CN113013851B

CN113013851B - 一种分布式智能配电自动化系统

Info

Publication number: CN113013851B
Application number: CN202110209968.5A
Authority: CN
Inventors: 徐韶峰; 李娟�
Original assignee: Shanghai Schneider Electric Power Automation Co ltd
Current assignee: Shanghai Schneider Electric Power Automation Co ltd
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: CN113013851A

Abstract

一种分布式智能配电自动化系统，能实现毫秒级的配电系统故障隔离和自愈。该配电系统采用环网供电方式，包括：串联在两个变电站之间的N个开关站，N个开关站中的上级开关站的第二断路器和与其相邻的后级开关站的第一断路器相连；N个开关站中的上级开关站设备的第四断路器和与其相邻的后级开关站的第三断路器相连；位于第一个开关站以及最后一个开关站之间的一个开关站设有联络断路器，联络断路器为常开状态；该分布式智能配电自动化系统包括：为与变电站相连的首端开关站配置智能保护装置和智能终端，为其他开关站的进出线配置的智能终端。同一配电环网系统内的智能保护装置、智能终端组成基于IEC‑61850的以太网通信网络。

Description

一种分布式智能配电自动化系统

本申请要求于2021年01月21日提交中国专利局、申请号为202110083402.2、发明名称为“一种分布式智能配电自动化系统”的国内申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及配电技术领域，具体涉及一种分布式智能配电自动化系统。

背景技术

随着国家加快经济发展方式转变和产业结构调整，高新技术、高附加值产业、高精度制造企业等重要用户负荷越来越重，居民生活品质和电气化程度越来越高，如果停电，将造成很大经济损失和社会影响，这就对配电网的供电侧提出了更高要求，对电能可靠性、质量的要求越来越高。为了更好地服务国民经济，国家电网推出了“一流配电网建设”及“世界一流城市配电网建设”的战略与规划，根据国家电网的要求，一流城市配电网需保证供电稳定性，实现灵活、智能用电，在A+区域的用户年平均停电时间不超过5分钟，供电可靠率达到99.999％以上，进而实现“零停电”、“零闪动”。

目前国家电网公司范围内建设的配电自动化系统主要覆盖了A+、A类供电区域和少量B类区域，除部分试点分布式馈线自动化外主要采用主站集中型馈线自动化的方式实现故障的定位、隔离以及非故障区域的供电恢复。目前配电网保护通常配置传统的过电流保护，由于配电线路短，级差配合通常难以实现，过电流保护越靠近电源端动作时间越长，当配电区段增多时，动作时间也是用户难以接受的。为了保证故障的快速清除，通常需要跳开变电站出口断路器，失去了故障的选择性，扩大了停电范围，增加了停电时间，更无法实现母线故障、断路器失灵的保护。因此，目前的配电系统不能实现各种类型故障的快速定位和隔离，恢复供电的时间是秒级甚至是分钟级的。

如何在配网系统发生各种类型的故障时，都能快速准确地定位故障，把停电范围限制到最小，并快速恢复故障点下游非故障区域的供电，为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种分布式智能配电自动化系统，在配网系统发生各种类型的故障时，都能快速准确定位故障，把停电范围限制到最小，并快速恢复故障点下游非故障区域的供电。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种分布式智能配电自动化系统，应用于配电系统，所述配电系统采用环网供电，开环运行，为单环网或双环网运行方式，所述配电系统包括：

1号变电站；

2号变电站；

所述1号变电站配有第一出线断路器和第二出线断路器；

所述2号变电站配有第三出线断路器和第四出线断路器；

N个开关站，所述N不小于3；

每个所述开关站均配有第一断路器、第二断路器、第三断路器和第四断路器；

所述N个开关站中的第一个开关站的第一断路器通过线缆与所述1号变电站的第一出线断路器相连；所述N个开关站中的第一个开关站的第三断路器通过线缆与所述1号变电站的第二出线断路器相连；

所述N个开关站中的最后一个开关站的第二断路器通过线缆与所述2号变电站的第三出线断路器相连；所述N个开关站中的最后一个开关站的第四断路器通过线缆与所述2号变电站的第四出线断路器相连；

所述N个开关站中的上级开关站的第二断路器通过线缆与其相邻的后级开关站的第一断路器相连；所述N个开关站的上级开关站的第四断路器通过线缆与其相邻的后级开关站的第三断路器相连；

位于所述第一个开关站以及所述最后一个开关站之间的一个开关站设有联络断路器，所述联络断路器为常开断路器，所述联络断路器为该开关站对应的第二断路器和第四断路器；

所述分布式智能配电自动化系统，包括为与变电站相连的首端开关站配置的智能保护装置和智能终端，为其他开关站的进出线配置的智能终端，每个开关站中的各回路断路器、电压互感器、电流互感器均通过电缆连接到为其所在回路配置的智能保护装置和智能终端；

同一配电环网系统内的智能保护装置、智能终端组成基于IEC-61850以太网通信网络，图1中连接所有211和2a装置的正方形黑框代表IEC-61850冗余以太网；相邻的两个开关站进出线对应的智能终端之间通过差动光纤通道相连，如图1所示的两个智能终端211之间的双向箭头线，表示差动光纤通道；智能保护装置和智能终端能在毫秒时间内实现隔离故障和通过控制所述联络断路器合闸恢复非故障失电区域的供电。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，所述智能保护装置和智能终端均为IEC-61850装置，所述以太网通信网络为高可用性无缝冗余HSR/PRP以太网通信网络，网络内部的所有智能保护装置、所有的智能终端之间采用IEC-61850面向通用对象的变电站事件GOOSE服务共享断路器状态、有压无压、有流无流、保护启动跳闸信息。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，智能终端具有线路光纤差动保护功能、电流保护功能、电压保护功能。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，当配电系统内发生变电站和第一个开个站之间连接线缆的故障、相邻开关站之间的连接线缆故障、开关站母线故障中的任意一个故障时，智能保护装置和智能终端在150ms内隔离故障，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制所述联络断路器合闸，恢复故障点下游非故障失电区域的供电，在500ms以内恢复非故障失电区域的供电。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，当相邻开关站之间连接的线缆之间发生故障时，故障线路两端的智能终端控制故障线路两端的断路器跳闸，隔离故障，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸，恢复故障点下游非故障失电区域的供电。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，为相邻开关之间连接的线缆配置双重化的保护隔离故障：线路光纤差动保护和数字过流保护，以实现线缆故障的完全选择性隔离。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，当光纤差动保护光纤通道故障时，光纤差动保护退出运行，数字过流保护通过IEC-61850的GOOSE服务共享并比较线缆两端过流保护的动作状态实现线缆故障快速选择性隔离；当线缆发生故障时，线缆一端能检测到过流，而另一端没有检测到过流，从而能够快速定位故障，实现线缆故障的完全选择性隔离。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，当变电站失电时，与变电站相邻的第一个开关站智能保护装置无压跳闸动作，断开与失压变电站之间连接的开关站断路器，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，当开关站母线故障时，由智能终端的数字母线差动保护跳开进线断路器，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，数字母线差动保护通过IEC-61850的GOOSE服务共享并比较开关站进出线过流保护的动作状态实现母线故障快速选择性隔离；当母线发生故障时，开关站进线断路器检测到过流，而开关站出线断路器没有检测到过流，从而利用开关站出线过流闭锁开关站进线过流实现母线故障保护。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，当发生断路器失灵时，分布式智能配电自动化系统能够通过IEC-61850的GOOSE服务共享并控制在连接关系上与该断路器相邻的另一个断路器断开，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸。

可选的，上述分布式智能配电自动化系统中，所述智能保护装置和智能终端具有遥信、遥测和遥控的功能，可与配电主站进行通讯，将开关站的运行数据和定位结果发送给所述开关站主站配电管理系统。

本发明引入基于冗余以太网通信网络的IEC-61850GOOSE、数字过流、数字母线差动保护和基于光纤通道的光纤差动保护，对配电系统的各种类型的故障进行准确定位，快速隔离和恢复故障点下游非故障区域的供电，提高供电可靠性和供电质量，提升配电网运维精益化水平，实现配电网管理现代化，满足A+地区供电可靠性的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种智能分布式配电自动化系统结构示意图。

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做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。

参见图1，本申请公开的一种分布式智能配电自动化系统，应用于配电系统，其特征在于，所述配电系统采用手拉手环网供电，开环运行，可以是单环网或双环网，包括：

1号变电站；

2号变电站；

所述1号变电站配有第一出线断路器F1和第二出线断路器F2；

所述2号变电站配有第三出线断路器F3和第四出线断路器F4；

N个开关站，例如可以为5个开关站；

每个所述开关站均配备有第一断路器、第二断路器、第三断路器和第四断路器，例如，参见图1，图1中的CB11、CB21、CB31、CB41、CB51表示第一断路器，CB12、CB22、CB32、CB42、CB52表示第二断路器，CB13、CB23、CB33、CB43、CB53表示第三断路器，CB14、CB24、CB34、CB44、CB54表示第四断路器。在本方案中，所述5个开关站依次手拉手连接在所述1号变电站与2号变电站之间。

所述N个开关站中的第一个开关站的第一断路器通过线缆与所述1号变电站的第一出线断路器F1相连；所述N个开关站中的第一个开关站的第三断路器通过线缆与所述1号变电站的第二出线断路器F2相连；

所述5个开关站设备中的最后一个开关站的第二断路器通过线缆与所述2号变电站的第三出线断路器F3相连；所述N个开关站中的最后一个开关站的第四断路器通过线缆与所述2号变电站的第四出线断路器F4相连；

位于所述第一个开关站以及所述最后一个开关站之间的一个开关站设有联络断路器，该联络断路器为常开断路器，该联络断路器用于提供环网自愈功能，例如图1所示的第3个开关站，所述第3个开关站对应的CB32和CB34为联络断路器，CB32和CB34处于常开状态；

在1号变电站与2号变电站之间组成了两个环网，由于两个环网的分布式智能配电自动化系统相同，下面以其中一个环网为例说明分布式智能配电自动化系统的方案实例。

所述分布式智能配电自动化系统，包括为与变电站相连的第一个开关站进线配置智能保护装置2a和出线配置智能终端211，为其他开关站的进出线分别配置的智能终端211。每个开关站各回路的断路器、电压互感器、电流互感器均通过电缆连接到为其所在回路配置的智能保护装置2a和智能终端211。智能终端具有光纤差动保护，电流、电压保护功能。

同一配电环网系统内的所有智能保护装置2a、智能终端211组成以太网通信网络。相邻的两个开关站进出线对应的智能终端211之间通过差动光纤通道相连。

智能分布式配电自动化系统中的智能保护装置2a和智能终端211采用IEC-61850以太网通信方式，采用基于主动冗余HSR/PRP的光纤通信技术,利用所述智能终端211强大的通信和逻辑编程能力，实现保护、测控和馈线自动化一体化的解决方案。所述智能终端通过光纤差动保护实现了保护快速性和选择性的完美统一，是配电自动化系统完成快速故障定位和隔离的理想选择。

所述智能保护装置2a和智能终端211采集所在回路的断路器位置、电压、电流信号，并通过IEC-61850的GOOSE服务告知其他回路智能终端本回路断路器位置、有压无压、有流无流、保护启动跳闸信息，因此，可以实现不同开关站间的断路器位置、有压无压、有流无流、保护启动跳闸信息的高速共享。这种以太网通信方式替代了传统变电站的信息通过空接点和开入硬接线的方式进行信号传输，节约了大量的电缆，简化了二次回路的接线，方便系统的调试和维护，而且可以灵活变更方案而不需要重新更改接线，扩展、扩容灵活方便。

为了保证基于GOOSE传输的控制方案的可靠性，确保没有数据丢失，一方面IEC-61850协议采用快速重复发送机理避免信息丢失；另一方面IEC-61850协议要求网络必须冗余，特别是在可靠性要求高的高端电力用户。可选的，本发明实施例采用的IEC-61850引入的IEC-62439中定义的基于主动冗余技术的HSR/PRP，它完全兼容IEC-61850的要求，可以达到0秒的网络自愈时间，保证无数据丢失。HSR/PRP可以使用于任何网路拓扑架构中，在冗余网络架构下，即使一个网络出现故障，仍有另一套网络及设备的冗余端口是正常工作的。

当配电系统内发生变电站和第一个开个站之间连接线缆的故障、相邻开关站之间的连接线缆故障、开关站母线故障，智能保护装置和智能终端能在150ms内隔离故障，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸，恢复故障点下游非故障失电区域的供电，在500ms以内恢复非故障失电区域的供电。所述智能保护装置和智能终端具有遥信、遥测和遥控的功能，可与配电主站进行通讯，将开关站的运行数据和定位结果发送给所述开关站主站配电管理系统。

当相邻开关站之间的连接的线缆之间发生故障时，故障线路两端的智能终端光纤差动保护功能检测到故障，给故障线路两端的断路器发跳闸指令，隔离故障，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端利用系统内IEC-61850GOOSE服务实时共享的保护启动跳闸、断路器状态、有流无流、有压无压状态，通过逻辑判断控制联络断路器合闸，恢复故障点下游非故障失电区域的供电。

当光纤差动保护光纤通道故障时，光纤差动保护退出运行，可以通过数字过流保护检测故障，给故障线路两端的断路器发跳闸指令。数字过流保护通过IEC-61850GOOSE共享线缆两端过流保护的动作状态，当线缆发生故障时，线缆一端的智能终端能检测到过流，而另一端的智能终端没有检测到过流，从而可以定位故障发生的位置，实现线缆故障的完全选择性隔离。

当变电站失电时，与变电站相邻的第一个开关站智能保护2a无压跳闸时，给与变电站相连的开关站的断路器发跳闸指令，断开与失压变电站之间的连接，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端利用系统内IEC-61850GOOSE服务实时共享的保护启动跳闸、断路器状态、有流无流、有压无压状态，通过逻辑判断控制联络断路器合闸。

当开关站母线故障时，由智能终端的数字母线差动保护跳开进线断路器，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端利用系统内IEC-61850的GOOSE服务实时共享的保护启动跳闸、断路器状态、有流无流、有压无压状态，通过逻辑判断控制联络断路器合闸。

数字母线差动保护通过同一开关站进出线智能终端的IEC-61850GOOSE共享过流保护的动作状态实现母线故障快速选择性隔离，当母线发生故障时，开关站进线智能终端检测到过流，而开关站出线的智能终端没有检测到过流，从而利用开关站出线过流闭锁开关站进线过流实现快速选择性的母线故障隔离，不需要动作时限配合，稳定可靠。

当发生断路器失灵时，分布式智能配电自动化系统能够控制在连接关系上与该断路器相邻的断路器断开，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端利用系统内IEC-61850的GOOSE服务实时共享的启动保护跳闸、断路器状态、有流无流、有压无压状态，通过逻辑判断控制联络断路器合闸。

开关站进出线断路器失灵拒跳情况下，联跳同母线断路器与线路直接相连的上一级断路器，不考虑多级开关失灵。

变电站线路保护装置过流I段保护功能退出，过流Ⅱ段保护功能投入，将过流Ⅱ段动作时间定值整定为0.3s，以与配电网保护功能配合。

IEC-61850以太网光纤通信中断时，自动退出系统自愈功能。一条线路差动光纤通信中断线路差动保护功能退出，其它线路差动保护功能不受影响。不考虑IEC-61850以太网光纤和差动光纤同时故障的情况。

自愈逻辑充电条件：

·联络断路器两侧均有压；

·有且仅有联络断路器分位无流；

·其他断路器都在合位；

·自愈投入；

经15s延时后完成充电。

自愈逻辑放电条件：

·联络断路器跳闸；

·联络断路器所在母线、线缆故障或联络断路器对侧母线故障；

·任何环网进出线断路器手跳或遥跳；

·联络断路器在合位、有流或自愈合闸动作；

·联络断路器两侧任意PT电压异常；

·任何智能终端装置检修或装置运行异常；

·任意智能终端自愈通信异常；

·自愈功能退出；

自愈逻辑合闸条件：

·联络断路器分位

·自愈充电完成

·母线或线路侧任意一侧无压

·差动保护/数字过电流/母线保护/首开端无压无流保护跳闸启动合闸

(给合后位置)

下面列表详细说明被保护区域典型模拟故障点G1～G11故障检测、隔离和恢复供电的逻辑及动作结果。

下表中所示的1#开关站设备、2#开关站设备等为上文提到的5个开关站的编号，CB12、CB21等为断路器，其中，第一个数字对应的是开关站序号，第二个数字对应的是断路器序号。

可选的，若配电系统为双环网结构，如在其中的一个站点或多个站点内两个环网间设置有母线联络断路器，则可针对该联络断路器配置分段备自投功能。可在自愈合闸功能退出或自愈合闸失败的情况下，恢复部分失电母线的复电。

综上所述，本发明引入基于冗余以太网通信网络的IEC-61850GOOSE、数字过流、数字母线差动保护和基于光纤通道的光纤差动保护，对配电系统的各种类型的故障进行准确定位，快速隔离和恢复故障点下游非故障区域的供电，提高供电可靠性和供电质量，提升配电网运维精益化水平，实现配电网管理现代化，满足A+地区供电可靠性的要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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

1.一种分布式智能配电自动化系统，应用于配电系统，其特征在于，所述配电系统采用环网供电，开环运行，为单环网或双环网运行方式，所述配电系统包括：

1号变电站；

2号变电站；

所述1号变电站配有第一出线断路器和第二出线断路器；

所述2号变电站配有第三出线断路器和第四出线断路器；

N个开关站，所述N不小于3；

同一配电环网系统内的智能保护装置、智能终端组成基于IEC-61850以太网通信网络；相邻的两个开关站进出线对应的智能终端之间通过差动光纤通道相连；智能保护装置和智能终端能在毫秒时间内实现隔离故障和通过控制所述联络断路器合闸恢复非故障失电区域的供电。

2.根据权利要求1所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，所述智能保护装置和智能终端均为IEC-61850装置，所述以太网通信网络为高可用性无缝冗余HSR/PRP以太网通信网络，网络内部的所有智能保护装置、所有的智能终端之间采用IEC-61850面向通用对象的变电站事件GOOSE服务共享断路器状态、有压无压、有流无流、保护启动跳闸信息。

3.根据权利要求1所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，智能终端具有线路光纤差动保护功能、电流保护功能、电压保护功能。

4.根据权利要求1所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，当配电系统内发生变电站和第一个开关站之间连接线缆的故障、相邻开关站之间的连接线缆故障、开关站母线故障中的任意一个故障时，智能保护装置和智能终端在150ms内隔离故障，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制所述联络断路器合闸，恢复故障点下游非故障失电区域的供电，在500ms以内恢复非故障失电区域的供电。

5.根据权利要求4所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，当相邻开关站之间连接的线缆之间发生故障时，故障线路两端的智能终端控制故障线路两端的断路器跳闸，隔离故障，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸，恢复故障点下游非故障失电区域的供电。

6.根据权利要求5所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，为相邻开关之间连接的线缆配置双重化的保护隔离故障：线路光纤差动保护和数字过流保护，以实现线缆故障的完全选择性隔离。

7.根据权利要求6所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，当光纤差动保护光纤通道故障时，光纤差动保护退出运行，数字过流保护通过IEC-61850的GOOSE服务共享并比较线缆两端过流保护的动作状态实现线缆故障快速选择性隔离；当线缆发生故障时，线缆一端能检测到过流，而另一端没有检测到过流，从而能够快速定位故障，实现线缆故障的完全选择性隔离。

8.根据权利要求4所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，当变电站失电时，与变电站相邻的第一个开关站智能保护装置无压跳闸动作，断开与失压变电站之间连接的开关站断路器，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸。

9.根据权利要求4所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，当开关站母线故障时，由智能终端的数字母线差动保护跳开进线断路器，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸。

10.根据权利要求9所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，数字母线差动保护通过IEC-61850的GOOSE服务共享并比较开关站进出线过流保护的动作状态实现母线故障快速选择性隔离；当母线发生故障时，开关站进线断路器检测到过流，而开关站出线断路器没有检测到过流，从而利用开关站出线过流闭锁开关站进线过流实现母线故障保护。

11.根据权利要求1所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，当发生断路器失灵时，分布式智能配电自动化系统能够通过IEC-61850的GOOSE服务共享并控制在连接关系上与该断路器相邻的另一个断路器断开，并启动环网自愈功能，联络断路器所在处的智能终端控制联络断路器合闸。

12.根据权利要求1所述的分布式智能配电自动化系统，其特征在于，所述智能保护装置和智能终端具有遥信、遥测和遥控的功能，可与配电主站进行通讯，将开关站的运行数据和定位结果发送给开关站主站配电管理系统。