一种电力系统继电保护的自动化装置及保护方法

摘要

本发明公开了一种电力系统继电保护的自动化装置及保护方法，包括具有唯一识别编号的单通道继电器，集成在单通道继电器上的拓扑信号组件和电参监测组件，以及分别与所述拓扑信号组件和电参监测组件的数据输出端、单通道继电器指令控制端通讯连接的中控系统。本发明沿所述继电保护目标路径控制单通道继电器切断保护实现在电力系统中对所述故障进行最小层次脱离，可在电力系统中实现故障的继电器断电保护的最小线路结构，使电力系统的整体运行所受影响最小，自动识别用于电力系统的继电保护拓扑网络以及故障的继电保护目标路径，无需电力系统的真实拓扑结构作为先验知识，效率高同时准确性高。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种电力系统继电保护的自动化装置及保护方法。

背景技术

电力系统继电保护及自动装置(以下简称继电保护及自动装置)是电力系统安全、稳定运行的可靠保证，电力系统是发(发电机)、供(变压器、线路)、用电的总称，电力系统由于受自然(如雷击、风灾等)、人为(如设备制造上的缺陷、误操作等)因素影响，不可避免地会发生各种形式的短路故障(以下简称故障)和不正常工作状态，故障和不正常工作状态，都可能在电力系统中引起事故，事故是指系统或其中的一部分正常工作遭破坏，造成对用户的少送电或人身伤亡和设备损坏，前者称为停电事故，后者称为人身和设备事故。

电能的生产(发电)、输送、分配、使用是同时进行的，从电源到负荷是一个紧密连接的且分布十分广泛的大系统，因此，对电能质量及电力系统运行有极严格的要求，运行中出现问题，若处理不及时或处理不正确都会影响电力系统的正常运行，甚至造成大面积停电，目前利用继电器自动化装置进行电力系统的继电保护，以保障电力系统的正常运行。

现有技术中，继电器自动化装置的对电力系统的继电保护控制建立在先验知识——电力系统的拓扑结构上，即识别到电力系统的故障位置，根据电力系统的拓扑结构进行线路分析追溯获得切断该故障的继电器位置，从而控制该继电器对电力系统进行电力保护，电力系统的拓扑结构复杂且节点数众多，依靠线路分析进行故障继电器确定，效率低下，且准确度不可控，同时继电器自动化装置仅可用于电力系统初次搭建时进行安装，难以用于现有电力系统的改造，因此迁移性差，难以大范围使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力系统继电保护的自动化装置及保护方法，以解决现有技术中多层物料难以实现逐个分离的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种电力系统继电保护的自动化装置，包括具有唯一识别编号的单通道继电器、集成在所述单通道继电器上的拓扑信号组件和电参监测组件，以及中控系统；所述中控系统与所述拓扑信号组件的数据输出端、所述电参监测组件的数据输出端，以及所述单通道继电器的指令控制端均通讯连接；所述拓扑信号组件和电参监测组件分别与所述单通道继电器具有相同的识别编号；

所述单通道继电器分别设置在电力系统的分支表箱至各个用户表箱的进表端线路，以及用户表箱的进户端线路上，用于控制所述进表端线路和所述进户端线路的通断，实现对电力系统故障的切断保护；

所述拓扑信号组件用于产生并接收拓扑信号，以标定由单通道继电器位置构成电力系统的继电保护拓扑网络；

所述电参监测组件用于识别电力系统的故障并标定所述故障的位置；

所述中控系统用于基于所述故障的位置在电力系统的继电保护拓扑网络筛选出继电保护目标路径，并沿所述继电保护目标路径控制所述单通道继电器的切断保护，实现在电力系统中对所述故障进行最小层次脱离。

可选地，所述拓扑信号组件包括拓扑信号源和拓扑信号监听点，所述拓扑信号源与所述拓扑信号监听点通讯连接；

所述拓扑信号源集成在位于所述进户端线路上的单通道继电器上，所述拓扑信号监听点集成在位于所述进表端线路上的单通道继电器上。

可选地，所述电参监测组件包括集成在所述单通道继电器上的电压和电流的一体测量表；

所述电参监测组件还包括与所述一体测量表数据输出端通讯连接的数据处理芯片，所述数据处理芯片用于接收所述一体测量表获得的电压和电流数据，并将电压和电流数据与预设的电参基准进行比较，以判定进表端线路或进户端线路上存在故障与否。

可选地，所述通讯连接采用双模通信模块实现，所述双模通信模块包括HPLC载波通信单元和无线通信单元。

本发明还提供一种自动化装置的保护方法，基于如上任一项所述的电力系统继电保护的自动化装置实现，包括以下步骤：

步骤S1、利用拓扑信号组件构建电力系统的继电保护拓扑网络；

步骤S2、利用电参监测组件识别电力系统的故障，并定位所述故障的拓扑点；

步骤S3、基于所述拓扑点在所述继电保护拓扑网络中筛选出继电保护目标路径，并沿所述继电保护目标路径在电力系统中对所述故障进行最小层次脱离，使电力系统继电保护产生最小化扰动。

可选地，所述步骤S1包括：

步骤S101、所述中控系统控制拓扑信号源随机产生一组序列互斥的拓扑信号，所述拓扑信号监听点同步记录拓扑信号的信号序列并反馈至中控系统；

步骤S102、所述中控系统比对所有所述拓扑信号监听点的信号序列，并依次将具有同一所述信号序列的拓扑信号监听点和拓扑信号源利用所述识别编号构建拓扑分支模块；

步骤S103、将所有的所述拓扑分支模块进行相同识别编号融合构建继电保护拓扑网络，并将所述继电保护拓扑网络同步反馈至中控系统。

可选地，所述步骤S2包括：

步骤S201、所述一体测量表实时监测所述进表端线路和所述进户端线路上的电压和电流数据，并将电压和电流数据同步传输至数据处理芯片；

步骤S202、所述数据处理芯片将电压和电流数据与预设的电参基准进行比较判定进表端线路或进户端线路上存在故障与否；

若电压或电流数据超过所述电参基准，则判定故障存在；

若电压且电路数据均未超过所述电参基准，则判定故障不存在；

步骤S203、将判定结果为故障存在的所述数据处理芯片对应的电参监测组件的识别编码作为所述故障的拓扑点，并将所述故障的拓扑点同步反馈至中控系统。

可选地，所述步骤S3中，所述基于所述拓扑点在所述继电保护拓扑网络中筛选出继电保护目标路径，包括：

所述中控系统在继电保护拓扑网络中获取所有与所述故障的拓扑点连接的第二拓扑点，并将所述第二拓扑点与所述故障的拓扑点依据电力系统的深度进行层次链接，构成继电保护目标路径。

可选地，所述步骤S3中，沿所述继电保护目标路径在电力系统中对所述故障进行最小层次脱离的具体方法包括：

步骤一：所述中控系统控制位于继电保护目标路径第i层处的单通道继电器进行电力系统故障的切断保护；

步骤二：所述中控系统控制继电保护目标路径第i+1层处的电参监测组件进行电力系统故障的二次识别，具体的：

若电力系统故障存在，i=i+1，返回步骤一；

若电力系统故障消失或i>N，中控系统维持当前单通道继电器进行电力系统故障的切断保护的控制操作；

其中，i={1,2,…,N-1}，N为继电保护目标路径的层次总数目。

可选地，所述电力系统故障的二次识别与所述步骤S2中电力系统故障的识别方法一致。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明利用拓扑信号组件产生并接收拓扑信号，以标定由单通道继电器位置构成电力系统的继电保护拓扑网络，然后利用电参监测组件识别电力系统的故障并标定所述故障的位置，最终通过中控系统基于所述故障的位置在电力系统的继电保护拓扑网络筛选出继电保护目标路径，并沿所述继电保护目标路径控制单通道继电器切断保护实现在电力系统中对所述故障进行最小层次脱离，从而在电力系统中实现故障的继电器断电保护的最小线路结构，使电力系统的整体运行所受影响最小。此外，自动识别用于电力系统的继电保护拓扑网络以及故障的继电保护目标路径，无需电力系统的真实拓扑结构作为先验知识，效率高同时准确性高，且能够直接安装至现有电力系统的分支表箱和用户表箱线路中进行使用，迁移性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的电力系统真实拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例提供的自动化装置安装结构示意图；

图3为本发明实施例提供的继电保护拓扑网络结构示意图；

图4为本发明实施例提供的继电保护目标路径结构示意图；

图5为本发明实施例提供的保护方法流程图。

图中的标号分别表示如下：

1-单通道继电器；2-拓扑信号组件；3-电参监测组件；4-分支表箱；5-用户表箱；

201-拓扑信号源；202-拓扑信号监听点；

401-第一级进表端线路；402-第二级进表端线路；

501-进户端线路。

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。基于本发明中的实施例，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1-5所示，电力系统的继电保护是指在电力系统发生故障时，利用继电器装置进行电力切断，将故障线路从电力系统中脱离开以等待修复，从而保障电力系统剩余线路的正常运行，本发明提供了一种电力系统继电保护的自动化装置，可实现电力系统的继电保护的同时，仅对电力系统产生最小扰动，保证电力系统的稳健运行。

具体的，电力系统继电保护的自动化装置包括具有唯一识别编号的单通道继电器1，集成在单通道继电器1上的拓扑信号组件2和电参监测组件3，以及分别与拓扑信号组件2和电参监测组件3的数据输出端、单通道继电器1指令控制端通讯连接的中控系统，拓扑信号组件2和电参监测组件3与单通道继电器1具有相同的识别编号，单通道继电器1分别设置在电力系统的分支表箱至各个用户表箱的进表端线路以及用户表箱的进户端线路501上用于控制进表端线路和进户端线路501的通断实现对电力系统故障的切断保护，拓扑信号组件2用于产生并接收拓扑信号以标定由单通道继电器1位置构成电力系统的继电保护拓扑网络，电参监测组件3用于识别电力系统的故障并标定故障的位置，中控系统用于基于故障的位置在电力系统的继电保护拓扑网络筛选出继电保护目标路径，并沿继电保护目标路径控制单通道继电器1切断保护实现在电力系统中对故障进行最小层次脱离。

将单通道继电器1分别设置在分支表箱4的进表端线路和进户表箱5的进户端线路501，可在同分支表箱4上单用户的家庭线路出现故障时，优先切断进户表箱5上该用户的进户端线路501连通，从而将该用户存在的家庭线路故障脱离整个电力系统，以免故障影响电力系统的正常运行，而同理可在同分支表箱4上多用户的家庭线路发生故障时，可优先切断分支表箱4上进表端线路的连通，从而将多用户存在的家庭线路故障整体脱离整个电力系统，以免故障影响电力系统的正常运行。

而且，在单用户的家庭线路出现故障时，优先切断进户表箱5上该用户的进户端线路501连通，仍未彻底将故障脱离整个电力系统时，向进户表箱5的上一电力层级进行进表端线路的切断，进一步将故障脱离电力系统，如此可实现由低层次电力系统向高层次电力系统进行继电保护的延伸，以做到继电保护脱离电力系统的故障线路恰好能够彻底排除故障对电力系统的影响，也能够使得涉及的故障线路最小化。

本实施例提供的电力系统继电保护的自动化装置的安装，只需要将单通道继电器1接入到分支表箱4和用户表箱中，分支表箱4和用户表箱的位置确定一目了然，无需整体掌握电力系统的真实拓扑结构，安装简单便利，可实现对现有电力系统的改造和建设，还可在单通道继电器1上集成更多拓展功能部件，可拓展性强。

拓扑信号组件2包括设集成在位于进户端线路501上的单通道继电器1的拓扑信号源201，以及集成在位于进表端线路上的单通道继电器1的拓扑信号监听点，拓扑信号源201与拓扑信号监听点202通讯连接。

拓扑信号源201内部设置有投切电容，电容投切为短时投切，具体维持在数十毫秒内，对电网的影响可以忽略；通过投切的长短和有无，组成特定的无功信号序列，具有良好的可识别性和抗干扰能力，由此获得的拓扑信号同样具有良好的可识别性和抗干扰能力。

电参监测组件3包括集成在单通道继电器1上的电压和电流的一体测量表，以及与一体测量表数据输出端通讯连接的数据处理芯片，数据处理芯片用于接收一体测量表获得的电压和电流数据，并将电压和电流数据与预设的电参基准进行比较判定进表端线路或进户端线路501上存在故障与否。

电参基准为电力系统中进户端线路501和进表端线路上的电压和电流的常规承载量，若超过常规承载量则会表示与进户端线路501和进表端线路连接的线路出现了故障，利用电参监测组件3监测可判定故障出现在进户端线路501和进表端线路的具体位置。

通讯连接采用双模通信模块实现，双模通信模块包括HPLC载波通信单元和无线通信单元。各通信口在物理层相互独立，一种通信信道的损坏不影响另一信道。另外，通信接口和设备内部电路实行电气隔离，有失效保护电路。

基于上述电力系统继电保护的自动化装置，本发明提供了一种保护方法，包括以下步骤：

步骤S1、利用拓扑信号组件2构建电力系统的继电保护拓扑网络；

步骤S1中，继电保护拓扑结构构建的具体方法包括：

步骤S101、中控系统控制拓扑信号源201随机产生一组序列互斥的拓扑信号，拓扑信号监听点202同步记录拓扑信号的信号序列并反馈至中控系统；

其中，互斥是指每个拓扑信号源201具有独立且唯一的信号序列。

步骤S102、中控系统比对所有拓扑信号监听点202的信号序列，并依次将具有同一信号序列的拓扑信号监听点202和拓扑信号源201利用识别编号构建拓扑分支模块；

每个拓扑分支模块是指每个具有连通上下电力层级分支表箱4处的单通道继电器和用户表箱处的单通道继电器的层次拓扑结构，也是对电力系统上下层级的具象化。

步骤S103、将所有拓扑分支模块进行相同识别编号融合构建继电保护拓扑网络，并同步将继电保护拓扑网络反馈至中控系统。

继电保护拓扑网络中包含有单通道继电器的识别编号与连通拓扑关系，是对电力系统故障脱离的节点（如进表端线路、进户端线路）的具象体现，直接控制继电保护拓扑网络上的单通道继电器即可实现故障线路的脱离。

电力系统中进表端线路、进户端线路501真实的拓扑结构如图1所示，则继电保护拓扑网络如图2和3所示。

步骤S2、利用电参监测组件3识别电力系统的故障，并定位故障的拓扑点；

步骤S2中，利用电参监测组件3识别电力系统的故障，并定位故障的拓扑点的具体方法包括：

步骤S201、一体测量表实时监测进表端线路和进户端线路501上的电压和电流数据，并将电压和电流数据同步传输至数据处理芯片；

步骤S202、数据处理芯片将电压和电流数据与预设的电参基准进行比较判定进表端线路或进户端线路501上存在故障与否，具体的：

若电压或电流数据超过电参基准，则判定故障存在；

若电压且电路数据均未超过电参基准，则判定故障不存在；

步骤S203、将判定结果为故障存在的数据处理芯片对应的电参监测组件3的识别编码作为故障的拓扑点，并同步将故障的拓扑点反馈至中控系统。

识别具体故障发生的位置，并依旧通过识别编号进行位置具象化，从而可根据识别编号在继电保护拓扑网络对应的与故障存在关联的单通道继电器，以控制与故障存在关联的单通道继电器进行继电保护操作即可实现故障线路的脱离。

如图3所示，故障在继电保护拓扑网络中的具象化位置为A3，则继电保护目标路径如图4所示。

步骤S3、基于拓扑点在继电保护拓扑网络中筛选出继电保护目标路径，并沿继电保护目标路径在电力系统中对故障进行最小层次脱离以使得电力系统继电保护产生最小化扰动。

步骤S3中，继电保护目标路径筛选的具体方法包括：

中控系统在继电保护拓扑网络中获取所有与故障的拓扑点连接的第二拓扑点，并将第二拓扑点与故障的拓扑点依据电力系统的深度进行层次链接构成继电保护目标路径。

继电保护目标路径由与故障关联的所有单通道继电器依据电力系统层级排序而得，具体为进表端线路上的单通道继电器层级高于进户端线路501上的单通道继电器。

步骤S3中，沿继电保护目标路径在电力系统中对故障进行最小层次脱离的具体方法包括：

步骤一：中控系统控制位于继电保护目标路径第i层处的单通道继电器1进行电力系统故障的切断保护；

步骤二：中控系统控制继电保护目标路径第i+1层处的电参监测组件3进行电力系统故障的二次识别，具体的：

若电力系统故障存在，i=i+1，返回步骤一；

若电力系统故障消失或i>N，中控系统维持当前单通道继电器1进行电力系统故障的切断保护的控制操作；

其中，i={1,2,…,N-1}，N为继电保护目标路径的层次总数目。

如图4所示，具体的，故障若位于进户端线路501上，则进户端线路501上的电压和电流数据超出电参基准，与该进户端线路501存在连通层级的进表端线路上的电压和电流数据也将超出电参基准，想要保证故障线路实现最小化脱离，就必须继电保护目标路径最低层次到最高层次进行逐层继电保护，直至寻找到故障彻底脱离电力系统的单通道继电器，比如，故障在用户家庭线路上，继电保护目标路径包括该用户对应的进户端线路501上的单通道继电器A3连接该进户端线路501对应的第一级进表端线路401上的单通道继电器B2，与第一级进表端线路401对应的第二级进表端线路402单通道继电器C1，则优先控制单通道继电器A3进行切断保护，若第一进表端线路上的电参数据恢复至电参基准，则故障线路为进户表连接的用户家庭线路；若第一进表端线路上的电参数据未恢复至电参基准，控制单通道继电器B2进行切断保护，若第二进表端线路上的电参数据恢复至电参基准，则故障线路为第一进户表连接以及用户家庭线路；若第二进表端线路上的电参数据未恢复至电参基准，控制单通道继电器C1进行切断保护，最终实现故障线路的最小化。

电力系统故障的二次识别与步骤S2中电力系统故障的识别方法一致。

本发明利用拓扑信号组件2产生并接收拓扑信号以标定由单通道继电器1位置构成电力系统的继电保护拓扑网络，利用电参监测组件3识别电力系统的故障并标定故障的位置，最终通过中控系统基于故障的位置在电力系统的继电保护拓扑网络筛选出继电保护目标路径，并沿继电保护目标路径控制单通道继电器1切断保护实现在电力系统中对故障进行最小层次脱离，可在电力系统中实现故障的继电器断电保护的最小线路结构，使电力系统的整体运行所受影响最小，自动识别用于电力系统的继电保护拓扑网络以及故障的继电保护目标路径，无需电力系统的真实拓扑结构作为先验知识，效率高同时准确性高，且可直接安装至现有电力系统的分支表箱4和用户表箱线路中进行使用，迁移性强。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。