CN110311359B - 一种直流配电网网络化保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流配电网网络化保护系统，将直流配电网分为至少一个母线区域和至少一个联络线区域，每个母线区域均划分为至少一个母线间隔，每个联络线区域均划分为至少一个联络线间隔，在各母线间隔和各联络线间隔中分别设置母线间隔就地保护单元和联络线间隔就地保护单元，各母线间隔就地保护单元与各母线间隔一一对应，各联络线间隔就地保护单元与各联络线间隔一一对应。各区域配置不同原理和逻辑的保护功能，使得不同类型区域内的各保护单元能够结合本区域内其他间隔保护单元的故障信息准确定位故障，提高了直流配电网保护的选择性及其供电的可靠性。

Description

一种直流配电网网络化保护系统

技术领域

本发明涉及电力系统配电网继电保护技术领域，特别是一种直流配电网网络化保护系统。

背景技术

随着直流用电负荷日益增多及越来越多光伏、风电等新能源的接入，传统的交流电网产生了一系列电能质量问题。一方面，新能源的间歇波动特性导致系统电压及频率的无规律波动和冲击，且电力电子设备向系统注入复杂的谐波。另一方面，直流充电桩、数据中心等直流负荷采用交流电源供电时，须对电源经过多级变换才能工作，损耗较大。相对于交流配电网的诸如此类问题，直流配电网具有独特的技术优势，作为未来配电网发展的重要方向，中低压直流配电网应用日趋增多。

中低压直流配电的典型拓扑结构有基于单母线的配电系统，还有环状、放射状、两端配电等多种结构。无论何种拓扑，由于通常接入的光伏、风电及充能等分布式电源很多，且直流负荷具有多种电压等级，因此系统一般存在多级连接的形式，结构非常复杂。

目前直流配电网并非只有一种间隔，每种间隔由于种类不同，对应的保护装置的保护原理和保护过程不同，间隔之间的数据信息无法交互。因此，各间隔通常配置以过电流保护为主的单端量保护，不采集其它间隔的相关信息，且与系统中其它间隔的保护无信息交互。当系统故障时，只能根据自身间隔的故障信息进行简单的故障判别，无法结合其他间隔的故障信息进行更加准确的故障判断，也无法实现系统故障准确定位，而且，单一间隔的故障判断易引起大量开关误动，导致系统大面积停电，不能满足保护选择性及系统供电可靠性的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流配电网网络化保护系统，用以解决各间隔只根据自身的故障信息进行故障判别，无法结合其他间隔的故障信息进行更加准确的故障判断的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种直流配电网网络化保护系统，该网络化保护系统对应的直流配电线路分为至少一个母线区域和至少一个联络线区域，每一个母线区域均包括至少一个母线间隔，每一个联络线区域均包括至少一个联络线间隔，所述网络化保护系统包括设置在各母线间隔中的母线间隔就地保护单元，各母线间隔就地保护单元与各母线间隔一一对应，所述网络化保护系统包括设置在各联络线间隔中的联络线间隔就地保护单元，各联络线间隔就地保护单元与各联络线间隔一一对应，各母线间隔就地保护单元实现对应母线间隔的故障检测和保护，并与所属母线区域的其他母线间隔就地保护单元进行故障信息交互，形成母线区域保护子系统；各联络线间隔就地保护单元实现对应联络线间隔的故障检测和保护，并与所属联络线区域的其他联络线间隔就地保护单元进行故障信息交互，形成联络线区域保护子系统。

有益效果是，将配电网整体分成母线区域和联络线区域两大类区域，不同类型的区域对应的间隔不同，对应的保护原理和保护逻辑不相同，不同类型的间隔配设有相应的保护单元能够进行比较准确的故障判断，在中低压直流配电网中将保护单元就地分布式配置、单端量采集、方案简单且功能可靠的直流配电网网络化保护，该保护简单可靠，不仅能够根据各间隔自身的故障信息进行故障判别，还能够结合其他间隔的故障信息进行更加准确的故障判断，提高了保护的选择性及中低压直流配电网供电的可靠性。

进一步地，为了便于实现母线间隔就地保护，母线间隔就地保护单元包括用于采集相应母线间隔模拟量信息的第一AI模块、用于采集相应母线间隔开关量信息的第一DI模块、用于输出相应跳闸出口信息的第一DO模块、用于与所属母线区域的其他母线间隔就地保护单元进行交互的第一交互接口以及用于实现故障检测与保护的母线保护功能模块；联络线间隔就地保护单元包括用于采集相应联络线间隔模拟量信息的第二AI模块、用于采集相应联络线间隔开关量信息的第二DI模块、用于输出相应跳闸出口信息的第二DO模块、用于与所属联络线区域的其他联络线间隔就地保护单元进行交互的第二交互接口以及用于实现故障检测与保护的联络线保护功能模块。

进一步地，为了保证母线间隔就地保护能够应对多种情况，所述母线间隔包括不带联络功能的有源间隔、母联间隔和纯负荷无源间隔，所述不带联络功能的有源间隔对应的母线间隔就地保护单元为第一母线间隔就地保护单元，所述母联间隔对应的母线间隔就地保护单元为第二母线间隔就地保护单元，所述纯负荷无源间隔对应的母线间隔就地保护单元为第三母线间隔就地保护单元，所述第一母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有经正方向闭锁的过电流保护和经反方向闭锁的过电流保护两套保护，所述第二母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有一套母联间隔过电流保护，所述第三母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有一套纯负荷无源间隔过电流保护；所述联络线保护功能模块设置有带联络功能的联络线间隔正方向过电流保护和带联络功能的联络线间隔反方向过电流保护两套保护。

进一步地，为了精准实现母线间隔就地保护，设定各就地保护单元电流正方向均以母线流入各间隔为参考正方向，

所述第一母线间隔就地保护单元的经反方向闭锁的过电流保护逻辑为：

当母线任一有源间隔出现过电流且功率方向为反方向，经第一确认时间T1后没有收到其他间隔的正方向启动信号，则判定故障点在母线上，反方向过电流保护，经第一延时时间t1动作切除故障；

所述第一母线间隔就地保护单元的经正方向闭锁的过电流保护逻辑为：

当母线不带联络功能的任一有源间隔出现过电流且功率方向为正方向，则判定故障点在本有源间隔对应的支路上，正方向过流保护动作，经第二延时时间t2跳开本支路，再第三延时时间t3联跳其他有源间隔对应的支路；

所述第二母线间隔就地保护单元的过电流保护逻辑为：

当母联间隔出现过电流，若经第二确认时间T2后没有收到母联间隔相连的两段母线上所有间隔的正方向启动信号，则判定故障点在与母联间隔相连的母线上，此时保护动作经第四延时时间t4跳开母联开关，再第五延时时间t5联跳两段母线上的所有有源间隔；

所述第三母线间隔就地保护单元的过电流保护逻辑为：

当任一无源间隔出现过电流且功率方向为正方向，则判定故障点在本无源间隔对应的支路上，正方向过流保护动作，经第六延时时间t6跳开本支路，再第七延时时间t7联跳其他有源间隔对应的支路；

所述带联络功能的联络线间隔正方向过电流保护逻辑为：

当联络线间隔的任一侧出现过电流且功率方向为正方向时，若第三确认时间T3后联络线本侧收到联络线对侧的正方向故障启动信号或联络线对侧开关处于分位，判定故障点在联络线上，正方向过电流保护动作经第八延时时间t8跳开本联络线两侧开关，第九延时时间t9联跳与本联络线相邻的有源间隔；

所述带联络功能的联络线间隔反方向过电流保护逻辑为：

当联络线间隔的任一侧出现过电流且功率方向为反方向，经第四确认时间T4后没有收到与本侧母线相连的其他支路的正方向启动信号，则判定故障点在母线上，反方向过电流保护，经第十延时时间t10动作切除故障。

进一步地，在实现上述功能的同时实现故障的定位，各母线间隔就地保护单元结合本母线间隔的故障信息以及所属母线区域的其他母线间隔的故障信息进行故障定位，各联络线间隔就地保护单元结合本联络线间隔的故障信息以及所属联络线区域的其他联络线间隔的故障信息进行故障定位。

进一步地，为了便于保护子系统的管理，所有的母线区域保护子系统和联络线区域保护子系统之间进行故障信息交互，形成过程层网络。

附图说明

图1是本发明的一种直流配电网的示意图；

图2是本发明的一种直流配电网区域划分示意图；

图3是本发明的一种直流配电网网络化保护系统的结构示意图；

图4是本发明的就地保护单元电流正方向规定原理图；

图5是本发明的除母联间隔外各间隔启动判别逻辑原理图；

图6是本发明的母联间隔启动判别逻辑原理图；

图7是本发明的不带联络功能的有源间隔反方向过电流保护逻辑原理图；

图8是本发明的不带联络功能的有源间隔正方向过电流保护逻辑原理图；

图9是本发明的母联间隔过电流保护逻辑原理图；

图10是本发明的无源间隔正方向过电流保护逻辑原理图；

图11是本发明的联络线间隔正方向过电流保护逻辑原理图；

图12是本发明的联络线间隔反方向过电流保护逻辑原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供一种直流配电网，如图1所示，包括直流配电线路，直流配电线路分为至少一个母线区域和至少一个联络线区域，每一个母线区域均包括至少一个母线间隔，每一个联络线区域均包括至少一个联络线间隔。将上述直流配电网划分为直流母线及直流联络线两类区域，如图2所示，各区域中每个间隔配置相同的就地保护单元并独立运行。

基于上述直流配电网形成一种直流配电网网络化保护系统，如图3所示，包括用于设置在各母线间隔中的母线间隔就地保护单元，各母线间隔就地保护单元与各母线间隔一一对应，该网络化保护系统还包括用于设置在各联络线间隔中的联络线间隔就地保护单元，各联络线间隔就地保护单元与各联络线间隔一一对应，各母线间隔就地保护单元实现对应母线间隔的故障检测和保护，并与所属母线区域的其他母线间隔就地保护单元进行故障信息交互，形成母线区域保护子系统；各联络线间隔就地保护单元实现对应联络线间隔的故障检测和保护，并与所属联络线区域的其他联络线间隔就地保护单元进行故障信息交互，形成联络线区域保护子系统。

上述的母线间隔就地保护单元包括用于采集相应母线间隔模拟量信息的第一AI模块、用于采集相应母线间隔开关量信息的第一DI模块、用于输出相应母线间隔跳闸出口信息的第一DO模块、用于与所属母线区域的其他母线间隔就地保护单元进行交互的第一交互接口以及用于实现故障检测与保护的母线保护功能模块；联络线间隔就地保护单元包括用于采集相应联络线间隔模拟量信息的第二AI模块、用于采集相应联络线间隔开关量信息的第二DI模块、用于输出相应联络线间隔跳闸出口信息的第二DO模块、用于与所属联络线区域的其他联络线间隔就地保护单元进行交互的第二交互接口以及用于实现故障检测与保护的联络线保护功能模块。

母线间隔包括不带联络功能的有源间隔、母联间隔和纯负荷无源间隔，不带联络功能的有源间隔对应的母线间隔就地保护单元为第一母线间隔就地保护单元，母联间隔对应的母线间隔就地保护单元为第二母线间隔就地保护单元，纯负荷无源间隔对应的母线间隔就地保护单元为第三母线间隔就地保护单元，第一母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有经正方向闭锁的过电流保护和经反方向闭锁的过电流保护两套保护，第二母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有一套母联间隔过电流保护，第三母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有一套纯负荷无源间隔过电流保护；联络线保护功能模块设置有带联络功能的联络线间隔正方向过电流保护和带联络功能的联络线间隔反方向过电流保护两套保护。

上述各母线间隔就地保护单元和各联络线间隔就地保护单元均通过本间隔的故障信息进行本间隔的故障启动及正方向判别，并将生成的正方向过电流状态量以GOOSE报文的方式与所属母线区域的其他母线间隔或联络线间隔就地保护单元进行故障信息交互，形成母线区域保护子系统和联络线区域保护子系统，另外，所有的母线区域保护子系统和联络线区域保护子系统之间进行故障信息交互，形成过程层网络。

过程层接口用于接入过程层网络，发送本间隔的方向过电流GOOSE报文，并接收本间隔所属区域内其他间隔的方向过电流GOOSE报文；站控层接口用于接入监控系统，并进行数据和信息交互；保护功能模块用于实现本间隔的故障识别及动作出口。当系统故障时，各就地保护单元通过本间隔的故障信息进行本间隔的故障启动及正方向判别，并将生成的正方向过电流状态量以GOOSE报文的方式发送至过程层网络。

各就地保护单元正方向过电流GOOSE报文具备本间隔开关失灵时的信号自收功能，即：本间隔就地保护单元电流方向为正时，保护动作且经预设的时间t后，若故障仍然存在，则将本间隔的正方向过电流启动GOOSE信号收回。

各就地保护单元通过系统配置文件接收相应间隔的GOOSE报文并与监控系统进行信息交互。配置文件为XML文件，包括：用于与过程层网络交换信息的CCD文件、用于与站控层网络进行信息传输的CID文件。

各就地保护单元分别以本间隔的故障特征、综合本间隔所属区域内其他间隔就地保护单元的GOOSE报文，根据预设的保护功能模块进行故障定位并切除故障。

设定各就地保护单元电流正方向均以母线流入各间隔为参考正方向，各间隔的正方向规定如图4所示，常规的启动判别逻辑如图5和图6所示。当过流保护启动且功率方向为正时本间隔正方向故障启动；当母联过流保护启动且功率方向为正时，Ⅰ母线正方向母联故障启动，当母联过流保护启动且Ⅰ母线正方向母联故障未启动时，Ⅱ母线正方向母联故障启动。

如图7所示，上述的第一母线间隔就地保护单元的经反方向闭锁的过电流保护逻辑为：当母线任一有源间隔出现过电流且功率方向为反方向，经第一确认时间T1后没有收到其他间隔的正方向启动信号，则认为故障点在母线上；反方向过电流保护，经第一延时时间t1动作切除故障。过流保护投入和过流元件动作即为过电流。其他间隔是指，除本间隔外的、与本段母线相连的其余支路，对应图7中的支路1～支路n。

如图8所示，第一母线间隔就地保护单元的正方向闭锁过流保护逻辑为：当母线不带联络功能的任一有源间隔出现过电流且功率方向为正方向，则判定故障点在本有源间隔对应的支路上，正方向过流保护动作，经第二延时时间t2跳开本支路，再经第三延时时间t3联跳其他有源间隔对应的支路。

如图9所示，第二母线间隔就地保护单元的过电流保护逻辑为：当母联间隔出现过电流，若经第二确认时间T2后没有与收到对应母联间隔相连的两段母线上所有间隔的正方向故障启动信号，则认为故障点在与对应母联间隔相连的母线上，保护动作经第四延时时间t4跳开母联开关，缩小故障范围，再第五延时时间t5联跳两段母线上的所有有源间隔。所有间隔是指，与母联相连的两段母线上的全部支路。对应图9中的I母支路1～n，II母支路1～n。

如图10所示，第三母线间隔就地保护单元的过电流保护逻辑为：当本无源间隔出现过电流且功率方向为正方向，则判定故障点在本无源间隔对应的支路上，正方向过流保护动作，经第六延时时间t6跳开本支路，再经第七延时时间t7联跳其他有源间隔对应的支路。

如图11所示，联络线保护功能模块的带联络功能的联络线间隔正方向过电流保护逻辑为：当联络线间隔的任一侧出现过电流且功率方向为正方向时，若经第三确认时间T3后联络线本侧收到联络线对侧的正方向故障启动信号或联络线对侧开关处于分位，认为故障点在联络线上，正方向过电流保护动作经第八延时时间t8跳开本联络线两侧开关，再第九延时时间t9联跳与本联络线相邻的有源间隔。

如图12所示，带联络功能的联络线间隔的反方向过电流保护逻辑为：当联络线间隔的任一侧出现过电流且功率方向为反方向，经第四确认时间T4后没有收到与本侧母线相连的支路1～支路n的正方向启动信号，则判定故障点在母线上，反方向过电流保护，经第十延时时间t10动作切除故障。

除了上述各个过电流保护的具体判断过程之外，系统还可以采用其他的故障判据，因此，该系统并不局限于各个过电流保护的具体判断过程，还可根据实际需求进行修改或者改进。

在实现上述功能的同时实现故障的定位，各母线间隔就地保护单元结合本母线间隔的故障信息以及所属母线区域的其他母线间隔的故障信息进行故障定位，各联络线间隔就地保护单元结合本联络线间隔的故障信息以及所属联络线区域的其他联络线间隔的故障信息进行故障定位。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种直流配电网网络化保护系统，该网络化保护系统对应的直流配电线路分为至少一个母线区域和至少一个联络线区域，每一个母线区域均包括至少一个母线间隔，每一个联络线区域均包括至少一个联络线间隔，其特征在于，所述网络化保护系统包括设置在各母线间隔中的母线间隔就地保护单元，各母线间隔就地保护单元与各母线间隔一一对应，所述网络化保护系统包括设置在各联络线间隔中的联络线间隔就地保护单元，各联络线间隔就地保护单元与各联络线间隔一一对应，各母线间隔就地保护单元实现对应母线间隔的故障检测和保护，并与所属母线区域的其他母线间隔就地保护单元进行故障信息交互，形成母线区域保护子系统；各联络线间隔就地保护单元实现对应联络线间隔的故障检测和保护，并与所属联络线区域的其他联络线间隔就地保护单元进行故障信息交互，形成联络线区域保护子系统；

母线间隔就地保护单元包括用于采集相应母线间隔模拟量信息的第一AI模块、用于采集相应母线间隔开关量信息的第一DI模块、用于输出相应跳闸出口信息的第一DO模块、用于与所属母线区域的其他母线间隔就地保护单元进行交互的第一交互接口以及用于实现故障检测与保护的母线保护功能模块；联络线间隔就地保护单元包括用于采集相应联络线间隔模拟量信息的第二AI模块、用于采集相应联络线间隔开关量信息的第二DI模块、用于输出相应跳闸出口信息的第二DO模块、用于与所属联络线区域的其他联络线间隔就地保护单元进行交互的第二交互接口以及用于实现故障检测与保护的联络线保护功能模块；

所述母线间隔包括不带联络功能的有源间隔、母联间隔和纯负荷无源间隔，所述不带联络功能的有源间隔对应的母线间隔就地保护单元为第一母线间隔就地保护单元，所述母联间隔对应的母线间隔就地保护单元为第二母线间隔就地保护单元，所述纯负荷无源间隔对应的母线间隔就地保护单元为第三母线间隔就地保护单元，所述第一母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有经正方向闭锁的过电流保护和经反方向闭锁的过电流保护两套保护，所述第二母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有一套母联间隔过电流保护，所述第三母线间隔就地保护单元中的母线保护功能模块设置有一套纯负荷无源间隔过电流保护；所述联络线保护功能模块设置有带联络功能的联络线间隔正方向过电流保护和带联络功能的联络线间隔反方向过电流保护两套保护；

设定各就地保护单元电流正方向均以母线流入各间隔为参考正方向；

所述第一母线间隔就地保护单元的经反方向闭锁的过电流保护逻辑为：

当母线任一有源间隔出现过电流且功率方向为反方向，经第一确认时间T1后没有收到其他间隔的正方向启动信号，则判定故障点在母线上，反方向过电流保护，经第一延时时间t1动作切除故障；

所述第一母线间隔就地保护单元的经正方向闭锁的过电流保护逻辑为：

当母线不带联络功能的任一有源间隔出现过电流且功率方向为正方向，则判定故障点在本有源间隔对应的支路上，正方向过流保护动作，经第二延时时间t2跳开本支路，再第三延时时间t3联跳其他有源间隔对应的支路；

所述第二母线间隔就地保护单元的过电流保护逻辑为：

当母联间隔出现过电流，若经第二确认时间T2后没有收到母联间隔相连的两段母线上所有间隔的正方向启动信号，则判定故障点在与母联间隔相连的母线上，此时保护动作经第四延时时间t4跳开母联开关，再第五延时时间t5联跳两段母线上的所有有源间隔；

所述第三母线间隔就地保护单元的过电流保护逻辑为：

当任一无源间隔出现过电流且功率方向为正方向，则判定故障点在本无源间隔对应的支路上，正方向过流保护动作，经第六延时时间t6跳开本支路，再第七延时时间t7联跳其他有源间隔对应的支路；

所述带联络功能的联络线间隔正方向过电流保护逻辑为：

当联络线间隔的任一侧出现过电流且功率方向为正方向时，若第三确认时间T3后联络线本侧收到联络线对侧的正方向故障启动信号或联络线对侧开关处于分位，判定故障点在联络线上，正方向过电流保护动作经第八延时时间t8跳开本联络线两侧开关，第九延时时间t9联跳与本联络线相邻的有源间隔；

所述带联络功能的联络线间隔反方向过电流保护逻辑为：

当联络线间隔的任一侧出现过电流且功率方向为反方向，经第四确认时间T4后没有收到与本侧母线相连的其他支路的正方向启动信号，则判定故障点在母线上，反方向过电流保护，经第十延时时间t10动作切除故障。

2.根据权利要求1所述的直流配电网网络化保护系统，其特征在于，各母线间隔就地保护单元结合本母线间隔的故障信息以及所属母线区域的其他母线间隔的故障信息进行故障定位，各联络线间隔就地保护单元结合本联络线间隔的故障信息以及所属联络线区域的其他联络线间隔的故障信息进行故障定位。

3.根据权利要求2所述的直流配电网网络化保护系统，其特征在于，所有的母线区域保护子系统和联络线区域保护子系统之间进行故障信息交互，形成过程层网络。

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