一种配电网区域保护关联域在线计算系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了电力系统继电保护领域中一种配电网区域保护关联域在线计算系统及其方法。系统由顺序相连的数据采集模块、保护关联矩阵计算模块、区域保护关联域计算模块、区域保护关联域修正模块和结果输出模块组成；方法包括根据开关状态变化信息并结合保护距离矩阵，对保护关联矩阵进行修正，在线计算网络动态调整后实际的区域保护关联域，确保区域保护有效检测和隔离故障。本发明充分考虑到配电网结构特点和网络动态调整等因素，在拓扑变化下能迅速更新保护的配合关系，与传统拓扑识别方法相比具有更高的灵活性和适应能力，且保护关联域划分明确，满足区域全覆盖和交叠原则，且适用于配电网多分支多DG的结构特点，满足电力系统的工程实际。
【专利说明】
-种配电网区域保护关联域在线计算系统及其方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统继电保护领域，尤其设及一种配电网区域保护关联域在线计 算系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 含分布式电源的配电网与传统配电网在系统结构和运行方式上均有很大的区别， 潮流方向和短路水平均难W判断。配电系统通常为多分支结构，保护范围内存在T型节点， 因此传统高压系统中基于单一信息的本地保护难W满足故障检测和定位要求，新型配电网 保护必须综合考虑当前配电网特点和运行要求，充分利用系统多点信息，确保故障可靠切 除。
[0003] 在结构复杂多变的配电网络，准确获取IED需要采集的节点信息和保护关联域，是 实现区域保护的关键问题之一。传统保护关联域的划分主要是通过网络拓扑分析方法实 现。常用方法包括深度捜索法和广度捜索法，由于捜索过程存在重复路径，在节点及分支数 目众多的配电系统中应用效率较低。邻接矩阵法采用矩阵运算实现拓扑识别，算法实现简 单但需要对整个网络的开关状态信息进行分析，难W适应网络动态调整下保护关联域在线 计算。
[0004] 鉴于此，本发明利用局部保护动作信息构成基于逻辑量的区域保护方案，并给出 区域保护系统结构和实现步骤，在此基础上，提出网络动态调整下区域保护关联域在线计 算方法。首先，在传统邻接矩阵基础上，考虑保护与各条支路的连接关系，建立保护-支路关 联矩阵和支路-保护连接矩阵。然后利用矩阵运算得到保护关联矩阵和保护配合关系，并通 过保护距离矩阵对保护关联矩阵进行修正，实现网络动态调整下区域保护关联域在线计 算。配电网IEEE典型算例验证了该方法的正确性和有效性。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明提出了 1、一种配电网区域保护关联域在线计算系统， 其特征在于，所述系统由顺序相连的数据采集模块、保护关联矩阵计算模块、区域保护关联 域计算模块、区域保护关联域修正模块和结果输出模块组成；
[0006] 所述数据采集模块用于获取配电网中各支路与保护装置之间的配置关系并发送 至保护关联矩阵计算模块；
[0007] 所述保护关联矩阵计算模块借助邻接矩阵法和各支路与保护装置之间的配置关 系构建保护-支路关联矩阵A、支路-保护连接矩阵C，进而计算得到保护关联矩阵N;
[000引所述区域保护关联域计算模块通过遍历保护关联域矩阵获得同一供电路径下所 有保护配合关系，再根据断路器配置情况，计算得到区域保护关联域，并发送至区域保护关 联域修正模块；
[0009]所述区域保护关联域修正模块通过监测网络调整情况并借助保护距离矩阵对保 护关联矩阵进行在线修正，实现区域保护关联域的准确、快速更新；
[0010] 所述结果输出模块用于输出区域保护关联域在线计算结果。
[0011] -种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，所述方法包括 [0012]步骤1、数据采集
[0013] 获取配电网中各支路与保护装置之间的配置关系；
[0014] 步骤2、计算保护关联矩阵
[0015] 借助邻接矩阵法和各支路与保护装置之间的配置关系构建保护-支路关联矩阵A、 支路-保护连接矩阵C，进而计算得到保护关联矩阵N;
[0016] 步骤3、区域保护关联域在线计算
[0017] 通过遍历保护关联域矩阵获得同一供电路径下所有保护配合关系，再根据断路器 配置情况，确定区域保护关联域；
[0018] 步骤4、区域保护关联域修正
[0019] 当发生故障或负荷转供等网络调整后，区域保护关联域也会发生相应改变;根据 开关状态信息并结合保护距离矩阵，对保护关联矩阵N进行修正，在线计算网络动态调整后 实际的区域保护关联域，确保区域保护有效检测和隔离故障；
[0020] 步骤5:结果输出
[0021 ]输出区域保护关联域在线计算结果。
[0022] 所述步骤2中的保护-支路关联矩阵A的构建方法为
[0023] 规定支路为配电馈线段，馈线段开关处均设有保护装置，保护-支路关联矩阵反应 了保护与馈线的连接关系;保护安装于某条馈线段首端或末端，则表示保护与支路相关联； 设配电系统含有b条支路，n个保护，则保护-支路关联矩阵A为一个n X b的矩阵，它的行对应 保护，列对应支路，元素au表示保护i与支路j的连接关系，取具体数值时的含义为
[0024] 1)保护i与支路j直接相连，且保护i位于支路j首端，au = l;
[0025] 2)保护i与支路j直接相连，且保护i位于支路j末端，au = -l;
[002引3)保护i与支路j不直接相连，aij = 0。
[0027] 所述步骤2中的支路-保护连接矩阵C的构建方法为
[0028] 支路-保护连接矩阵表示支路首端和末端与保护连接关系，设配电系统含有b条支 路，n个保护，则支路-保护连接矩阵C为一个n X b的矩阵，它的行对应支路，列对应保护，其 元素CU表示支路i首端或末端与保护j的连接关系，取具体数值时的含义为
[0029] (1)当支路i首端或末端有保护j，且保护不位于变电站出线开关处，CU = I;
[0030] (2)当支路i首端或末端未装设保护j，且保护不位于变电站出线开关处，CU = O;
[0031] (3)当支路i首端装设保护j，且保护位于变电站出线开关处，CU = O;
[0032] (4)当支路i首端未装设保护j，且保护位于变电站出线开关处，CU = -Id
[0033] 所述保护关联矩阵N为
[0034] N=AC (1)
[0035] 其中，矩阵A为保护-支路关联矩阵，矩阵C为支路-保护连接矩阵，保护关联矩阵N 是一个nXn的矩阵，其行列均代表保护;通过保护关联矩阵获得任意保护的同级保护W及 所有相邻的次级保护，其确定原则为:如果矩阵中任意行X存在为1的元素，则该元素所在列 对应的保护为第X行对应保护的次级保护，且运些次级保护互为同级保护，同级保护是安装 于同一节点、不同分支的保护。
[0036] 所述步骤3中区域保护关联域在线计算步骤为
[0037] 通过遍历保护关联域矩阵获得同一供电路径下所有保护配合关系，再根据断路器 配置情况，确定区域保护关联域;具体为
[0038] (1)由矩阵N出线开关处的保护所在行开始遍历，找到其次级保护；
[0039] (2)分别遍历矩阵N出线开关的次级保护所在行寻找再次级保护，W此类推；
[0040] (3)当某保护的次级保护是出线开关处的保护或不存在次级保护时停止，运些保 护依次构成一条顺次连接的供电路径；
[0041] (4)供电路径上每个断路器及其下游所有负荷开关对应的馈线段属于同一区域， 馈线段上的保护构成区域保护关联域。
[0042] 步骤4的具体过程为
[0043] 步骤401、配电线路在发生故障或进行负荷转供时，首先会断开某些分段开关，根 据分段开关状态变化列出开关状态行向量T，再将T与支路-保护连接矩阵C的每行进行点 乘，得到网络变化后的支路-保护连接矩阵Cl;其中开关状态行向量T中开关处于常态则对 应元素为1，开关处于非常态则对应元素为0;
[0044] 保护-支路关联矩阵A与Cl相乘得分段开关断开后保护关联矩阵Nl;
[0045] Nl=ACl (2)
[0046] 步骤402、配电自动化在分段开关断开后，将联络开关闭合，进行负荷转供操作;此 时需要进一步对保护关联矩阵Nl进行修正，捜寻Nl中同一供电路径既位于断开的分段开关 下游且位于闭合联络开关上游的保护，再将运些保护和联络开关在保护关联矩阵中所在行 的元素全部乘W-I得到在Nl的基础上修正的保护关联矩阵N2;
[0047] 步骤403、将保护关联矩阵N2与保护距离矩阵Z进行点乘即同维度的矩阵对应元素 相乘，得到在N2的基础上修正的保护关联矩阵N3;
[0048] 步骤404、找出与闭合的联络开关在同一供电路径且具有同级保护的保护，再将N3 中运些保护的同级保护所在行中元素为1的列，叠加到该保护所在行的对应列，得到在N3的 基础上修正的保护关联矩阵M。
[0049] 所述步骤4中保护距离矩阵为
[0050] 保护距离矩阵反应了两个直接相连的保护间的馈线实际阻抗值，研究的配电线路 含有n个保护，则保护距离矩阵Z为一个n X n的矩阵，其行列均代表保护，对于任意元素 ZiJ， 如果第i行对应保护和第j列对应保护直接相连，则对于元素 ZU = I,否则为0。
[0051] 其中，N1、N2、N3、M分别是配电线路在发生故障或进行负荷转供后，根据开关状态 信息并结合保护距离矩阵，按照子步骤401、402、403、404对原保护关联矩阵加勺修正结果， 最终得到了网络动态调整后的保护关联矩阵M，W实现在线计算网络动态调整后实际的区 域保护关联域，确保区域保护有效检测和隔离故障。
[0化2]有益效果
[0053] 本发明针对配电网多分支和多DG的复杂结构，提出了适用于网络动态调整的配电 网区域保护关联域在线计算系统及其方法，具有W下优点：
[0054] (1)充分考虑到配电网结构特点和网络动态调整等因素，在拓扑变化下能迅速更 新保护的配合关系，与传统拓扑识别方法相比具有更高的灵活性和适应能力。
[0055] (2)保护关联域划分明确，满足区域全覆盖和交叠原则，且适用于配电网多分支多 DG的结构特点，满足电力系统的工程实际。
【附图说明】
[0056] 图1是本发明提供的一种配电网区域保护关联域在线计算系统结构图。
[0057] 图2是本发明实施方式中的配电网典型网络拓扑。
[0058] 图3是本发明实施方式中的保护配合关系在线计算流程图。
【具体实施方式】
[0059] 下面结合附图，对本发明作详细说明。本发明提出了一种配电网区域保护关联域 在线计算系统及其方法。
[0060] 图1是本发明提供的一种网络动态调整下配电网区域保护关联域在线计算系统结 构图，包括顺序相连的数据采集模块、保护关联矩阵计算模块、区域保护关联域计算模块、 区域保护关联域修正模块和结果输出模块。
[0061] 图2为配电网典型网络拓扑，根据所述方法中保护-支路关联矩阵A的构建方法，得 该拓扑下的保护-支路关联矩阵为：
[00 创
a)
[0063] 保护和支路在矩阵中的位置根据编号大小依次排列，其中S4和S6为联络开关，处 于常开状态。规定正方向为系统电源供电方向，负荷电流由支路首端流向末端。
[0064] 根据所述方法中支路-保护连接矩阵C的构建方法，得该拓扑下的支路-保护连接 矩阵为：
[0065]
域
[0066] 将保护-支路关联矩阵A和支路-保护连接矩阵C相乘，得到该拓扑下的保护关联矩 阵N:
[0067]
(別
[0068] 根据区域保护关联域在线计算步骤，图2中SI为出线开关处的保护，SI所在行的第 二列和第五列为1，表示S2和S5是Sl的次级保护，并且S2和S5是安装于同一节点不同分支的 同级保护。再由S2所在行开始遍历，第=列和第屯列为1，即S3和S7为S2的次级保护，且S3和 S7为同级保护，同样得到S4是S3的次级保护。由于S4的次级保护为Sl，则终止该条路径的寻 找，该路径上保护的配合关系依次为{51，52,53,54}。再按保护级别从高到低寻找其他供电 路径，保护配合关系依次为{Sl，S2，S7，S8}，{Sl，S5，S6}。由于Sl和S2均为断路器，从矩阵A 的Sl所在行遍历，找到馈线段化1，L4}、化2，L3}、化2，L5，L6}分别属于同一保护区域，馈线 段上的保护依次构成区域保护关联域。
[0069] 当发生故障或负荷转供等网络调整后，区域保护关联域也会发生相应改变。根据 开关状态信息并结合保护距离矩阵，对保护关联矩阵进行修正，在线计算网络动态调整后 实际的区域保护关联域，确保区域保护有效检测和隔离故障。
[0070] 根据保护距离矩阵构建方法，得到该拓扑下的保护距离矩阵Z:
[0071]
(4)
[0072] 由式(4)知，S2和S6实际距离与S5和S6实际距离相等，但S2和S6的连接关系受S5影 响，因此S2和S6并未直接相连，对应元素 Z26为0。
[0073 ] W图2为例，当分段开关2断开，其他开关处于常态时，开关状态行向量T得：
[0074] T=U 0 111111} (5)
[0075] 开关状态行向量与支路-保护连接矩阵点乘后，即得修正后的支路-保护连接矩阵 Cl:
[0076]
(6)
[0077] 保护-支路关联矩阵A与Cl相乘得分段开关断开后保护关联矩阵Nl，如：
[007引 巧）
[0079] 根据区域保护关联域在线计算步骤得到分段开关断开后的区域保护关联域。通过 计算知，当S2断开后S2及其下游的保护不再与Sl有配合关系，只有{S1，S5，S6}供电路径的 保护依次构成一个区域保护关联域，位于S2下游的保护停止工作。
[0080] 配电自动化在分段开关断开后，将联络开关闭合，进行负荷转供操作。当S2断开 后，将联络开关S4闭合，根据供电路径{51，52,53,54}知，需要修正保护关联矩阵中53和54 对应行的元素，修正后的保护关联矩阵N2为：
[0081]
斌
[0082] 式(9)与式(5)中保护距离矩阵点乘后得到矩阵N3为：
[0083]
狱
[0084] 闭合联络开关S4所在的路径{51，52,53,54}，其中52和53都含有同级保护，根据步 骤(3)，将S2的同级保护S5所在行元素为1的列，叠加到S2所在行的对应列，然后将S3的同级 保护S7所在行元素为1的列，叠加到S3所在行的对应列，得保护关联矩阵M为：
[0085]
(1的
[0086] 联络开关闭合后，一部分馈线由原电源供电，另一部分馈线由联络开关另一侧的 电源供电，因此需要分别从保护关联矩阵中出线断路器处的保护和联络开关开始遍历，才 能获得所有区域保护关联域。图3为区域保护关联域在线计算流程图，描述了区域保护关联 域的在线计算过程及网络动态调整下保护关联域修正过程。
[0087] 在示例中，首先由Sl所在行找到S5对应列为1，则S5为Sl的次级保护，再由S5所在 行寻找到S5的下级保护为S6,由于S6所在行没有对应的列为1，根据分段开关类型知由原电 源供电线路的区域保护关联域为{51，55,56}。由联络开关54所在行开始捜寻，得到54的次 级保护为S3，再由S3所在行找到其次级保护S8，由于S8不存在次级保护，至此获得对侧电源 的一条供电路径，开关连接依次为{S4，S3，S8}。由于=个开关均为负荷开关，将该条供电路 径信息与对侧供电路径信息进行整合，得到对侧电源供电线路的区域保护关联域。需要注 意，该条供电路径也经过S7,然而，由于负荷转供后S7与S3处于同一节点的同一条分支，且 S7位于S3的下游，因此不再需要研究S7的保护配合关系。
[0088] 从上述分析看出，在联络开关闭合后S3和S4由正向配合关系变为了反向配合关 系，同时S3与S8由不相关变为了正向配合关系。利用区域保护关联域在线计算方法很好的 适应配电线路多分支多联络的复杂结构，在网络动态调整后快速自动生成当前拓扑下的保 护配合关系，对继电保护在线整定工作具有较高的实用价值。
【主权项】
1. 一种配电网区域保护关联域在线计算系统，其特征在于，所述系统由顺序相连的数 据采集模块、保护关联矩阵计算模块、区域保护关联域计算模块、区域保护关联域修正模块 和结果输出模块组成； 所述数据采集模块用于获取配电网中各支路与保护装置之间的配置关系并发送至保 护关联矩阵计算模块； 所述保护关联矩阵计算模块借助邻接矩阵法和各支路与保护装置之间的配置关系构 建保护-支路关联矩阵A、支路-保护连接矩阵C，进而计算得到保护关联矩阵N; 所述区域保护关联域计算模块通过遍历保护关联域矩阵获得同一供电路径下所有保 护配合关系，再根据断路器配置情况，计算得到区域保护关联域，并发送至区域保护关联域 修正模块； 所述区域保护关联域修正模块通过监测网络调整情况并借助保护距离矩阵对保护关 联矩阵进行在线修正，实现区域保护关联域的准确、快速更新； 所述结果输出模块用于输出区域保护关联域在线计算结果。2. -种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，所述方法包括 步骤1、数据采集 获取配电网中各支路与保护装置之间的配置关系； 步骤2、计算保护关联矩阵 借助邻接矩阵法和各支路与保护装置之间的配置关系构建保护-支路关联矩阵A、支 路-保护连接矩阵C，进而计算得到保护关联矩阵N; 步骤3、区域保护关联域在线计算 通过遍历保护关联域矩阵获得同一供电路径下所有保护配合关系，再根据断路器配置 情况，确定区域保护关联域； 步骤4、区域保护关联域修正 当发生故障或负荷转供等网络调整后，区域保护关联域也会发生相应改变;根据开关 状态信息并结合保护距离矩阵，对保护关联矩阵N进行修正，在线计算网络动态调整后实际 的区域保护关联域，确保区域保护有效检测和隔离故障； 步骤5:结果输出 输出区域保护关联域在线计算结果。3. 根据权利要求2所述的一种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，所述 步骤2中的保护-支路关联矩阵A的构建方法为 规定支路为配电馈线段，馈线段开关处均设有保护装置，保护-支路关联矩阵反应了保 护与馈线的连接关系;保护安装于某条馈线段首端或末端，则表示保护与支路相关联;设配 电系统含有b条支路，η个保护，则保护-支路关联矩阵A为一个nXb的矩阵，它的行对应保 护，列对应支路，元素 aij表示保护i与支路j的连接关系，取具体数值时的含义为 1) 保护i与支路j直接相连，且保护i位于支路j首端，aij = 1; 2) 保护i与支路j直接相连，且保护i位于支路j末端，aij = -1; 3) 保护i与支路j不直接相连，aij = 0。4. 根据权利要求2所述的一种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，所述 步骤2中的支路-保护连接矩阵C的构建方法为 支路-保护连接矩阵表示支路首端和末端与保护连接关系，设配电系统含有b条支路，η 个保护，则支路-保护连接矩阵C为一个η X b的矩阵，它的行对应支路，列对应保护，其元素 (?表示支路i首端或末端与保护j的连接关系，取具体数值时的含义为 (1) 当支路i首端或末端有保护j，且保护不位于变电站出线开关处，cij = 1; (2) 当支路i首端或末端未装设保护j，且保护不位于变电站出线开关处，cij = 0; (3) 当支路i首端装设保护j，且保护位于变电站出线开关处，叫=0; (4) 当支路i首端未装设保护j，且保护位于变电站出线开关处，cij = -1。5. 根据权利要求2所述的一种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，所述 保护关联矩阵N为 N=AC (1) 其中，矩阵A为保护-支路关联矩阵，矩阵C为支路-保护连接矩阵，保护关联矩阵N是一 个ηΧη的矩阵，其行列均代表保护;通过保护关联矩阵获得任意保护的同级保护以及所有 相邻的次级保护，其确定原则为:如果矩阵中任意行X存在为1的元素，则该元素所在列对应 的保护为第X行对应保护的次级保护，且这些次级保护互为同级保护，同级保护是安装于同 一节点、不同分支的保护。6. 根据权利要求2所述的一种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，所述 步骤3中区域保护关联域在线计算步骤为 通过遍历保护关联域矩阵获得同一供电路径下所有保护配合关系，再根据断路器配置 情况，确定区域保护关联域;具体为 (1) 由矩阵Ν出线开关处的保护所在行开始遍历，找到其次级保护； (2) 分别遍历矩阵Ν出线开关的次级保护所在行寻找再次级保护，以此类推； (3) 当某保护的次级保护是出线开关处的保护或不存在次级保护时停止，这些保护依 次构成一条顺次连接的供电路径； (4) 供电路径上每个断路器及其下游所有负荷开关对应的馈线段属于同一区域，馈线 段上的保护构成区域保护关联域。7. 根据权利要求2所述的一种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，步骤 4的具体过程为 步骤401、配电线路在发生故障或进行负荷转供时，首先会断开某些分段开关，根据分 段开关状态变化列出开关状态行向量Τ，再将Τ与支路-保护连接矩阵C的每行进行点乘，得 到网络变化后的支路-保护连接矩阵C1;其中开关状态行向量Τ中开关处于常态则对应元素 为1，开关处于非常态则对应元素为0; 保护-支路关联矩阵Α与C1相乘得分段开关断开后保护关联矩阵Ν1; N1=AC1 (2) 步骤402、配电自动化在分段开关断开后，将联络开关闭合，进行负荷转供操作;此时需 要进一步对保护关联矩阵N1进行修正，搜寻N1中同一供电路径既位于断开的分段开关下游 且位于闭合联络开关上游的保护，再将这些保护和联络开关在保护关联矩阵中所在行的元 素全部乘以-1得到在N1的基础上修正的保护关联矩阵N2; 步骤403、将保护关联矩阵N2与保护距离矩阵Z进行点乘即同维度的矩阵对应元素相 乘，得到在N2的基础上修正的保护关联矩阵N3; 步骤404、找出与闭合的联络开关在同一供电路径且具有同级保护的保护，再将N3中这 些保护的同级保护所在行中元素为1的列，叠加到该保护所在行的对应列，得到在N3的基础 上修正的保护关联矩阵N4。8.根据权利要求2所述的一种配电网区域保护关联域在线计算方法，其特征在于，所述 步骤4中保护距离矩阵为 保护距离矩阵反应了两个直接相连的保护间的馈线实际阻抗值，研究的配电线路含有 η个保护，则保护距离矩阵Z为一个η X η的矩阵，其行列均代表保护，对于任意元素如果 第i行对应保护和第j列对应保护直接相连，则对于元素 ζυ = 1，否则为0。
【文档编号】H02H7/26GK105977932SQ201610421395
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】马静, 康胜阳, 刘畅
【申请人】华北电力大学