一种基于5G通信的配电网纵联保护方法及系统与流程

一种基于5g通信的配电网纵联保护方法及系统
技术领域
1.本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于5g通信的配电网纵联保护方法及系统。


背景技术：

2.目前我国35kv及以下配电网大多采用三段式电流保护，然而，三段式电流保护天然具有上下级保护整定配合困难、保护范围及灵敏度受系统运行方式影响较大等缺点。随着当前电网建设的快速发展和分布式电源的大量接入，配电网的规模及复杂度均迅速扩大，在很多复杂网络场景下，三段式电流保护无论如何整定均无法协调好保护范围和保护时间之间的矛盾，已有地区出现了因电流i段保护无保护范围而退出运行或电流ii段保护在动作时限上无法与下级保护配合导致保护出口时间过长等问题。为此，已有部分发达地区在配网中敷设光纤配置光纤差动保护来解决上述问题。
3.然而，由于配电网具有多分段多分支的特殊性，若在各节点之间直接点对点敷设光纤不仅初始投资及工程量大，同时，由于配电网一般位于城区，内、外部条件复杂，很容易受到自然因素或人为因素的破坏，导致后期运维工作量大。同时，传统的光纤差动保护虽然原理简单可靠，但其在任一端的数据出现采样信息长期缺失情况下，则无法准确判别，只能将其退出，若此时该线路发生故障则只能依赖于远后备保护进行切除，这不仅延长了故障切除时间，更扩大了事故范围，严重威胁着配电网的安全运行。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于5g通信的配电网纵联保护方法及系统。
5.为达成上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.作为本技术的第一方面，提出了一种基于5g通信的配电网纵联保护方法，包括：
7.步骤1：配网内各条线路两端均装设就地综合保护通信装置，利用就地综合保护通信装置实时采集配网内各条线路两端断路器的电流及电压；
8.步骤2：就地综合保护通信装置对所述电流进行过电流监测，响应于所述电流超过整定值，就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，并通过5g基站将所述故障分量瞬时功率传输给远端的保护中心；
9.步骤3：远端保护控制中心收集区域内各个就地综合保护通信装置通过5g通信网络传输来的故障分量瞬时功率信息；
10.步骤4：远端保护控制中心判断线路两端的故障分量瞬时功率信息是否均顺利获取，对不能顺利获取的某端故障分量瞬时功率，则根据信息缺失断路器相连的所有其余断路器的故障分量瞬时功率计算信息缺失端的故障分量瞬时功率；
11.步骤5：远端保护控制中心根据故障分量瞬时功率判断各条线路两端是否发生了区内故障；当判定某条线路为区内故障时，所述远端保护控制中心通过5g通信网络传输动
作指令给该线路两端就地综合保护通信装置，保护动作。
12.进一步地，所述就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，具体公式为：
13.δu1＝u1[t]-u1[t-δt]；
[0014]
δi1＝i1[t]-i1[t-δt]；
[0015]
δp1＝δu1·
δi1；
[0016]
其中，所述u1[t]、i1[t]为故障后在t时刻就地综合保护通信装置1处测得的实时电压、电流；u1[t-δt]、i1[t-δt]为t-δt时刻测得的电压、电流，δt为工频周期的整数倍；δu1、δi1为故障分量瞬时电压及故障分量瞬时电流；δp1为故障分量瞬时功率。
[0017]
进一步地，所述步骤5具体包括：
[0018]
步骤51：计算线路两端故障分量瞬时功率和；
[0019]
步骤52：基于所述线路两端故障分量瞬时功率和构造相空间轨迹；
[0020]
步骤53：计算故障开始后第一预设时间阈值内计算所得所有相空间轨迹点的重心，判断其重心是否落在第iii象限；
[0021]
步骤54：如果重心落在第iii象限，则判定发生区内故障，线路保护动作，远端保护控制中心通过5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置切除故障线路两端断路器，否则线路保护不动作。
[0022]
进一步地，当线路两端中至少有一端故障分量瞬时功率无法顺利获取，若步骤54中判定发生区内故障，则步骤54之后还包括
[0023]
步骤55：在切除故障线路两端断路器后，延迟第二时间阈值，判断此时其余断路器测得电流是否超过整定值，若检测到其余任一断路器电流超过整定值，则继续将与信息缺失断路器相连的所有其余线路切除，否则所有其余线路上的断路器均不动作。
[0024]
作为本技术的第二方面，提出了一种基于5g通信的配电网纵联保护系统，包括安装在每条线路两端的就地综合保护通信装置和安装在远端控制室的远端保护控制中心；
[0025]
所述就地综合保护通信装置包含保护模块和通信模块；
[0026]
所述通信模块包含第一5g信号发送终端和第一5g信号接收终端；
[0027]
所述保护模块包含第一采集单元、第一判断单元、第一计算单元和第一执行单元；
[0028]
所述第一采集单元：用于采集流经断路器的实时电流、电压信息；
[0029]
所述第一判断单元：用于判断流经断路器的电流是否超过整定值；响应于所述电流超过整定值，启动所述第一计算单元；
[0030]
所述第一计算单元：用于根据故障前后的电流及电压计算流经断路器的故障分量瞬时功率；并通过所述第一5g信号发送终端将所述故障分量瞬时功率传输给远端的保护中心；
[0031]
所述第一5g信号接收终端：用于接收远端保护控制中心通过5g通信网络传输来的动作指令；
[0032]
所述第一执行单元：用于根据所述动作指令；
[0033]
所述远端保护控制中心包含：运行监视单元、保护判定单元、第二5g信号接收终端和第二5g信号发送终端；
[0034]
所述运行监视单元：用于将5g信号接收终端接收到的所有故障分量瞬时功率信息
与电力系统实时运行拓扑对应，负责监视各时刻是否有断路器故障分量瞬时功率信息缺失；对不能顺利获取的某端故障分量瞬时功率，则根据信息缺失断路器相连的所有其余断路器的故障分量瞬时功率计算信息缺失端的故障分量瞬时功率；
[0035]
所述保护判定单元，用于根据故障分量瞬时功率判断各条线路两端是否发生了区内故障；当判定某条线路为区内故障时，所述远端保护控制中心通过第二5g信号发送终端利用5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置。
[0036]
进一步地，所述第一计算单元中，就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，具体公式为：
[0037]
δu1＝u1[t]-u1[t-δt]；
[0038]
δi1＝i1[t]-i1[t-δt]；
[0039]
δp1＝δu1·
δi1；
[0040]
其中，所述u1[t]、i1[t]为故障后在t时刻就地综合保护通信装置1处测得的实时电压、电流；u1[t-δt]、i1[t-δt]为t-δt时刻测得的电压、电流，δt为工频周期的整数倍；δu1、δi1为故障分量瞬时电压及故障分量瞬时电流；δp1为故障分量瞬时功率。
[0041]
进一步地，所述保护判定单元具体包括：
[0042]
计算线路两端故障分量瞬时功率和；
[0043]
基于所述线路两端故障分量瞬时功率和构造相空间轨迹；
[0044]
计算故障开始后第一预设时间阈值内计算所得所有相空间轨迹点的重心，判断其重心是否落在第iii象限；
[0045]
如果重心落在第iii象限，则判定发生区内故障，线路保护动作，远端保护控制中心通过5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置切除故障线路两端断路器，否则线路保护不动作。
[0046]
进一步地，所述保护判定单元还包括：当线路两端中至少有一端故障分量瞬时功率无法顺利获取，且判定发生区内故障，则切除故障线路两端断路器后，延迟第二时间阈值，判断此时其余断路器测得电流是否超过整定值，若检测到其余任一断路器电流超过整定值，则继续将与信息缺失断路器相连的所有其余线路切除，否则所有其余线路上的断路器均不动作。
[0047]
本发明的有益效果是：本发明的技术方案利用就地综合保护通信装置采集各条线路两端的电压、电流信息，通过5g通信网络传输到远端保护控制中心，远端保护控制中心通过计算和判断将保护动作信号通过5g通信网络回传到就地综合保护通信装置。即使线路某端断路器处的测量电量信息缺失，远端保护控制中心也可以充分利用与信息缺失断路器相连的其余断路器电压、电流信息作为冗余信息，对保护判据和动作流程进行修正，从而使得此时仍能正确进行区内、外故障的判断。
附图说明
[0048]
图1是本发明实施例提供的一种基于5g通信的配电网纵联保护方法流程图。
[0049]
图2是本发明实施例的配电网拓扑模型示意图。
[0050]
图3是本发明实施例提供的另一种基于5g通信的配电网纵联保护方法流程图。
[0051]
图4是本发明场景1的故障分量瞬时功率相空间轨迹图。
[0052]
图5是本发明场景2的故障分量瞬时功率相空间轨迹图。
[0053]
图6是本发明实施例的基于5g通信的配电网纵联保护系统示意图。
具体实施方式
[0054]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0055]
随着5g通信技术的发展，其相比原本4g通信技术具有高速率、大容量、高可靠性、低延时等优点，通过采用5g通信技术传输各个站点之间测量的电量信息无论从传输容量上还是传输时延、数据可靠性上均能够有效满足配电网纵联保护的需求，同时，通过5g通信技术传输数据可以便捷地获取周边各条线路两端断路器的电压、电流信息，一旦任一端的数据由于自然或人为因素出现采样信息长期缺失的情况，可以通过利用5g通信获取到的周围站点冗余信息，应对采样信息的缺失。如图1所示为本发明实施例提供的一种基于5g通信的配电网纵联保护方法流程图，包括如下步骤：
[0056]
s101：配网内各条线路两端均装设就地综合保护通信装置，利用就地综合保护通信装置实时采集配网内各条线路两端断路器的电流及电压。
[0057]
s102：就地综合保护通信装置对所述电流进行过电流监测，响应于所述电流超过整定值，就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，并通过5g基站将所述故障分量瞬时功率传输给远端的保护中心。
[0058]
其中，所述就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，具体公式为：
[0059]
δu1＝u1[t]-u1[t-δt]；
[0060]
δi1＝i1[t]-i1[t-δt]；
[0061]
δp1＝δu1·
δi1；
[0062]
其中，所述u1[t]、i1[t]为故障后在t时刻就地综合保护通信装置1处测得的实时电压、电流；u1[t-δt]、i1[t-δt]为t-δt时刻测得的电压、电流，δt为工频周期的整数倍；δu1、δi1为故障分量瞬时电压及故障分量瞬时电流；δp1为故障分量瞬时功率。
[0063]
s103：远端保护控制中心收集区域内各个就地综合保护通信装置通过5g通信网络传输来的故障分量瞬时功率信息。
[0064]
s104：远端保护控制中心判断线路两端的故障分量瞬时功率信息是否均顺利获取，对不能顺利获取的某端故障分量瞬时功率，则根据信息缺失断路器相连的所有其余断路器的故障分量瞬时功率计算信息缺失端的故障分量瞬时功率。
[0065]
s105：远端保护控制中心根据故障分量瞬时功率判断各条线路两端是否发生了区内故障；当判定某条线路为区内故障时，所述远端保护控制中心通过5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置，保护动作。
[0066]
可选的，另一个实施例中步骤s105具体包括：
[0067]
s151：计算线路两端故障分量瞬时功率和。
[0068]
s152：基于所述线路两端故障分量瞬时功率和构造相空间轨迹。
[0069]
s153：计算故障开始后第一预设时间阈值内计算所得所有相空间轨迹点的重心，判断其重心是否落在第iii象限。
[0070]
s154：如果重心落在第iii象限，则判定发生区内故障，线路保护动作，远端保护控制中心通过5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置切除故障线路两端断路器，否则线路保护不动作。
[0071]
可选的，又一实施例中当线路两端中至少有一端故障分量瞬时功率无法顺利获取，若步骤s154中判定发生区内故障，则步骤s154之后还包括：
[0072]
s155：在切除故障线路两端断路器后，延迟第二时间阈值，判断此时其余断路器测得电流是否超过整定值，若检测到其余任一断路器电流超过整定值，则继续将与信息缺失断路器相连的所有其余线路切除，否则所有其余线路上的断路器均不动作。
[0073]
下结合图2所示的配电网拓扑模型示意图介绍一个具体实施例。基于5g通信的配电网纵联保护方法流程图如图3所示，包括如下步骤：
[0074]
s201：配网内各条线路两端均装设就地综合保护通信装置，利用就地综合保护通信装置实时采集配网内各条线路两端断路器的电流及电压。
[0075]
图2中各线路两端均装设有就地综合保护通信装置，双向箭头表示就地综合保护通信装置与远端保护控制中心之间的5g通信通道，图中为了表述简洁仅画出了线路l1、l2所安装的就地综合保护通信装置与远端保护控制中心之间的5g通信通道，其余各就地综合保护通信装置的通讯方式与其一致。各线路两端的就地综合保护通信装置分别采集本侧的电压及电流采样值本实施例中所采集的电流信号以母线流向线路为正方向。
[0076]
s202：就地综合保护通信装置对所述电流进行过电流监测，响应于所述电流超过整定值，就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，并通过5g基站将所述故障分量瞬时功率传输给远端的保护中心。
[0077]
本实施例中，过电流监测的判据为：
[0078]
i＞0.1in[0079]
i为就地综合保护通信装置测得的电流，in为电流的额定值。
[0080]
其中，所述就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，具体公式为：
[0081]
δu1＝u1[t]-u1[t-δt]；
[0082]
δi1＝i1[t]-i1[t-δt]；
[0083]
δp1＝δu1·
δi1；
[0084]
其中，所述u1[t]、i1[t]为故障后在t时刻就地综合保护通信装置1处测得的实时电压、电流；u1[t-δt]、i1[t-δt]为t-δt时刻测得的电压、电流，δt为工频周期的整数倍；δu1、δi1为故障分量瞬时电压及故障分量瞬时电流；δp1为故障分量瞬时功率。
[0085]
s203：远端保护控制中心收集区域内各个就地综合保护通信装置通过5g通信网络传输来的故障分量瞬时功率信息。
[0086]
s204：远端保护控制中心判断线路两端的故障分量瞬时功率信息是否均顺利获取，对不能顺利获取的某端故障分量瞬时功率，则根据信息缺失断路器相连的所有其余断路器的故障分量瞬时功率计算信息缺失端的故障分量瞬时功率。
[0087]
记mi、ni分别为线路li两端(i＝1、2
…
j)，δu
mi
、δi
mi
分别为mi端的故障分量瞬时电压、故障分量瞬时电流。假定线路l2与li(i＝3、4
…
j)相连、其中n2端与ni(i＝1)、mi(i＝3
…
j)相连，n2端故障分量瞬时功率无法顺利获取，则n2端故障分量瞬时功率
[0088]
δp
n2
＝-δu
n1
·
δi
n1-δu
m3
·
δi
m3
‑…‑
δu
mj
·
δi
mj
[0089]
s251：计算线路两端故障分量瞬时功率和。
[0090]
s252：基于所述线路两端故障分量瞬时功率和构造相空间轨迹。本实施例中选取嵌入维数为2维，延迟时间为2.5ms。构造相空间轨迹的计算方法为：
[0091][0092]
式中，δp(k)为计算所得故障分量瞬时功率δp中的第k个点，n为所设置的采样频率下2.5ms对应的采样点个数，即δp(k+n)为故障分量瞬时功率δp中第k+n个点的数据。为计算所得的故障分量瞬时功率δp(k)构造的相空间轨迹。为横坐标方向的单位向量，为纵坐标方向的单位向量。
[0093]
s253：计算故障开始后第一预设时间阈值内计算所得所有相空间轨迹点的重心，判断其重心是否落在第iii象限。本实施例中第一预设时间阈值选取为10ms。判断其重心是否落在第iii象限的方法为：
[0094][0095]
x＜0&y＜0
[0096]
其中，n为所设置的采样频率下10ms对应的采样点个数，x为相空间轨迹重心的横坐标，y为相空间轨迹重心的纵坐标。
[0097]
s254：如果重心落在第iii象限，则判定发生区内故障，线路保护动作，远端保护控制中心通过5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置切除故障线路两端断路器，否则线路保护不动作。
[0098]
s255：当线路两端中至少有一端故障分量瞬时功率无法顺利获取，若步骤s254中判定发生区内故障，则在切除故障线路两端断路器后，延迟0.5s后判断此时其余断路器测得电流是否超过整定值，若检测到其余任一断路器电流超过整定值，则继续将与信息缺失断路器相连的所有其余线路切除，否则所有其余线路上的断路器均不动作。
[0099]
用pscad/emtdc仿真平台按照图2搭建配电网仿真模型进行试验，其中电源g1大小为110∠20
°
，电源g2大小为110∠15
°
，负荷l3大小为100mw+25mvar，l4大小为80mw+30mvar，j＝5、即l5大小为40mw+10mvar，l1长度为40km，l2长度为30km，l3长度为20km，l4长度为15km，l5长度为10km。各条线路参数均为：r1＝0.015ω/km，x1＝0.395ω/km；r0＝0.315ω/km，x0＝1.185ω/km。场景1：
[0100]
如果图2所示线路发生故障，以t＝1s在线路l1中间发生a相金属性接地故障为例，故障发生后，电流过流，保护模块启动并开始计算故障后的故障分量瞬时功率。计算所得故障分量瞬时功率利用就地综合保护通信装置中的5g信号发送终端发出，远端保护控制中心的5g信号接收终端收到就地综合保护通信装置发来的5g信号后，由计算模块及判断模块进行故障判别，判别结果显示利用线路l1两端计算所得的故障分量瞬时功率和构造的相空间轨迹如图4所示，其重心为(-82.45kva，-72.92kva)，落在第iii象限，此时m1、n1端断路器应该跳开；此时其余线路两端计算所得的故障分量瞬时功率和构造的相空间轨迹重心均未落在第iii象限，故除m1、n1端以外的断路器均不跳开。远端保护控制中心的5g信号发送终端将m1、n1端断路器的保护跳闸信号发出，m1、n1端安装的就地综合保护通信装置中的5g信号接
收终端收到跳闸信号后将断路器跳闸，将故障可靠切除。
[0101]
场景2：
[0102]
如果图2所示线路发生故障，以t＝1s在线路l2中间发生a相金属性接地故障为例，假设此时n2端故障分量瞬时功率信号无法获取，故障发生后，电流过流，保护模块启动并开始计算故障后的故障分量瞬时功率。计算所得故障分量瞬时功率利用就地综合保护通信装置中的5g信号发送终端发出，远端保护控制中心的5g信号接收终端收到就地综合保护通信装置发来的5g信号后，由计算模块及判断模块进行故障判别，由于此时无法收到n2端发送的故障分量瞬时功率信号，因此利用ni(i＝1)、mi(i＝3
…
j)端的故障分量瞬时功率信号替换n2端信号，由计算模块及判断模块进行故障判别，判别结果显示利用线路l2两端ni(i＝1)、mi(i＝2、3
…
j)端计算所得的故障分量瞬时功率差构造的相空间轨迹如图5所示，其重心为(-25.62kva，-26.33kva)，落在第iii象限，此时m2、n2端断路器应该跳开，其余线路两端计算所得的故障分量瞬时功率和构造的相空间轨迹重心均未落在第iii象限，故除m2、n2端以外的断路器均不跳开。远端保护控制中心的5g信号发送终端将m2、n2端断路器的保护跳闸信号发出，m2、n2端安装的就地综合保护通信装置中的5g信号接收终端收到跳闸信号后将断路器跳闸。0.5s后，再次判断此时各断路器是否跳闸，此时所有断路器均未检测到过流，则不再动作。
[0103]
如图6所示为本发明实施例的提供的一种基于5g通信的配电网纵联保护系统示意图包括安装在每条线路两端的就地综合保护通信装置和安装在远端控制室的远端保护控制中心；
[0104]
所述就地综合保护通信装置包含保护模块和通信模块；
[0105]
所述通信模块包含第一5g信号发送终端和第一5g信号接收终端；
[0106]
所述保护模块包含第一采集单元、第一判断单元、第一计算单元和第一执行单元；
[0107]
所述第一采集单元：用于采集流经断路器的实时电流、电压信息；
[0108]
所述第一判断单元：用于判断流经断路器的电流是否超过整定值；响应于所述电流超过整定值，启动所述第一计算单元；
[0109]
所述第一计算单元：用于根据故障前后的电流及电压计算流经断路器的故障分量瞬时功率；并通过所述第一5g信号发送终端将所述故障分量瞬时功率传输给远端的保护中心；
[0110]
所述第一5g信号接收终端：用于接收远端保护控制中心通过5g通信网络传输来的动作指令；
[0111]
所述第一执行单元：用于根据所述动作指令；
[0112]
所述远端保护控制中心包含：运行监视单元、保护判定单元、第二5g信号接收终端和第二5g信号发送终端；
[0113]
所述运行监视单元：用于将5g信号接收终端接收到的所有故障分量瞬时功率信息与电力系统实时运行拓扑对应，负责监视各时刻是否有断路器故障分量瞬时功率信息缺失；对不能顺利获取的某端故障分量瞬时功率，则根据信息缺失断路器相连的所有其余断路器的故障分量瞬时功率计算信息缺失端的故障分量瞬时功率；
[0114]
所述保护判定单元，用于根据故障分量瞬时功率判断各条线路两端是否发生了区内故障；当判定某条线路为区内故障时，所述远端保护控制中心通过第二5g信号发送终端
利用5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置。
[0115]
优选的实施中，所述第一计算单元中，就地综合保护通信装置根据故障前后的电流及电压开始实时计算故障分量瞬时功率，具体公式为：
[0116]
δu1＝u1[t]-u1[t-δt]；
[0117]
δi1＝i1[t]-i1[t-δt]；
[0118]
δp1＝δu1·
δi1；
[0119]
其中，所述u1[t]、i1[t]为故障后在t时刻就地综合保护通信装置1处测得的实时电压、电流；u1[t-δt]、i1[t-δt]为t-δt时刻测得的电压、电流，δt为工频周期的整数倍；δu1、δi1为故障分量瞬时电压及故障分量瞬时电流；δp1为故障分量瞬时功率。
[0120]
优选的实施中，所述保护判定单元具体包括：
[0121]
计算线路两端故障分量瞬时功率和；
[0122]
基于所述线路两端故障分量瞬时功率和构造相空间轨迹；
[0123]
计算故障开始后第一预设时间阈值内计算所得所有相空间轨迹点的重心，判断其重心是否落在第iii象限；
[0124]
如果重心落在第iii象限，则判定发生区内故障，线路保护动作，远端保护控制中心通过5g通信网络传输动作指令给该线路两端就地综合保护通信装置切除故障线路两端断路器，否则线路保护不动作。
[0125]
优选的实施中，所述保护判定单元还包括：当线路两端中至少有一端故障分量瞬时功率无法顺利获取，且判定发生区内故障，则切除故障线路两端断路器后，延迟第二时间阈值，判断此时其余断路器测得电流是否超过整定值，若检测到其余任一断路器电流超过整定值，则继续将与信息缺失断路器相连的所有其余线路切除，否则所有其余线路上的断路器均不动作。
[0126]
以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。