一種基于邏輯量信息的配電網區域保護系統及方法
【專利摘要】本發明公開了電力系統繼電保護領域中一種基于邏輯量信息的配電網區域保護系統及方法。基于邏輯量信息的配電網區域保護系統由順序相連的故障信息采集模塊、故障定位模塊和跳閘指令輸出模塊組成；基于邏輯量信息的配電網區域保護方法包括采集配電網中各個節點的三段式電流保護裝置動作信息，利用故障信息采集模塊采集到的三段式電流保護信息和區域保護動作判據準確識別區內、區外故障，最后輸出斷路器跳閘或閉鎖指令。本發明能夠準確識別區內故障、閉鎖區外故障，且以多信息構成冗余，具有較強的容錯能力，同時由于采用邏輯量，信息交互量少，不受信息非同步的影響。
【專利說明】
-種基于還輯量信息的配電網區域保護系統及方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統繼電保護領域，尤其設及一種基于邏輯量信息的配電網區域 保護系統及方法。
【背景技術】
[0002] 配電系統通常為多分支福射型結構，饋線段電氣距離短，且存在T型連接的節點。 運使得基于動作電流整定的保護選擇性較差，而利用動作延時整定的保護不能滿足速動性 要求，系統安全穩定性難W保證。同時，基于就地信息的本地保護難W適應分布式電源 (Distr化Uted Generation，DG)接入和系統運行方式多變，潮流方向不確定等問題，存在較 高的拒動或誤動風險。基于廣域信息的保護原理充分利用多點信息，從而使故障定位更為 準確可靠。
[0003] 基于廣域信息的保護原理最關鍵的問題是明確所利用信息的類型和處理信息的 方法。目前，國內外學者對基于廣域信息的保護方案研究包括:利用饋線段兩端節點是否均 流過故障電流判斷故障線路、通過比較電流幅值差判斷故障線路、集合所有保護從機的故 障方向信息并利用矩陣算法進行故障捜索等，但對于DG接入的多源網絡難W判斷故障位 置，也難W保證保護的速動性和可靠性。
[0004] 鑒于此，本發明提出基于邏輯量信息的配電網區域保護方案，消除多DG和多分支 的影響，保證故障快速可靠切除。首先，分析多DG和多分支線路下本地電流保護存在的問 題，在此基礎上，提出=段式方向電流保護整定及配合原則，然后根據斷路器配置情況劃分 區域范圍，并結合電流保護動作信息構成區域保護動作判據，準確識別區內故障、閉鎖區 外故障。該方案W多信息構成冗余，具有較強的容錯能力，同時由于采用邏輯量，信息交互 量少，不受信息非同步的影響。IEffi 33節點配電系統驗證了保護方案的正確性和有效性。

【發明內容】

[0005] 為了解決上述問題，本發明提出一種基于邏輯量信息的配電網區域保護系統，其 特征在于，所述系統包括順序相連的故障信息采集模塊、故障定位模塊和跳閩指令輸出模 塊；
[0006] 所述故障信息采集模塊用于采集配電網中各個節點的=段式電流保護動作信息， 并將所采集信息發送至故障定位模塊；
[0007] 所述故障定位模塊利用保護區域內各個節點的=段式電流保護動作信息得到區 內保護信息邏輯值，然后根據區域保護動作判據得出區域保護動作信號；
[000引所述跳閩指令輸出模塊用于發出斷路器跳閩或閉鎖信號。
[0009] -種基于邏輯量信息的配電網區域保護方法，其特征在于，所述方法包括步驟1、 故障信息采集
[0010] 采集配電網中各個節點的=段式電流保護裝置動作信息；
[OOW 步驟2、故障定位
[0012] 利用故障信息采集模塊采集到的=段式電流保護信息和區域保護動作判據準確 識別區內、區外故障；
[0013] 步驟3、結果輸出
[0014] 判斷斷路器是否動作，輸出斷路器跳閩或閉鎖指令。
[0015] 所述步驟2中的區域保護動作判據為
[0016] 設區域內有n個開關節點并按供電路徑順序編號；
[0017] 當末節點為斷路器時，各節點的區內保護信息表示為
[001 引 (X)
[0019] 其中，P為保護動作信息，i、n、虹分別為電流保護i、n、虹段；片UII表示開關i處的 保護綜合動作信息，i = l，2,…，n-l，巧Iim = I表示電流I段、n段或虹段動作表示 保護均不動作;Pj,HI為開關j處的電流m段，Pj,IH=I即動作，Pj,IH=O即不動作;An-讀示區域 內第n-1條支路的故障情況，用于確認故障是否發生在該支路上，An-I = I時故障發生在該條 支路上，An-I = O時故障未發生在該條支路上；
[0020]當末節點為末梢節點即為只連接用戶或聯絡開關的節點，節點的區內保護信息表 示為 陶]
域
[0022] 聯立式(1)和式(2)，得區內保護信息邏輯值為
[0023]
城
[0024] E表示該區域內的故障情況，用于確認故障是否發生在該區域內，E=I時表示故障 發生在該區域內，E = O時表示故障未發生在該區域內；
[0025] Ak表示區域內第k條支路的故障情況，用于確認故障是否發生在該支路上，Ak值為1 則表示故障發生在該條支路上，Ak值為0則表示故障未發生在該條支路上；
[0026] 區域保護動作判據為
[0027]
戰
[0028] 式中，Ml為區域保護動作信號，Ml為I表示保護動作，立即向首節點斷路器發送跳閩 信號并向上級區域發送閉鎖信號，化為0表示保護不動作;Ck表示下級保護區域閉鎖信號，Ck 為1表示收到閉鎖信息，Ck為0即未收到閉鎖信息。
[0029] 步驟3中判斷斷路器是否動作具體為當故障發生后，保護區域將定期收到首節點 斷路器的狀態B，B值為1表示斷路器閉合，B值為0表示斷路器斷開，當一定時間內B=I且Mi =1，則表明保護出口動作信息與斷路器信息不一致，判定斷路器出現失靈故障，及時向主 站發送斷路器失靈信息;若未失靈則斷開故障饋線段負荷開關。
[0030] 故障饋線段定位判據為式巧），根據該判據能在斷路器滅弧后斷開m，m+l節點處的 分段開關，恢復正常線路供電；
[0031]
城
[0032] M2表示第m節點與第m+1節點之間的支路故障情況，若M2值為0則表示該支路上無故 障，M2值大于0則表示故障發生在該條支路上。
[0033] 有益效果
[0034] 本發明能夠準確識別區內故障、閉鎖區外故障，且W多信息構成冗余，具有較強 的容錯能力，同時由于采用邏輯量，信息交互量少，不受信息非同步的影響。
【附圖說明】
[0035] 圖1是本發明的一種基于邏輯量信息的配電網區域保護系統結構圖。
[0036] 圖2是本發明實施方式中的配電網典型接線圖。
[0037] 圖3是本發明實施方式中的配電網區域劃分示例圖。
[0038] 圖4是本發明實施方式中的典型故障位置鄰域信息交互保護判據結果。
[0039] 圖5是區域保護方案故障處理流程圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖，對本發明作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的， 而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0041] 圖1是本發明提供的一種基于邏輯量信息的配電網區域保護系統結構圖，包括順 序相連的故障f目息義集板塊、故障定位板塊和跳間指令輸出板塊。
[0042] 圖2為含DG的配電網典型接線圖，矩形開關為斷路器，圓形開關為負荷開關。實屯、 表示開關為常閉狀態，空屯、表示開關為常開狀態，圖中處于常開狀態的開關為聯絡開關。配 電網絡存在饋線段繁多、節點數目龐大的特點，通常只在部分節點配置斷路器，其他節點采 用負荷開關作為分段開關，W減少設備投資成本。本地保護在故障發生時，首先由最近的斷 路器跳閩遮斷故障電流，再將故障饋線段兩端的負荷開關斷開，恢復正常線路供電。運將導 致保護范圍內存在大量T型連接的DG和分支，嚴重影響本地保護的正常工作。由圖2知，Sl處 的主保護必須切除11、1^2、1^3、1^7、1^8、1^0、1^1饋線段任意位置的故障，導致51在保護范圍內 存在多個巧妾DG，其助增作用縮小本地保護電流I段的保護范圍，大部分線路故障需由電流 n段W-定延時切除，速動性受到嚴重影響。同時，多分支饋線結構下，單個保護需要切除 多條線路的故障電流，導致電流I段的保護范圍更為縮短。例如，對Sl的電流I段進行整定 時，需要躲過L3、L8、L11=條饋線段末端短路情況下的故障電流，導致本地保護范圍嚴重縮 小。同時，電流n段根據DG額定容量計算最大分支系數W保證靈敏性，導致電流n段往往超 過下級I段動作范圍，能造成故障停電范圍擴大。例如:S1的n段根據DG1、DG2、DG3的額定容 量進行整定，當L6發生故障時，能發生S4的I段不動作，而Sl的n段和S4的n段均動作的情 況，進而導致一定延時后，斷路器Sl和S4均斷開，整條饋線發生短時停電。由此，本地保護通 過斷路器節點實現配合，導致電流I段保護范圍縮短，保護速動性難W保證;而電流n段存 在較大的誤動風險，能造成故障停電范圍擴大。
[0043] 為解決本地保護存在的上述問題，本發明提出=段式方向電流保護整定及配置原 貝1J，進而利用保護動作情況構成區域保護邏輯判據。為避免T接DG助增電流對電流I段的影 響，每個分段開關均配置有保護裝置，并根據自適應方向電流保護原理實現故障判斷。需要 說明，=段式方向電流保護動作后，并不直接向斷路器發送跳閩命令，而是作為邏輯信息構 成區域邏輯判據準確定位故障，進而由區域保護向斷路器發送跳閩指令。圖3為=段式方向 電流保護范圍示意圖，電流I段覆蓋本線路70%，電流n段根據DG額定電流計算最大分支系 數，保護范圍至少為本線路全長，同理電流m段保護范圍至少為下級線路全長。考慮到DG容 量波動，n、虹段保護范圍會有一定延伸，區域保護利用多個保護動作信息構成邏輯判據， 同時保證選擇性和靈敏性要求。
[0044] 保護區域劃分原則：
[0045] 負荷開關不具備開斷故障電流的能力，線路發生故障后，均由離故障饋線段最近 的上游斷路器切除短路電流。因此，保護區域根據斷路器切除故障的饋線段構成劃分原則： 1)區域內所有饋線段處于同一供電路徑;2)離饋線段最近的上游斷路器為同一個斷路器； 3)區域末端為末梢節點或下級斷路器。圖4是配電網區域劃分示例圖，化1、L2、L3}、{L4、L5、 1^6}、化1、1^7、1^8}、{11、1^2、1^0、1^1}為4個不同的保護區域。根據劃分原則，處于同一區域的 饋線段故障由同一斷路器切除，保護區域的首節點均為斷路器，用W開斷該區域所有位置 的故障，末節點為斷路器或末梢節點。
[0046] 不同保護區域含有相同的饋線段，如{11、1^2、1^3}、化1、1^7、1^8}及化1、1^2、1^0、1^1} 含有共同的饋線段LI,稱=者為同級保護區域。每個區域及其同級區域的相鄰下游區域均 為該區域的下級保護區域，例如，{L4、L5、L6}為上述=個區域的下級保護區域。將區域內的 保護動作信息構成邏輯判據，并結合下級保護區域是否發送閉鎖信號，準確判定區內是否 發生故障。
[0047] 區域保護動作判據：
[0048] 在判斷區內是否發生故障前，首先利用保護區域內所有保護裝置的=段式電流保 護動作信息得到區內保護信息邏輯值，設區域內有n個開關節點并按供電路徑順序編號。
[0049] 當末節點為斷路器時，各節點的區內保護信息表示為：
[00 加] (I)
[0化。其中，P為保護動作信息，I、n、虹分別為電流I、n、虹段。巧IUU隸示開關i處的保護 綜合動作信息，為1表示電流I段、n段或m段動作;為0表示保護均不動作。門,m為開關j處 的電流虹段，為1即動作，為0即不動作。
[0052] 當末節點為末梢節點(末梢節點為只連接用戶或聯絡開關的節點），節點的區內保 護信息表示為：
[0053]
樹
[0054] 聯立式(1)和式(2)，得區內保護信息邏輯值為：
[0化5]
域
[0056] 為保證下級區域故障時區域保護不誤動，將式(3)中的邏輯值與下級保護區域閉 鎖信號結合，構成區域保護動作判據：
[0057]
曲
[005引式中，Mi為區域保護動作信號，1表示保護動作，立即向首節點斷路器發送跳閩信 號并向上級區域發送閉鎖信號，0表示保護不動作;Ck表示下級保護區域閉鎖信號，1表示收 到閉鎖信息，0即未收到閉鎖信息。
[0059] 上述判據準確識別區內、區外故障，W圖1中化1、L2、L3}保護區域為例。Fl處發生 故障時，區域內保護動作信息為:口2,111=1、口3,11=1、口3,]11=1、口4,]11=〇，且下級區域向該區域發 送的閉鎖信號ECk = 0。根據式（1)知，區內保護信息計算結果為A1 = 0，A2 = 1，A3 = 1，再由 式(4)得保護動作判據化=1，因此區域保護將向Sl發送斷路器跳閩指令。
[0060] 由于判據利用多信息形成冗余，因此，本發明所提出的區域保護方案在即使信息 部分缺失或錯誤情況下仍然能準確判斷故障。在本地保護配置下，Sl的I段受DG助增影響， 保護范圍縮小不能動作，需要電流n段或虹段W-定延時切除，然而區域保護實現保護加 速動作、減少故障持續時間。W當F3處發生故障為例，在DG影響下，保護的動作信息為Pi,in= 1、口2,111=1、口3,]11=0，口4,]11=0，根據式(3)知區域化1、1^2心}保護邏輯值￡ = 1，再由式(4)得區 域化4、L5、L6}的動作判據結果為1，該區域保護動作，同時向區域化1、L2、L3}發生閉鎖信 號，即ECk=I,根據式(4)知，區域化1、L2、L3}保護判據結果化=0,即該區域保護不會誤動。 同理知，區域化1、L7、L8}也不會發生保護誤動情況。然而，對于本地保護而言，SI的電流n 段在助增作用下保護范圍得到延時，而S4的I段不動作，因此Sl和S4的電流n段在一定延時 后同時動作，故障范圍嚴重擴大。由此，區域保護有效的縮短故障停電范圍。
[0061] 需要說明，區域保護方案不影響本地電流保護正常工作，只要本地保護滿足動作 電流判據和動作延時則執行動作指令，區域保護只起到加速保護動作的作用，不對本地保 護判斷結果產生影響。
[0062] 區域保護方案不僅具備故障識別功能，還具備斷路器失靈判別功能。當故障發生 后，保護區域將定期收到首節點斷路器的狀態，B=I表示斷路器處于閉合狀態，當一定時間 內B=I且Mi = I,則表明保護出口動作信息與斷路器信息不一致，判定斷路器出現失靈故 障，及時向主站發送斷路器失靈信息。
[0063] 故障切除后，配電自動化系統通過重合器和電壓-時間分段器配合，利用負荷開關 兩端失壓情況，將故障饋線段隔離。運種方式不僅會導致饋線發生兩次短時停電，而且DG接 入的多源配電系統能發生非同期重合閩。區域保護方案在每個開關均裝有保護裝置，根據 保護動作信息確定故障饋線段，因此無需多次停電也將故障有效隔離。故障饋線段定位判 據為式(5)，根據該判據在斷路器滅弧后斷開m，m+l節點處的分段開關，恢復正常線路供電。
[0064]
饋
[0065] 表1給出了圖2的區域劃分結果，表2給出了不同故障下區域保護邏輯值及判據結 果。由表2知，區域保護有效避免多DG和多分支情況下保護拒動和誤動，滿足保護對選擇性 和靈敏性的要求，同時還加速保護動作。
[0066] 表 1
[0067]
[006引
[0069]
[0070] 區域保護方案容錯性分析：
[0071] 基于多信息的保護方案對傳送信息的正確性有一定的依賴，接下來將對保護信息 錯誤、缺失等情況進行容錯性分析。
[0072] 1、保護動作信息錯誤情況分析：
[0073] 保護動作信息為邏輯信號，在通信過程中會存在傳輸錯誤，本發明所提出的區域 保護方案通過利用多信息進行冗余判斷，實現自我糾錯。
[0074] 情況1: W圖1為例，F2處發生故障時，保護Sl未動作，但由于信息傳輸過程中出現 錯誤使得奸'nw = l，保護SI能發生誤動。此時，SI所在區域保護收到L9區域的閉鎖信號，根據 式(4)得Mi = O,由此避免信息錯誤情況下該區域保護的錯誤動作。
[00巧]情況2:F3處發生故障時，保護S6的動作信息發生錯誤使兮IUII = O，保護S4出現拒 動，但由于保護S5的電流虹段延伸至L6，即ifUII = 1，根據區域保護動作判據知，保護S4能夠 可靠動作。
[0076] 情況3:綜合動作信息兮nm錯誤時，區域保護自動糾正。例如，發生故障Fl時，由本 地保護裝置傳輸到子站的保護S4動作信息為口4,1 = 1、口4,11 = 0、口4,]11=0，由于11、虹段保護范 圍大于I段，知I段信息錯誤。
[0077] 根據上述分析，在保護動作信息存在一定錯誤時，本發明所提出的區域保護不發 生拒動和誤動，具有較強的糾錯能力。
[0078] 2、保護動作信息缺失情況分析：
[0079] 發生故障時，若非首末節點的保護信息缺失，則根據區內其他保護動作信息判定 故障。
[0080] 若首節點信息缺失，且故障發生在首段饋線段，則由本地保護切除;若故障在非首 段饋線段，則由下游保護信息判別故障。
[0081] 若末節點信息缺失，Pn,ni=〇,由式（1)-(4)知，區內故障判別不受影響。因此，在發 生單一保護動作信息缺失的情況下，區域保護方案能夠可靠工作，滿足n-1要求。本發明所 提出的區域保護方案故障處理流程圖如圖5所示。
【主權項】
1. 一種基于邏輯量信息的配電網區域保護系統，其特征在于，所述系統包括順序相連 的故障信息采集模塊、故障定位模塊和跳閩指令輸出模塊； 所述故障信息采集模塊用于采集配電網中各個節點的Ξ段式電流保護動作信息，并將 所采集信息發送至故障定位模塊； 所述故障定位模塊利用保護區域內各個節點的Ξ段式電流保護動作信息得到區內保 護信息邏輯值，然后根據區域保護動作判據得出區域保護動作信號； 所述跳閩指令輸出模塊用于發出斷路器跳閩或閉鎖信號。2. -種基于邏輯量信息的配電網區域保護方法，其特征在于，所述方法包括 步驟1、故障信息采集 采集配電網中各個節點的Ξ段式電流保護裝置動作信息； 步驟2、故障定位 利用故障信息采集模塊采集到的Ξ段式電流保護信息和區域保護動作判據準確識別 區內、區外故障； 步驟3、結果輸出 判斷斷路器是否動作，輸出斷路器跳閩或閉鎖指令。3. 根據權利要求2所述的一種基于邏輯量信息的配電網區域保護方法，其特征在于，所 述步驟2中的區域保護動作判據為 設區域內有η個開關節點并按供電路徑順序編號； 當末節點為斷路器時，各節點的區內保護信息表示為(1) 其中，Ρ為保護動作信息，Ι、Π 、ΙΠ 分別為電流保護Ι、Π 、ΙΠ 段;Pii'n'm表示開關i處的保 護綜合動作信息，i = l，2,…，n-l，Pii'm=l表示開關i處電流I段、Π 段或虹段動作;Pii'n'm =0表示保護均不動作Α,ιπ為開關j處的電流虹段，門,ιπ=1即開關j處的電流虹段動作，Pj,in =0即開關j處的電流虹段不動作;An-i表示區域內第n-1條支路的故障情況，用于確認故障 是否發生在該支路上，An-l=l時故障發生在該條支路上，An-1 = 0時故障未發生在該條支路 上； 當末節點為末梢節點即為只連接用戶或聯絡開關的節點，節點的區內保護信息表示為巧） 聯立式(1)和式(2)，得區內保護信息邏輯值為(3) E表示該區域內的故障情況，用于確認故障是否發生在該區域內，E = 1時表示故障發生 在該區域內，E = 0時表示故障未發生在該區域內； Ak表示區域內第k條支路的故障情況，用于確認故障是否發生在該支路上，Ak值為1則表 示故障發生在該條支路上，Ak值為0則表示故障未發生在該條支路上； 區域保護動作判據為二保護動作，向上級區域發送閉鎖信號 （4)式中，Ml為區域保護動作信號，Ml為1表示保護動作，立即向首節點斷路器發送跳閩信號 并向上級區域發送閉鎖信號，Ml為0表示保護不動作;Ck表示下級保護區域閉鎖信號，Ck為1 表示收到閉鎖信息，Ck為0即未收到閉鎖信息。4. 根據權利要求3所述的一種基于邏輯量信息的配電網區域保護方法，其特征在于，步 驟3中判斷斷路器是否動作具體為當故障發生后，保護區域將定期收到首節點斷路器的狀 態B，B值為1表示斷路器閉合，B值為0表示斷路器斷開，當一定時間內B = 1且Mi = l，則表明 保護出口動作信息與斷路器信息不一致，判定斷路器出現失靈故障，及時向主站發送斷路 器失靈信息;若未失靈則斷開故障饋線段負荷開關。5. 根據權利要求4所述的一種基于邏輯量信息的配電網區域保護方法，其特征在于，故 障饋線段定位判據為式(5)，根據該判據能在斷路器滅弧后斷開m，m+l節點處的分段開關， 恢復正常線路供電；> 0 j故障發生于W，"! +1之間 M2表示第m節點與第m+1節點之間的支路故障情況，若M2為0則表示該支路上無故障，M2 大于0則表示故障發生在該條支路上。
【文檔編號】H02H7/28GK105977937SQ201610412007
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月14日
【發明人】馬靜, 劉暢, 康勝陽
【申請人】華北電力大學