一种适用于闭环运行电缆配电环网的闭锁式纵联保护方法

摘要

本发明公开了一种适用于闭环运行电缆配电环网的闭锁式纵联保护方法。分析了不同位置故障时环网柜两条进线处的正序故障分量功率方向特征，将环网柜划分为三种状态，规定了统一的闭锁信号发送规则。当故障发生后，电流突变量超过环网柜中安装的STU设定阈值，保护启动并自动对时。然后各STU判断环网柜所处状态并按照既定规则收发闭锁信号。若在规定时间内STU未收到闭锁信号，将发送跳闸信号故障隔离；若在规定时间内收到闭锁信号，则闭锁相应的断路器，保护将自动返回。该方法根据环网柜所处状态建立相邻STU之间闭锁信息的交换规则，实现馈线故障区段的快速准确定位，提高了故障处理速度。

说明书

技术领域

本发明涉及闭环运行的配电线路继电保护技术领域，特别涉及基于电缆线路的配电环网故障特征与闭锁式纵联保护方法。

背景技术

传统配电网普遍采用“闭环设计、开环运行”模式，保护控制方法简单，运行操作方便，但负荷转供过程中会引起短时停电，且也无法满足分布式电源(Distributed Energy Resources，DERs)大量接入的要求。国内外发达国家和地区，开始采用闭环运行模式的配电网，以提高供电可靠性与DERs接纳能力。由于闭环运行线路上的潮流与短路电流双向流动，既有的三段式电流保护将不能满足闭环运行的要求。目前，在闭环运行的配电环网中多采用基于导引线构成的电流差动保护方法，依然沿用了传统输电网纵联保护的基本思想，而与现有基于STU的配网自动化系统没有形成有效对接。现有的配网自动化系统多针对“手拉手”的开环运行配电网结构，尚未形成有效的针对闭环运行配电网络的故障处理机制，且保护算法缺乏通用性。目前，城市配电网多采用电缆网络并在环网柜中安装STU，现场监测的故障数据上传至主站，集中决策后实现故障定位、隔离与供电恢复功能，该方式下受通信延时、主站集中处理信息的影响，动作速度较慢。

本发明针对闭环运行的电缆环网结构，提出一种基于正序故障分量功率方向的闭锁式纵联保护方法。利用电流突变量作为STU启动判据，并将启动时刻作为所有STU的对时基准；根据不同位置故障时各处环网柜两条进线的正序故障分量功率方向为特征，实现相邻环网柜内STU之间闭锁信息的交换，准确识别故障区段，快速隔离故障。

发明内容

本发明解决的技术问题是：基于电流突变量与正序故障分量功率方向，构建适于闭环运行电缆配电环网的闭锁式纵联保护方法。以电流突变量作为STU启动判据以及所有STU对时基准；利用环路中不同位置发生短路故障时，各处环网柜两条进线处的正序故障分量功率方向为特征，完成相邻环网柜中STU之间的闭锁信号交换，实现故障的快速准确定位和隔离，提高供电可靠性。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：根据环路上不同位置发生故障时，流过环网柜两进线开关处的正序故障分量功率方向，划分环网柜为X1，X2与X3三种状态，并设定每种状态下相邻环网柜中STU之间的闭锁信号发送规则。故障发生时，所有STU监测到电流突变量越限，保护启动并将此时刻作为所有STU对时的起点，且该动作信号将保持T₁时间。然后，各STU提取正序故障分量并计算对应环网柜内两条进线处的正序故障分量功率方向；根据规定的保护正方向与实际的正序故障分量功率方向，判断环网柜自身所处状态；根据既定的闭锁信号发送规则，完成相邻环网柜内STU的信息交换；若环网柜在T₂时间内未收到闭锁信号，将发送跳闸信号控制相应断路器动作，隔离故障；若在一定时间内收到闭锁信号，则将相应的断路器闭锁，待延时时间T₁到达后保护返回。该方法利用相邻环网柜内STU之间闭锁信息的交换，实现环网故障区段的快速准确定位与自动隔离，消除了终端与主站之间通信环节及主站系统处理大量信息引起的延时，提高了故障处理速度。具体过程为：

1、针对闭环运行的电缆配电环网，定义环路的正方向从变电站M侧母线指向变电站N侧母线(M与N仅用于标注主环路方向，二者可为同一母线)；且规定M侧为上游，N侧为下游。定义环路中某个环网柜i内部上游(即靠近M侧母线)断路器为QF_iM，下游(即靠近N侧母线)断路器为QF_iN。定义变电站M侧的线路出口断路器为QF_0N，变电站N侧的线路出口断路器为QF_0M；且出口断路器处均安装STU，可与相邻环网柜内的STU交换闭锁信号，控制出口断路器动作。

2、环路上不同位置上发生短路故障时，利用各环网柜两条进线上的正序故障分量有功功率(以下简称正序故障分量功率)方向为特征，可将所有环网柜划分为三种状态。当环网柜i上游线路发生短路故障时，流过其内部断路器QF_iM的正序故障分量功率方向为负，而流过QF_iN的正序故障分量功率方向为正，定义此时该环网柜处于状态X1；当环网柜i下游线路发生故障时，流过其内部断路器QF_iM的正序故障分量功率方向为正，流过QF_iN的正序故障分量功率方向为负，定义此时该环网柜处于状态X2；当故障发生在环网柜i内部母线上时，流过断路器QF_iM与QF_iN的正序故障分量功率方向均为正，定义此时该环网柜处于状态X3。

3、以环路中最大负荷启停过程中流过环网柜进线处的电流变化量为基准，设置STU启动定值为I_set，当STU监测到的实际电流突变量满足ΔI＞I_set，则表明环路中发生了短路故障，保护启动并保持T₁时间；保护启动时间自动作为所有STU的对时基准。

4、启动后的STU将提取环网柜进线处的正序电流与正序电压故障分量，求取各自正序故障分量功率方向，据此判断所在环网柜状态。若环网柜i处于X1状态，则闭锁其自身断路器QF_iN，同时向下游环网柜i+1的STU发信闭锁QF_(i+1)M；若环网柜i处于X2状态，则闭锁自身断路器QF_iM同时发信向上游环网柜i-1的STU闭锁QF_(i-1)N；若环网柜i处于X3状态，则发信给上游环网柜i-1的STU闭锁QF_(i-1)N，同时发信给下游环网柜i+1的STU闭锁QF_(i+1)M。

5、当i＝0时，该环网柜即为M侧出口断路器对应的STU，除不能向上游发送闭锁信息外，其余功能与其他环网柜内的STU相同；当i＝k+1时，该环网柜即为N侧出口断路器对应的STU，除不能向下游发送闭锁信息之外，其余功能与其他环网柜内的STU相同。且二者的闭锁信息发送和接收的过程与上述相同。

6、各处的STU启动且求取正序故障分量功率方向之后，自动延时T₂时间，以等待接收闭锁信号。在规定的时间内，未收到闭锁信号的环网柜将发送跳闸信号，跳开故障侧断路器。而收到闭锁信号的环网柜STU将闭锁相应的保护，并将在延时保持时间T₁达到后，保护自动返回。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明专利所公开的方法，与传统闭环运行的电缆配电环网保护方法相比，具有显著区别；本发明基于配网自动化系统并针对闭环运行的电缆网络，提出了一种通用的短路故障区间定位与故障隔离方法；将环路中发生故障时环网柜划分为X1，X2与X3三种状态，每种状态对应特定的闭锁信号发送规则。当不同位置发生故障时，环网柜内的STU将根据自身所处状态，按照既定的规则收发闭锁信号。在一定时间内，未收到闭锁信号的环网柜STU将发送跳闸信号，控制相应断路器动作跳闸隔离故障；而收到闭锁信号的STU将闭锁相应的保护，并在延时保持时间T₁达到后自动返回。本方法通过光纤以太网连接每个环网柜内安装的STU，以实现相邻环网柜STU之间状态信息的交换，完成故障的快速准确定位与隔离。整个保护过程无需主站参与，消除了与主站通信环节及主站处理大量信息引起的延时，提高了供电可靠性。

附图说明

附图1为含有4个环网柜的闭环运行电缆配电环网结构图。

附图2为f₁处发生故障，对应的正序故障分量特征图。

附图3为f₂处发生故障，对应的正序故障分量特征图。

附图4为f₃处发生故障，对应的正序故障分量特征图。

附图5为f₄处发生故障，对应的正序故障分量特征图。

附图6为f₁处发生故障，闭锁信号的发送规则图。

附图7为f₂处发生故障，闭锁信号的发送规则图。

附图8为f₃处发生故障，闭锁信号的发送规则图。

附图9为f₄处发生故障，闭锁信号的发送规则图。

附图10为闭锁式纵联保护逻辑图。

具体实施方式

本发明提出一种适用于闭环运行的电缆配电环网闭锁式纵联保护方法，下面结合实例与附图对本发明予以详细说明。

1、保护动作过程分析

以含有4个环网柜的电缆配电环网为例进行故障特征分析，其简化结构如附图1所示。其中，为两侧母线等效电动势，若两条电缆来自同一母线，则若来自同一变电站的不同母线甚至来自不同变电站，则二者不等，但此处分析的前提是环路中不会存在过大的循环功率，不影响系统的正常稳定运行。环网柜中QF_iM与QF_iN(i＝1,2,3,4)均为断路器，正常运行时所有断路器都处于闭合状态，即系统处于闭环运行状态。变电站出口处的断路器分别为QF_0N与QF_5M，出口断路器处及每个环网柜内安装有智能配电终端(smart>

当环路中发生短路故障时，所有STU监测到电流突变量越限，保护启动并保持T₁时间；保护启动时刻自动作为各STU对时的基准。

1)当f₁处发生短路故障时，该环网的正序故障分量特征如附图2所示。其中，为假定的故障点处正序电压故障分量，与分别为各环网柜母线处正序电压故障分量，与为流过各断路器的正序电流故障分量。规定环网柜内保护的正方向是由其内部母线指向线路方向；变电站出口的线路保护正方向是由变电站母线指向线路的方向；所有保护正方向的参考电流分别为与

由附图2可得：在故障点f₁的上游，流过QF_1M和QF_2M的正序故障分量功率方向为正，流过QF_1N和QF_2N的正序故障分量功率方向为负；即环网柜1和环网柜2均处于X2状态，环网柜1将闭锁自身内部断路器QF_1M，同时向STU0发信闭锁线路出口断路器QF_0N。环网柜2将闭锁自身内部QF_2M，同时向上游的环网柜1发信闭锁QF_1N。而在故障点f₁的下游，流过QF_3M和QF_4M的正序故障分量功率方向为正，流过QF_3N和QF_4N的正序故障分量功率方向为负，即环网柜3和环网柜4均处于X1状态；环网柜3将闭锁自身内部QF_3N,同时向下游环网柜4发信闭锁QF_4M，环网柜4将闭锁自身内部QF_4N，同时向STU5发信闭锁出口断路器QF_5M。所有闭锁信号发送方向如附图6所示。所有执行闭锁的保护，在延时时间T₁到达后，均将自动返回。

整个环路中，只有环网柜2和环网柜3在规定时间内未收到闭锁信号，将分别跳开断路器QF_2N和QF_3M，完成故障隔离。

2)当f₂处发生短路故障时，对应的正序故障分量特征如附图3所示。可见流过QF_2M和QF_2N的正序故障分量功率方向为正，即环网柜2处于X3状态，将向上游环网柜1发信闭锁QF_1N，同时向下游环网柜3发信闭锁QF_3M；在故障点上游的环网柜1处于X2状态，将闭锁自身内部QF_1M，同时向STU0发信闭锁出口断路器QF_0N；在故障点下游的环网柜3和环网柜4均处于X1状态，环网柜3将闭锁自身内部QF_3N，同时发信给环网柜4闭锁QF_4M。环网柜4将闭锁自身内部QF_4N，同时向STU5发信闭锁出口断路器QF_5M。所有执行闭锁的保护，在延时时间T₁到达后，均将自动返回。

整个环路中，只有环网柜2在规定时间内未收到闭锁信号，将将分别跳开断路器QF_2M与QF_2N，完成故障隔离。

3)当f₃处发生短路故障时，对应的正序故障分量特征如附图4所示。由图可得所有环网柜均处于X1状态，环网柜1将闭锁自身内部QF_1N，同时向下游环网柜2发信闭锁QF_1M；下游环网柜2、环网柜3以及环网柜4都将依此规则发送相应闭锁信号。N侧出口处的STU5仅收闭锁信号，闭锁断路器QF_5M，而不再向下游发送闭锁信息。所有执行闭锁的保护，在延时时间T₁到达后，均将自动返回。

在整个环路中只有STU0与环网柜1在规定时间内未收到闭锁信号，STU0跳开QF_0N，环网柜1跳开QF_1M，从而完成故障隔离。

4)当f₄处发生短路故障时，对应的正序故障分量特征如附图5所示，由图可得所有环网柜均处于X2状态。环网柜4将闭锁自身内部QF_4M，同时向上游环网柜3发信闭锁QF_3N；故障点上游的环网柜1、环网柜2与环网柜3都将依此规则发送相应闭锁信号。M侧出口处的STU0仅收闭锁信号，完成闭锁断路器QF_0N，不再向上游发送闭锁信息。所有执行闭锁的保护，在延时时间T₁到达后，均将自动返回。

在整个环路中，环网柜4与STU5在规定时间内均未收到闭锁信号，环网柜4跳开QF_4N，STU5跳开QF_5M，完成故障隔离。

2、保护定值整定原则

利用电流突变量作为启动元件，按照躲过线路上最大负荷的起动电流进行整定，即：

其中：K_rel为可靠系数；K_SS为最大负荷的起动电流倍数；I_Load.max为该网络中所接入的最大电机设备功率，K_re为返回系数。

3、保护动作逻辑

以电流突变量作为启动元件，利用各环网柜两条进线处的正序故障分量功率方向特征为依据，按照既定的闭锁信号发送规则，构建电缆配电环网闭锁式纵联保护。其动作逻辑如附图10所示，其中S_i表示环网柜i，T₁为启动元件保持时间，T₂为环网柜等待接收闭锁信号的延时时间，T₃为跳闸信号保持时间。