專利名稱：配電網(wǎng)繼電保護與故障定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及配電網(wǎng)的繼電保護和故障定位技術(shù)。
背景技術(shù)：
配電網(wǎng)是由許多電氣設(shè)備組成的，這些電氣設(shè)備在運行過程中發(fā)生故障是不可避免的。故障發(fā)生后，快速檢出故障設(shè)備并動作于斷路器跳閘、從而切除故障設(shè)備；同時準(zhǔn)確提供故障發(fā)生的位置以便于工作人員檢修和恢復(fù)故障設(shè)備是繼電保護的根本任務(wù)。
繼電保護根據(jù)故障后電流電壓的變化等故障信息而動作。目前，配電線路和配電變壓器的繼電保護主要采用“基于單端故障信息的電流保護”；母線保護則采用差動保護構(gòu)成。采用單端故障信息的電流保護不能快速切除線路和變壓器任何位置的故障。針對這個問題，可以考慮以下解決方案采用高壓電網(wǎng)的方向高頻或者距離高頻保護，但它首先需要采集每個設(shè)備兩端的電壓和電流，構(gòu)成過于復(fù)雜。
采用高壓電網(wǎng)的載波電流差動保護，但它需要同步采集并交換被保護設(shè)備兩端的電流波形或者電流相量，這個要求在配網(wǎng)中很難達到。
采用高壓電網(wǎng)的載波電流差動保護，但它需要交換被保護設(shè)備兩端的電流波形或者電流相量，這對于通信的要求太高了。
采用高壓電網(wǎng)的載波電流相位差動保護，但它需要交換被保護設(shè)備兩端的電流相位，但是，配網(wǎng)是單端電源輻射網(wǎng)，故障后故障點之后的電流消失或減少，一般不會改變方向，導(dǎo)致保護失效。
顯然，要解決配電網(wǎng)快速繼電保護和全網(wǎng)的故障定位問題，使用目前的方法是不行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新型配電網(wǎng)繼電保護和故障定位系統(tǒng)，它利用故障分量電流的極性特征，首先構(gòu)成一個新型數(shù)字式繼電器——極性檢測和比較繼電器，它通過檢測和比較所有流過被保護配電設(shè)備的故障分量電流極性的異同，判斷該設(shè)備是否發(fā)生故障；再利用通信手段連接同一個被保護設(shè)備的所有繼電器，實現(xiàn)所有配電線路、配電母線和配電變壓器的繼電保護；再利用通信手段把這些電流極性信息傳送給調(diào)度中心，工作人員可以很快發(fā)現(xiàn)故障位置，從而實現(xiàn)快速故障定位。該系統(tǒng)與配電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)，不需要使用電壓故障信息，構(gòu)成簡單，易于實現(xiàn)。
本發(fā)明提出一種配電網(wǎng)繼電保護與故障定位系統(tǒng)，其特征在于包括多個測量和執(zhí)行單元以及連接這些單元的通信通道兩個部分，所說的測量和執(zhí)行單元包括電流互感器、極性檢測與比較繼電器、第一個通信接口單元、第二個通信接口單元和斷路器，其連接關(guān)系為電流互感器和被保護電氣設(shè)備相連，極性檢測與比較繼電器的輸入端與電流互感器的三相電流輸出端相連，該繼電器的輸出端與斷路器、第一個通信接口單元、第二個通信接口單元相連接，所說的通信通道包括保護用的通道和全網(wǎng)故障定位用的通道；所說的保護用的通道是連接被保護電氣設(shè)備的測量與執(zhí)行單元之間的通信通道；所說的全網(wǎng)故障定位用的通道是連接整個配電網(wǎng)的所有測量與執(zhí)行單元之間的通信通道。
所說的極性檢測與比較繼電器可包括由電源、電流電壓變換器、數(shù)據(jù)采集電路、保護微處理器和繼電器出口電路五個部分組成的通用的數(shù)字式繼電器硬件平臺，以及固化在該保護微處理器中的由程序初始化模塊、故障檢測模塊、故障選相模塊、故障分量抽取模塊、數(shù)字計數(shù)器模塊、極性檢測模塊、極性比較模塊、保護出口判別模塊、通信單元1模塊、通信單元2模塊組成的保護與故障定位程序。
本發(fā)明能夠應(yīng)用于1.保護10kV-66kV配電變壓器；2.保護10kV-66kV配電線路；3.保護10kV-66kV母線；4.確定哪一個電氣設(shè)備發(fā)生故障，實現(xiàn)全配電網(wǎng)的故障定位。
5.保護更高電壓等級的高壓和超高壓輸變電設(shè)備。
本發(fā)明可達到如下性能指標(biāo)1.保護動作時間小于20毫秒；2.全網(wǎng)故障定位時間小于1分鐘。


圖1為本發(fā)明用于典型配電網(wǎng)中的配電網(wǎng)繼電保護與故障定位系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實施例中的測量和執(zhí)行單元的構(gòu)成框圖。
圖3為本實施例中的極性檢測與比較繼電器程序構(gòu)成框圖。
圖4為本實施例中的故障分量抽取示意圖。
圖5為本實施例的線路保護構(gòu)成示意圖。
圖6為本實施例的母線保護構(gòu)成示意7為本實施例的變壓器保護構(gòu)成示意圖。
圖8為本實施例的配電網(wǎng)故障定位構(gòu)成示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出了一種配電網(wǎng)繼電保護和故障定位系統(tǒng)實施例，結(jié)合各附圖詳細(xì)說明如下本發(fā)明的基本工作原理和出發(fā)點是當(dāng)發(fā)生故障的電氣設(shè)備流過故障分量電流時，所有流進與流出該設(shè)備的故障分量電流具有相同的極性；當(dāng)沒有發(fā)生故障的電氣設(shè)備流過故障分量電流時，流進和流出該設(shè)備的電流滿足電流連續(xù)性原理，必然是有進有出，流進和流出電流不可能具有相同的極性。
所謂故障分量電流是指故障發(fā)生后所出現(xiàn)的電流增量。
本發(fā)明所說的配電網(wǎng)保護與故障定位系統(tǒng)實施例是用于一個典型的配電網(wǎng)中，如圖1所示，其中典型的配電網(wǎng)包括1#線路1、2#線路2、3#線路3、1#母線4、2#母線5、3#母線6、4#母線7、5#母線8、1#變壓器9、2#變壓器10、3#變壓器1，其中1#變壓器和2#線路組成饋線-變壓器單元。以上為被保護的電氣設(shè)備。
在這個配電網(wǎng)中，1#電源12、2#電源13、1#負(fù)荷支路14、2#負(fù)荷支路15、3#負(fù)荷支路16、4#負(fù)荷支路17、5#負(fù)荷支路18不屬于保護對象。
本實施例的配電網(wǎng)保護與故障定位系統(tǒng)包括多個測量和執(zhí)行單元以及連接這些單元的通信通道兩個部分，各部分詳細(xì)說明如下(1)測量和執(zhí)行單元圖1中E0，E1，A0，A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，C1，C2，C3，D1，D2，D3是安裝在配電網(wǎng)不同位置的測量和執(zhí)行單元。
它是這個系統(tǒng)的核心組成部分，包括電流互感器、極性檢測與比較繼電器、通信接口單元1、通信接口單元2和斷路器。其中的所有電流互感器參考方向是離開母線為正。
對于被保護線路，這個單元必須安裝在線路兩側(cè)變電站或配電站內(nèi)；對于被保護變壓器，這個單元必須安裝在該變壓器兩側(cè)；對于被保護母線，這個單元必須安裝在與該母線所連接的所有進出線上。
在測量和執(zhí)行單元中，電流互感器101、極性檢測與比較繼電器102、通信接口單元(一)103、通信接口單元(二)104和斷路器105安裝在同一個地點，它們之間具有確定的邏輯和連接關(guān)系，見圖2，其連接關(guān)系為電流互感器101和被保護電氣設(shè)備100相連，極性檢測與比較繼電器102的輸入端與電流互感器101的三相電流輸出端相連，該繼電器102的輸出端與斷路器105、通信接口單元(一)103、通信接口單元(二)104相連接。
各個元件的功能如下—電流互感器101測量電流的變化，可以選擇沈陽變壓器廠生產(chǎn)的LQJ-10型保護級電流互感器；—極性檢測與比較繼電器102檢測本互感器101測量的電流極性，與其它繼電器送來的極性信息進行比較，給出故障是否發(fā)生在保護區(qū)內(nèi)的結(jié)論，內(nèi)部故障發(fā)出跳閘命令；—通信接口單元(一)103發(fā)送本繼電器102的極性檢測結(jié)果給其它繼電器，接收其它繼電器的極性檢測結(jié)果，可以采用西門子公司生產(chǎn)的SWT400F6保護信號傳輸裝置；—通信接口單元(二)104發(fā)送本繼電器的極性檢測結(jié)果給調(diào)度中心，可以采用西門子公司生產(chǎn)的SWT400F6保護信號傳輸裝置；—斷路器105執(zhí)行繼電器102發(fā)出的跳閘命令，可以采用西安高壓開關(guān)廠生產(chǎn)的SN10-10型戶內(nèi)安裝少油斷路器。
為便于表達，后面將采用電流互感器xx、繼電器xx等來加以區(qū)別與表示，例如電流互感器A0，繼電器A0等。
(2)通信通道單元本實施例的通信通道有兩類第一類一保護用的通道，是指用于連接被保護電氣設(shè)備的測量與執(zhí)行單元之間的通信通道；該通道把本地繼電器的極性檢測結(jié)果傳送給與它自己相關(guān)的繼電器，供對方判斷作出故障是否發(fā)生在被保護設(shè)備內(nèi)部的決定。
這里所說的“與它自己相關(guān)的繼電器”是指線路——指兩端的繼電器，比如1#線路—1是A0、A1。
雙繞組變壓器——指變壓器的兩側(cè)，比如1#變壓器—9是A2、B1。
母線——指與它相連的所有繼電器，比如3#母線—6是B1、B2、B3。
第二類——全網(wǎng)故障定位用的通道，是指用于連接整個配電網(wǎng)的所有測量與執(zhí)行單元之間的通信通道；該通道把每一個繼電器的極性檢測結(jié)果傳送給調(diào)度中心，供調(diào)度中心判斷出哪個設(shè)備發(fā)生了故障，實現(xiàn)故障定位。本實施例的極性檢測與比較繼電器構(gòu)成及功能詳細(xì)說明如下該繼電器是本實施例系統(tǒng)最為重要的設(shè)備。
它采用故障分量電流原理、由硬件電路和保護程序兩部分組成，執(zhí)行故障分量電流極性的檢測和比較、判斷故障是否發(fā)生在被保護設(shè)備內(nèi)部的功能。
繼電器硬件電路主要由電源、電流電壓變換器、數(shù)據(jù)采集電路、保護微處理器和繼電器出口電路五個部分組成的通用的數(shù)字式繼電器硬件平臺，以及固化在該保護微處理器中的由程序初始化模塊、故障檢測模塊、故障選相模塊、故障分量抽取模塊、數(shù)字計數(shù)器模塊、極性檢測模塊、極性比較模塊、保護出口判別模塊、通信單元1模塊、通信單元2模塊組成的保護與故障定位程序。
該硬件可以采用常規(guī)的繼電器硬件平臺，比如該硬件可以采用由英國阿爾斯通公司生產(chǎn)的Micomp140型硬件平臺。
圖3示出了該繼電器的保護程序構(gòu)成框圖?，F(xiàn)結(jié)合該繼電器原理和算法對保護程序各部分分別說明如下1.程序初始化該部分用于對保護微處理器進行初始化設(shè)置，包括端口設(shè)置、控制字設(shè)置、通信設(shè)置等。
1.故障檢測該部分用于判別故障是否發(fā)生。如果故障發(fā)生，則繼續(xù)后面的程序；否則，程序進入循環(huán)狀態(tài)，等待故障發(fā)生。
故障發(fā)生的判據(jù)是相電流差突變量原理，即把當(dāng)前的每相電流采樣值和故障前一周波(20毫秒之前)的采樣值逐點相減，如果連續(xù)超過門檻值五次，認(rèn)為故障發(fā)生。否則程序返回。
2.故障選相確認(rèn)故障發(fā)生后，程序轉(zhuǎn)入故障相判別。因為配電網(wǎng)是三相系統(tǒng)，故障往往發(fā)生在不同相，所以必須首先正確選擇出故障相。
故障選相判據(jù)是(1)接地故障判別零序電流大于整定值。
(2)單相接地故障相選擇相電流兩兩相減，對應(yīng)最小差值的相是非故障相。這樣剩下的相就是故障相。
(3)兩相接地故障相選擇如果確認(rèn)為接地故障，但又不是單相故障，那么故障電流最小的相就是故障非相，剩余的就是故障相。
(4)如果不是接地故障，那么如果三相電流都超過某個整定值，則確認(rèn)為三相故障。
(5)如果不是三相故障，而且零序電流沒有超過整定值，則最小電流不是故障相，剩余的就是故障相。
3.故障分量抽取故障分量抽取采用前述的突變量檢測原理，它和計數(shù)器相配合。即故障后各相電流采樣值i(n)減去故障前一周波對應(yīng)采樣值，達到計數(shù)器規(guī)定次數(shù)(時間為10毫秒)后，故障分量ig(n)抽取結(jié)束。故障分量抽取示意圖如圖4所示。
1.計數(shù)器記錄減法結(jié)果是否達到設(shè)定的次數(shù)，如果達到。故障分量計算結(jié)束。
5.極性檢測根據(jù)故障分量抽取結(jié)果，采用一個短數(shù)據(jù)窗(3毫秒)對上述結(jié)果積分求和，然后穩(wěn)定的極性就可以得到——“正”或者“負(fù)”極性。
6.極性比較根據(jù)遠端送來的極性判別結(jié)果(“正”或者“負(fù)”)進行極性比較。如果同為正或同為負(fù)，判為內(nèi)部故障，否則判為外部故障。
7.通信1通信1用于和保護所使用的通信接口單元(一)交換繼電器極性檢測結(jié)果，用于繼電保護。它僅僅用于發(fā)送或者接收“正”或“負(fù)”的信息。
8.通信2通信2用于向故障定位所使用的通信接口單元(二)發(fā)送該繼電器極性檢測結(jié)果，用于故障定位。它僅僅用于發(fā)送“正”或“負(fù)”的信息它們僅僅用于發(fā)送或者接收正或負(fù)的信息。
9.繼電器出口滿足上述條件6并且沒有其它閉鎖信號，則程序給出“動作”信號，斷路器跳閘；否則，程序給出“不動作”信號。
本實施例對所說的配電網(wǎng)的保護功能說明如下本實施例所說的配電網(wǎng)保護，是指線路保護、變壓器保護、母線保護和線路-變壓器組合單元保護。
每一個極性檢測與比較繼電器把自己檢測到的電流極性信息通過通信通道發(fā)送給與它有關(guān)的繼電器；每一個繼電器根據(jù)自己的電流互感器測量結(jié)果和通過通信收集到的相關(guān)繼電器的電流極性信息，獨立地作出是否被保護設(shè)備發(fā)生了故障的判斷、進而作出保護動作跳閘與否的決定。
對于1#線路——1，繼電器-201、繼電器-601連同它們的通信通道-19組成1#線路—1的繼電保護，F(xiàn)1點發(fā)生內(nèi)部故障時，A0和A1兩個繼電器檢測到同極性故障分量電流，參見圖5，其中301和701是通信接口單元；對于3#線路—3，繼電器A3、C1連同它們的通信通道組成3#線路-3的繼電保護，F(xiàn)3點發(fā)生內(nèi)部故障時，A3和C1兩個繼電器檢測到同極性故障分量電流；對于1#母線——繼電器E0和A0連同它們的通信通道(連線)組成1#母線-4的繼電保護，該母線內(nèi)部F6點發(fā)生故障時，E0和A0兩個繼電器檢測到同極性故障分量電流；對于2#母線——繼電器A1、A2、A3、A4、E1連同它們的通信通道(連線)組成2#母線-5的繼電保護，該母線內(nèi)部F7點發(fā)生故障時，這五個繼電器檢測到同極性故障分量電流；對于3#母線——繼電器B1、B2、B3連同它們的通信通道(連線)-20組成3#母線-6的繼電保護，該母線內(nèi)部F5點發(fā)生故障時，這三個繼電器檢測到同極性故障分量電流，參見圖6；對于4#母線——繼電器C1、C2連同它們的通信通道(連線)組成4#母線-7的繼電保護，該母線內(nèi)部F6點發(fā)生故障時，C1、C2兩個繼電器檢測到同極性故障分量電流；對于5#母線——繼電器D1、D2、D3連同它們的通信通道(連線)組成5#母線-8的繼電保護，該母線內(nèi)部F8點發(fā)生故障時，這三個個繼電器檢測到同極性故障分量電流；對于2#變壓器——繼電器C2、C3連同它們的通信通道(連線)-21組成2#變壓器-10的繼電保護，該變壓器內(nèi)部F9點發(fā)生故障時，這兩個繼電器檢測到同極性故障分量電流，參見圖7；對于3#變壓器——繼電器A4、D1連同它們的通信通道(連線)組成3#變壓器-11的繼電保護，該變壓器內(nèi)部F4點發(fā)生故障時，這兩個繼電器檢測到同極性故障分量電流；對于由1#變壓器-9和2#線路-2組成的變壓器—饋線單元—繼電器A2、B1連同它們的通信通道(連線)組成該單元的繼電保護，該單元內(nèi)部F2點發(fā)生故障時，這兩個繼電器檢測到同極性故障分量電流。
本實施例對所說的配電網(wǎng)的故障定位功能說明如下對于發(fā)明所說的配電網(wǎng)故障定位，是指全網(wǎng)任何一個設(shè)備發(fā)生了故障，位于調(diào)度中心的工作人員能夠知道故障發(fā)生在什么地方或者是哪一個設(shè)備發(fā)生了故障，參見圖8。
每一個繼電器把自己的極性檢測結(jié)果(E0、E1、A0、A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3)通過通信通道傳送給調(diào)度中心，調(diào)度中心根據(jù)各個繼電器檢測結(jié)果、按照極性相同為該設(shè)備故障，極性不同為沒有故障最終決定出故障發(fā)生在什么地方——實現(xiàn)故障定位。
本實施例的工作過程例如于圖1所示的配電網(wǎng)當(dāng)F1點發(fā)生故障，那么1#線路兩端的繼電器將動作，并動作于斷路器跳閘，切除該線路。同時調(diào)度中心根據(jù)所有繼電器的極性判定故障發(fā)生在1#線路上。達到保護和故障定位的目的。
具體工作過程如下1.設(shè)F1點發(fā)生了故障；2.流過所有電流互感器(E0、E1、A0、A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3)的電流將變化；3.連接在電流互感器后面的所有繼電器(E0、E1、A0、A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3)將檢測到該變化；4.所有檢測到故障并啟動了的繼電器計算自己的極性，并通過通信送給與自己相關(guān)的繼電器和調(diào)度中心；5.繼電器E0和A0是反極性的，A0流進電流，E0流出電流，1#母線-4保護不動作；6.繼電器A1、A2、A3、A4和E1是反極性的，A1流進電流，A2、A3、A4和E1流出電流，2#母線-5保護不動作；7.繼電器A2和B1是反極性的，B1流進電流，A2流出電流，饋線-變壓器單元(2#線路-2和1#變壓器-9)保護不動作；8.繼電器B1和B2、B3是反極性的，B1流進電流，B2、B3流出電流，3#母線-6保護不動作；9.繼電器A3和C1是反極性的，C1流進電流，A3流出電流，3#線路-3保護不動作；10.繼電器C1和C2是反極性的，C1流進電流，C2流出電流，4#母線-7保護不動作；11.繼電器D1和D2、D3是反極性的，D1流進電流，BD、D3流出電流，5#母線-8保護不動作；12.繼電器C2和C3是反極性的，C2流進電流，C3流出電流，2#變壓器-10保護不動作；13.繼電器A4和D1是反極性的，D1流進電流，A4流出電流，3#變壓器-11保護不動作；14.只有繼電器A0和A1檢測到故障分量電流是同極性的，1#線路-1保護動作，給出跳閘命令；15.斷路器A0和A1跳閘，達到保護目的；16.調(diào)度中心根據(jù)所有繼電器送來的極性信息，發(fā)現(xiàn)設(shè)備1#線路-1兩端繼電器同極性，從而判斷出故障發(fā)生在1#線路上，實現(xiàn)了故障定位。
權(quán)利要求
1.一種配電網(wǎng)繼電保護與故障定位系統(tǒng)，其特征在于包括多個測量和執(zhí)行單元以及連接這些單元的通信通道兩個部分，所說的測量和執(zhí)行單元包括電流互感器、極性檢測與比較繼電器、第一個通信接口單元、第二個通信接口單元和斷路器，其連接關(guān)系為電流互感器和被保護電氣設(shè)備相連，極性檢測與比較繼電器的輸入端與電流互感器的三相電流輸出端相連，該繼電器的輸出端與斷路器、第一個通信接口單元、第二個通信接口單元相連接，所說的通信通道包括保護用的通道和全網(wǎng)故障定位用的通道；所說的保護用的通道是連接被保護電氣設(shè)備的測量與執(zhí)行單元之間的通信通道；所說的全網(wǎng)故障定位用的通道是連接整個配電網(wǎng)的所有測量與執(zhí)行單元之間的通信通道。
2.如權(quán)利要求1所述的配電網(wǎng)繼電保護與故障定位系統(tǒng)，其特征在于所說的極性檢測與比較繼電器，包括由電源、電流電壓變換器、數(shù)據(jù)采集電路、保護微處理器和繼電器出口電路五個部分組成的通用的數(shù)字式繼電器硬件平臺，以及固化在該保護微處理器中的由程序初始化模塊、故障檢測模塊、故障選相模塊、故障分量抽取模塊、數(shù)字計數(shù)器模塊、極性檢測模塊、極性比較模塊、保護出口判別模塊、通信單元1模塊、通信單元2模塊組成的保護與故障定位程序。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域,包括多個測量和執(zhí)行單元以及連接這些單元的通信通道兩個部分,測量和執(zhí)行單元包括電流互感器、極性檢測與比較繼電器、第一個通信接口單元、第二個通信接口單元和斷路器,通信通道包括保護用的通道和全網(wǎng)故障定位用的通道;本發(fā)明通過檢測和比較所有流過被保護配電設(shè)備的故障分量電流極性的異同,判斷該設(shè)備是否發(fā)生故障;再利用通信手段連接同一個被保護設(shè)備的所有繼電器,實現(xiàn)所有配電線路、配電母線和配電變壓器的繼電保護;再利用通信手段把這些電流極性信息傳送給調(diào)度中心,工作人員可以很快發(fā)現(xiàn)故障位置,從而實現(xiàn)快速故障定位。該系統(tǒng)與配電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)無關(guān),不需要使用電壓故障信息,構(gòu)成簡單,易于實現(xiàn)。
文檔編號H02H7/28GK1334627SQ0113065
公開日2002年2月6日 申請日期2001年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月17日
發(fā)明者董新洲, 薄志謙 申請人:清華大學(xué), 英國阿爾斯通輸配電保護與控制公司