专利名称：自适应零时差过电流保护方法
技术领域：
本发明涉及电网的一种过电流保护方法，特别是一种自适应零时差过电流保护方法。
背景技术：
电网安全受诸多因素影响，难免发生故障。当故障发生时，一般伴随着电流的异常增大，因此过电流保护是一种直接有效的电网故障检测与切除方法。过电流保护装置是一种起动电流按照避开最大负荷工作电流来整定的保护装置，它在电网正常运行时不起动，而当发生故障时，能够反应于异常电流而动作。一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长，还能保护相邻线路·的全长，起到后备保护作用。传统的过电流保护方法是定时限过电流保护，下面首先对其进行介绍。定时限过电流保护的动作时限是根据选择性的要求而整定的。选择性的含义是:每一段线路范围内的故障应由负责该线路段的保护装置先动作来切除。以图1所示的单侧电源放射形电网络为例，当Cl1点短路时，保护装置I 5在短路电流的作用下都可能起动，但按照选择性要求，应该只有保护装置I动作，切除故障，而保护装置2 5在故障切除之后应立即返回。选择性要求可通过为各保护装置设定不同的动作时限来实现。保护装置I位于电网的最末端，只要用电设备发生故障，它就可以瞬时动作予以切除，图1中的为保护装置本身的固有动作时间。对于保护装置I的上级保护装置2来说，为保证Cl1点短路时动作的选择性，应整定其动作时限引入时间延迟At，则保护装置2的动作时限为t2-tl+ Δ t当d2点短路时，保护装置2将以t2的时限切除故障，同时为保证其上级保护装置3动作的选择性，又必须整定t3>t2,可设t3=t2+ Δ t依此类推，保护装置4、5、…、η的动作时限分别为t4=t3+ Δ tt5=t4+ Δ t.
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tn=tn-1+ Δ t这种保护的动作时限与短路电流的大小无关，经整定计算之后，由专门的时间继电器予以保证，因此称为定时限过电流保护。其缺点是当故障越靠近电源端时，短路电流越大，而保护装置动作切除故障的时限反而越长。用作保护装置的断路器的固有动作时限通常为0.2 0.3s，加上其它控制电器的动作时间，为保证保护装置的选择性，设定At=0.5s。对于图1所示电网络，当保护装置I的动作时限h取为0.5s时，保护装置2的动作时限丨2为Is。依此类推，若n=20时，动作时限t2(l为10s，即需滞后IOs才能切除故障。这样长时间的短路电流极易损坏被保护的电力设备，使保护装置失去保护作用。为解决上述问题，常规做法是在电网中采用三段式保护装置，即采用电流速断和限时电流速断作为本线路的主保护，以快速切除故障，而利用过电流保护来作为本线路和相邻设备的后备保护。该保护方式虽然解决了定时限过电流保护装置存在的问题，但结构复杂，受电网接线及电力系统运行方式的影响严重。例如，其整定值必须按系统最大运行方式来设定，而灵敏性则必须采用系统最小运行方式校验，这就使它不能满足灵敏系数或保护装置范围的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应零时差过电流保护方法，该方法能够使得电网最末端的保护装置与靠近电源端的保护装置的动作时限相同，且当电网拓扑改变后，能够在无人工干预的情况下，自行重新配置，建立保护装置间的上下级逻辑关系。既可以避免定时限过电流保护装置的缺点，又达到了三段式保护装置的效果，同时还削弱了对电网接线以及电力系统运行方式的依赖度。本发明的自适应零时差过电流保护方法，包含以下步骤:(I)将电网中各个保护装置的动作时限设置为相同的固有时限(\)，相邻的两个保护装置之间存在通信连接；(2)当保护装置检测到短路电流时，该保护装置开始计时，并通知上级相邻保护装置有故障发生，同时检测是否有来自下级相邻保护装置的相应通知，其中，如果该保护装置接到下级相邻保护装置的通知，则将动作时限设定为固有时限Ui)加预定时间(At);如果没有接到通知，则将动作时限设定为固有时限(\)，并再次通知上级相邻保护装置，故障发生在本保护装置管辖的区域；(3)接到再次通知的上级保护装置将作为该区域的后备保护装置，没有接到再次通知的保护装置则恢复正常；其中，保护装置具有自适应逻辑定位功能，当电网拓扑改变时，各个保护装置自行建立相互间的上下级逻辑关系。其中，各个保护装置内部均记录了在各种电网拓扑下各自可能的上级相邻保护装置的编码信息，当电网拓扑改变后，各保护装置自行与其内部记录的可能的上级相邻保护装置进行通信，根据反馈得到的上级相邻保护装置的状态，确定当前实际的上级相邻保护装置，由此建立各保护装置间的上下级逻辑关系。本发明的自适应零时差过电流保护方法克服了定时限过电流保护方法存在的越靠近电源端动作时限越长的缺陷，使得当全网任何位置发生短路时，仅使用过电流保护就可以在极短时间内切除故障，且自动满足主保护和后备保护的配合，达到保护功能的选择性和速动性的最佳结合。另一方面，该方法具有自行配置功能，能够主动适应电网拓扑的变化，灵活性强，降低了人工管理成本。此外，该方法制造的系统结构简单，可靠性高，可用在高电压环境中，实现复杂的保护功能。例如在部分应用场合，可替代差动保护和距离保护等复杂保护。
图1是单侧电源放射形网络中过电流保护装置动作时限设定示意图；图2是本发明的自适应零时差过电流保护装置动作时限设定示意图；图3是电网拓扑可变的某变电所电力网络示意图；图4是实现本发明方法采用的断路器监控单元结构框图。以下结合附图和工作原理对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式依照上述技术方案，自适应零时差过电流保护方法为每个保护装置均配备监控单元，所有物理直接相连的保护装置间可通过以太网进行实时通信，如图2中虚线所示。其工作过程如下:电力线路中的电流、电压通过模拟信号采集与调理模块输入到微处理器中。当线路上发生短路故障时，微处理器开始计时，并通过以太网通知该断路器的上级相邻断路器有故障发生，同时检测是否有下级相邻断路器的通知。如果接到下级相邻断路器的通知，则微处理器将动作时限设定为ti+At。如果没有接到通知，则将动作时限设定为ti;并再次通知其上级相邻断路器，故障在本断路器管辖的区域。被通知的上级断路器将作为该区域的后备保护装置，没有接到再次通知的上级相邻断路器恢复正常。以图2所示的电网络为例，当Cl1点短路时，保护装置I通知保护装置2有故障发生，在保护装置2将动作时限设为ti+At的同时，保护装置I将以固有动作时间h切除故障。若保护装置I动作后，故障切除，保护装置2就不动作。反之，保护装置2将以Λ t的时限动作，切除故障。类似地，当d2点短路，保护装置2在通知保护装置3有故障发生的同时，会检测是否有保护装置I的通知；如果没有接到通知，则保护装置2将设定固有动作时限为t2，并再次通知保护装置3 ;保护装置3接到再次通知会自动将动作时限设为t2+At，以作为C-D段的后备保护装置。在图2中，可设各保护装置的固有时限相等。如对断路器来说，可设t1=t2=t3=t4=t5=0.5s, At=0.5s。因此，自适应零时差过电流保护方法可使电网末端与靠近电源端的保护装置的动作时限相同，即各保护装置的动作时限是零时差的。零时差过电流保护方法要求电网中各保护装置在逻辑上具有明确的上下级关系。那么当电网拓扑改变引起保护装置间的上下级关系改变后，原先的保护逻辑不再适用，这就要求赋予各保护装置逻辑定位功能，自主适应电网拓扑的变化。下面以图3所示的某变电所电力网络为例进行具体说明。该网络中包含两个电源、两个变压器，正常工作时采用单侧供电，那么电源和变压器的不同组合会产生4种不同的网络拓扑，其中一种拓扑是电流从进线端I流入，变压器I运行，2为备用。在这种情况下，节点6、7、12、14处断路器都是断开的，节点32-50地位对等，均处于网络最末端，其次是节点31 (15-30) — 13 — 5 — 4(3-2)— 1，节点I最靠近电源端；对于节点31来说，节点13是其上级节点。当采用变压器2代替变压器I后，节点5、8、12、13处断路器均断开；对于节点31来说，节点14变为其上级节点，节点13处断路器不再工作，原来的保护逻辑不再适用。由于每个电网的拓扑结构总是有限的，而对于每种电网拓扑，每个保护装置具有固定的上级保护装置，所以，可在每个保护装置内部存储在所有电网拓扑下，该装置对应的上级保护装置的编码信息，对于图3中的节点31来说，记录其可能的上级节点为13和14。当电网拓扑改变，节点31处保护装置启动后，向可能的上级节点13和14发送状态请求信息，根据得到反馈信息，确定当前“活动”的节点为实际的上级节点。同理，可确定其它节点的上级节点。该方法不要求各保护装置记录电网的全局拓扑信息，而仅需记录与自身直接物理相连的可能的上级保护装置的编码，信息存储量小。另一方面，该方法仅在电网拓扑改变后运行一次，信息交互次数少，可靠性高。图4是实现本发明方法的断路器监控单元结构框图，主要包括主控制器模块、通信模块、模拟信号采集与调理模块、开关量输入输出模块、电源模块、温度与实时时钟模块和人机接口模块等。主控制器模块采用ARM微处理器和复杂可编程逻辑处理器件(CPLD)作为核心控制器对整个系统进行控制。其中，ARM微处理器主要负责对输入信息进行处理，并向外发出控制命令；CPLD作为外部设备和接口的信息逻辑处理器，主要负责ARM微处理器与大部分外设和接口之间的信息传递。通信模块包括以太网控制器与接口，用于各保护装置间的通信。开关量输入输出模块主要包括开关量输入和断路器输出电路，负责获取开关量输入信号以及向外发出跳闸命令。在软件方面，本发明方法的断路器监控单元以嵌入式实时多任务操作系统VXworks为软件平台，设计实现了底层硬件驱动程序、中断程序和顶层应用程序。根据继电保护功能需求和VXworks系统特点，对中断程序和应用程序进行了任务划分，主要包括启动任务、保护任务、监控任务、通信任务、显示任务。在通信协议方面，保护装置之间通过以太网进行通信。为满足实时性要求，采用基于令牌的通信协议。该协议在同一时刻仅允许拥有令牌的节点发送数据，实现了点对点握手通信和网络广播两种数据传输方式，消除了数据传输的随机性。按照该协议，数据传送的最大时延等于令牌在网络上的最长周游时间。针对两种数据传输方式的实验测试表明，数据实时性均达到了预设目标，满足实际需求。本发明方法的优点如下:①.克服了定时限过电流保护方法存在的越靠近电源端动作时限越长的缺陷，使得当全网任何位置发生短路时，仅使用过电流保护就可以在极短时间内切除故障，且自动满足主保护和后备保护的配合，达到保护功能的选择性和速动性的最佳结合。②.具有自主逻辑定位功能，可自动配置保护装置间的上下级关系，主动适应电网拓扑的变化，降低了人工干预程度，应用范围广。③.系统结构简单、灵活性强、可靠性高。④.可用在高电压环境中，实现复杂的保护功能。例如在部分应用场合，可替代差动保护和距离保护等复杂保护。⑤.实现简单，可为用户带来极大便利，为制造商带来巨大的经济效益。
权利要求
1.一种自适应零时差过电流保护方法，包含以下步骤: (1)将电网中各个保护装置的动作时限设置为相同的固有时限(ti)，相邻的两个保护装置之间存在通信连接； (2)当某保护装置检测到短路电流时，该保护装置开始计时，并通知上级相邻保护装置有故障发生，同时检测是否有来自下级相邻保护装置的相应通知，其中，如果该保护装置接到下级相邻保护装置的通知，则将动作时限设定为固有时限Ui)加预定时间(Dt);如果没有接到通知，则将动作时限设定为固有时限(tj，并再次通知上级相邻保护装置，故障发生在本保护装置管辖的区域； (3)接到再次通知的上级相邻保护装置将作为该区域的后备保护装置，没有接到再次通知的上级相邻保护装置则恢复正常； 其中，各个保护装置具有自适应逻辑定位功能，当电网拓扑改变时，各个保护装置自行建立彼此间的上下级逻辑关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的保护装置为断路器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，断路器内设置有监控单元，监控单元中具有模拟信号采集与调理模块及微处理器，电力线路中的电流、电压通过模拟信号采集与调理模块输入到微处理器中；当线路上发生短路故障时，微处理器开始计时，并通过通信连接通知该保护装置的上级相邻保护装置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信连接为以太网连接。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个保护装置内部均记录了在各种电网拓扑下各自可能的上级相邻保护装置的编码信息，当电网拓扑改变后，各保护装置根据存储的编码信息，向可能的上级相邻保护装置发送状态请求信息。接到请求的保护装置返回自身状态，若其当前状态是“活动”的，则发送请求的保护装置确定它为实际的上级相邻保护装置，由此建立各保护装置间的上下级逻辑关系。
6.根据权利要求4所述的方法，所述以太网采用基于令牌的协议，优选的，同一时刻仅允许拥有令牌的保护装置发送数据。
7.一种应用于电网拓扑的保护装置自适应逻辑定位方法，包括以下步骤: (1)在电网中的各个保护装置内部记录在各种电网拓扑下各保护装置可能的上级相邻保护装置的编码信息； (2)当电网拓扑改变后，各保护装置根据所述编码信息，通过通信连接向可能的上级相邻保护装置发送状态请求信息； (3)根据反馈得到的上级相邻保护装置当前是否处于“活动”状态，，各保护装置确定当前实际的上级相邻保护装置，由此建立各保护装置间的上下级逻辑关系。
8.根据权利要求7所述的方法，所述通信连接为以太网。
9.根据权利要求8所述的方法，所述以太网采用基于令牌的协议，优选的，同一时刻仅允许拥有令牌的保护装置发送数据。
全文摘要
本发明公开了一种自适应零时差过电流保护方法，其特征在于，为电网中各保护装置设置相同的固有时限(ti)，各保护装置间可通过以太网通信；当某保护装置检测到短路电流后立即通知上级相邻保护装置，同时检测是否有来自下级相邻保护装置的通知；若接到通知，则将动作时限设定为固有时限(ti)加预定时间(Dt)，以起到后备保护作用；若没有接到通知，则将动作时限设定为固有时限(ti)以切除故障。保护装置具有自适应逻辑定位功能，当电网拓扑改变后，各保护装置自行与其内部记录的可能的上级相邻保护装置进行通信，根据反馈得到的上级相邻保护装置的状态，确定当前实际的上级相邻保护装置，由此建立各保护装置间的上下级逻辑关系，主动适应电网拓扑的变化。
文档编号H02H7/26GK103151765SQ20131005823
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者张爱民, 任志刚, 张杭, 耿英三 申请人:西安交通大学