若与故障电流所指向一侧的所有开关通信均中断，则认为通信中断的开关均未过流，亦可判定为故障点上游；

(2)仅与一侧相邻开关的通信中断，若本开关过流元件未动作，且在其一侧的通信正常的相邻开关中，过流元件动作的开关故障电流都不指向本开关，同时次邻开关容错保护动作，则可以判定本开关位于故障点下游；若一侧的所有开关通信均中断，则认为通信中断的开关过流元件动作，且过流方向指向本开关。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种分布式配电线路保护连接示意图；

图2、图3、图4为本发明实施例提供的一次设备接线图；

图5为本发明实施例提供的带方向的分布式配电线路保护逻辑图；

图6为本发明实施例提供的容错保护保护逻辑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的典型实施方案设备连接示意图。本发明以馈线终端(FTU)或站所终端(DTU)等二次设备的形式与一次设备配合。下面将馈线中断和站所终端统称为配电终端。装置通过I/O模块及采样模块与一次电压/电流互感器以及开关相连，并通过通信模块与线路上其他终端连接，互相交换数据。

馈线终端接入的开关数量一般为一个，站所终端接入的开关数量一般为4到16个，终端之间将以数据包的形式交换数据，并将对外发送与其开关数量相等的数据包。每个数据包的内容为：开关编号，开关位置，过流元件动作信号，过流元件动作方向，主保护动作信号，容错保护动作信号。上述信号一部分作为在线拓扑识别的判据，一部分作为分布式配电线路保护的判据。

不论是以离线整定或是在线识别的方法，在终端获取了线路全局拓扑后，各终端将以自身开关过流状态及方向、相邻开关过流状态及方向、开关位置、主保护动作信号以及容错保护动作信号来作为分布式配电线路保护动作的判据。

对于有分布式电源接入或合环运行的配电线路，当发生线路故障时，随着故障点的不同，各开关的过流方向会发生改变。如图2所示，当故障点为F3时，开关6005的故障电流流向开关6002，而当故障点为F4时，开关6005的故障电流则是流向6006。为对方向做出判别，各开关必须安装电压互感器。

每个开关均有各自的相邻开关，对于线路首/末端开关而言，其仅有一侧有相邻开关，而对于普通分段开关而言，其两侧均有相邻开关。有分布式电源接入或线路合环运行时，需对故障电流的方向加以判别，同时也需要将两侧的相邻开关加以区分，在此定义一侧为第一相邻开关，另一侧为第二相邻开关，两侧的相邻开关数量可以为一个，也可以为多个。

若以集合的形式将本开关与相邻开关的组合表示出来，以图2中的6002开关为例，可以表示为{6002，6001，6005，0，0}，由于一个开关一般不会有4个以上的相邻开关，故将集合的元素个数定为5个，令第一个元素总是本开关的编号，若相邻开关数少于4个，则以0补齐。每个开关都有自己的相邻开关集合，该集合可以通过离线整定的方式或者在线识别的方式获得。

基于以上规则，将第一相邻开关的定义为：与相邻开关集合中的第二元素在同一侧的开关。其余的开关则归为第二相邻开关。

基于以上定义，分布式配电线路主保护定位线路故障点的条件为：

(1)若某一开关过流元件动作，且故障电流所指向的一侧的所有开关过流元件均未动作或有开关过流元件动作但其故障电流指向本开关，则可以判定本开关位于故障点上游；

(2)若某一开关过流元件未动作，且在其一侧的相邻开关中，有至少一个开关的过流元件动作，且故障电流均指向本开关，则可以判定本开关位于故障点下游。

图5为分布式配电线路保护故障定位原理的逻辑图。但图5仅列出了故障电流指向第一相邻开关时的逻辑，故障电流指向第二相邻开关时的逻辑与之类似，仅需将所有“第一”替换为“第二”即可。

举例说明，如图2所示，当F4发生故障时，6001开关过流动作且方向指向6002开关，但6002开关的过流方向未并不指向6001开关，故6001开关不能定位为故障点上/下游，同理6002开关也不能定位为故障点上/下游。6005开关过流元件动作，方向指向开关6006和6010一侧，且开关6006和6010均未动作，故6005定位为故障点上游。6006开关过流元件未动作，但其相邻开关6005过流元件动作，且指向6006开关，故6006开关定位为故障点下游，同理6010开关也定位为故障点下游。其余开关自身及相邻开关过流元件均为动作，定位情况不再赘述。

另一种情况，如图3所示，令开关6012处于合位，故障同样发生在F4，6001和6002的过流情况与上一种情况相同，依然不会定位为故障点上/下游。6005开关过流元件动作，方向指向开关6006和6010一侧，6006开关过流元件动作，且方向指向开关6005，故6005定位为故障点上游。6006开关过流元件动作，方向指向开关6005和6010一侧，6005开关过流元件动作，且方向指向开关6006，故6006也定位为故障点上游。6010开关过流元件未动作，但其相邻开关6005和6006过流元件动作，且方向均指向6010开关，故6010开关定位为故障点下游。开关6011，6012，6013，6025，6026和6027的定位情况与6001开关相同，不会定位为故障点上/游。其余开关自身及相邻开关过流元件均为动作，定位情况不再赘述。

还有一种情况，如图2所示，故障发生在F12处，6001和6002的过流情况与第一种情况相同，依然不会定位为故障点上/下游。6005开关的过流元件动作，方向指向开关6006和6010一侧，6010开关过流元件动作但并不指向6005，也不会定位为故障点上/下游。 6010开关过流元件动作，方向指向6022开关，6022开关过流元件未动作，故6010开关定位为故障点上游。6006开关过流元件未动作，虽然有6005和6010两个开关的过流元件动作，但6010开关的过流方向并未指向6006开关，故6006开关也无法定位为故障点上/下游。开关6002过流元件未动作，但其相邻开关6010过流元件动作且方向指向6002开关，故6002开关定位为故障点下游。其余开关自身及相邻开关过流元件均为动作，定位情况不再赘述。

在有些情况下，由于条件的限制，并非所有的间隔都安装有电压互感器来进行方向判别，若此时线路是多电源合环运行，抑或是有分布式电源接入，带方向的分布式配电线路保护将不再适用；但若是系统固定为开环运行，且无分布式电源接入，不带方向的分布式配电线路保护依然适用，其故障定位的判据如下：

(1)若某一开关过流元件动作，且其一侧的相邻开关中没有一个过流元件动作，即可判定该开关位于故障点上游。

(2)若某一开关过流元件未动作，且相邻开关中有且只有一个开关过流元件动作，即可判定该开关位于故障点下游。

以上是一般分段开关的动作逻辑，分支线开关只要满足过流条件即可出口，接有小电源的分支线开关不算做分支线开关，认为是首端分段开关。由于首端分段开关无法接收到电源侧的信息，故当电源侧逻辑开关过流方向为正时即判定为故障点上游，并出口跳闸；此外，当首端分段开关检测到母线失压时，即认为是故障点下游，并出口跳闸，同时在检测到过流元件启动时，闭锁失压跳闸保护，为了避免首端站所发生母线三相接地时，同时发生过流和失压而产生的竞争关系。

对于负责单间隔保护的FTU而言，如装设在6011开关处的FTU，一旦定位为故障点上游或者下游，跳开本开关即可。而对于负责多个间隔保护的DTU而言，如装设在站所2的DTU，若故障区段在站所外，如在开关6006与开关6011之间，仅需跳开6006开关即可，若故障区段定位与站内，即母线故障，站内所有开关都需跳闸。

当开关能够正常动作时，故障点两侧开关都应跳闸，从而可靠隔离故障。然而系统在运行时难免会有开关无法正确动作的情况。举例来讲如图2所示，当故障点位于F5时，开关6006及开关6011都应跳闸以隔离故障。当开关6006拒动时，应由开关6005失灵保护动作来隔离故障。

常规失灵保护由过流元件启动，经失灵保护延时后动作。但在配网线路中，仅凭这一条无法构成失灵保护的判据。因为在单电源线路中，位于故障点下游的开关过流元件不会 动作，无法依靠过流元件启动。故统一将启动信号定为相邻开关分布式配电线路保护动作。在经过失灵保护延时后，检测到故障电流未消失或相邻开关的分闸位置开关量依旧为0，则失灵保护动作。

在实际运行过程中，难免会出线通信中断的情况，保守的做法是一旦有节点通信故障，即所有节点退出主保护，依靠变电站馈线开关来隔离故障，但这种做法会造成非故障区域失电，扩大故障范围。

目前配电网主要分为线通信方式为以太网无源光网络(EPON)和光纤以太环网两种，由于EPON网络的特性，不适合承载分布式配电线路保护业务，下面以光纤以太环网做为组网方式时作为前提进行说明。

通信断链主要由以下几种情况：

(1)光缆故障，如被挖断；

当光缆被挖断时，由于光纤以太环网的快速生成树协议(RSTP)和高可用性无缝冗余协议(HSR)的存在，通信将在数毫秒到数秒的时间内恢复，在不考虑两处光缆同时被挖断或者光缆刚发生故障，或环网通信尚未恢复之前，配电线路上也立刻发生故障的情况下，不会对主保护造成影响。

(2)某一节点的交换机故障；(多个节点的交换同时故障不考虑)

当某一节点的交换机故障时，也需要RSTP或HSR协议来恢复环网通信，但此时该节点的装置将收不到外部任何信号，也无法对外发送任何信号。

(3)某一节点的配电终端故障。(多个节点同时故障不考虑)

当某一节点的装置故障时，指的是某一节点的终端已无法正常工作。

发生第(2)种通信故障时，通信中断节点处的配电终端与两侧相邻开关的通信均中断，闭锁所有保护；通信中断处相邻节点的配电终端仅与一侧相邻开关的通信中断，闭锁分布式配电线路主保护，保留“容错保护”。容错保护动作的判据为：

(1)仅与一侧相邻开关的通信中断，若本开关过流元件动作，且故障电流所指向的一侧的所有通信正常的开关过流元件均未动作或有开关过流元件动作但其故障电流指向本开关，则可以判定本开关位于故障点上游；若与故障电流所指向一侧的所有开关通信均中断，则认为通信中断的开关均未过流，亦可判定为故障点上游；

(2)仅与一侧相邻开关的通信中断，若本开关过流元件未动作，且在其一侧的通信正常的相邻开关中，过流元件动作的开关故障电流都不指向本开关，同时次邻开关(相邻开关的相邻开关)容错保护动作，则可以判定本开关位于故障点下游；若一侧的所有开关通信均中断，则认为通信中断的开关过流元件动作，且过流方向指向本开关。

举例分析，如图4所示，假定故障点位于F7，且6012开关交换机故障，但6012开关处FTU工作正常，即通信中断节点位于短路故障点上游。此时6012开关过流元件动作，但其两侧的通信均中断，网络拓扑保护将无法动作。开关6011仅有一侧通信中断，且过流元件动作，过流方向指向开关6012一侧，此时6011开关与6012开关的通信中断，认为其过流未动作，即判断为故障点上游，经“容错保护延时”时间后容错保护出口动作。

在6011开关容错保护动作后，6013收到该信号，同时认为通信中断的开关6012过流元件动作，且过流方向为流向6013开关，6013开关即判定为故障点下游，经“容错保护延时”时间后容错保护出口动作。至此，6011，6013开关皆动作，成功隔离了故障区域。

对于装置故障的情况，其实与交换机故障时的情形一样，故障节点的装置并不会动作，需要靠相邻的开关容错保护动作来隔离故障。图6为容错保护的逻辑图，依旧只列出了故障电流指向第一相邻开关时的逻辑，故障电流指向第二相邻开关时的逻辑与之类似，仅需将所有“第一”替换为“第二”即可。不带方向的逻辑图也类似，不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种分布式配电线路保护方法，其特征在于：将二次设备与一次设备配合，在二次设备中，通过设置I/O模块及采样模块与一次电压/电流互感器以及开关相连，并通过设置通信模块与线路上其他终端连接，互相交换数据，所述二次设备包括馈线终端和站所终端；

所述方法中，以分支线开关只要满足过流条件即可出口，接有小电源的分支线开关不算做分支线开关，认为是首端分段开关；由于首端分段开关无法接收到电源侧的信息，故当电源侧逻辑开关过流方向为正时即判定为故障点上游，并出口跳闸；此外，当首端分段开关检测到母线失压时，即认为是故障点下游，并出口跳闸，同时在检测到过流元件启动时，闭锁失压跳闸保护，避免首端站所发生母线三相接地时，同时发生过流和失压而产生的竞争关系。

2.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，所述馈线终端接入的开关数量为一个，所述的站所终端接入的开关数量为4至16个；终端之间均以数据包的形式交换数据，并将对外发送与其开关数量相等的数据包；每个数据包的内容包括：开关编号，开关位置，过流元件动作信号，过流元件动作方向，主保护动作信号，容错保护动作信号。

3.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，所述的馈线终端或站所终端在获取了线路全局拓扑后，各终端将以自身开关过流状态及方向、相邻开关过流状态及方向、开关位置、主保护动作信号以及容错保护动作信号来作为分布式配电线路保护动作的判据。

4.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，每个开关均有各自的相邻开关，对于线路首/末端开关而言，其仅有一侧有相邻开关，而对于普通分段开关而言，其两侧均有相邻开关，定义一侧为第一相邻开关，另一侧为第二相邻开关，两侧的相邻开关数量为一个或者多个。

5.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，对于有分布式电源接入或合环运行的配电线路，通过在各开关上安装电压互感器来对方向做出判别。

6.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，主保护定位故障点的方法为：

若某一开关过流元件动作，且故障电流所指向的一侧的所有开关过流元件均未动作或有开关过流元件动作但其故障电流指向本开关，则判定本开关位于故障点上游；

若某一开关过流元件未动作，且在其一侧的相邻开关中，有至少一个开关的过流元件动作，且故障电流均指向本开关，则判定本开关位于故障点下游。

7.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，在系统固定为开环运行，且无分布式电源接入的情况下，不带方向的分布式配电线路保护故障定位的判断方法为：

若某一开关过流元件动作，且其一侧的相邻开关中没有一个过流元件动作，即可判定该开关位于故障点上游；

若某一开关过流元件未动作，且相邻开关中有且只有一个开关过流元件动作，即可判定该开关位于故障点下游。

8.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，设置失灵保护，将启动信号定为相邻开关分布式配电线路保护动作，在经过失灵保护延时后，检测到故障电流未消失或相邻开关的分闸位置开关量依旧为0，则失灵保护动作。

9.如权利要求1所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，设置容错保护，通信中断节点处的配电终端与两侧相邻开关的通信均中断，闭锁所有保护；通信中断处的配电终端仅与一侧相邻开关的通信中断，闭锁分布式配电线路主保护。

10.如权利要求9所述的一种分布式配电线路保护方法，其特征在于，所述的容错保护动作的判断方法为：

仅与一侧相邻开关的通信中断，若本开关过流元件动作，且故障电流所指向的一侧的所有通信正常的开关过流元件均未动作或有开关过流元件动作但其故障电流指向本开关，则可以判定本开关位于故障点上游；若与故障电流所指向一侧的所有开关通信均中断，则认为通信中断的开关均未过流，亦可判定为故障点上游；

仅与一侧相邻开关的通信中断，若本开关过流元件未动作，且在其一侧的通信正常的相邻开关中，过流元件动作的开关故障电流都不指向本开关，同时次邻开关容错保护动作，则可以判定本开关位于故障点下游；若一侧的所有开关通信均中断，则认为通信中断的开关过流元件动作，且过流方向指向本开关。