一种用于配电网继电保护的在线控制系统及方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种用于配电网继电保护的在线控制系统及方法。

背景技术：

随着能源与环境问题日益加重，以能源利用率高、兼容环境、适应可再生能源为特点的分布式发电(distributed generation DG)日益成为研究的热点。DG与大电网联合运行，具有供电灵活性、可靠性和安全性等社会效益，还具有削峰填谷，降低网损，提高现有设备利用率等经济效益。但在另一方面，DG的接入改变了配电网单电源辐射型结构，也改变了电力系统运行状态和故障水平，进而对继电保护提出了严峻的挑战。

小容量DG对保护的影响并不大，但是一些大型DG的共同作用就可能会导致传统三段式电流保护误动作。同时，DG灵活多样的接入方式，也使保护的配合关系变得更为复杂。现有的配电网保护方案是：当故障发生时，立即切除电网中所有DG，以确保原有保护能够正确动作。统计结果表明，配电网中80％的故障都是瞬时性故障，盲目切除DG将会限制DG的正常运行，削弱供电可靠性。

目前为了解决上述问题，一些致力于研发含DG的配电网自适应保护新方案，取得了一定的成果，主要包括：提出利用正序电流和工频电流量在含有DG的配电网中进行故障定位的方法；提出一种将线路末端的功率方向信息引入始端电流的自适应保护方案；提出一种在DG上游区域配置方向纵联保护，同时对过流保护加装方向元件的保护方案。但这几种方案都无法很好的解决解决现有配电网保护方案在接入分布式电源后保护范围小，误动和拒动的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供的一种用于配电网继电保护的在线控制系统及方法，该系统及方法不受分布式电源接入的影响，解决了分布式电源接入馈线的配电网保护问题。同时在两相短路的不利情况下，主保护的保护范围仍能达到本线路的80％，后备保护的保护范围均能延伸到下级线路的40％以上。与传统电流保护相比，该方法显著增大了主保护和后备保护的保护范围；不受故障类型的影响，在对称故障和不对称故障下均能可靠动作；提高了配电网的运行可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于配电网继电保护的在线控制系统，所述配电网中的馈线接有分布式电源；所述系统包括故障数据采集模块、支路贡献系数计算模块、依次连接的保护等值电路变换模块、主保护整定模块和后备保护整定模块；

所述故障数据采集模块分别连接至所述保护等值电路变换模块和所述支路贡献系数计算模块；

所述支路贡献系数计算模块连接至所述后备保护整定模块。

优选的，所述故障数据采集模块包括采集单元及电流数据发送单元，且所述采集单元连接至所述电流数据发送单元；

所述采集单元用于采集所述配电网在发生故障后的所述分布式电源注入电流；

所述电流数据发送单元用于接收注入电流数据，并将所述注入电流数据发送至所述保护等值电路变换模块和支路贡献系数计算模块。

优选的，所述保护等值电路变换模块包括依次连接的配电网系统识别单元、等值变换单元及等值数据发送单元；

所述配电网系统识别单元用于识别并存储所述配电网系统的运行方式和网络的拓扑结构，并将所述配电网系统的运行方式和网络的拓扑结构发送至所述等值变换单元；

所述等值变换单元根据配电网系统的运行方式和网络的拓扑结构，对保护背侧网络进行等值变换，得到并发送保护背侧等值电势和等值电阻至所述等值数据发送单元；

所述等值数据发送单元用于将所述保护背侧等值电势和等值电阻发送至所述主保 护整定模块。

优选的，所述主保护整定模块包括主保护计算单元及整定值发送单元，且所述主保护计算单元连接至所述整定值发送单元；

所述主保护计算单元根据所述保护背的侧戴维南等值模型和故障类型计算得到主保护整定值；

所述整定值发送单元将所述主保护整定值发送至所述后备保护整定模块。

优选的，所述支路贡献系数计算模块包括支路计算单元及系数发送单元，且所述支路计算单元连接至所述系数发送单元；

所述支路计算单元根据网络拓扑建立支路贡献系数矩阵，计算得到支路贡献系数；

所述系数发送单元用于将所述支路贡献系数发送至后备保护整定模块。

优选的，所述后备保护整定模块包括接收单元和后备计算单元，且所述接收单元连接至所述后备计算单元；

所述接收单元用于接收所述支路贡献系数及主保护整定值数据；

所述后备计算单元根据所述支路贡献系数及主保护整定值计算得到后备保护整定值。

一种用于配电网继电保护的在线控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.采集在配电网发送故障后的分布式电源注入电流及故障类型；

步骤2.计算得到保户背侧等值电势和等值阻抗及主保护整定值；

步骤3.根据网络拓扑建立支路贡献系数矩阵，计算得到支路贡献系数及支路保护电流值；

步骤4.根据后备保护范围内的主保护整定值及所述支路保护电流值，通过分支系数原理计算后备保护在线整定值。

优选的，所述步骤2包括：

2-1.根据配电网系统的运行方式、网络拓扑结构和分布式电源注入电流，计算得到保护背侧等值电势u和等值阻抗Z_m：

式(1)和(2)中，Z_l为保护背侧线路阻抗；Z_d为保护背侧阻抗；i为保护背侧节点注入电流；

2-2.根据所述保护背侧等值电势u、等值阻抗Z_m、戴维南等值模型和故障类型，计算得到主保护整定值i_ps：

式(3)中，Z_ql为被保护线路的阻抗值；k_d为故障类型系数；k_k为可靠系数。

优选的，所述步骤3包括：

3-1.根据网络拓扑建立支路贡献系数矩阵，建立支路贡献系数矩阵C(λ)：

式(4)中，YN为节点导纳矩阵；A为节点关联矩阵；Y为支路导纳矩阵；

3-2.根据节点在导纳矩阵中的编号得到支路贡献系数矩阵中对应元素，得到支路贡献系数；

3-3.根据支路贡献系数、支路电流测量值及分布式电源注入电流，计算得到支路保护电流值；所述支路保护电流值为用于保护所在支路不受分布式电源影响的电流值；

i_l,DG＝λ_l,DGi_DG (5)

i_l,M＝i_l,d-i_l,DG (6)

式(5)和(6)中，λ_l,DG为支路受分布式电源影响的支路贡献系数；i_DG为分布式电源注入电流；i_l,DG为分布式电源注入电流分配到支路中的电流值；i_l,d为支路测量电流；i_l,M为不受分布式电源影响的支路电流。

优选的，所述步骤4包括：

根据式(5)、式(6)及主保护整定值，计算得到后备保护在线整定值的公式如下：

式(7)和(8)中，i_bs2为保护2的后备保护自适应整定值；i_ps1为保护1的主保护自适应整定值；k_b为分支系数；k_rel为可靠系数；i_l1,M为不受分布式电影响的保护1所在支路电流；i_l2,M为不受分布式电源影响的保护2所在支路电流。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种用于配电网继电保护的在线控制系统及方法，该系统包括故障数据采集模块、支路贡献系数计算模块、依次连接的保护等值电路变换模块、主保护整定模块和后备保护整定模块；该方法计算保护背侧等值电势和等值阻抗及主保护整定值；支路贡献系数及支路保护电流值；通过分支系数原理计算后备保护在线整定值。本发明提出的系统及方法不受分布式电源接入的影响，解决了分布式电源接入馈线的配电网保护问题。同时在两相短路的不利情况下，主保护的保护范围仍能达到本线路的80％，后备保护范围均延伸到下级线路的40％以上；显著增大了主保护和后备保护的保护范围；在对称故障和不对称故障下均能可靠动作；提高了配电 网的运行可靠性。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，该系统包括故障数据采集模块、支路贡献系数计算模块、依次连接的保护等值电路变换模块、主保护整定模块和后备保护整定模块；该系统不受分布式电源接入的影响，解决了分布式电源接入馈线的配电网保护问题。显著增大了主保护和后备保护的保护范围；在对称故障和不对称故障下均能可靠动作；提高了配电网的运行可靠性。

2、本发明所提供的技术方案，方法计算保护背侧等值电势和等值阻抗及主保护整定值；支路贡献系数及支路保护电流值；通过分支系数原理计算后备保护在线整定值。本发明提出的系统及方法不受分布式电源接入的影响，解决了分布式电源接入馈线的配电网保护问题。同时在两相短路的不利情况下，主保护的保护范围仍能达到本线路的80％，后备保护范围均延伸到下级线路的40％以上；显著增大了主保护和后备保护的保护范围；在对称故障和不对称故障下均能可靠动作；提高了配电网的运行可靠性。

3、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种用于配电网继电保护的在线控制系统的示意图；

图2是本发明的一种用于配电网继电保护的在线控制方法的流程示意图；

图3是本发明的在线控制方法的步骤2的流程示意图

图4是本发明的在线控制方法的步骤3的流程示意图

图5是本发明的一种用于配电网继电保护的在线控制系统及方法的具体应用例的辐射型配电网电路图；

图6是本发明的具体应用例的含多个分布式电源的辐射型配电网电路图；

图7是本发明的具体应用例的含有方向保护装置的辐射性配电网电路图；

图8是本发明的具体应用例的保护4背侧的诺顿等值模型示意图；

图9是本发明的具体应用例的保护4背侧的戴维南等值模型示意图；

图10是本发明的具体应用例的某10.5kV配电网电路接线图；

图11是本发明的具体应用例的某10.5kV配电网的网络参数图；

图12是本发明的三相短路情况下保护R3的主保护动作特性曲线图；

图13是本发明的两相短路情况下保护R3的主保护动作特性曲线图；

图14是本发明的三相短路情况下保护R2的后备保护动作特性曲线图；

图15是本发明的两相短路情况下保护R2的后备保护动作特性曲线图。

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。

如图1所示，本发明提供一种用于配电网继电保护的在线控制系统，配电网中的馈线接有分布式电源；系统包括故障数据采集模块、支路贡献系数计算模块、依次连接的保护等值电路变换模块、主保护整定模块和后备保护整定模块；

故障数据采集模块分别连接至保护等值电路变换模块和支路贡献系数计算模块；

支路贡献系数计算模块连接至后备保护整定模块。

其中，故障数据采集模块包括采集单元及电流数据发送单元，且采集单元连接至电流数据发送单元；

采集单元用于采集配电网在发生故障后的分布式电源注入电流；

电流数据发送单元用于接收注入电流数据，并将注入电流数据发送至保护等值电路变换模块和支路贡献系数计算模块。

其中，保护等值电路变换模块包括依次连接的配电网系统识别单元、等值变换单元及等值数据发送单元；

配电网系统识别单元用于识别并存储配电网系统的运行方式和网络的拓扑结构，并将配电网系统的运行方式和网络的拓扑结构发送至等值变换单元；

等值变换单元根据配电网系统的运行方式和网络的拓扑结构，对保护背侧网络进行等值变换，得到并发送保护背侧等值电势和等值电阻至等值数据发送单元；

等值数据发送单元用于将保护背侧等值电势和等值电阻发送至主保护整定模块。

其中，主保护整定模块包括主保护计算单元及整定值发送单元，且主保护计算单元连接至整定值发送单元；

主保护计算单元根据保护背的侧戴维南等值模型和故障类型计算得到主保护整定值；

整定值发送单元将主保护整定值发送至后备保护整定模块。

其中，支路贡献系数计算模块包括支路计算单元及系数发送单元，且支路计算单元连接至系数发送单元；

支路计算单元根据网络拓扑建立支路贡献系数矩阵，计算得到支路贡献系数；

系数发送单元用于将支路贡献系数发送至后备保护整定模块。

其中，后备保护整定模块包括接收单元和后备计算单元，且接收单元连接至后备计算单元；

接收单元用于接收支路贡献系数及主保护整定值数据；

后备计算单元根据支路贡献系数及主保护整定值计算得到后备保护整定值。

如图2所示，本发明提供一种用于配电网继电保护的在线控制方法，包括如下步骤：

步骤1.采集在配电网发送故障后的分布式电源注入电流及故障类型；

步骤2.计算得到保户背侧等值电势和等值阻抗及主保护整定值；

步骤3.根据网络拓扑建立支路贡献系数矩阵，计算得到支路贡献系数及支路保护电流值；

步骤4.根据后备保护范围内的主保护整定值及支路保护电流值，通过分支系数原理计算后备保护在线整定值。

如图3所示，步骤2包括：

2-1.根据配电网系统的运行方式、网络拓扑结构和分布式电源注入电流，计算得到保护背侧等值电势u和等值阻抗Z_m：

式(1)和(2)中，Z_l为保护背侧线路阻抗；Z_d为保护背侧阻抗；i为保护背侧节点注入电流；

2-2.根据保护背侧等值电势u、等值阻抗Z_m、戴维南等值模型和故障类型，计算得到主保护整定值i_ps：

式(3)中，Z_ql为被保护线路的阻抗值；k_d为故障类型系数；k_k为可靠系数。

如图4所示，步骤3包括：

3-1.根据网络拓扑建立支路贡献系数矩阵，建立支路贡献系数矩阵C(λ)：

式(4)中，YN为节点导纳矩阵；A为节点关联矩阵；Y为支路导纳矩阵；

3-2.根据节点在导纳矩阵中的编号得到支路贡献系数矩阵中对应元素，得到支路贡献系数；

3-3.根据支路贡献系数、支路电流测量值及分布式电源注入电流，计算得到支路保护电流值；支路保护电流值为用于保护所在支路不受分布式电源影响的电流值；

i_l,DG＝λ_l,DGi_DG (5)

i_l,M＝i_l,d-i_l,DG (6)

式(5)和(6)中，λ_l,DG为支路受分布式电源影响的支路贡献系数；i_DG为分布式电源注入电流；i_l,DG为分布式电源注入电流分配到支路中的电流值；i_l,d为支路测量电流；i_l,M为不受分布式电源影响的支路电流。

其中，步骤4包括：

根据式(5)、式(6)及主保护整定值，计算得到后备保护在线整定值的公式如下：

式(7)和(8)中，i_bs2为保护2的后备保护自适应整定值；i_ps1为保护1的主保护自适应整定值；k_b为分支系数；k_rel为可靠系数；i_l1,M为不受分布式电影响的保护1所在支路电流；i_l2,M为不受分布式电源影响的保护2所在支路电流。

本发明提供一种用于配电网继电保护的在线控制系统及方法的综合应用的具体应 用例，如下：

图1为一种配电网继电保护在线整定系统结构图；首先介绍继电保护在线整定原理，图5所示的辐射型配电网中，电源G通过线路AB、BC、CD向负荷E供电。当故障F₁发生时，保护1立即动作，实现主保护功能，保护2为保护1提供后备保护。

如图6所示，图6为含多个分布式电源的辐射型配电网电路图；在含分布式电源的配电网中，上述保护的整定配合关系还需要考虑以下因素：

(1)系统运行方式的不确定性。分布式电源DG1和电源DG2分别接于母线C和母线B上。当F1点发生故障时，故障电流由2部分组成，一部分由电源G提供，另一部分由DG1和DG2提供。DG1和DG2的运行状态直接影响流经保护1和保护2的故障电流，因此，保护1和保护2的整定值必须能够适应DG1和DG2的运行方式变化。

(2)潮流方向的不确定性。当F2点发生故障时，要求保护2先于保护1动作；当F1点发生故障时，保护1必须先于保护2动作。因此，为了实现保护的选择性，每条线路两端都应装设一个带方向的保护装置，如图7所示。

在传统配电网中，变电站是唯一的电源且与大型发电机组的电气距离较远。鉴于此，可近似认为故障电流中不含次暂态分量，用其稳态值代替即可。这种情况下，变电站可以用一个电压源和串联阻抗等效。将DG1等效为注入电流i1，线路CD和DE以及负荷4用串联阻抗Z_CE表示，负荷3用其等值阻抗Z_d3表示。保护4背侧的局部系统诺顿等值模型如图8所示，其戴维南等值模型见图9。

则电压u₁可以表示为

戴维南等值阻抗Z_m为：

于是，保护4主保护可以根据下式整定：

式中：

i_ps4——保护4的主保护自适应整定值；

Z_BC——被保护线路BC的阻抗值；

k_d——故障类型系数；

k_k——可靠系数。

同理，可以求出保护2、保护3和保护5的主保护自适应整定值。

在本线路的主保护失灵或断路器拒动情况下，上级线路的保护必须为本线路提供后备保护。当F2点故障发生时，如果保护5处的电流测量值在一定延时后仍然大于整定值，且主保护不动作，则由保护4实现线路AB的后备保护功能。鉴于DG2的运行方式变化较大，容易造成保护4的不正确动作，本文提出一种新方法，以消除DG2对保护4的影响。

首先，将电源等效为节点注入电流，配电网的节点电压方程可表示为：

I_N＝Y_NU_N (12)

Y_N＝AYA^T (13)

式中：

Y_N——节点导纳矩阵；

U_N——节点电压列向量；

I_N——节点注入电流列向量；

A——节点关联矩阵；

Y——支路导纳矩阵。

由电网络理论可知，支路电流I_B和节点电压U_N的关系可表示为

I_B＝YA^TU_N (14)

根据上式可得支路电流I_B与节点注入电流I_N的关系表达式：

将式中定义为支路贡献因子矩阵，可离线计算。可计算出DG2的注入电流i2对支路AB贡献的电流i_AB,G2，即

i_AB,G2＝λ_AB,2i₂ (16)

式中：

λ_AB,2——支路贡献因子矩阵C(λ)中的一个元素。

由下式可得出不受DG2影响的AB支路电流i_AB,M，即

i_AB,M＝i_AB,d-i_AB,G2 (17)

式中：

i_AB,d——AB支路电流的测量值；

i_AB,M——不受DG₂影响的AB支路电流。

保护4的后备保护自适应整定值可由以下两式计算得到：

式中：

i_bs4——保护4的后备保护自适应整定值；

i_ps5——保护5的主保护自适应整定值；

k_b——分支系数；

k_rel——可靠系数；

i_AB,M——不受DG₂影响的AB支路电流；

i_BC,M——不受DG₂影响的BC支路电流。

利用某配电网作为测试系统，如图10所示。系统额定电压为10.5kV，电源ES和DG分别接于母线1和母线5处。具体参数如图11所示。

(1)自适应主保护仿真：

图12和图13分别给出了线路5-6中点(主保护区内)发生三相短路和两相短路故障情况下，保护R3的主保护自适应动作特性曲线。其中，故障发生在T＝0.30s时刻，且在T＝0.80s消失。仿真结果表明，故障发生后，保护R3处电流测量值Ipm均迅速增大并超过主保护整定值Ips，主保护均发出跳闸信号。

(2)自适应后备保护仿真：

在线路5-6出口处(主保护区内)发生故障时，若线路5-6上靠近母线6侧的保护电流测量值在一定延时后仍然大于动作门槛值，且主保护不动作，则保护R2将为线路5-6提供后备保护。图14和图15分别为三相短路和相间短路情况下，保护R2的后备保护动作特性曲线。

可以看出，无论发生何种类型的故障(对称故障或者不对称故障)，电流测量值均大 于后备保护整定值，保护R2均可实现后备保护的功能。

本发明所提出的配电网继电保护在线整定系统及其方法不受分布式电源接入的影响，解决了分布式电源接入馈线的配电网保护问题。在两相短路的不利情况下，主保护的保护范围仍能达到本线路的80％，后备保护的保护范围均能延伸到下级线路的40％以上。与传统电流保护相比，该方法显著增大了主保护和后备保护的保护范围。不受故障类型的影响，在对称故障和不对称故障下均能可靠动作。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。