基于端边云协同的柔性直流配电网故障处置系统及方法与流程

1.本发明涉及配电网继电保护与配电物联网技术领域，尤其是一种基于端边云协同的柔性直流配电网故障处置系统及方法。


背景技术：

2.在各类分布式电源大量接入的配电网环境下，需要考虑能够有效降低分布式电源出力波动对电网稳定性的影响的方案，其中一个重要的方式是引入各类电力电子柔性互联装置，变交流为直流，以方便分布式电源的接入并对潮流进行有效调节，然而与柔性直流配电网相配套的继电保护技术尚不成熟，需要进一步研究。
3.由于直流配电系统中直流线路阻尼很小，故障电流的上升速度远大于交流配电网中故障发生时的情形，对电网造成的损害更高，因此对继电保护的速动性和选择性要求更高。除此之外，不同区域的故障可能影响到其他区域，如整流器交流侧故障和直流侧故障的相互影响，从而影响了故障区段的准确定位。传统的交流配电网保护方法一般为过电流保护或者过电压保护，通过电流、电压幅值或其变化率的变化实现故障的识别。该种方法原理简单，但在直流配电网尤其是双端或多端直流配电网中，其在选择性和速动性等方面会存在一定的问题，基于电流的保护在比较复杂的配网中由于相邻区域的保护定值难以整定，并且难以实现时间上的配合，不适合用在柔性直流配电网中。因此需要针对柔性直流配电网的有关特性开发新的继电保护方案。
4.目前已经有多项关于直流配电网故障识别方法有关的研究，如边界保护、纵连保护、行波保护、基于智能算法的保护等方案。相比于传统的过流或过压保护，这些方法涉及到的数学运算更加复杂，需要专用的计算装置进行处理。此外，这些方法大多需要多点测量数据，并需要这些数据具有满足要求的同步性与精确配合，因此对装置之间的通信提出了要求。绝大多数相关研究均没有给出所提出的方法需要在何种条件下的硬件设施与通信环境下进行。一般的简单集中式计算架构很难处理目前电网级柔性直流配电网故障识别算法的运算，耗时较长，从集中式计算装置向线路开断装置发送指令也会面临较长的通信延时，以上两点会导致直流配电网的继电保护速动性难以被满足。


技术实现要素：

5.为解决交直流柔性直流配电网故障识别计算资源难以分配的问题，本发明的首要目的在于提供一种实现高效数据传输，满足直流配电网继电保护的速动性要求的基于端边云协同的柔性直流配电网故障处置系统。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于端边云协同的柔性直流配电网故障处置系统，包括：
7.端侧装置，用于与边侧装置协同配合，完成故障线路识别与开断；
8.边侧装置，采用小型嵌入式工控机，具有频域分析、短期数据存储功能，用于完成故障数据的分析处理，通过有线传输向端侧装置发送线路开断指令，通过无线传输向云端
服务器发送线路开断状态；
9.云端服务器，具有存储大量数据、无线通信的功能，完成接收并汇总各个边侧装置上传的线路开断状态并可视化展示给用户，供维修人员进行后续闭合联络开关的决策，完成故障恢复工作，对历史录波数据进行分析；
10.所述端侧装置与边侧装置之间有线双向通讯，所述边侧装置与云端服务器之间无线双向通讯。
11.所述端侧装置由线路开断装置和故障录波装置组成，所述线路开断装置采用混合式断路器，所述故障录波装置采用波形采集器，波形采集器内置gps定位装置，波形采集器位于线路两端，两端的波形采集器与负责该线路的边侧装置的通信距离相等。
12.所述端侧装置和边侧装置之间通过电力线载波或光纤线路相连。
13.所述边侧装置与云端服务器之间通过lte电力无线专网、电力低功耗广域网、无线公网通讯。
14.本发明的另一目的在于提供一种基于端边云协同的柔性直流配电网故障处置系统的故障处置方法，该方法包括下列顺序的步骤：
15.(1)当柔性直流配电系统内发生单极接地或双极短路故障时，柔性直流配电系统内各线路上的电流发生较大幅度的异常波动，启动保护，线路两端的故障录波装置启动录波，同步记录2ms的故障暂态电流波形；
16.(2)两台故障录波装置将录波数据先后上传到该线路对应的边侧装置，由边侧装置进行故障识别：首先将线路两端的电流值相减得到线路差动电流，线路差动电流包含两部分：由电源和换流器产生的故障电流，以及分布电容电流；直流线路的故障电流变化模式分为三个阶段：电容放电阶段、二极管自由导通阶段和交流侧馈入阶段，故障识别与保护动作的执行在电容放电阶段完成，电容放电阶段的等值电路为二阶振荡电路，故障电流振荡的频率为：
[0017][0018]
式中：x为故障距离；c为直流并联电容器的容值；lu和ru分别是线路单位长度的电感值和电阻值；分布电容暂态电流的频率与故障行波的固有频率一致，行波固有频率的理论最低值为：
[0019][0020]
式中，v为行波波速；d为故障距离；
[0021]
由边侧装置对差动电流录波信号进行小波变换操作，通过信号高低频的能量差异来判定故障是发生在区内还是区外，如果发生在区内，一方面将保护动作指令下发到该线路上的线路开断装置，另一方面将线路开断状态和故障录波数据上传到云端服务器；在数据上传到云端服务器之前，线路开断动作已执行完毕；如果判定故障发生在区外，则该条线路上后续不进行任何动作；
[0022]
(3)当线路状态的更新信息从边侧装置上传到云端服务器的数据库时，云端服务器的显示装置将整个配电网所有线路的开断状态展示给维修人员，维修人员参考线路开断情况决策哪些联络开关需要闭合，下发联络开关闭合指令，从而完成故障恢复动作；在云端
服务器进一步分析整个配电网的故障录波数据，进行故障的精确定位。
[0023]
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明通过配电物联网层级体系为柔性直流配电网故障识别设计了合适的执行架构，使得柔性直流故障识别过程可有效规范运转；第二，本发明通过引入分布式计算的思路，将整个直流配电网的故障识别所需的大量计算流程分摊到数个边侧装置中并行执行，避免了集中式计算速度过低，无法满足速动性要求的问题；第三，本发明为层级间的数据交互设计了合理的通信方式，其中端侧装置与边侧装置之间采用专用有线线路进行信息传输，通信延迟低，可满足直流配电网继电保护严苛的速动性要求；第四，引入云端服务器来辅助完成一些速动性要求不高的故障处置措施，可为工作人员提供参考。
附图说明
[0024]
图1为区内发生双极短路故障时的等效电路图；
[0025]
图2为区外发生双极短路故障时的等效电路图；
[0026]
图3为本发明的系统框架图；
[0027]
图4为本发明的故障处置时序流程图。
具体实施方式
[0028]
如图3所示，一种基于端边云协同的柔性直流配电网故障处置系统，包括：
[0029]
端侧装置，用于与边侧装置协同配合，完成故障线路识别与开断；
[0030]
边侧装置，采用小型嵌入式工控机，具有频域分析、短期数据存储功能，用于完成故障数据的分析处理，通过有线传输向端侧装置发送线路开断指令，通过无线传输向云端服务器发送线路开断状态；
[0031]
云端服务器，具有存储大量数据、无线通信的功能，完成接收并汇总各个边侧装置上传的线路开断状态并可视化展示给用户，供维修人员进行后续闭合联络开关的决策，完成故障恢复工作，对历史录波数据进行分析；
[0032]
所述端侧装置与边侧装置之间有线双向通讯，所述边侧装置与云端服务器之间无线双向通讯。边侧装置也就是图3、4中的边缘计算设备。
[0033]
在柔性直流配电网系统中，端侧装置的定义即为所需监测的直流配电线路本身，端侧装置即为监测并记录线路上的故障电流的故障录波装置以及用于开断这条输电线的混合式断路器，每条线路上有一套混合式断路器，两端各安装有一台故障录波装置。边侧装置安装在靠近输电线的位置，与输电线两端故障录波装置的距离相等。云端服务器为某一区域的配电网电力调度控制中心。
[0034]
所述端侧装置由线路开断装置和故障录波装置组成，所述线路开断装置采用混合式断路器，所述故障录波装置采用波形采集器，波形采集器内置gps定位装置，波形采集器位于线路两端，两端的波形采集器与负责该线路的边侧装置的通信距离相等。
[0035]
所述端侧装置和边侧装置之间通过电力线载波或光纤线路相连。
[0036]
所述边侧装置与云端服务器之间通过lte电力无线专网、电力低功耗广域网、无线公网通讯。
[0037]
如图4所示，本方法包括下列顺序的步骤：
[0038]
(1)当柔性直流配电系统内发生单极接地或双极短路故障时，柔性直流配电系统内各线路上的电流发生较大幅度的异常波动，启动保护，线路两端的故障录波装置启动录波，同步记录2ms的故障暂态电流波形；
[0039]
(2)两台故障录波装置将录波数据先后上传到该线路对应的边侧装置，由边侧装置进行故障识别：首先将线路两端的电流值相减得到线路差动电流，对于区内故障，线路的等值电路如图1所示，线路差动电流包含两部分：由电源和换流器产生的故障电流，以及分布电容电流，其中故障电流的幅值远大于分布电容电流，对于区外故障，线路的等值电路如图2所示，由于故障电流为穿越性，线路差动电流只包含分布电容电流。可见，区内、区外故障时，线路差动电流的主要成分存在明显差异。直流线路的故障电流变化模式可分为三个阶段：电容放电阶段、二极管自由导通阶段和交流侧馈入阶段，故障识别与保护动作的执行基本上都需要在电容放电阶段完成，电容放电阶段的等值电路为二阶振荡电路，故障电流振荡的频率为：
[0040][0041]
式中：x为故障距离；c为直流并联电容器的容值；lu和ru分别是线路单位长度的电感值和电阻值；多数情况下，故障电流的振荡频率为几百赫兹左右。然后考虑分布电容电流的频率分布，分布电容暂态电流的频率与故障行波的固有频率一致，行波固有频率的理论最低值为：
[0042][0043]
式中，v为行波波速；d为故障距离；考虑到10kv直流配电网的送电距离一般在40km以内，波速v约为光速的97％至99％，可计算出固有主频不会低于1800hz。
[0044]
由边侧装置对差动电流录波信号进行小波变换操作，通过信号高低频的能量差异来判定故障是发生在区内还是区外，如果发生在区内，一方面将保护动作指令下发到该线路上的线路开断装置，另一方面将线路开断状态和故障录波数据上传到云端服务器；在数据上传到云端服务器之前，线路开断动作已执行完毕；
[0045]
对于某一条配电线路，如果经计算判定故障发生在区外，则该条线路上后续不进行任何动作。一般来说，某一线路上发生故障会导致邻近的几条线路均出现异常电流波动，这时这些线路上的故障录波装置与边侧装置进入“活跃状态”。但最终需要柔性直流配电网故障处置系统找到确实发生了故障的线路，针对性地进行开断动作，因此需要判定故障是发生在区内还是区外。只有发生在区内时，即故障确实在该条线路上发生，边侧装置才下发线路开断指令到断路器上并开断线路。
[0046]
(3)当线路状态的更新信息从边侧装置上传到云端服务器的数据库时，云端服务器的显示装置将整个配电网所有线路的开断状态展示给维修人员，维修人员参考线路开断情况决策哪些联络开关需要闭合，下发联络开关闭合指令，从而完成故障恢复动作；在云端服务器进一步分析整个配电网的故障录波数据，进行故障的精确定位。
[0047]
以下结合图1至图4对本发明作进一步的说明。
[0048]
对于区内双极故障，线路差动电流中的故障电流幅值远大于分布电容电流，线路差动电流的能量分布主要由故障电流决定，其能量集中于1000hz以下的低频段。对于区外
故障，线路差动电流只含有分布电容电流，其能量集中于1800hz以上的高频段，单极接地故障也有类似的结论。因此，可在边侧装置上通过小波变换或离散傅里叶变换算法，计算由端侧装置上传而来的故障录波数据分布频段。这里需在一条线路的两端均设置故障录波装置，并需保证两部分数据同步上传到边侧装置。综合考虑保护的速动性与可靠性以及故障暂态电流的频段分布，录波数据的长度设为2ms。
[0049]
所述混合式断路器利用机械开关导通正常负荷电流，电力电子开关分断故障电流，在保证分断容量、动作速度的前提下大大降低了断路器的通态损耗，由此可完成线路保护动作的执行。
[0050]
所述故障录波装置位于线路两端、与负责该线路的边侧装置通信距离相等。为了使得故障检测能够正确运转，边侧装置接受到两台故障录波装置的数据必须是同步的，因此首先要求一条线路上的边侧装置到两台故障录波装置之间的通信距离的差距尽可能小，同时还需要两台故障录波装置所采集的电流信号保持同步，这时一般需要故障录波装置上安装有gps/北斗定位设备，这种配置在目前的电网中已经较为常见。gps/北斗同步卫星每秒向地球发送1个同步信号，接收器可以提供间隔为1s的脉冲信号1pps，其精确度不低于1μs，因此安装有gps/北斗定位设备进行时间同步的两台故障录波装置的总同步误差小于2μs，经验证这种同步级别可以满足差动保护的同步要求，由此可完成满足同步性要求的故障数据的采集。
[0051]
所述端侧装置与边侧装置之间所需的通信设施，是以电力线载波或者专用光纤线路的为代表的有线传输线路。考虑到直流配电网对继电保护速动性的严苛要求，录波数据从端侧装置传递到边侧装置，开断指令从边侧装置下发到端侧装置这两个过程的通信延时必须尽可能低，因此这里需要采用有线通信方式。绝大多数直流配电线路的规模较小，线路长度小于20km，有线传输时间一般小于0.1ms，而故障信号分析考虑的信号分析的长度一般长于1ms，可见边侧装置与故障录波装置之间采取有线传输方式可以满足继电保护的速动性要求。当故障录波装置记录到一个足够大的电流波动时，启动录波，记录2ms的故障波形，两端的数据同步传输到边侧装置，由边侧装置计算线路差动电流，对线路差动电流进行频域分析，若为区内故障，则将开断指令下发到该条线路上的线路开断装置，断开故障线路。以上即为边侧装置与端侧装置之间的信息交互与协同工作模式。
[0052]
所述边侧装置，一般为小型嵌入式工控机，运行实时linux操作系统，边侧装置上加载频域分析算法，具有短期数据的存储功能，并同时兼有有线信息传输和无线信息传输功能。由此可完成故障数据的分析处理，通过有线传输向端侧发送线路开断指令，通过无线传输向云端服务器发送线路开断状态的功能。
[0053]
所述云端服务器，一般为性能足够的服务器，这一服务器具有存储大量数据的功能，同时需要有无线通信功能。由此可完成接收并汇总各个边侧装置上传的线路开断状态并可视化展示给用户的功能，以供维修人员进行后续闭合联络开关的决策，完成故障恢复工作。此外云端服务器还可具有复杂数据的处理功能，可对历史录波数据进行分析，及时发现系统内的软故障，如高阻接地。
[0054]
所述边侧装置与云端服务器的信息交互是通过无线传输方式进行的。无线网络可采用lte电力无线专网、电力专用低功耗广域网或无线公网，前两者能够提供专用通道，传输速度更快、信号质量更好。边侧装置将线路开断状态和故障数据上传到云端服务器主要
是方便后续故障恢复决策，而故障恢复措施一般无速动性要求。此外考虑到云端服务器一般与配电线路距离较远，使用无线通信方式可在满足要求的前提下大幅降低成本。
[0055]
端侧装置主要完成的三个任务是故障发生的判定、故障暂态电流波形的采集以及故障保护动作的执行；边侧装置进行故障识别，发出线路开断动作指令并将线路开断状态上传至云端服务器，每条配电线路配备1台边侧装置负责其故障的检测；云端服务器主要承担线路状态的可视化展现功能，辅助维修人员进行故障恢复决策，并可部署一些需要大规模计算的辅助决策算法，如软故障识别、故障精确定位和恢复等。
[0056]
综上所述，本发明通过配电物联网层级体系为柔性直流配电网故障识别设计了合适的执行架构，使得柔性直流故障识别过程可有效规范运转；本发明通过引入分布式计算的思路，将整个直流配电网的故障识别所需的大量计算流程分摊到数个边侧装置中并行执行，避免了集中式计算速度过低，无法满足速动性要求的问题；本发明为层级间的数据交互设计了合理的通信方式，其中端侧装置与边侧装置之间采用专用有线线路进行信息传输，通信延迟低，可满足直流配电网继电保护严苛的速动性要求；引入云端服务器来辅助完成一些速动性要求不高的故障处置措施，可为工作人员提供参考。