一种新型的智能配电网信息物理融合保护系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电力电气领域、计算技术领域、通信技术领域、新型传感技术领域深度融合，设计了一种新型的智能配电网信息物理融合保护系统(Cyber?Physical Distribution Network Relaying Protection System CPDNRPS)。智能配电网物理信息融合保护系统(CPDNRPS)主要包括，若干智能保护装置即网络继电保护装置(CPRD)、工作站、时钟服务器，并通过设备间实时通信网络(专用有线网络/下一代Internet/群智感知无线网络)互相连接，构成智能配电网信息物理融合保护系统，结构如图1所示，在每个网络继电保护装置中，电子式传感器、网络保护电源、智能开关等也是通过设备内实时通信网络相连接。同时智能配电网信息物理融合保护系统还可以通过设备间实时通信网络与其他的智能配电网信息物理融合保护系统相互连接。
【专利说明】
一种新型的智能配电网信息物理融合保护系统
技术领域
[0001]本发明涉及电力电气领域、计算技术领域、通信技术领域、新型传感技术领域、自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，智能电网已经成为电力工业界和学术界关注的热点。智能电网应具有灵活、高效、可持续、高可靠性、高安全性等重要特征。
[0003]智能电网包括智能输电网和智能配电网两部分，目前对于智能电网研究和实践大部分都集中在配电网。在我国，配电网的发展明显滞后于发电、输电，自动化、智能化程度以及自愈和优化运行能力远低于输电网。配电系统中线路保护主要采用电流保护方式，其中的速断保护作为线路主保护，瞬时动作切除故障，过流保护作为线路的后备保护，延时动作，采用重合闸装置以快速恢复瞬时性故障，提高供电可靠性。这种保护配置在线路较长和保护级数较多时影响设备寿命和恢复供电时间，各级间难以整定配合，难以保证末端故障时保护的灵敏度，缺乏获取全局信息的技术手段，只能依靠局部信息进行事故判断。
[0004]为解决上述问题与缺陷，电力配电网络的数字化、网络化和智能化程度的不断提高是其发展的必然趋势，引入新的计算、通信、和传感技术，并实现信息系统和继电保护系统的更紧密、更深层次的融合与协作，是构建满足智能配电网对继保系统要求的关键。信息物理融合系统(Cyber-Physical System，CPS)为解决这些问题提供了新的途径。
[0005]信息物理融合系统(CPS)集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型大规模互联系统。是一个全球信息技术和信息产业发展的新趋势，对现有的传统工业格局产生深远影响，对现有工业进行重组，产生新的工业，改变整个工业体系的布局，培育出新的经济增长点，着力发展和普及CPS技术，推动工业产品和技术的升级换代，将有助于提高国家主要工业领域(比如汽车、电力、航空航天、国防、工业现代化、健康/医疗设备、重大基础设施等)的竞争力，这为我国实现经济结构调整，提高经济发展质量和效益，具有重要意义。CPS具有广泛的应用前景，可以应用于智慧城市、智慧电力系统、智慧交通系统、健康监护、国防军事、环境监控、工农业生产等领域。
【发明内容】
[0006]本发明设计了一种新型的智能配电网信息物理融合保护系统(Cyber-PhysicalDistribut1n Network Relaying Protect1n System CPDNRPS)。智能配电网物理信息融合保护系统(CTONRPS)主要包括，若干智能保护装置即网络继电保护装置(CPRD)、工作站、时钟服务器，并通过设备间实时通信网络(专用有线网络/下一代Internet/群智感知无线网络)互相连接，构成智能配电网信息物理融合保护系统，其一般结构如图1所示，在每个网络继电保护装置中，电子式传感器、网络保护电源、智能开关等也是通过设备内实时通信网络相连接。同时智能配电网信息物理融合保护系统还可以通过设备间实时通信网络与其他的智能配电网信息物理融合保护系统相互连接。
[0007]信息物理融合系统(CPS)是运行在不同的时间和空间范围的闭环(多闭环)系统，而且感知、决策和控制执行子系统大多不在同一位置。逻辑上紧密耦合的基本功能单元依托于拥有强大计算资源和数据库的网络基础设施(如Internet、数据库/知识库服务器和其他类型数据传输网络等)，构成了 CPS完整的体系结构，使我们能够实现本地或者远程监测和影响物理环境。通过对文献的深入研究，它由用户层、协同处理层(决策层)、网络层和物理层组成。协同处理层通过语义逻辑计算实现用户、感知和控制系统之间的逻辑耦合；网络层通过网络传输计算连接了 CPS在不同空间与时间的子系统;物理层是CPS与物理世界的接口，体现的是感知与控制计算。在现实环境中，大量的传感器以无线通信方式自组织成网络，协同完成对物理环境或物理对象的监测感知。传感器网络对感知数据做进一步的数据融合处理，将得到的信息通过网络基础设施传递给决策控制单元;决策控制单元与执行器通过网络化分别实现协同决策和协同控制。
[0008]在配电网保护系统中，越来越多的设备采用嵌入式系统结构。这在一定的程度上已经做到了计算和物理世界的融合，即具备了CPS的初步特征。但是，这些系统往往是独立的，基本不与其他装置交换信息，或专门通过SCADA系统完成信息的互通，但这样的结构难以满足CPDNRPS对于实时信息交换的要求，更不能发挥其优势。
[0009]智能配电网信息物理融合保护系统(CPDNRPS)中每个智能保护装置(CPRD)由三部分组成，其结构如图2所示，即电子式电流/电压互感器单元(EC/VT)，网络保护单元(CyberProtect1n Unit, CPU);智能开关设备单元(Intelligent Switching Device, ISD) ο
[0010]电子式电流/电压互感器(EC/VT)。传统互感器磁饱和特性给一些新保护原理的应用带来限制。新兴的电子式互感器的精度可达0.2%，并且动态特性和线性度都远远优于传统电磁式互感器，近年来得到了广泛应用。在CPDNRPS中，这类传感器的一般结构如图3所示，A/D传感器、微处理器和网络单元都整合在EC/VT中，这样的结构便于对采集的电气量信息进行必要的初步处理、调节和补偿，以降低网络传输负担以及改善精度，其结果通过网络连接发送至本地的或非本地的网络保护单元上。
[0011 ] 网络保护单元(Cyber Protect1n Unit，CF1U)。网络保护单元的功能结构如图4所示。其作用是给装设位置的开关设备(即本地位置)提供继电保护功能和人机界面，另外该装置更多情况下还将通过网络交互信息来与其他的网络保护单元协作完成功能，这也是为什么该装置称为“网络保护单元”的原因。在CPU中，还具备处理ECT送来的信息的功能，以适应不同算法的需要。与ECT中的处理功能相比，CPU将提供更复杂数据处理算法。
[0012]智能开关设备(IntelligentSwitching Device，ISD)。智能开关设备的功能结构如图5所示。在传统的配电网络中，开关设备仅具有基础的通断功能，其操作状态不能全面获取。而在CPDNRPS中，开关设备必须具有丰富的检测和监视功能，并可将采集到的信息通过网络与CPDNRPS其他设备分享。
[0013]智能保护装置即网络继电保护装置(CPRD)。网络继电保护装置的组成结构如图2中所示。与传统的继电保护装置相比，CPDNRPS中的网络继保装置(Cy b er-Phy s i ca IRelaying Device, CPRD)及其组成单元在结构上有着革命性的变化，同时由于实时通信网络的引入，使得整个CPDNRPS作为一个整体存在，它具有更灵活的结构和更高的可靠性，也为更复杂算法的实现奠定了基础。
[0014]在CPDNRPS中，各个CRPD通过实时性强、具备完善的通信协议并具有与其他网络连接的能力的通信网络相连，实时的监视配电网的运行状态相关信息。目前，配电网中的供配电设备已经具备了计算与通信的能力。对于其继电保护功能来说，几乎所有的数据分析和动作决策的做出都要依赖于控制核心计算的能力，而其通信的功能却被放到一个次要的位置上，一般用来接收控制信号或发送本地的监控信息。而在CPDNRPS中，通信被放到与计算同等甚至更高的高度上。出于避免与其他的数字化设备相互之间不能做到信息的兼容与共享，本设计的通信体系将基于IEC61850标准，这使得系统中的通信既能够满足实时性的要求，又能摆脱对具体的底层通信协议的依赖。在基于IEC61850的数字化变电站中，二次信号的传输是基于光纤以太网实现的。
[0015]CRPD中的各功能单元在结构上和功能上要有独立性以及快速可重新配置的能力，物理位置或网络位置相近的同类功能单元可共享，互为后备;故障的保护装置可通过重建恢复功能，重建得到的保护装置的功能和可靠性必须满足指标要求。在CPDNRPS中，所有设备和功能的信息都是可获得的，根据这些信息，完全可以对冗余结构的重新配置来修复不正常的保护功能，最大程度的保证系统的可靠性和鲁棒性。
[0016]各CRro可独立或/及协同工作，迅速地确定并切除故障；其性能不受配电网规模与结构的影响；并且兼容现有的保护系统的功能，在最差情况下具备不低于现有保护系统的性能。配电网全局数据的获取将使CPDNRPS可以应用基于全局数据的新保护原理，更快速准确地处理多段式过流保护和单相接地这类的故障。当然，过分依赖于网络通信将使得整个系统变得脆弱而不可靠。成熟的和新近出现的基于本地和单端电气量信息的保护原理也要引入进来，当CRPD因故障与网络断开时，它将使用基于本地数据的原理运行保护功能，以最大程度的保证系统功能的可用性和可靠性。
【附图说明】
[0017]图1智能配电网信息物理融合保护系统组成结构图。
[0018]图2网络继电保护装置结构图。
[0019]图3电子式电流/电压互感器单元结构图。
[0020]图4网络保护单元功能结构图。
[0021 ]图5智能开关设备单元功能结构图。
[0022]图6 CPDNRPS应用过流保护示意图。
[0023]其中:1、网络继电保护装置，2、设备间实时通信网络，3、工作站，4、时钟服务器，5、其他CPDNRS，6、电子式电流/电压互感器单元，7、网络保护单元，8、智能开关设备单元，9、其他CPU( s)，1、传感器头，11、网络连接，12、模拟/数字转换传感器，13、微处理器，14、数据处理模块，15、计算网络继电保护模块，16、本地人机接口，17、开关状态监视模块，18、操作装置，19、开关设备。
【具体实施方式】
[0024]应用实施例:三段式过流保护的改进与实施。在CTONRPS中，整个配电网信息的共享和灵活的结构与信息交互方式是其最大的优势。必须对传统的保护原理做适当的改进，才能充分发挥CPDNRPS的优势。在三段式过流保护中，传统的实现方式是依靠电流整定值和开关动作延时配合实现的，但对供电距离较短的电网而言，每段线路的短路电流差别很小。在如图6中(a)所示中，SC I处发生短路时，保护1，2，3段都测到故障电流，而且几乎同样大小，依靠电流整定值难以准确区分故障线路段，导致经常出现越级跳闸。微网和DG的引入，使得配电网结构及其短路电流的方向和大小都发生改变，传统方法对此情况下的短路故障已经无能为力。
[0025]而对CPDNRPS来说，全网电流及电网的拓扑结构都是可知的，保护I，2，3段几乎同时测到故障电流，根据电网的拓扑结构和ECT的装设位置即可知故障点位于第3段线路，跳开该段的ISD即可切除故障。在如图6中(b)所示中，如果只有保护I和2段检测到故障电流，那么可以确定故障出现在第2段线路。对于采用单电源放射型结构，在如图6中(c)所示中，对于接入微网和DG的电网，根据电流值与电网的拓扑结构即可准确地确定故障的线路段。这种方法取消了各级间的延时和不同的整定电流值，利用CPDNRPS的优势实现了更快更准确的保护功能。
【主权项】
1.一种新型的智能配电网信息物理融合保护系统，其特征在于:智能配电网物理信息融合保护系统主要包括，若干网络继电保护装置(I)，工作站(3)，时钟服务器(4)，并通过设备间实时通信网络(2)互相连接，构成智能配电网信息物理融合保护系统。2.如权利要求1所述智能配电网信息物理融合保护系统，其特征在于:所述智能配电网信息物理融合保护系统还可以通过设备间实时通信网络(2)与其他的智能配电网信息物理融合保护系统(5)相联接。3.如权利要求1所述智能配电网信息物理融合保护系统，其特征在于:所述网络继电保护装置(I)主要由电子式电流/电压互感器单元(6)，网络保护单元(7)，智能开关设备单元(8)构成，各单元通过设备间实时通信网络(2)联接，各功能单元在结构上和功能上均具有独立性和快速可重新配置的能力，物理位置或网络位置相近的同类功能单元(9)可共享，互为后备。4.如权利要求1所述智能配电网信息物理融合保护系统，其特征在于:所述电子式电流/电压互感器单元(6)主要由传感器(10)，模拟/数字转换传感器(12)，微处理器(13)，网络单元(14)构成，便于对采集的电气量信息进行必要的初步处理、调节和补偿，降低网络传输负担，改善精度，其结果通过网络连接发送至本地或非本地的网络保护单元上。5.如权利要求1所述智能配电网信息物理融合保护系统，其特征在于:所述网络保护单元(7)的结构主要是由数据处理(15)，计算网络继电保护(16)，本地人机接口(17)，网络连接(14)构成一个功能单元，作用是给装设位置的开关设备提供继电保护功能和人机界面，通过网络交互信息来与其他的网络保护单元协作完成功能。6.如权利要求1所述智能配电网信息物理融合保护系统，其特征在于:所述智能开关设备单元(8)主要由开关状态监视(18)，操作装置(19)，开关设备(20)，网络连接(14)构成一个功能单元，智能开关设备单元(8)具有丰富的检测和监视功能，并可将采集到的信息通过网络与智能配电网信息物理融合保护系统其他设备分享。7.如权利要求1所述智能配电网信息物理融合保护系统，其特征在于:所述设备间实时通信网络(2)可以是专用有线网络，下一代Internet网络，群智感知无线网络。
【文档编号】H02J13/00GK105896734SQ201610249115
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】曾文飞, 颜玲, 许君风
【申请人】邵阳学院