低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測及其預(yù)測的多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)。該技術(shù)通過監(jiān)測流經(jīng)各層級各支路斷路器的電流、電壓，在本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置中，對其進行實時的在線短路故障早期檢測。然后，將預(yù)測結(jié)果及斷路器地址信息上傳到智能控制與信息交換平臺，與預(yù)先存儲在平臺中的對應(yīng)支路及其上下級斷路器的參數(shù)進行分析比較，判斷出能可靠分斷已發(fā)生的短路故障且最靠近故障點的相應(yīng)層級支路斷路器，并給其發(fā)送動作命令。最后，接收到動作命令的本地裝置控制本支路斷路器，配合快速分斷機構(gòu)，在短路早期快速切斷短路故障，由此實現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的多層級選擇性協(xié)調(diào)保護。
【專利說明】低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低壓系統(tǒng)中的選擇性保護技術(shù)，具體是應(yīng)用短路故障早期檢測及其預(yù)測來實現(xiàn)的系統(tǒng)保護選擇性的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的低壓系統(tǒng)中采用三段式過電流保護，上下級斷路器之間常通過設(shè)定不同的整定電流或動作延時時間來實現(xiàn)系統(tǒng)保護的選擇性。但這種保護方式是以犧牲保護的快速性為代價來獲取保護的選擇性，而且這種保護方式無法實現(xiàn)準確的選擇性保護。當(dāng)系統(tǒng)級數(shù)較少時，延時時間較短，對處于發(fā)生短路故障的設(shè)備影響較小。如果級數(shù)過多，延時時間過長，則由于短路導(dǎo)致的電壓跌落會影響正常負荷的運行；同時過長的延時時間還可能導(dǎo)致局部過熱、對正常設(shè)備造成損壞。此外，低壓配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對較小，短路后相鄰兩級的保護開關(guān)所處部位的短路電流值相近，使得保護開關(guān)的動作電流值難以整定，當(dāng)系統(tǒng)中任意部位發(fā)生短路故障后，雖然可以最終達到可靠隔離故障的作用，但有可能引起非故障區(qū)域斷電，達不到較好的選擇性。
[0003]近年來，許多學(xué)者及企業(yè)在改進選擇性保護技術(shù)方面進行了大量的研究，在傳統(tǒng)的時間一電流選擇性的基礎(chǔ)上，提出或推出了如虛擬時間選擇性、能量選擇性、區(qū)域選擇性聯(lián)鎖等選擇性保護方案及產(chǎn)品。但這些方案或產(chǎn)品僅是對傳統(tǒng)過流保護方法的改進，并不適用于所有場合，也無法實現(xiàn)準確的全選擇性保護。
[0004]隨著電網(wǎng)的發(fā)展尤其是智能配電網(wǎng)的應(yīng)用需求，其對配電線路保護的速動性和選擇性提出了更高的要求。當(dāng)前選擇性保護技術(shù)的發(fā)展方向已不僅是局部選擇性提升到全局選擇性，而且將系統(tǒng)的選擇性保護范圍從電源側(cè)向終端側(cè)延伸。本發(fā)明將基于低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測及其峰值預(yù)測方法，配合以智能的信息交換及快速分斷操作機構(gòu)，由此提高低壓系統(tǒng)保護的選擇性，實現(xiàn)多層級配電系統(tǒng)全范圍智能化的選擇性協(xié)調(diào)保護。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種新的低壓配電系統(tǒng)選擇性保護技術(shù)，該技術(shù)以短路故障早期檢測及其峰值預(yù)測為基礎(chǔ)，配合智能的信息交換平臺及快速分斷機構(gòu)，實現(xiàn)多層級配電系統(tǒng)全范圍智能化的選擇性保護。
[0006]本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn):一種低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:
1)監(jiān)測流經(jīng)低壓系統(tǒng)各層級各支路斷路器的電流、電壓量，并對其進行實時的在線短路故障早期檢測；
2)就地判斷低壓系統(tǒng)各層級各監(jiān)測支路是否發(fā)生了短路故障；若是，對該支路的故障電流進行峰值預(yù)測；若否，繼續(xù)監(jiān)測；
3)各個檢測到短路故障的支路將該支路的故障電流預(yù)測結(jié)果及斷路器編號上傳到智能控制與信息交換平臺；然后在平臺上，將上傳的信息與預(yù)先存儲在平臺中的各層級的各支路斷路器信息進行分析比較；最后根據(jù)分析診斷結(jié)果，向能可靠分斷已發(fā)生的短路故障的相應(yīng)層級的支路斷路器發(fā)送控制命令；
4)支路斷路器根據(jù)接收到的命令，在短路早期快速切斷短路故障。
[0007]所述的短路故障早期檢測是基于短路電流奇異性特征及其辨識期間的電壓變化率綜合分析的早期檢測方法。近年來，許多學(xué)者對于短路故障的早期監(jiān)測方法進行了大量的研究，如基于回歸分析的峰值預(yù)測法、小波分析法、立方判據(jù)法等。但若僅使用其中一種方法，則檢測的可靠性可能達不到要求。為了提高短路故障早期檢測的可靠性，本發(fā)明采用基于短路電流奇異性特征及電壓變化率綜合分析的早期檢測方法。
[0008]為了實現(xiàn)多層級的選擇性協(xié)調(diào)保護，無論短路故障發(fā)生在任何層級或支路節(jié)點，所述的故障電流峰值預(yù)測對于各層級每一個檢測到短路故障的支路都要進行。由于短路故障的峰值電流與故障初相角、預(yù)測時刻的電流瞬時值有很大的關(guān)系，所述的故障電流峰值預(yù)測需要考慮到短路故障的初相角、短路故障早期可靠辨識時刻(一般短路故障早期辨識時間需要0.2-0.5ms)的電流瞬時值等信息。且為了減少智能信息交換平臺判斷時間及其與各支路斷路器短路故障檢測裝置的通訊時間，所有的峰值預(yù)測均在各支路斷路器處的本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置中進行。
[0009]要實現(xiàn)系統(tǒng)范圍的選擇性協(xié)調(diào)保護，必須要有一個中心的智能控制與信息交換平臺。在該平臺中，各支路斷路器的信息能進行無障礙的分析比較，從而智能地判斷該由哪條支路的斷路器動作。本發(fā)明所述的智能控制與信息交換平臺中需預(yù)先存儲各層級支路斷路器的信息，如:斷路器(地址)編號、額定電流、額定短路開斷電流等。所述的分析比較，是將各支路上傳的故障電流峰值預(yù)測結(jié)果與相應(yīng)編號的斷路器的額定短路開斷電流進行比較。當(dāng)編號為N-m的斷路器的額定短路開斷電流> KX該支路故障電流預(yù)測峰值，且在滿足該條件的所有檢測到短路故障的相應(yīng)層級支路斷路器中，此編號為N-m的斷路器的層級號最大(即其最接近故障點)，則判斷該斷路器動作，其中K為考慮早期檢測時間、峰值預(yù)測時間、通信延時、斷路器固有動作時間及斷路器開斷電弧時間的綜合系數(shù)，10
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1多層次低壓配電系統(tǒng)示意圖，示意圖只給出三區(qū)段的分級低壓系統(tǒng)，具體層級不限。
[0011]圖2本發(fā)明的系統(tǒng)原理框架。
[0012]圖3各層級支路短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置的流程示意圖。
[0013]圖4利用小波分析法來進行短路故障早期檢測的示意圖。
[0014]圖5發(fā)生單相對中線短路故障時故障相電流及脫扣信號實測波形。
[0015]圖6短路電流峰值預(yù)測的流程圖示意圖。
[0016]圖1中:H1~2 —高壓斷路器 Tr.1-2 一變壓器
Kl-1-3 一隔尚開關(guān) DLl-f 3 —低壓斷路器 DL2-1，DL12 —低壓斷路器 RDKl-1 —隔離開關(guān)熔斷器01-1-2 一接觸器 RJl-r2 一熱過載繼電器 Dl-1 2 一電動機。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
[0018]本實施例提供了一種低壓配電系統(tǒng)選擇性保護的實現(xiàn)方法。該方法的整體架構(gòu)如圖2所示，各支路斷路器通過傳感器實時對流經(jīng)其的電流、電壓量進行監(jiān)測，并根據(jù)所獲運行參數(shù)在本地的短路故障早期檢測辨識及峰值預(yù)測裝置中進行實時在線的短路早期檢測。當(dāng)相關(guān)層級及支路斷路器檢測到短路故障時，立即就地對該點的故障電流進行峰值預(yù)測。然后將預(yù)測結(jié)果及斷路器(地址)編號上傳到智能控制與信息交換平臺，與預(yù)先存儲在平臺中的各支路斷路器參數(shù)進行分析比較，最后根據(jù)比較結(jié)果判斷并給相應(yīng)的斷路器發(fā)送動作命令。
[0019]本方案中的各層級每個斷路器所接的本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置的運行步驟如下:
(I)對電流、電壓信號進行固定采樣頻率的A/D采樣。
[0020](2)對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進行相應(yīng)的算法處理，提取出短路電流的特征量。
[0021](3)將所得特征量與設(shè)定閾值進行比較，綜合當(dāng)前的電壓變化率，判斷是否發(fā)生了短路故障。若是，跳到步驟(4);若否，調(diào)回步驟I重新開始。
[0022](4)根據(jù)早期檢測過程中得到的數(shù)據(jù)(短路故障早期可靠辨識時刻，故障初相角等)對流經(jīng)該斷路器的短路電流進行峰值預(yù)測。
[0023](5)將峰值預(yù)測結(jié)果及斷路器(地址)編號通過高速信道發(fā)送到智能控制與信息交換平臺。
[0024]( 6 )等待接收智能控制平臺的控制信號，確定本地斷路器是否要跳閘。若在設(shè)定的時間內(nèi)接收到了控制命令，根據(jù)控制命令判斷是否要跳閘，若是則驅(qū)動本地斷路器動作切斷故障；若未在設(shè)定時間內(nèi)接收到控制命令，跳到步驟(7)。
[0025](7)重新對短路故障進行檢測，判斷故障是否已被排除。若是，跳到步驟(I)進入新一輪的循環(huán)；若否，控制本地斷路器按常規(guī)整定值與動作延時時間加以分斷操作。
[0026]以下對上述步驟中的短路故障早期檢測及其峰值預(yù)測的方法、系統(tǒng)中的智能控制與信息交換平臺、快速分斷機構(gòu)等做進一步的解釋。
[0027]本發(fā)明中，短路故障早期檢測是利用短路電流奇異性特征及電壓變化率綜合分析的檢測方法。目前，檢測信號奇異性的方法主要有:小波分析法、短時傅里葉變換法、希爾伯特-黃變換法、分形維數(shù)等。如圖3為各層級支路短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置的流程示意圖；由圖4為利用小波分析法來進行短路故障早期檢測的示意圖；圖5為示波器拍攝的實際早期檢測裝置的運行圖。由此可以看出，利用信號奇異性檢測方法能在很短的時間內(nèi)檢測到短路故障。發(fā)生短路故障時一般都會伴隨著電壓跌落現(xiàn)象，且故障點與電源距離的越長，電壓跌落越明顯。為了提高短路故障早期檢測的可靠性，本發(fā)明中采用短路電流奇異性及其辨識期間的電壓變化率綜合分析的短路故障早期檢測方法。
[0028]對于峰值預(yù)測，目前主要是應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其改進型預(yù)測模型的方法來實現(xiàn)，如:BP網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、極端學(xué)習(xí)機等，所選的網(wǎng)絡(luò)模型輸入?yún)?shù)主要包括短路故障早期可靠辨識時刻(一般為短路發(fā)生后0.2-0.5ms內(nèi))的短路電流瞬時值及故障初相角等，網(wǎng)絡(luò)模型輸出為短路電流的變化趨勢或預(yù)測峰值。要進行峰值預(yù)測，首先，需建立低壓系統(tǒng)的短路故障仿真模型，獲取全相角范圍的故障樣本；或通過實驗、現(xiàn)場實時在線監(jiān)測采集獲取故障樣本；然后，利用這些故障樣本，建立短路故障趨勢及其峰值預(yù)測模型并進行離線訓(xùn)練；之后再將訓(xùn)練好的預(yù)測模型參數(shù)映射到本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置中，用于對實際的短路電流進行峰值預(yù)測。如圖6為短路電流峰值預(yù)測的流程圖框圖。
[0029]本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置，在檢測到短路故障且進行其峰值預(yù)測后，需將峰值預(yù)測結(jié)果及斷路器(地址)編號通過高速信道上傳到中央智能控制與信息交換平臺。智能控制與信息交換平臺中預(yù)先存儲有系統(tǒng)各級每個斷路器的(地址)編號、額定短路開斷電流等信息，當(dāng)其接收到本地裝置上傳的信息后，將對各層級支路上傳的故障電流峰值預(yù)測結(jié)果與相應(yīng)編號的斷路器的額定短路開斷電流進行比較。當(dāng)編號為N-m的斷路器的額定短路開斷電流> KX該支路故障電流預(yù)測峰值，且在滿足該條件的所有檢測到短路故障的相應(yīng)層級支路斷路器中，此編號為N-m的斷路器的層級號最大(即其最接近故障點)，則判斷該斷路器動作，其中K為考慮早期檢測時間、峰值預(yù)測時間、通信延時、斷路器固有動作時間及斷路器開斷電弧時間的綜合系數(shù)，10
[0030]在實現(xiàn)短路故障早期檢測的基礎(chǔ)上，配合快速分斷動作機構(gòu)可以更有效地實現(xiàn)對短路故障的快速切除，提高斷路器等開關(guān)保護元件的分斷能力。目前，快速分斷機構(gòu)主要有電磁式、壓電式、磁致伸縮式、化學(xué)式等四類。
[0031]最后值得一提的是，本發(fā)明的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)適用于低壓系統(tǒng)中的各類短路故障，包括:三相短路、兩相短路(包括兩相接地故障)、單相短路(包括單相接地故障)的故障。
[0032]亦適用于低壓系統(tǒng)中的各類接地型式，包括:IT、TT、TN — C、TN — S、TN —C一S及其它低壓系統(tǒng)接地型式。但本發(fā)明不局限于以上具體的實施方式，只要采用了本發(fā)明的基于短路故障早期檢測及其預(yù)測的低壓系統(tǒng)多層級選擇性協(xié)調(diào)保護方法的系統(tǒng)原理及架構(gòu)，無論采用哪一種短路故障早期檢測方法、峰值預(yù)測方法或快速分斷機構(gòu)，應(yīng)用于哪一種電壓等級、哪一類短路故障或低壓系統(tǒng)接地型式，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于: 1)監(jiān)測流經(jīng)低壓系統(tǒng)各層級各支路斷路器的電流、電壓量，并對其進行實時的在線短路故障早期檢測； 2)就地判斷低壓系統(tǒng)各層級各監(jiān)測支路是否發(fā)生了短路故障；若是，對該支路的故障電流進行峰值預(yù)測；若否，繼續(xù)監(jiān)測； 3)各個檢測到短路故障的支路將該支路的故障電流預(yù)測結(jié)果及斷路器編號上傳到智能控制與信息交換平臺；然后在平臺上，將上傳的信息與預(yù)先存儲在平臺中的各層級的各支路斷路器信息進行分析比較；最后根據(jù)分析診斷結(jié)果，向能可靠分斷已發(fā)生的短路故障的相應(yīng)層級的支路斷路器發(fā)送控制命令； 4)支路斷路器根據(jù)接收到的命令，在短路早期快速切斷短路故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:所述的短路故障早期檢測是基于短路電流奇異性特征及其辨識期間的電壓變化率綜合分析的早期檢測方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:無論短路故障發(fā)生在任何層 級或支路節(jié)點，所述的短路故障電流峰值預(yù)測對于各層級的每一個檢測到短路故障的支路都要進行，且為了減少智能信息交換平臺判斷時間及其與各支路斷路器短路故障檢測裝置的通訊時間，所有的峰值預(yù)測均在各支路斷路器處的本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置中進行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:所述的短路故障電流峰值預(yù)測需要考慮到如下特征量:短路故障的初相角、短路故障早期可靠辨識時刻的電流瞬時值、電壓變化率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:所述短路故障電流峰值預(yù)測包括:首先，采用低壓系統(tǒng)的短路故障仿真模型，獲取全相角范圍的故障樣本；或通過實驗、現(xiàn)場實時在線監(jiān)測采集獲取故障樣本；其次，利用這些故障樣本及所述特征量，建立短路故障趨勢及其峰值預(yù)測模型并進行離線訓(xùn)練；之后再將訓(xùn)練好的預(yù)測模型參數(shù)映射到本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置中，用于對實際的短路電流進行峰值預(yù)測。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:所述的智能控制與信息交換平臺中預(yù)先需存儲各層級支路斷路器的信息有:斷路器編號、額定電流、額定短路開斷電流；其中，斷路器根據(jù)其在系統(tǒng)中所處的位置，從電源向終端編號為N-m，N、m均為自然數(shù)，N為層級號，m為該層級的支路編號，且電源處N=l。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:所述的智能控制與信息交換平臺中信息的分析比較，是將檢測到短路故障的各層級各支路上傳的故障電流峰值預(yù)測結(jié)果，與對應(yīng)編號的斷路器的額定短路開斷電流進行比較；當(dāng)編號為N-m的斷路器的額定短路開斷電流> KX該支路故障電流預(yù)測峰值，且在滿足該條件的所有檢測到短路故障的相應(yīng)層級支路斷路器中，此編號為N-m的斷路器的層級號最大，則判斷該斷路器動作，其中K為考慮早期檢測時間、峰值預(yù)測時間、通信延時、斷路器固有動作時間及斷路器開斷電弧時間的綜合系數(shù)K I。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:所述的斷路器的操作機構(gòu)為普通斷路器分斷動作機構(gòu)或快速分斷動作機構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:保留所述低壓系統(tǒng)中常規(guī)的三段式保護整定；所述低壓系統(tǒng)正常運行時，屏蔽該三段式保護中短路故障保護的控制，斷路器的短路故障保護動作由本地短路故障早期檢測辨識及其峰值預(yù)測裝置加以控制；在該低壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，如通信故障或智能控制與信息交換平臺故障，而使得本地裝置未能在上傳信息后的設(shè)定的時間內(nèi)接收到控制信號，則開啟常規(guī)的三段式保護設(shè)定，以便斷路器按其常規(guī)整定值與動作延時加以分斷操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)，其特征在于:所述的低壓系統(tǒng)多層級全范圍選擇性協(xié)調(diào)保護技術(shù)適用于低壓系統(tǒng)中的各類短路故障，包括:三相短路、兩相短 路、單相短路的故障；也適用于低壓系統(tǒng)中的各類接地型式，包括:IT、TT、TN — C、TN - S、TN-c—S低壓系統(tǒng)接地型式。
【文檔編號】H02J13/00GK103457247SQ201310345729
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】繆希仁, 吳曉梅, 張培銘 申請人:福州大學(xué)