一种基于FTU角色识别的配电网双向允许式保护方法与流程

本发明涉及电力系统配电线路继电保护领域，尤其涉及一种基于FTU角色识别的配电网双向允许式保护方法。

背景技术：

近年来，配电网对于降低短时停电次数、缩小故障影响停电区间的需求日益迫切。配电网负荷数量大且沿线路不均匀分布，为了减小故障停电区域和停电时间，需要通过多级保护装置将线路划分为多个区段。区别于输电线路，配电线路一般较短，电流保护主要通过时间级差进行配合。一般保护级差为0.3s，当保护级数过多时（如四级或更多级），这将导致出口断路器保护动作过长（>1s），短路电流以及由此引起的电压骤降长时间存在，威胁配电网及设备安全、影响电压质量及敏感负荷的正常运行，因此常规电流保护不能满足需要四级及以上保护配合的要求，亟需可以短时间内完成故障隔离的配电网分段保护。广域同步测量和数字化变电站技术的发展与成熟，为从根本上提高和改善继电保护的性能提供了契机。因此，在复杂电网环境下审视传统继电保护存在的问题，研究能够快速识别与隔离故障的继电保护新方法，是保障电网安稳高效运行的重要内容。而现有的广域测量继电保护方法亦存在许多问题。例如，未考虑到目前电网的管理体制下，大多数出口断路器不纳入配电网自动化，即不参与故障和保护信息的发送和接收。另外，现有的允许式保护方法，多需要主站的参与才能识别配电线路动态网络拓扑结构变化。

《重庆大学自然学报》中论文《配电线路快速保护原理及分析》中提到了两种保护方法：双向闭锁式过电流保护和双向允许式过电流保护，其中，双向允许式过电流保护又分为判断故障电流方向的双向允许式过电流保护和不判断故障电流方向的双向允许式过电流保护。双向闭锁式过电流保护方法的工作原理为：判别故障电流方向，感受到过电流FTU对故障电流正方向(故障电流流出)侧不发送信号，仅对故障电流反方向(故障电流流入)侧发送闭锁信号，即FTU仅向其相邻一侧的FTU发送信号。判断故障电流方向的双向允许式过电流保护方法的原理为：判别电流方向，FTU向故障电流流出方向发允许信号,对于故障电流流入方向不发信号，同样是FTU仅向其相邻一侧的FTU发送信号。两种保护方法均需判别故障电流方向、实际上只单向发送闭锁或者允许信号，且均未考虑现场出口断路器不参与闭锁的实际情况，不适用于现场应用。不判别故障电流方向的双向允许式过电流保护方法不判别电流方向，FTU感受到过电流后向其相邻两侧发允许信号，要求出口断路器参与允许信号的发送，不能适应现场出口断路器不参与信号发送或是接收的情况。

技术实现要素：

本发明是针对现有技术所存在的不足，而提供了一种不需要主站参与确定配电线路的动态网络拓扑结构变化情况，有效适用于现场出口断路器不参与收发跳闸允许信号的分段保护的实际情况的一种基于FTU角色识别的配电网双向允许式保护方法。

本发明适用于静态网络拓扑结构确定、主站不参与动态网络拓扑结构变化识别，出口断路器不参与允许信号收发，尤其适用于闭环设计、开环运行（即手拉手结构）配电网的线路保护。利用相邻FTU之间的通信，完成前后相邻保护之间故障信息的交换，并判断故障区间、允许相应保护动作，实现故障的快速准确定位和隔离，减小故障危害。

本发明解决技术问题采取的技术方案是：定义FTU为出口FTU和线路FTU，FTU在感受到过电流后，向其前后相邻FTU发送跳闸请求询问信号；FTU在接收到其他FTU发送的跳闸请求询问信号后，根据自身是否检测到过电流作出相应回答，当未检测到过电流时向相应FTU回复跳闸允许信号，若感受到过电流则对于跳闸请求不予应答；对于出口FTU，根据其是否感受到过电流、过电流功率方向，以及在规定时间内是否接收允许跳闸信号，控制相应断路器动作与否。对于线路FTU，根据其是否感受到过电流，以及在规定时间内是否接收到允许跳闸信号，控制相应断路器动作与否；若在故障后时间（），仍存在过电流，出线断路器动作，实现出口FTU与出线断路器之间故障的保护。

具体实现方法包括以下步骤：

步骤1：将FTU划分为边界FTU和中间FTU，针对闭环设计、开环运行的双电源配电网络，定义与两端电源出口断路器相邻的FTU为边出口FTU，其余全部FTU为线路FTU；

步骤2：设置继电保护动作电流整定值

1）若采样电流值，则表明无过电流出现；

2）若采样电流值，则表明有过电流出现；

步骤3：在出口FTU感受到过电流后，识别所监测的过电流功率方向，具体为，针对出口FTU，定义由相邻电源指向线路为电流正方向，

1）若监测到的电流方向与正方向一致，则为正；

2）若监测到的电流方向与正方向相反，则为负；

步骤4：在FTU感受到过电流后，立即向其前后相邻FTU发送跳闸请求询问信号并开始计时；

步骤5：当FTU接收到相邻FTU发送的跳闸请求询问后，判断自身是否感受到过电流，

1）若未感受到过电流，则向发送跳闸请求询问的FTU返回跳闸允许信号；

2）若感受到过电流，则不答复其他FTU的跳闸请求询问；

步骤6：设置时间T₁，当时,判断FTU是否接收到相邻FTU返回的跳闸允许信号：

1）对于出口FTU，

A、若感受到过电流，并判断故障电流功率方向为正，且接收到相邻FTU返回的跳闸允许信号，则相应分段断路器动作跳闸。

B、若感受到过电流，并判断故障电流功率方向为负，则相应分段断路器动作跳闸；

C、若条件不满足A和B，相应断路器不动作；

2）对于线路FTU，

A、感受到过电流，接收到相邻FTU返回的跳闸允许信号，相应分段断路器动作跳闸；

B、若条件不满足A，相应断路器不动作；

步骤7：设置时间T₂，且T₂>T₁，在故障时间t≥T₂后，若线路中仍存在过电流，出口断路器动作，实现出口FTU与出线断路器之间故障的保护和隔离。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明基于角色识别的双向允许式保护新方法，将FTU划分为出口FTU和线路FTU，除出口FTU须判别故障功率方向外，线路FTU无需判别故障功率方向。出口和线路FTU相互交换故障信息，根据各自的判据控制相应分段断路器的跳闸动作，并设置后备保护，不需要主站参与确定配电线路的动态网络拓扑结构变化情况，有效适用于现场出口断路器不参与收发跳闸允许信号的分段保护的实际情况。本方法利用光纤通信技术实现FTU之间的信息交换，实现故障的准确快速定位、隔离，减小故障危害。充分考虑到了现场大多数出口断路器不参与允许式分段保护的现状，在出口断路器不参收发跳闸允许信号的情况下，准确快速定位、隔离。变电站内出线保护作为后备保护，相对于双向闭锁式保护方法，可避免在通讯中断情况下的分段保护误动。并考虑到配电网闭环设计、开环运行的问题，在停电转供，静态网络拓扑变化时，仍能准确定位、隔离故障。整个保护过程无需主站的参与，减少主站的工作量，具有更高的可靠性。

附图说明

图1为系统结构图。

图2为配电自动化的结构图。

图3为A电源单独供电结构图。

图4区域3、4由B电源转供的线路结构。

图5区域1、2、3、4由B电源转供的线路结构。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例1

1.线路设备配置

一般手拉手环节的配电网都是闭环设计，开环运行，系统结构如附图1所示。由A、B两电源供电，线路上各分段保护的断路器装设相对应FTU。、为变电站内的出线断路器，出线保护设备不参与允许信号的接收或发送，相对应的出线保护为CB1、CB7；、为与出线断路器相邻的分段保护断路器，定义相对应的FTU2、FTU6为出口FTU；、、为分段保护断路器，LB为联络开关，定义相对应的FTU3、FTU4、FTU8、FTU5为线路FTU；在正常运行时，LB处于断开状态，两边各自供电，区域1、2、3、4由A电源供电，区域5、6、7由B电源供电；停电转供时，相关的线路分段断路器跳开，LB闭合，完成电源的转供。

2.配电自动化的结构

配电自动化的结构如附图2所示，主站位于控制中心，是配网自动化的核心和大脑，从整体上实现了SCADA、馈线自动化（FA）等功能。子站（通信集中器）一般位于变电站，属于网络汇接设备，起着承上启下的作用，将分散在配电线路上的配电终端的信息汇集到一起上传给主站，将主站下发的信息转发给相应的配电终端。配电终端包括馈线终端FTU，配变终端TTU、开闭所终端DTU等。

3.配电自动化系统的通信

1）主站与配电终端之间的通信

主站和终端之间的通信采用客户/服务器模型。数据发送采用IEC61850的报告（Reporting）模型，这样既可以保证正常数据的传输，又可以将异常数据快速发布。

2）配电终端与配电终端之间的通信

终端和终端层之间使用客户/服务器模型和通用GSE模型。GSE包括面向通用对象的变电站事件（GOOSE）和通用变电站状态事件（GSSE）。GSE采用广播方式，对传输的延时有严格的限制。馈线层和终端层之间的网络是分支网络，同一个分支网络上的IED一般不会很多，为了实现一些馈线层的快速功能，可以采用GSE模型。GSE的使用应该限制在馈线层内部，避免造成主干网络的堵塞。

配网自动化系统的通信网络采用分层的IP网络结构，分为主干网络和分支网络。主干网络连接控制中心与变电站，分支网络将分散在各配电线路上的终端设备连接到一起，并与变电站相连。主干网络需要选用高速的光纤网络。目前，大多数供电企业建成的SDH主干网络，都能提供100Mbps以上的带宽，满足配网自动化以及其他自动化系统的需求。随着光纤价格的降低，光纤网络已成为了分支网络的重要形式，无线公网和宽带电力线载波作为补充形式。目前，工业以太网和以太无源光网络（EPON）已在配网自动化通信网络中得到了广泛的应用。

4.FTU之间相邻关系的配置

由确定的配电线路静态网络拓扑结构配置FTU之间的相邻关系，FTU2、FTU3、FTU4、FTU8、FTU5、FTU6互为相邻，感受到过电流后，互发跳闸请求询问和跳闸允许信号。

5.故障检测和FTU之间通信

相邻FTU间通过光纤通信，利用专网或者建立以太网。线路中任一FTU感受到了过电流，即检测到了故障的存在。感受到过电流的FTU向其相邻上下级发送跳闸请求询问信号，接收到跳闸请求询问的FTU根据自身是否感受到过电流作出相应回复。若所有FTU均检测不到过电流，表明线路正常，无故障存在。

6.电流正方向的定义。

针对出口FTU，定义由相邻电源指向线路为电流正方向。若监测到的电流方向与正方向一致，则为正；反之，则为负。

7.故障后的定位和隔离,实现配电线路的快速保护。

1）对于出口FTU，若感受到过电流且故障电流方向为正，接收到相邻FTU返回的跳闸允许信号，则相应分段断路器动作；若感受到过电流且故障电流方向为负，则相应分段断路器直接动作。

2）对于线路FTU，感受到过电流，且接收到相邻FTU返回的跳闸允许信号，相应分段断路器动作；反之，相应分段断路器不动作。

3）在故障时间后，若仍存在过电流，变电站内出线断路器动作，实现出口FTU与出线断路器之间故障的保护与隔离。

具体工作时，如附图3所示，A电源单独供电时，

1）若k1处发生短路故障，

只有CB1感受到过电流。其他FTU感受不到过电流，相应分段断路器不动作。在延时时间后，CB1仍能感受到过电流，控制变电站内出线断路器跳闸，成功切除线路k1处故障。

2）若k2处发生短路故障，

CB1、出口FTU2、线路FTU3感受到过电流。

①出口FTU2感受到过电流，向相邻FTU（FTU3）发送跳闸请求询问信号；线路FTU3感受到过电流，向前后相邻FTU（FTU2和FTU4）发送跳闸请求询问信号。

②FTU3接收到FTU2的跳闸请求询问，判断自身感受到过流，不做答复；FTU2和FTU4接收到FTU3的跳闸请求询问，FTU2判断自身感受到过流，不做答复，FTU4未感受到过电流，向FTU3返回跳闸允许信号。

③FTU3接收到FTU4返回的跳闸允许信号，相应分段保护断路器动作，切除故障。过电流消失，CB1和出口FTU2保护复归。

3）若k3处发生短路故障，

CB1、出口FTU2、线路FTU3、线路FTU4感受到过电流。

FTU2、FTU3，FTU4分别向相邻FTU发送跳闸请求询问信号，只有FTU5未检测到过电流，FTU5向TTU4返回跳闸允许信号，FTU4控制相应分段断路器动作切除k3处故障，其他FTU未接收到跳闸允许信号、不动作。

过电流消失，CB1、出口FTU2、线路FTU3保护复归。

实施例2

与实施例1不同在于，如附图4所示，线路故障后、部分负荷转供，区域2故障隔离，区域3、4由B电源转供，区域1仍由A电源供电。

此时联络开关LB闭合，QF2和QF3断开，以下仅以B电源供电区域为例分析。

1）若k4处发生短路故障，

只有CB7感受到过电流。其他FTU感受不到过电流，相应分段保护断路器不动作。在延时时间后，CB7仍能感受到过电流，控制变电站B内出线断路器跳闸，成功切除线路k4处故障。

2）若k2处发生短路故障，

CB7、出口FTU6、线路FTU5、线路FTU8、线路FTU4均感受到过电流。

①出口FTU6感受到过电流，向相邻FTU6发送跳闸请求询问信号；

线路FTU5感受到过电流，向前后相邻FTU6和FTU8发送跳闸请求询问信号；

线路FTU8感受到过电流，向前后相邻FTU4和FTU5发送跳闸请求询问信号；

线路FTU4感受到过电流，向前后相邻FTU3和FTU8发送跳闸请求询问信号。

②出口FTU6接收到FTU5发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；

线路FTU5接收到FTU6和FTU8发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；

线路FTU8接收到FTU4和FTU5发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；

线路FTU4接收到FTU8发送的跳闸请求询问，判断自身感受到过电流，不做答复；

线路FTU3接收到FTU4发送的跳闸请求询问，判断自身未感受到过电流，向FTU4返回跳闸允许信号；

③FTU4接收到FTU3返回的跳闸允许信号，相应分段保护断路器动作跳闸，切除故障。过电流消失，其他保护复归。

实施例3

与实施例1不同在于，如附图5所示，母线A故障或检修、所带全部负荷转供，区域1、2、3、4由B电源转供。

此时出线断路器QF1断开、联络开关LB闭合。

1）若k2、k4等处发生短路故障，故障处理过程与（2）中所述类似，不再赘述。

2）若k1处发生短路故障，

①FTU2、FTU3、FTU4、FTU8、FTU5、FTU6均感受到过流，分别想前后相邻FTU发送跳闸请求询问信号；

出口FTU2识别功率方向，短路电流功率方向与出口FTU2的定义正方向相反。

②FTU2直接向相应分段断路器发送跳闸命令，切除故障。过电流消失，其他保护复归。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。