CN1167176C - 配电网继电保护与故障定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，包括多个测量和执行单元以及连接这些单元的通信通道两个部分，测量和执行单元包括电流互感器、极性检测与比较继电器、第一个通信接口单元、第二个通信接口单元和断路器，通信通道包括保护用的通道和全网故障定位用的通道；本发明通过检测和比较所有流过被保护配电设备的故障分量电流极性的异同，判断该设备是否发生故障；再利用通信手段连接同一个被保护设备的所有继电器，实现所有配电线路、配电母线和配电变压器的继电保护；再利用通信手段把这些电流极性信息传送给调度中心，工作人员可以很快发现故障位置，从而实现快速故障定位。该系统与配电网的具体结构无关，不需要使用电压故障信息，构成简单，易于实现。

Description

配电网继电保护与故障定位系统

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及配电网的继电保护和故障定位技术。

背景技术

配电网是由许多电气设备组成的，这些电气设备在运行过程中发生故障是不可避免的。故障发生后，快速检出故障设备并动作于断路器跳闸、从而切除故障设备；同时准确提供故障发生的位置以便于工作人员检修和恢复故障设备是继电保护的根本任务。

继电保护根据故障后电流电压的变化等故障信息而动作。目前，配电线路和配电变压器的继电保护主要采用“基于单端故障信息的电流保护”；母线保护则采用差动保护构成。采用单端故障信息的电流保护不能快速切除线路和变压器任何位置的故障。针对这个问题，可以考虑以下解决方案：

采用高压电网的方向高频或者距离高频保护，但它首先需要采集每个设备两端的电压和电流，构成过于复杂。

采用高压电网的载波电流差动保护，但它需要同步采集并交换被保护设备两端的电流波形或者电流相量，这个要求在配网中很难达到。

采用高压电网的载波电流差动保护，但它需要交换被保护设备两端的电流波形或者电流相量，这对于通信的要求太高了。

采用高压电网的载波电流相位差动保护，但它需要交换被保护设备两端的电流相位，但是，配网是单端电源辐射网，故障后故障点之后的电流消失或减少，一般不会改变方向，导致保护失效。

显然，要解决配电网快速继电保护和全网的故障定位问题，使用目前的方法是不行的。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型配电网继电保护和故障定位系统，它利用故障分量电流的极性特征，首先构成一个新型数字式继电器——极性检测和比较继电器，它通过检测和比较所有流过被保护配电设备的故障分量电流极性的异同，判断该设备是否发生故障；再利用通信手段连接同一个被保护设备的所有继电器，实现所有配电线路、配电母线和配电变压器的继电保护；再利用通信手段把这些电流极性信息传送给调度中心，工作人员可以很快发现故障位置，从而实现快速故障定位。该系统与配电网的具体结构无关，不需要使用电压故障信息，构成简单，易于实现。

本发明提出一种配电网继电保护与故障定位系统，其特征在于：包括多个测量和执行单元以及连接这些单元的通信通道两个部分，所说的测量和执行单元包括电流互感器、极性检测与比较继电器、第一个通信接口单元、第二个通信接口单元和断路器，其连接关系为：电流互感器和被保护电气设备相连，极性检测与比较继电器的输入端与电流互感器的三相电流输出端相连，该继电器的输出端与断路器、第一个通信接口单元、第二个通信接口单元相连接，对于被保护线路，测量和执行单元必须安装在线路两侧的变电站或配电站内，对于被保护变压器，测量和执行单元必须安装在变压器两侧，对于被保护母线，测量和执行单元必须安装在与该母线所连接的所有进出线上；所说的通信通道包括保护用的通道和全网故障定位用的通道；所说的保护用的通道是连接被保护电气设备的测量与执行单元之间的通信通道；所说的全网故障定位用的通道是连接整个配电网的所有测量与执行单元之间的通信通道。

所说的极性检测与比较继电器可包括由电源、电流电压变换器、数据采集电路、保护微处理器和继电器出口电路五个部分组成的通用的数字式继电器硬件平台，以及固化在该保护微处理器中的由程序初始化模块、故障检测模块、故障选相模块、故障分量抽取模块、数字计数器模块、极性检测模块、极性比较模块、保护出口判别模块、通信单元1模块、通信单元2模块组成的保护与故障定位程序。

本发明能够应用于

1.保护10kV-66kV配电变压器；

2.保护10kV-66kV配电线路；

3.保护10kV-66kV母线；

4.确定哪一个电气设备发生故障，实现全配电网的故障定位。

5.保护更高电压等级的高压和超高压输变电设备。

本发明可达到如下性能指标：

1.保护动作时间小于20毫秒；

2.全网故障定位时间小于1分钟。

附图说明：

图1为本发明用于典型配电网中的配电网继电保护与故障定位系统实施例结构示意图。

图2为本实施例中的测量和执行单元的构成框图。

图3为本实施例中的极性检测与比较继电器程序构成框图。

图4为本实施例中的故障分量抽取示意图。。

图5为本实施例的线路保护构成示意图。

图6为本实施例的母线保护构成示意图

图7为本实施例的变压器保护构成示意图。

图8为本实施例的配电网故障定位构成示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种配电网继电保护和故障定位系统实施例，结合各附图详细说明如下：

本发明的基本工作原理和出发点是：

当发生故障的电气设备流过故障分量电流时，所有流进与流出该设备的故障分量电流具有相同的极性；

当没有发生故障的电气设备流过故障分量电流时，流进和流出该设备的电流满足电流连续性原理，必然是有进有出，流进和流出电流不可能具有相同的极性。

所谓故障分量电流是指故障发生后所出现的电流增量。

本发明所说的配电网保护与故障定位系统实施例是用于一个典型的配电网中，如图1所示，其中典型的配电网包括：1#线路1、2#线路2、3#线路3、1#母线4、2#母线5、3#母线6、4#母线7、5#母线8、1#变压器9、2#变压器10、3#变压器1，其中1#变压器和2#线路组成馈线-变压器单元。以上为被保护的电气设备。

在这个配电网中，1#电源12、2#电源13、1#负荷支路14、2#负荷支路15、3#负荷支路16、4#负荷支路17、5#负荷支路18不属于保护对象。

本实施例的配电网保护与故障定位系统包括多个测量和执行单元以及连接这些单元的通信通道两个部分，各部分详细说明如下：

(1)测量和执行单元

图1中E0，E1，A0，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，C1，C2，C3，D1，D2，D3是安装在配电网不同位置的测量和执行单元。

它是这个系统的核心组成部分，包括电流互感器、极性检测与比较继电器、通信接口单元1、通信接口单元2和断路器。其中的所有电流互感器参考方向是：离开母线为正。

对于被保护线路，这个单元必须安装在线路两侧变电站或配电站内；

对于被保护变压器，这个单元必须安装在该变压器两侧；

对于被保护母线，这个单元必须安装在与该母线所连接的所有进出线上。

在测量和执行单元中，电流互感器101、极性检测与比较继电器102、通信接口单元(一)103、通信接口单元(二)104和断路器105安装在同一个地点，它们之间具有确定的逻辑和连接关系，见图2，其连接关系为：电流互感器101和被保护电气设备100相连，极性检测与比较继电器102的输入端与电流互感器101的三相电流输出端相连，该继电器102的输出端与断路器105、通信接口单元(一)103、通信接口单元(二)104相连接。

各个元件的功能如下

—电流互感器101测量电流的变化，可以选择沈阳变压器厂生产的LQJ-10型保护级电流互感器；

—极性检测与比较继电器102检测本互感器101测量的电流极性，与其它继电器送来的极性信息进行比较，给出故障是否发生在保护区内的结论，内部故障发出跳闸命令；

—通信接口单元(一)103发送本继电器102的极性检测结果给其它继电器，接收其它继电器的极性检测结果，可以采用西门子公司生产的SWT400F6保护信号传输装置；

—通信接口单元(二)104发送本继电器的极性检测结果给调度中心，可以采用西门子公司生产的SWT400F6保护信号传输装置；

—断路器105执行继电器102发出的跳闸命令，可以采用西安高压开关厂生产的SN10-10型户内安装少油断路器。

为便于表达，后面将采用电流互感器xx、继电器xx等来加以区别与表示，例如电流互感器A0，继电器A0等。

(2)通信通道单元

本实施例的通信通道有两类：

第一类—保护用的通道，是指用于连接被保护电气设备的测量与执行单元之间的通信通道；该通道把本地继电器的极性检测结果传送给与它自己相关的继电器，供对方判断作出故障是否发生在被保护设备内部的决定。

这里所说的“与它自己相关的继电器”是指：

线路——指两端的继电器，比如1#线路—1是A0、A1。

双绕组变压器——指变压器的两侧，比如1#变压器-9是A2、B1。

母线——指与它相连的所有继电器，比如3#母线-6是B1、B2、B3。

第二类——全网故障定位用的通道，是指用于连接整个配电网的所有测量与执行单元之间的通信通道；该通道把每一个继电器的极性检测结果传送给调度中心，供调度中心判断出哪个设备发生了故障，实现故障定位。

本实施例的极性检测与比较继电器构成及功能详细说明如下

该继电器是本实施例系统最为重要的设备。

它采用故障分量电流原理、由硬件电路和保护程序两部分组成，执行故障分量电流极性的检测和比较、判断故障是否发生在被保护设备内部的功能。

继电器硬件电路主要由：电源、电流电压变换器、数据采集电路、保护微处理器和继电器出口电路五个部分组成的通用的数字式继电器硬件平台，以及固化在该保护微处理器中的由程序初始化模块、故障检测模块、故障选相模块、故障分量抽取模块、数字计数器模块、极性检测模块、极性比较模块、保护出口判别模块、通信单元1模块、通信单元2模块组成的保护与故障定位程序。

该硬件可以采用常规的继电器硬件平台，比如该硬件可以采用由英国阿尔斯通公司生产的Micomp140型硬件平台。

图3示出了该继电器的保护程序构成框图。现结合该继电器原理和算法对保护程序各部分分别说明如下：

1.程序初始化

该部分用于对保护微处理器进行初始化设置，包括端口设置、控制字设置、通信设置等。

1.故障检测

该部分用于判别故障是否发生。如果故障发生，则继续后面的程序；否则，程序进入循环状态，等待故障发生。

故障发生的判据是：相电流差突变量原理，即

把当前的每相电流采样值和故障前一周波(20毫秒之前)的采样值逐点相减，如果连续超过门槛值五次，认为故障发生。否则程序返回。

2.故障选相

确认故障发生后，程序转入故障相判别。因为配电网是三相系统，故障往往发生在不同相，所以必须首先正确选择出故障相。

故障选相判据是：

(1)接地故障判别：零序电流大于整定值。

(2)单相接地故障相选择：相电流两两相减，对应最小差值的相是非故障相。这样剩下的相就是故障相。

(3)两相接地故障相选择：如果确认为接地故障，但又不是单相故障，那么故障电流最小的相就是故障非相，剩余的就是故障相。

(4)如果不是接地故障，那么如果三相电流都超过某个整定值，则确认为三相故障。

(5)如果不是三相故障，而且零序电流没有超过整定值，则最小电流不是故障相，剩余的就是故障相。

3.故障分量抽取

故障分量抽取采用前述的突变量检测原理，它和计数器相配合。即故障后各相电流采样值i(n)减去故障前一周波对应采样值，达到计数器规定次数(时间为10毫秒)后，故障分量ig(n)抽取结束。故障分量抽取示意图如图4所示。

1.计数器

记录减法结果是否达到设定的次数，如果达到。故障分量计算结束。

5.极性检测

根据故障分量抽取结果，采用一个短数据窗(3毫秒)对上述结果积分求和，然后稳定的极性就可以得到——“正”或者“负”极性。

6.极性比较

根据远端送来的极性判别结果(“正”或者“负”)进行极性比较。如果同为正或同为负，判为内部故障，否则判为外部故障。

7.通信1

通信1用于和保护所使用的通信接口单元(一)交换继电器极性检测结果，用于继电保护。它仅仅用于发送或者接收“正”或“负”的信息。

8.通信2

通信2用于向故障定位所使用的通信接口单元(二)发送该继电器极性检测结果，用于故障定位。它仅仅用于发送“正”或“负”的信息

它们仅仅用于发送或者接收正或负的信息。

9.继电器出口

满足上述条件6并且没有其它闭锁信号，则程序给出“动作”信号，断路器跳闸；否则，程序给出“不动作”信号。

本实施例对所说的配电网的保护功能说明如下：

本实施例所说的配电网保护，是指线路保护、变压器保护、母线保护和线路-变压器组合单元保护。

每一个极性检测与比较继电器把自己检测到的电流极性信息通过通信通道发送给与它有关的继电器；每一个继电器根据自己的电流互感器测量结果和通过通信收集到的相关继电器的电流极性信息，独立地作出是否被保护设备发生了故障的判断、进而作出保护动作跳闸与否的决定。

对于1#线路——1，继电器-201、继电器-601连同它们的通信通道-19组成1#线路-1的继电保护，F1点发生内部故障时，A0和A1两个继电器检测到同极性故障分量电流，参见图5，其中301和701是通信接口单元；

对于3#线路-3，继电器A3、C1连同它们的通信通道组成3#线路-3的继电保护，F3点发生内部故障时，A3和C1两个继电器检测到同极性故障分量电流；

对于1#母线——继电器E0和A0连同它们的通信通道(连线)组成1#母线-4的继电保护，该母线内部F6点发生故障时，E0和A0两个继电器检测到同极性故障分量电流；

对于2#母线——继电器A1、A2、A3、A4、E1连同它们的通信通道(连线)组成2#母线-5的继电保护，该母线内部F7点发生故障时，这五个继电器检测到同极性故障分量电流；

对于3#母线——继电器B1、B2、B3连同它们的通信通道(连线)-20组成3#母线-6的继电保护，该母线内部F5点发生故障时，这三个继电器检测到同极性故障分量电流，参见图6；

对于4#母线——继电器C1、C2连同它们的通信通道(连线)组成4#母线-7的继电保护，该母线内部F6点发生故障时，C1、C2两个继电器检测到同极性故障分量电流；

对于5#母线——继电器D1、D2、D3连同它们的通信通道(连线)组成5#母线-8的继电保护，该母线内部F8点发生故障时，这三个个继电器检测到同极性故障分量电流；

对于2#变压器——继电器C2、C3连同它们的通信通道(连线)-21组成2#变压器-10的继电保护，该变压器内部F9点发生故障时，这两个继电器检测到同极性故障分量电流，参见图7；

对于3#变压器——继电器A4、D1连同它们的通信通道(连线)组成3#变压器-11的继电保护，该变压器内部F4点发生故障时，这两个继电器检测到同极性故障分量电流；

对于由1#变压器-9和2#线路-2组成的变压器—馈线单元—继电器A2、B1连同它们的通信通道(连线)组成该单元的继电保护，该单元内部F2点发生故障时，这两个继电器检测到同极性故障分量电流。

本实施例对所说的配电网的故障定位功能说明如下：

对于发明所说的配电网故障定位，是指全网任何一个设备发生了故障，位于调度中心的工作人员能够知道故障发生在什么地方或者是哪一个设备发生了故障，参见图8。

每一个继电器把自己的极性检测结果(E0、E1、A0、A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3)通过通信通道传送给调度中心，调度中心根据各个继电器检测结果、按照极性相同为该设备故障，极性不同为没有故障最终决定出故障发生在什么地方——实现故障定位。

本实施例的工作过程

例如于图1所示的配电网当F1点发生故障，那么1#线路两端的继电器将动作，并动作于断路器跳闸，切除该线路。同时调度中心根据所有继电器的极性判定故障发生在1#线路上。达到保护和故障定位的目的。

具体工作过程如下：

1.设F1点发生了故障；

2.流过所有电流互感器(E0、E1、A0、A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3)的电流将变化；

3.连接在电流互感器后面的所有继电器(E0、E1、A0、A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3)将检测到该变化；

4.所有检测到故障并启动了的继电器计算自己的极性，并通过通信送给与自己相关的继电器和调度中心；

5.继电器E0和A0是反极性的，A0流进电流，E0流出电流，1#母线-4保护不动作；

6.继电器A1、A2、A3、A4和E1是反极性的，A1流进电流，A2、A3、A4和E1流出电流，2#母线-5保护不动作；

7.继电器A2和B1是反极性的，B1流进电流，A2流出电流，馈线-变压器单元(2#线路-2和1#变压器-9)保护不动作；

8.继电器B1和B2、B3是反极性的，B1流进电流，B2、B3流出电流，3#母线-6保护不动作；

9.继电器A3和C1是反极性的，C1流进电流，A3流出电流，3#线路-3保护不动作；

10.继电器C1和C2是反极性的，C1流进电流，C2流出电流，4#母线-7保护不动作；

11.继电器D1和D2、D3是反极性的，D1流进电流，BD、D3流出电流，5#母线-8保护不动作；

12.继电器C2和C3是反极性的，C2流进电流，C3流出电流，2#变压器-10保护不动作；

13.继电器A4和D1是反极性的，D1流进电流，A4流出电流，3#变压器-11保护不动作；

14.只有继电器A0和A1检测到故障分量电流是同极性的，1#线路-1保护动作，给出跳闸命令；

15.断路器A0和A1跳闸，达到保护目的；

16.调度中心根据所有继电器送来的极性信息，发现设备1#线路-1两端继电器同极性，从而判断出故障发生在1#线路上，实现了故障定位。

Claims (2)

1、一种配电网继电保护与故障定位系统，其特征在于：包括多个测量和执行单元以及连接这些单元的通信通道两个部分，所说的测量和执行单元包括电流互感器、极性检测与比较继电器、第一个通信接口单元、第二个通信接口单元和断路器，其连接关系为：电流互感器和被保护电气设备相连，极性检测与比较继电器的输入端与电流互感器的三相电流输出端相连，该继电器的输出端与断路器、第一个通信接口单元、第二个通信接口单元相连接，对于被保护线路，测量和执行单元必须安装在线路两侧的变电站或配电站内，对于被保护变压器，测量和执行单元必须安装在变压器两侧，对于被保护母线，测量和执行单元必须安装在与该母线所连接的所有进出线上；所说的通信通道包括保护用的通道和全网故障定位用的通道；所说的保护用的通道是连接被保护电气设备的测量与执行单元之间的通信通道；所说的全网故障定位用的通道是连接整个配电网的所有测量与执行单元之间的通信通道。

2、如权利要求1所述的配电网继电保护与故障定位系统，其特征在于：所说的极性检测与比较继电器，包括由电源、电流电压变换器、数据采集电路、保护微处理器和继电器出口电路五个部分组成的通用的数字式继电器硬件平台，以及固化在该保护微处理器中的由程序初始化模块、故障检测模块、故障选相模块、故障分量抽取模块、数字计数器模块、极性检测模块、极性比较模块、保护出口判别模块、通信单元(1)模块、通信单元(2)模块组成的保护与故障定位程序。

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