CN116505493B - 一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，其特征在于：步骤S1：在10kV配电环网中安装环网柜内的保护装置；步骤S2：设定保护装置的通信范围；步骤S3：设定每个保护装置的电流正方向；步骤S4：配置每个保护装置的故障判断逻辑；步骤S5：设定保护装置的故障处理逻辑。本发明可以有效解决配电环网合环运行方式下，短路故障的快速故障定位和隔离的问题。保护装置间数据交互量很小，动作速度快，可以实现90ms以内保护装置继电器出口、百毫秒级故障切除，先于变电站出线开关动作，准确定位故障区域，极大减小短路故障对非故障区域供电的影响，提升电力系统供电可靠性。

Description

一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法

技术领域

本发明属于电力系统配电自动化技术领域，具体涉及一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法。

背景技术

在传统的配电网中，一般采用两种故障隔离技术，一是依靠时间配合的就地故障自愈（FA）技术，二是依赖主站的集中式FA技术。然而，这两种技术都有各自的缺点。

就地FA技术的故障隔离时间较长，需要变电站出线断路器先动作，再依靠重合器一级一级合闸，逐步定位故障，实现故障隔离。这样的处理方式因需变电站出线开关动作，增大了故障影响范围。而且，整个过程往往需要十几秒的时间，对非故障区域及时恢复供电造成了不利影响。

集中式FA技术需要主站参与，由于保护装置通过通讯规约上送主站的数据延时一般都是秒级的，所以一般情况下，集中式FA都需要由变电站出线开关先动作，切除故障，再由主站进行合闸，恢复非故障区域的供电，因此，也存在就地FA同样的故障范围扩展影响的问题。

随着新能源发电产业的发展和进步，分布式电源（DG）开始逐渐接入到配电网中，某些地区的10kV配电网也开始出现合环运行的配电环网。然而，对于这种运行工况，传统就地FA技术和集中式FA技术往往无法满足快速定位和隔离故障的需求，尤其是在多电源供电情况下，其复杂性更高。因此，对于这种新的运行工况，需要研发新的技术来更有效地处理短路故障，提高电力系统供电的可靠性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，可以有效解决配电环网合环运行方式下，短路故障的快速故障定位和隔离的问题。保护装置间数据交互量很小（交互带方向判断结果的短路故障判断结果），动作速度快，可以实现90ms以内保护装置继电器出口、百毫秒级故障切除，先于变电站出线开关动作，准确定位故障区域，极大减小短路故障对非故障区域供电的影响，提升电力系统供电可靠性。

为实现上述目的，本发明提供一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，包括：

步骤S1：在10kV配电环网中安装环网柜内的保护装；

步骤S2：设定保护装置的通信范围；

步骤S3：设定每个保护装置的电流正方向；

步骤S4：配置每个保护装置的故障判断逻辑；

步骤S5：设定保护装置的故障处理逻辑。

进一步地，步骤S1具体为：保护装置采用“手拉手”通信方式，保护装置具有相应的通信接口，并配置相应的通信参数以实现保护装置间的相互通信。

进一步地，步骤S2具体为：每个保护装置只能与本环网柜内和其所在线路对侧的其他保护装置进行交流。

进一步地，步骤S3具体为：将母线流向线路的方向设定为电流正方向，并根据这个设定，确定每个保护装置与其所在环网柜内的其他保护装置构成一个反向故障判断区域，与其在线路对侧的其他保护装置构成一个正向故障判断区域。

进一步地，步骤S4具体为：每个保护装置独立判断短路故障，并将其保护装置带方向的故障判断结果与正向故障判断区域和反向故障判断区域的所有其他保护装置进行交互。

进一步地，步骤S5具体为：如果在正向故障判断区域或反向故障判断区域内，保护装置发现相应方向的短路故障且没有其他保护装置发现反向的短路故障，或者至少有一个保护装置的断路器跳闸失败，设定这个发现故障的保护装置能自动控制断路器跳闸。

进一步地，还包括使用人工智能技术，每个保护装置学习历史故障数据，并独立判断短路故障。

进一步地，还包括在每个环网柜内配置备用断路器，如果主断路器不能正常跳闸，备用断路器将自动启动，确保电网的正常运行。

进一步地，步骤如下：

步骤S71：为每个保护装置的人工智能模块编写机器学习算法；

步骤S72：然后使用历史数据训练步骤S71中机器学习算法，使机器学习算法根据实时的输入数据，预测和判断电网的状态和可能的故障；

步骤S73：在训练完成后，将机器学习算法部署到每个保护装置中。

进一步地，步骤S4中判断逻辑如下：

步骤S41：保护装置进行实时通信，共享短路故障和跳闸失败信息；

步骤S42：保护装置监测电流，超过阈值并持续一定时间后，产生对应方向的短路标志；

步骤S43：如果在某个方向上有短路标志且没有反向短路标志，或者有跳闸失败信息，保护装置产生故障定位标志，并在一定时间后动作；

步骤S44：如果保护装置动作后，断路器仍未断开或仍有电流流动，保护装置产生跳闸失败标志。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明提供了一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，通过极少的通信数据和简单的判断逻辑，本发明能有效解决多电源供电情况下配电网的故障定位和隔离问题，实现快速故障定位和隔离；

2.本发明提供了一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，实现了先于变电站出线开关动作，及时切除故障，保障非故障区域的供电，从而极大地减小短路故障对非故障区域供电的影响，提升电力系统供电可靠性；

3.本发明提供了一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，实现90ms以内保护装置继电器出口、百毫秒级故障切除，提供了更快的响应时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的保护装置区域示意图；

图3 是本发明的10kV开环运行的环网拓扑；

图4 是本发明的10kV合环运行的环网拓扑；

图5 是本发明的故障判别逻辑示意图；

图6 是本发明实施例的10kV环网合环故障示意图。

具体实施方式

下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

本发明适用于环网开、合环两种运行方式，允许在同一时刻，环网中一台环网柜有两个电源，本发明中只分本侧和对侧，本侧就是环网柜内，对侧就是与保护装置所在间隔（环网柜间隔通常是指电力系统中环网柜的单元或部分，它是环网柜的基本组成部分）有电气直连关系的其他环网柜间隔。

本发明所提出的故障定位隔离方法对故障方向有严格要求，因此，施工阶段需要严格校对CT极性，保证CT极性正确

本发明实施方式的进一步说明如下：

在10kV配电环网中安装环网柜内的保护装置。这些保护装置应采用“手拉手”通信方式。确保所有保护装置具有相应的通信接口，并配置相应的通信参数以实现保护装置间的相互通信。

设定保护装置的通信范围。每个保护装置仅能与其所处环网柜内的保护装置以及相同线路对侧(对侧是指与保护装置所在环网柜间隔具有物理直连关系的其他环网柜间隔)的保护装置进行信息交流。这意味着，每个保护装置的交流范围限定在它所处的环网柜以及与其直接相连的线路对侧的保护装置。如果有T接线的情况，需要设定保护装置能与两个对侧的保护装置进行交流。如图2所示，只有反向区域的保护装置是在一个环网柜里的。

配置并训练保护装置的人工智能模块。利用大量历史故障数据，训练人工智能模块，使其能够自主学习并独立判断短路故障。 操作步骤：首先，需要为每个保护装置的人工智能模块编写或者获取适合其任务的机器学习算法。然后使用历史数据（例如电流、电压、故障记录等）训练这些模型，使其能够根据实时的输入数据，准确地预测和判断电网的状态和可能的故障。在训练完成后，将这些模型部署到每个保护装置中。

在每个环网柜内安装备用断路器。如果主断路器不能正常跳闸，需要设定备用断路器能自动启动，确保电网的正常运行。操作步骤：这需要电力工程师在每个环网柜内物理安装备用断路器。备用断路器应与主断路器并联，但通常处于开路状态，只有在主断路器无法正常工作时才会关闭。

设定每个保护装置的电流正方向。将母线流向线路的方向设定为电流正方向。并根据这个设定，确定每个保护装置与其所在环网柜内的其他保护装置构成一个反向故障判断区域，与其在线路对侧的其他保护装置构成一个正向故障判断区域。

采用分布式计算和决策技术，设定每个保护装置在处理复杂的电网问题（如多点故障）时能进行协调。设定相应的决策参数，以优化电网的故障处理。- 操作步骤：每个保护装置都应能独立完成故障检测和处理决策，而不是依赖于中心控制系统。这需要在每个保护装置中实现一定的计算能力，并设计一个能够处理本地数据和与其他装置通信的算法。

配置每个保护装置的故障判断逻辑。每个保护装置独立判断短路故障，并将其带方向的故障判断结果（正向短路标志、反向短路标志）与正向故障判断区域和反向故障判断区域的所有其他保护装置进行交互。

设定保护装置的故障处理逻辑。如果在正向故障判断区域或反向故障判断区域内，某个保护装置发现相应方向的短路故障且没有保护装置发现反向的短路故障，或者至少有一个保护装置的断路器跳闸失败，设定这个发现故障的保护装置能自动控制断路器跳闸。

与物联网设备进行集成，利用物联网设备定期收集并上传每个保护装置的运行数据。设定预测性维护策略，利用收集到的数据进行分析，提早发现并处理可能的问题。 操作步骤：每个保护装置应能连接到物联网设备，并能从设备获取数据和发送指令。这需要配置保护装置与物联网设备之间的通信接口，并确保数据的安全和可靠传输。

将该故障定位隔离技术与物联网设备相结合，利用物联网设备定期收集并上传每个保护装置的运行数据，实现预测性维护策略，提早发现并处理可能的问题。

为了提高配电网的运行效率和可靠性，还包括测试和验证设定的有效性，具体涉及以下步骤：

步骤S6：模拟测试

首先，通过模拟软件对配电环网进行模拟，测试故障判断和处理的逻辑是否正确。可以模拟不同类型的故障，例如单相短路，两相短路，三相短路等，验证保护装置是否能准确判断故障。

步骤S7：实验室测试

在实验室环境中使用实际的保护装置和模拟的配电环网进行测试。这可以进一步确认保护装置在实际硬件上的性能。

步骤S8：现场测试

在实际的10kV配电环网中进行现场测试。可以通过人为设置故障，例如短路某些线路，看保护装置是否能正确判断和处理故障。

步骤S9：结果分析

对测试结果进行分析，看是否符合预期。如果结果不符合预期，可能需要回到步骤S4和S5，对故障判断和处理逻辑进行修改。

步骤S10：优化和调整

根据测试和分析的结果，对保护装置的设置和故障处理逻辑进行优化和调整，以提高故障处理的精度和速度。

这些步骤旨在确保设定的故障判断和处理逻辑在实际环境中能够正确地工作，并且能够及时有效地定位和处理故障。

作为一种具体的实施方式，在10kV配电环网的一个环网柜中安装保护装置a。保护装置a装有通信模块，可以采用“手拉手”通信方式，与其他保护装置进行相互通信。

设定保护装置a的通信范围，使其能与环网柜内的保护装置b，以及在线路对侧的保护装置c进行通信。如果存在T接线，保护装置a也需要与另一侧的保护装置d进行通信。

利用历史故障数据，训练保护装置a的人工智能模块。例如，利用过去一年的电网故障数据，训练该模块能够自主学习，并独立判断短路故障。

在环网柜内安装备用断路器。在保护装置a的设置中，设定当主断路器无法正常跳闸时，备用断路器自动启动。

设定保护装置a的电流正方向为母线流向线路的方向。此时，保护装置a与保护装置b构成一个反向故障判断区域，与保护装置c（和d，如果存在T接线）构成一个正向故障判断区域。

通过配置，使得保护装置a可以采用分布式计算和决策技术，在多点故障等复杂情况下，与保护装置b、c（和d，如果存在）协调处理故障。

为保护装置a设定故障判断逻辑，使其能独立判断短路故障，并将其带方向的故障判断结果（正向短路标志、反向短路标志）与正向故障判断区域和反向故障判断区域的所有其他保护装置进行交互。

设定保护装置a的故障处理逻辑。如果在正向故障判断区域内，保护装置c发现正向短路故障且没有保护装置发现反向短路故障，或在反向故障判断区域内，保护装置b发现反向短路故障且没有保护装置发现正向短路故障，或者至少有一个保护装置的断路器跳闸失败，则保护装置a自动控制断路器跳闸。

将保护装置a与物联网设备（如智能电表）进行集成，使得保护装置a能实时获取电表的电流、电压等数据，或者向远程控制开关发送指令，以远程控制电网的运行。

以上是一种实施例，根据具体的环境和设备情况，可能需要进行适当的调整和优化。

10kV配网比较典型的拓扑是单环网，如图3、图4所示，由一个变电站出线开始，经过多个环网柜回到另一条变电站出线，电力系统中一般将变电站看做电源。环网中各环网柜的馈线负责给各个电力用户供电或者连接到其他线路中。所谓开环运行即环网中，有一个联络线上的断路器是处于断开状态，如图3中环网柜D的间隔1断路器所示，使每台环网柜在同一个时间点只有一个电源供电。所谓合环运行即环网中，所有联络线上的断路器均处于合闸状态，如图3所示。本发明灵活适用于开环、合环运行的10kV配电环网进行故障定位和隔离。

故障判别逻辑如图5所示，每台保护装置实时与正向故障判断区域和反向故障判断区域的其他保护装置交互带方向短路故障判断结果和跳闸失败判断结果，同时计算本装置三相电流，实时判断是否发生短路故障并判断电流方向（以选定的正方向作为参考方向）。

当三相电流任意一相大于设定定值超过设定延时T0，则产生短路故障标志。结合故障电流方向产生正向短路标志和反向短路标志。

如果某1台保护装置，如果其正向故障判断区域内有保护装置发现正向短路故障且没有保护装置发现反向短路故障（如果保护装置所在间隔开关是环网柜进线开关，且正向区域内仅有本装置1台保护装置，则该区域不进行短路故障标志判断），或反向故障判断区域内有保护装置发现反向短路故障且没有保护装置发现正向短路故障，或正向故障判断区域和反向故障判断区域至少有1台保护装置发生跳闸失败，则产生故障定位标志，经延时T1动作，并产生动作标志。

如果动作后经过设定时间T2，断路器仍然处于合位或者保护装置所在线路有流，则产生跳闸失败标志。

在一个实施实例中，如图6所示，是一个单环网开环运行的10kV配电网，两个变电站出线之间有5个环网柜，分别为环网柜A、B、C、D、E，其中环网柜D的间隔1断路器是转供开关，运行时处于闭合状态。设定T0为20ms（考虑一个周波的时间），T1为10ms（考虑通信延时），T2为150ms（考虑机构实际动作断开的时间）。

分别针对联络线故障（故障点1）、母线故障（故障点2）、馈线故障（故障点3）进行分析：

1、联络线故障（故障点1）：

短路电流从变电站出线1开始，流过环网柜A的间隔1、间隔2，以及环网柜B的间隔1、间隔2，从变电站出线2开始，流过环网柜E的间隔2、间隔1，环网柜D的间隔2、间隔1，以及环网柜C的间隔2、间隔1。

环网柜A的间隔1保护装置：其正向故障判断没有其他保护装置，因此不进行短路故障标志的判断；其反向区域有1台保护装置发现正向故障（环网柜A的间隔2）、1台发现反向故障（环网柜A的间隔1），因此，该保护装置不动作。

环网柜A的间隔2保护装置：其反向故障判断区域有1台保护装置发现正向故障（环网柜A的间隔2）、1台发现反向故障（环网柜A的间隔1），其正向故障判断区域有1台保护装置发现正向故障（环网柜A的间隔2）、1台发现反向故障（环网柜B的间隔1），因此，该保护装置不动作。

同理，环网柜B的间隔1、环网柜C的间隔2、环网柜D的间隔1与间隔2、环网柜E的间隔1与间隔2不动作。

环网柜B的间隔2保护装置：其正向故障判断区域有2台保护装置发现正向故障（环网柜B的间隔2和环网柜C的间隔1），其反向故障判断区域有1台保护装置发现正向故障（环网柜B的间隔2）、1台发现反向故障（环网柜B的间隔1），因此，该保护装置动作。同理，环网柜C的间隔1动作。

由上述分析可见，环网柜B的间隔2与环网柜C的间隔1保护装置动作，准确隔离故障线路。

2、母线故障（故障点2）：

短路电流从变电站出线1开始，流过环网柜A的间隔1、间隔2，环网柜B的间隔1、间隔2，以及环网柜C的间隔1，从变电站出线2开始，流过环网柜E的间隔2、间隔1，环网柜D的间隔2、间隔1，以及环网柜C的间隔2。

同故障点1的分析可知，环网柜A的间隔1、间隔2，环网柜B的间隔1、间隔2，环网柜D的间隔1、间隔2，环网柜E的间隔1、间隔2不会动作。

环网柜C的间隔1保护装置：其反向故障判断区域有2台保护装置发现反向故障（环网柜C的间隔1和环网柜C的间隔2），其正向故障判断区域有1台保护装置发现正向故障（环网柜B的间隔2）、1台发现反向故障（环网柜C的间隔1），因此，该保护装置动作。

同理，环网柜C的间隔2动作。

由上述分析可见，环网柜C的间隔1与间隔2保护装置动作，准确隔离故障母线。

3、馈线故障（故障点3）：

短路电流从变电站出线1开始，流过环网柜A的间隔1、间隔2，环网柜B的间隔1、间隔5; 从变电站出线2开始，流过环网柜E的间隔2、间隔1，环网柜D的间隔2、间隔1，环网柜C的间隔2、间隔1，以及环网柜B的间隔2、间隔5。

同故障点1的分析可知，环网柜A的间隔1、间隔2，环网柜B的间隔1、间隔2，环网柜C的间隔1、间隔2，环网柜D的间隔1、间隔2，环网柜E的间隔1、间隔2不会动作。

环网柜B的间隔5保护装置：其反向故障判断区域有1台保护装置发现正向故障（环网柜B的间隔5）、2台发现反向故障（环网柜B的间隔1、间隔2），其正向故障判断区域有1台保护装置发现正向故障（环网柜B的间隔5），尽管正向故障判断区域仅有它自己1台保护装置，但它所在间隔不是环网柜的进线间隔，因此，该保护装置动作。

由上述分析可见，环网柜B的间隔5保护装置动作，准确隔离故障馈线。

本发明优势在于，逻辑原理和保护装置间交互内容都很简单，且能灵活适用于配电环网开环、合环运行方式

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (4)

1.一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，其特征在于：

步骤S1：在10kV配电环网中安装环网柜内的保护装置；

步骤S2：设定保护装置的通信范围；

步骤S3：设定每个保护装置的电流正方向；

步骤S4：配置每个保护装置的故障判断逻辑；

步骤S5：设定保护装置的故障处理逻辑；

步骤S1具体为：保护装置采用“手拉手”通信方式，保护装置具有相应的通信接口，并配置相应的通信参数以实现保护装置间的相互通信；

步骤S2具体为：每个保护装置仅能与其所处环网柜内的保护装置以及相同线路对侧的保护装置进行信息交流；

步骤S3具体为：将母线流向线路的方向设定为电流正方向，并根据这个设定，确定每个保护装置与其所在环网柜内的其他保护装置构成一个反向故障判断区域，每个保护装置与其所在线路对侧的其他保护装置构成一个正向故障判断区域；

步骤S4具体为：每个保护装置独立判断短路故障，并将其保护装置带方向的故障判断结果与正向故障判断区域和反向故障判断区域的所有其他保护装置进行交互；

判断逻辑如下：

步骤S41：保护装置进行实时通信，共享短路故障和跳闸失败信息；

步骤S42：保护装置监测电流，超过阈值后，产生对应方向的短路标志；

步骤S43：如果在某个方向上有短路标志且没有反向短路标志，或者有跳闸失败信息，保护装置产生故障定位标志，并在产生故障定位标志后动作；

步骤S44：如果保护装置动作后，断路器未断开或仍有电流流动，保护装置产生跳闸失败标志；

步骤S5具体为：如果在正向故障判断区域或反向故障判断区域内，保护装置发现相应方向的短路故障且没有其他保护装置发现反向的短路故障，或者至少有一个保护装置的断路器跳闸失败，设定这个发现故障的保护装置能自动控制断路器跳闸。

2.根据权利要求1所述的一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，其特征在于，还包括使用人工智能技术，每个保护装置学习历史故障数据，并独立判断短路故障。

3.根据权利要求1所述的一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，其特征在于，还包括在每个环网柜内配置备用断路器，如果主断路器不能正常跳闸，备用断路器将自动启动，确保电网的正常运行。

4.根据权利要求2所述的一种配电网多电源供电情况的分布式故障定位隔离方法，其特征在于，使用人工智能技术具体步骤如下：

步骤S71：为每个保护装置的人工智能模块编写机器学习算法；

步骤S72：然后使用历史数据训练步骤S71中机器学习算法，使机器学习算法根据实时的输入数据，预测和判断电网的状态和可能的故障；

步骤S73：在训练完成后，将机器学习算法部署到每个保护装置中。