一种有源闭环配电网保护系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种有源闭环配电网保护系统及方法。
【背景技术】
[0002] 我国现有城市配电网多采用多分段多联络的结构，运行方式通常采用闭环设计、 开环运行。一般配置相对简单的保护装置，由配电自动化系统实现故障区段的隔离以及非 故障区段的恢复供电。此种结构的特点是保护配置简单，一般只在线路出口处设置保护，因 此故障时必须切除整条线路。由于故障隔离和故障后复电时的倒闸操作需要短时停电，因 此限制了供电可靠性的继续提高。另外，开环运行方式无法满足分布式电源DG的友好接 入。
[0003] 配电网采用闭环运行方式，并配以适合配电网的保护方案，就可以最大限度的减 小停电范围，从而提高供电可靠性，而且还能解决对于分布式电源DG大量并网的问题。
[0004] DG大量接入的有源配电网，与传统配电网有很大差别。不仅正常运行功率与故障 电流具有双向流动的特点，而且随着运行方式的不同，短路电流的大小、流向和分布都会发 生变化。传统的配电网保护方案无法满足新的要求。针对DG给现有配电网保护所带来的影 响，目前已经提出了很多新型的保护方案。现有的保护方案大多只是提供一种能够判别出 故障区段的保护原理，对配电网输电线路进行保护，而很少考虑到保护动作所造成的影响， 很少从整体上考虑整个有源配电网保护系统的构建。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种有源闭环配电网保护系统及方法，本方法 采用保护终端单元实现出线保护、线路保护、负荷保护和母线保护等功能，构建起适用于有 源闭环配电网的整体保护方案，能够分别反应配电网不同位置的故障。在单端弱馈情况下， 可以准确识别故障区段。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种有源闭环配电网保护系统，针对有源闭环配电网，在各个节点设置保护终端 单元实现保护，包括出线保护单元、线路保护单元、负荷保护单元以及母线保护单元，其 中：
[0008] 所述出线保护单元配置在变电站出口处，采用过流保护原理，作为整个环网的后 备；
[0009] 所述线路保护单元，采用基于电流相角变化的纵联保护，用于识别故障区段，不需 要根据配电网运行方式的改变而改变定值；
[0010] 所述负荷保护单元，用于保护负荷分支线路，当检测到负荷线路故障时，切除线 路；
[0011] 所述母线保护单元，用于保护位于负荷保护以及线路保护的范围之外的负荷分支 节点；
[0012] 所述线路保护单元、负荷保护单元和母线保护单元共同组成保护终端单元；
[0013] 所述负荷保护单元，用于保护连接并网分布式电源以及负荷的分支，与下级熔断 器延时配合。
[0014] 所述保护终端单元接收并处理本地节点信息，用于实现本节点的保护以及与节点 相连负荷线路的负荷保护，本地保护终端单元和对端的保护终端单元构成线路纵联保护。
[0015] 所述保护终端单元，采集各节点所有连接线上设置的电流互感器采集的输入信 号，根据其进行母线保护，并采用过流原理，对连接负荷的连接线进行负荷保护，根据相应 连接线上电流互感器采集的输入信号和与通过该连接线连接的另一节点处的电流相角变 化方向信号，进行线路保护。
[0016] -种有源闭环配电网保护方法，具体包括：变电站出口线路依次连接各个节点，形 成闭环环网，出线保护配置在变电站出口处，采用过流原理，作为整个环网的后备；各节点 处设置有保护终端单元，各节点的所有连接线处均设有一个电流互感器，保护终端单元采 集各节点的电流互感器采集的输入信号，根据其进行母线保护，并采用过流原理，对节点连 接负荷的连接线进行负荷保护，根据相应连接线上电流互感器采集的输入信号和与通过该 连接线连接的另一节点处的电流相角变化方向信号，进行线路保护。
[0017] 所述母线保护为当故障点位于安装保护终端单元的各分支节点时，由与该节点相 连的各保护装置构成母线保护，采用差动保护原理来构建母线保护。
[0018] 进一步的，对于一个与k条线路相连的节点，母线保护判据设为：
[0020] 式中：之为与节点相连的各条线路上的电流，正方向都取节点指向线路；Ith为门 限值。
[0021] 所述线路保护，结合线路两端电流相角变化方向信息，来识别区内外故障，具体判 据为：如果两端电流相角变化方向相反，则判定为区内故障。
[0022] 所述方法中，线路保护、负荷保护以及母线保护不存在时限或者定值上的配合关 系。
[0023] 所述方法中，当线路保护未正确动作时，由该节点处设置的其他线路的后备保护 动作来切除故障。
[0024] 所述方法中，当节点连接负荷的线路上发生故障时，由负荷线路上的保护元件切 断该负荷线路，如果负荷线路上的保护元件无法正确动作，由该节点处设置的其他线路的 后备保护动作来切除故障。
[0025] 本发明的有益效果为：
[0026] (1)本发明针对分布式电源并网的需求，提出了采用闭环运行的方式，并对闭环配 电网的保护方案进行了研究，通过与开环方式比较，闭环方式能够提高供电可靠性，并且更 适于DG的友好接入；
[0027] (2)只采用电流量，无须采集电压，与现有的方向保护相比，节省了电压互感器的 投资，同时，由于只需传输线路两端电流相角变化的方向信息，也降低了对通信通道的要 求，因此本方案应用在配电网中时，具有经济性意义；
[0028] (3)基于电流相角变化的线路保护能够有效解决故障电流幅值过小的情况，准确 判别故障。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的闭环配电网结构图；
[0030] 图2为本发明的STU保护架构示意图；
[0031] 图3(a)为本发明的线路保护正常动作示意图；
[0032] 图3(b)为本发明的线路保护后备保护动作示意图；
[0033] 图4(a)为本发明的负荷保护正常动作示意图；
[0034] 图4(b)为本发明的负荷保护后备保护动作示意图；
[0035] 图5(a)为本发明的母线保护正常动作示意图；
[0036] 图5(b)为本发明的母线保护后备保护动作示意图；
[0037] 图6为本发明的IEEE30节点配电网示意图；
[0038] 图7为本发明的正序分量电流幅值变化示意图；
[0039] 图8为本发明的正序分量电流相角变化示意图。
【具体实施方式】：
[0040] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0041] 如图1所示，一种适用于有源闭环配电网的保护架构，线路主保护采用基于电流 相角变化的有源配电网保护，结合出线保护、负荷保护和母线保护，构建起适用于有源闭环 配电网的整体保护方案。所采用的保护原理都具有原理简单的特点。对于闭环配电网故障 时可能出现的单端弱馈问题，本发明也对所采用的线路保护原理进行了分析验证。通过分 析，本发明所采用的线路纵联保护原理在单端弱馈情况下，可以准确识别故障区段。
[0042] 1配电网闭环运行方式
[0043] 现有配电网从简便性以及安全性的角度出发，一般采取开环运行方式，并只在馈 线始端配置保护装置。当线路发生故障时，需要切除整条线路，并通过重合闸分段恢复供 电。对于分布式电源大量接入的有源配电网，切除整条馈线，会引发孤岛问题。而且故障隔 离和故障后复电时的倒闸操作也需要短时停电。
[0044] 与开环运行相比，闭环配电网在供电连续性和改善电能质量方面有优势，也更适 合DG的接入。在一些中压配电网中，闭环运行方式逐渐被采用。图1所示为闭环结构的配 电网。在配电网的节点处，接有负荷以及DG。闭环运行方式会从电压、网损、最大短路电流 以及保护等方面对配电网造成影响。本发明主要针对闭环运行配电网的保护问题，进行研 究。
[0045] 2闭环运行配电网的保护架构
[0046] 2. 1整体架构
[0047] 闭环配电网保护由出线保护、线路保护、负荷保护以及母线保护构成。出线保护配 置在变电站出口处，采用过流原理，作为整个环网的后备。图1中M、N即为出线保护。其余 三种保护所采用的保护原理如下。
[0048] 线路保护采用基于电流相角变化的纵联保护，能够快速识别故障区段，且不需要 根据配电网运行方式的改变而改变定值。采用该纵联保护能够构建起配电网主网架的快速 保护。
[0049] 负荷保护用来保护负荷线路。负荷线路用来给用户供电，并可能接有用户的并网 DG。当检测到负荷线路故障时，切除线路。负荷保护也可以与下级熔断器延时配合。
[0050] 母线保护，用来保护负荷分支节点。由于此节点位于负荷保护以及线路保护的范 围之外，需要通过设置保护。
[0051] 通过在各节点处设置保护终端单元（smartterminalunit,STU)，来实现上述三 种保护功能。以含有一个分支的节点为例，设置三个电流互感器以及一个STU。具体的，由 STU接收并处理本地信息，实现本节点的保护以及与节点相连负荷线路的负荷保护。由本地 STU与对端STU结合，构成线路纵联保护。图2以STU-B为例展示了其配置的保护架构，线 路保护以保护线路BC段为例。下面主要介绍线路保护和母线保护所采用的保护原理。
[0052] 2. 2线路保护
[0053]当故障点位于环网线路上时，由线路两端的保护所构成的线路保护来切除故障。 如当在图1中的F点发生故障时，通过B2和C1组成的线路保护来切除故障。线路保护原 理可以采用基于电流相角变化的有源配电网保护方案。该方案通过结合线路两端电流相角 变化方向信息，来识别区内外故障。如果两端电流相角变化方向相反，则判定为区内故障。
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