CN111934295B - 一种低压配电网在线监测保护系统及方法 - Google Patents

一种低压配电网在线监测保护系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压配电网在线监测保护系统及方法，涉及电力系统及其自动化领域，解决现有配电网在线监测及保护方法可靠性不足的技术问题。本发明包括基于层、域对低压配电网内的多源量测数据进行划分，包括对多源量测数据依据电压等级和地理位置进行数据区分并归类；基于域的处理包括对多源量测数据的域内处理和域间处理；基于层的处理包括对层间的变压器进线处、出线处的多源量测数据进行融合和计算；当域内发生短路故障后，域内电气量数据发生变化，利用BP神经网络算法，通过训练得到各测点电气量变化与故障位置之间的关系，并按相别进行故障判断。本发明的应用高效提升了配电网监测水平和保护性能。

Description

一种低压配电网在线监测保护系统及方法
技术领域
本发明涉及电力系统及其自动化领域，具体涉及一种低压配电网在线监测保护系统及方法。
背景技术
35kV及以下电压等级配电网是我国绝大部分城市和农村电力的电力供应系统，在保障各行各业生产和人民生活方面发挥的至关重要的作用。目前，我国配电系统供电损耗大、自动化程度低、故障处理恢复慢，严重影响了供电可靠性。另外，随着电力电子技术和新能源发电技术的不断成熟，越来越多的分布式电源接入配电网，大大增加了配电网系统的复杂性。传统配电网为单电源单向辐射状供电结构，其保护系统一般由三部分构成，包括变电站出现线处的三段式电流保护、主馈线上的自动重合闸装置以及分支线路的熔断器。然而分布式电源的接入以及网架结构的日益复杂，使得配电网中的潮流分布和故障后电流特征都发生了改变，传统的配电网保护模式已经不再适用。
随着配电自动化系统的不断完善，大量FTU、DTU、TTU、RTU和剩余电流保护装置在配电网中配置完成，配电网中可获得的量测信息越来越丰富。其中FTU(Feeder TerminalUnit)为馈线远方终端，用于测量馈线的三相参数，监控、保护配电系统中的馈线，与配电自动化主站通信，将信息提供给配电监控主站系统，执行主站对馈线及其终端设备的调节和控制。DTU(Distribution Terminal Unit)是配电终端单元，用于开闭所，环网柜，变电所的多回路数据采集、通讯、管理。TTU(Transformer Terminal Unit)是配电变压器远方终端，用于对配电变压器的信息采集和控制，它实时监测配电变压器的运行工况，保护变压器的安全运行，调整无功补偿，并能将采集的信息传送到主站或其他的智能装置，提供配电系统运行控制及管理所需的数据。RTU(Remote Terminal Unit)远程终端单元，通用于对现场信号、电力设备的监测和控制。RTU通常具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。剩余电流保护装置(简称漏保)，是一种有效防止电网漏电事故(生物体触电事故或设备漏电事故)的重要措施，近年来在农村低压电网中广泛使用和推广，其同样具有电气量采集以及信息传输功能，部分剩余电流保护装置甚至具备故障录波功能。但是该系统所获取的数据并未高效应用于配电网监测水平和保护性能的提升。
发明内容
针对现有配电网故障识别及定位方法的缺陷，本发明基于配电自动化平台多源量测数据，提出一种低压配电网在线监测保护系统及方法，旨在解决现有配电网在线监测及保护方法可靠性不足的技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种低压配电网在线监测保护方法，基于层、域对低压配电网内的多源量测数据进行划分，包括对多源量测数据依据电压等级和地理位置进行数据区分并归类；
所述多源量测数据为同位置不同类型的电气量测量装置测量而来的电气量数据；
所述电气量数据包括配电网中各测量点处的电压、电流、有功功率和无功功率；
所述多源量测数据基于层划分为通过电气量数据采集装置来源的不同电压等级划分为不同层，同一层内的多源量测数据在相同电压等级；
所述多源量测数据基于域划分为通过电气量数据采集装置来源的地理区域与连接关系划分为不同域；
同一层内，不同连接支路的多源量测数据划分为不同域；
划分所述层以发电机出线处电气量采集单元或变压器进出线处电气量采集单元为边界；
划分所述域以空间距离半径或就地计算单元的运算能力划分；
基于域的处理包括对多源量测数据的域内处理和域间处理；
基于层的处理包括对层间的变压器进线处、出线处的多源量测数据进行融合和计算；
以同一域内的多源量测数据进行故障识别，还包括以为域、层为单元进行域间、层间故障识别；
检测出故障并处理故障。
在同一域内通过域内数据融合单元汇总所有域内多源量测数据，在不同域间，通过域间数据融合单元调用不同域的域内数据融合单元汇总的数据。
所述域以配电线路为对象进行故障识别，当故障位于不同线路时，依据域内各测量点的电气量变化情况，构造BP神经网络，利用神经网络算法识别故障位置；
当域内发生短路故障后，域内电气量数据发生变化，利用BP神经网络算法，通过训练得到各测点电气量变化与故障位置之间的关系，依据域的结构选取匹配域结构层数的BP神经网络模型，结构层中的输入层为域内各测量点处的电压电流测量相量，同一域内所有测量数据全部传输至域内数据融合单元，BP神经网络模型接入域内的数据融合单元，并按相别进行故障判断。
所述域与域之间以联络线为对象进行故障识别，利用差动原理构建故障识别判据，识别故障所处的域间联络线，所述联络线为所述层在所述域间的电压等级输出输入终端；
域间联络线发生短路故障时，依据电流电压关系，判断域间联络线相连的电气量数据的电压测量值，计算并比对域间联络线相连的电气量数据的不平衡电流测量值与整定门槛的大小关系，诊断得出故障的发生位置和故障性质，并将相连域间联络线相连的电气量数据上传至域间数据融合单元，依据故障位置和故障性质进行判断，故障性质包括短路故障、断路故障。
所述层间故障识别是对层与层之间的变压器为对象进行层间故障识别，层间故障识别中基于变压器原副边变换关系，利用多源量测数据在层间的测量电流构建变压器保护判据，识别故障变压器；
所述处理故障的详细操作包括：切除故障并告警，不切除故障仅告警；
所述切除故障并告警为切除离故障位置最近的断路器，并发出包含故障位置信息的告警信号；
所述不切除故障仅告警仅发出包含故障位置信息的告警信号；
依据检测出故障的详细情况人工选择处理故障操作。
一种低压配电网在线监测保护系统应用一种低压配电网在线监测保护方法的系统，包括监测保护平台，所述故障处理操作在监测保护平台实施，还包括电气量采集单元，所述层包括多个电气量采集单元，所述系统包括域间数据融合单元和域内数据融合单元，所述域内数据融合单元通过联络线与域间数据融合单元进行数据互通。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明的应用高效提升了配电网监测水平和保护性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的配电网层域划分及系统架构示意图。
图2为本发明的层域数据融合方式示意图。
图3为本发明的域内故障识别方法示意图。
图4为本发明的域间故障识别方法示意图。
具体实施方式
在对本发明的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本发明的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本发明可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例如图1-图4；
多源量测数据按层域划分：
以图1中所示的配电网拓扑结构为例，根据不同电压等级与地理位置的层、域划分结果如图1中所示。其中长虚线所包围的区域为同一层，各层以发电机出线处电气量采集单元或变压器进出线处电气量采集单元为边界。短虚线所包围的范围为同一域，域可根据空间距离半径或就地计算单元的运算能力划分。
多源数据就地融合：
域内：每个域内设置一个数据融合单元，用于融合所在域内所有量测电气量数据。
域间：以域间联络线为对象，将与其直接相连的测量单元数据集中处理。
层间：由于不同层以电压等级进行划分，因此层间数据融合即指变压器进线和出线处量测数据的融合与计算。
图1中的实线圆圈表示配电网中的电气量测量单元，用于获取配电网中各测量点处的电压、电流、有功功率和无功功率。相同域内所有测量单元的全部测量电气量均汇集至域内的就地融合单元进行数据融合与故障识别计算。对于某一层内的域间联络线，与该联络线相连的所有电气量采集单元所获取的量测信号由域间数据融合单元进行数据融合与故障识别计算。不同层之间主要通过变压器相连，变压器进线和出线上的电气量测量单元所获取的量测数据直接上送监视保护平台处理。以图1中所示的配电网拓扑结构为例，其层域数据融合及处理架构如图2所示。可以看出，域内数据融合单元与域数量相同，包含两个及以上域的层内设置域间数据融合单元。整个地区配电网配置一个监视保护平台。
故障处置模式选择：
故障后可选择切除故障并告警或不切除故障仅告警两种模式。对于切除故障并告警模式，故障发生后将与故障点距离最近的断路器全部断开，实现故障隔离。并将故障信息与断路器动作信息上送至监视保护平台。对于不切除故障仅告警模式，故障发生后，将故障位置及与其直接相连的断路器信息上送至监视保护平台，供操作人员处置。监视保护平台具有图形展示和故障信息显示功能。
按层域进行故障识别包括如下：
一、域内故障识别：
域内线路发生短路故障后，域内的各测量点处的测量电气量均会发生变化。以附图1中所示的层2域2为例，其中的各测量点编号如附图3所示。T2-2-1～T2-2-4分别表示层2域2中1～4号电气量测量单元。每个测量单元采集测点处的电压及电流相量。F1～F3分别为层2域2中的3个不同故障位置。利用BP神经网络算法，通过训练得到各测点电气量变化与故障位置之间的关系。选取三层结构的BP神经网络模型，其中输入层为域内各测量点处的电压电流测量相量，按相别进行故障判断。对于图3所示的域，以A相为例，由于该域中有四个电气量测量单元，每个节点包含电压相量和电流相量两个数据维度，故BP神经网络的输入层有8个节点，域内包含3个可能的故障位置，每个故障位置包含短路和断线2种故障类型，故BP神经网络的输出层有6个节点。隐含层所包含的节点个数由输入层节点数和输出层节点数决定。设输入层节点数为m，输出层节点数为n，则隐含层节点个数k可表示为：
Figure GDA0003679095070000051
其中a为1～10之间的常数。
故障后，同一域内所有测量数据全部传输至域内数据融合单元，BP神经网络嵌入域内数据融合单元，对故障位置进行判断。
二、域间故障识别：
域间故障识别主要用于识别域间联络线上的故障。由图1中所示的层域划分图可知，有些层内有域间联络线，有些层内没有。图1中所示的层1与层4内不含域间联络线。对于包含域间联络线的层，利用差动保护原理，构造域间联络线保护。以图1中层2为例，对域间联络线保护进行说明。T2-1、T2-1-1、T2-2-1分别为与域间联络线相连的电气量测量单元。其所测量的电压电流分别为：
Figure GDA0003679095070000052
域间联络线发生短路故障的判据如下：
Figure GDA0003679095070000053
其中Iset为电流不平衡量整定门槛。(2)中所示判据的含义为：当与域间联络线相连的测量单元的电压测量值相同，且不平衡电流测量值大于整定门槛，则判断域间联络线发生短路故障。
域间联络线断路故障的判据如下：
当T2-1与T2-1-1之间发生断线故障时：
Figure GDA0003679095070000054
当T2-1与T2-2-1之间发生断线故障时：
Figure GDA0003679095070000061
域间联络线故障后，与其相连的测量单元将全部测量数据上送至域间数据融合单元。根据(2)～(4)所示判据对故障位置和故障性质进行判断。
三、层间故障识别：
各层之间通过变压器相连，层间故障的识别主要为变压器故障的识别。发生变压器故障后，与变压器高压侧和低压侧相连的数据测量单元将全部电气量上送至监视保护平台，利用电流差动保护原理，可实现对变压器内部故障的识别。
四、故障后处置策略：
对于选择切除故障并告警的故障处置模式，切除离故障位置最近的断路器。对于域内故障，由域内数据融合单元对域内断路器发出操作指令，并将故障信息经域间数据融合单元上送至监视保护平台，若无域间数据融合单元，则直接上送至监视保护平台；对于域间故障，由域间数据融合单元对与域间联络线相连的断路器发出操作指令，并将故障信息上送至监视保护平台；对于层间故障，由监视保护平台对相关断路器发出操作指令。
对于选择不切除故障仅告警的故障处置模式，则仅发出包含故障位置信息的告警信号。对于域内故障，域内数据融合单元将故障信息经域间数据融合单元上送至监视保护平台，若无域间数据融合单元，则直接上送至监视保护平台；对于域间故障，由域间数据融合单元将故障信息上送至监视保护平台。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低压配电网在线监测保护方法，其特征在于，基于层、域对低压配电网内的多源量测数据进行划分，包括对多源量测数据依据电压等级和地理位置进行数据区分并归类；
所述多源量测数据为同位置不同类型的电气量测量装置测量而来的电气量数据；
所述电气量数据包括配电网中各测量点处的电压、电流、有功功率和无功功率；
所述多源量测数据基于层划分为通过电气量数据采集装置来源的不同电压等级划分为不同层，同一层内的多源量测数据在相同电压等级；
所述多源量测数据基于域划分为通过电气量数据采集装置来源的地理区域与连接关系划分为不同域；
同一层内，不同连接支路的多源量测数据划分为不同域；
划分所述层以发电机出线处电气量采集单元或变压器进出线处电气量采集单元为边界；
划分所述域以空间距离半径或就地计算单元的运算能力划分；
基于域的处理包括对多源量测数据的域内处理和域间处理；
基于层的处理包括对层间的变压器进线处、出线处的多源量测数据进行融合和计算；
以同一域内的多源量测数据进行故障识别，还包括以为域、层为单元进行域间、层间故障识别；
检测出故障并处理故障；
在同一域内通过域内数据融合单元汇总所有域内多源量测数据，在不同域间，通过域间数据融合单元调用不同域的域内数据融合单元汇总的数据；
所述域以配电线路为对象进行故障识别，当故障位于不同线路时，依据域内各测量点的电气量变化情况，构造BP神经网络，利用神经网络算法识别故障位置；
当域内发生短路故障后，域内电气量数据发生变化，利用BP神经网络算法，通过训练得到各测点电气量变化与故障位置之间的关系，依据域的结构选取匹配域结构层数的BP神经网络模型，结构层中的输入层为域内各测量点处的电压电流测量相量，同一域内所有测量数据全部传输至域内数据融合单元，BP神经网络模型接入域内的数据融合单元，并按相别进行故障判断；
所述域与域之间以联络线为对象进行故障识别，利用差动原理构建故障识别判据，识别故障所处的域间联络线，所述联络线为所述层在所述域间的电压等级输出输入终端；
域间联络线发生短路故障时，依据电流电压关系，判断域间联络线相连的电气量数据的电压测量值，计算并比对域间联络线相连的电气量数据的不平衡电流测量值与整定门槛的大小关系，诊断得出故障的发生位置和故障性质，并将相连域间联络线相连的电气量数据上传至域间数据融合单元，依据故障位置和故障性质进行判断，故障性质包括短路故障、断路故障；
所述层间故障识别是对层与层之间的变压器为对象进行层间故障识别，层间故障识别中基于变压器原副边变换关系，利用多源量测数据在层间的测量电流构建变压器保护判据，识别故障变压器；
所述处理故障的详细操作包括：切除故障并告警，不切除故障仅告警；
所述切除故障并告警为切除离故障位置最近的断路器，并发出包含故障位置信息的告警信号；
所述不切除故障仅告警仅发出包含故障位置信息的告警信号；
依据检测出故障的详细情况人工选择处理故障操作。
2.一种低压配电网在线监测保护系统，其特征在于，应用权利要求1所述的一种低压配电网在线监测保护方法，包括监测保护平台，所述故障处理操作在监测保护平台实施，还包括电气量采集单元，所述层包括多个电气量采集单元，所述系统包括域间数据融合单元和域内数据融合单元，所述域内数据融合单元通过联络线与域间数据融合单元进行数据互通。
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