基于智能设备的实时停电监测与保护技术研究∗

2020-05-15陈少梁陈恺妍李韫莛

计算机与数字工程 2020年2期

李慧陈少梁陈恺妍李韫莛

（广州供电局有限公司广州 518000）

1 引言

近年来，随着信息技术、数字化、自动化等技术的发展，智能电网技术日渐成熟，传统的电网结构慢慢被取代。一方面，智能电网的应用对供电的效率提出更高的要求，另一方面，人们对供电质量要求也越来越高，突然的停电会带来严重的经济和社会影响，因此，提高供电可靠性，不仅是广大客户的需要，也是电力企业提高企业效益的需要［1～3］。

电力网络供电可靠性要求，尽量减少电力网络停电，造成不必要的损失。停电的原因有很多，包括发电站故障、输电线路损坏、变电站或配电系统的其他部分、短路或电力超载等。有数据显示，95%的停电是配电网的故障造成的［4］。

智能配电网是直接面向用户的关键环节，在智能电网中控制着供电功能，是智能电网的重要组成部分。当系统发生故障时，分布式用户对故障电流的振幅、方向、分布和自动重合闸的作用影响很大。传统的配电网故障定位、保护方法将不适用。为了克服这一局限性，使智能配电网更加完善和广泛应用，必须对故障监测和控制方法进行重新设计。智能电网通过智能设备（IED，文中以下部分将使用简称）强化信息交换，在用户单元之间及用户单元与站台之间实现交互，实现运行状态和故障状态的实时监控功能，并具有数据处理和计算、故障的确定和处理、故障隔离、负载重定向等控制能力［5～6］。

本文首先介绍智能配电网中的组成设计，以及智能设备在智能配电网中的应用，并详细说明智能设备的布置及作用，在此基础上，提出断电保护策略，完善智能配电网的设计。

2 智能设备在智能配电网中的停电监测设计

根据智能电网的要求，智能配电网主要由变电站、开关站、环形主机组、极点安装开关、微电网（MG）、分布式发电装置（DG）、馈线，智能设备及全球定位系统（GPS）等组成。智能配电网采用ADA系统，由先进的配送操作（ADO）和先进的配送管理组成。ADO实现了配电监控和数据采集（DSCADA）、馈线自动化（FA）、无功控制、DG 调度等功能。ADM以地理图像为背景信息获得数据输入、编辑和网络拓扑数据［7］。

在该智能配电网设计过程中，每一个负载中都内置了智能设备，从而可以检测和避免每个负载中的电源需求和功率缺失。并且如果在任何负载发生电力缺失，相应智能设备进行保护和故障隔离，从而智能配电网系统的其他负载仍然不受影响。

如图1所示，智能设备及子站通过光以太网连接到分布式控制系统。通过智能设备将操作命令发送到交换机，ADO系统实现了故障定位、隔离和电源恢复。智能设备以两种形式发送命令信号。包括变电站、传输极和负载在内的组件从自己的服务器发送和接收信号，并通过主服务器与其他服务器进行互连［8］，所有的发电站都连接起来监视其网络系统。服务器从智能设备得到故障信号，并通过与智能设备相连的GPS定位位置。故障分离在延迟时间内自动工作，或者需要一些手动操作来纠正故障或更换设备，通过智能配电网恢复正常的连续供应。

图1 智能设备在智能配电网中的应用结构图

智能设备的主要作用是状态监测、故障检测、故障定位、故障诊断、信息交互和开关控制［9～12］。通过检测馈线的电压损耗、过电流、瞬态电流和电压，检测故障的位置，并操作各自的开关，隔离故障，恢复供电。如图2所示，为智能配电网中智能设备的结构图。

图2 智能设备结构图

与传统的FTU相比，智能配电网中的智能设备具有以下特性：

1）智能设备实现完全信息交互。分布式控制网络由光纤以太网连接，并辅以微波和电力线载波。在一个智能设备之间及智能设备与主站之间实现完全信息交互。交互的信息内容不仅包括节点电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波、电压波动、电压闪变、开关位置信号、断路器故障信号、所有更多的非限制信号、重合闸和故障记录信号，还有保护和故障隔离输出信号、网络重构和故障诊断、决策信号等。通过这种广泛的信息交互作用，智能设备可以提高保护动作的速度和故障定位精度，避免保护继电器的误操作。

2）实现分布式控制。智能设备执行保护跳闸、故障定位、功率恢复和故障分析决策等一系列动作。控制主机的远程调制顺序起备份作用。这不仅改善了实时监控，而且提高了配电网络的可靠性，避免了控制主机故障导致的整个网络的控制故障。

3）自我修复功能。由于智能设备具有分析功能，为自我修复功能奠定了基础。并且通过相邻的智能设备监测掉线的故障设备。当整个配电网出现故障时，智能设备可以自动隔离故障区域，恢复无故障区域的供电，实现配电网的自我修复功能。同时，该智能设备可以诊断局部节点的设备。利用馈线和设备的实时数据，检测出薄弱环节或可能的故障环节，及时报警，并采取相应的预防措施进行连接［13］。

3 保护及控制策略

3.1 继电保护策略

在智能配电网中光以太网和智能设备，采用电流差动保护法作为继电保护算法，具有操作简单，可靠性好，能快速保护和免受电力系统干扰等优点。但对于高阻抗故障，此算法将失效。由于这种方法需要大量的信息传输，所以当通信网络拥塞时，保护时间会过长。因此，很难满足配电网保护的实时性要求。为了克服传统电流瞬时跳闸保护无法保护整条线路的缺点，提出了方向电流保护算法。这种保护算法仅当保护方向与下行保护方向相反时才会起作用。因此，保护具有选择性。当输入电压接近零或非常小的相位故障时，这种保护不起作用，称为“截止电压”。当通信过程受到某种方式的干扰时，智能设备接收到的下行电流的方向可能与实际电流方向相反，本地保护的操作可能会失败。因此，主保护选择电流差动保护和方向电流保护，提高保护可靠性。最后的保护输出是通过执行“或”操作获得的。通信网络故障时，选择过流保护作为常规的电流跳闸保护。

图3 智能配电网保护图

方向电流保护过程如下：从总线到馈线的方向被认为是正向方向，从馈线到总线的方向被认为是负方向的。如图3所示，当BC段中K1发生停电故障时，IED2和IED2都能感觉到故障电流，但其电流方向为正方向，因此下行IED2将通过通信网络锁定上行IED1，保护IED1不运行。如果DG容量较小，IED3不会感觉到故障电流，也不会感觉到IED2的阻塞信号。IED2起保护作用。如果DG容量大，IED3能感觉到故障电流，但感觉故障电流的方向为负。IED3不会将阻塞信号发送到IED2。所以保护IED2起保护作用。因此，只有当智能配电网分布式电源相邻馈线或本地馈线出现故障时，方向电流保护算法才能成功运行［14～16］。

电流差动保护过程如下：如图3所示，当BC段故障的K1时，IED1中的电流与通信网络中IED2电流及L1电流总和相比。如果电流的差异不超过指定值，IED2起保护作用。当前其他保护的差异都不超过指定值，则不起作用。

当保护系统起作用后，经过一段时间的延迟。然后各自子系统保护开始，并且各自开关被关闭。如果IED没有诊断故障，故障类型为瞬态故障，配电网恢复正常运行。如果IED仍在诊断故障，则故障类型为永久性故障。各自子系统保护行动重新开启，相应的断路器也将打开。

在保护动作后，通过通信网络，相应的IED通知下行分布式网络，上游分布式电源将留在网络中。例如，当DE段K2发生故障时，IED4将远程控制命令发送到DG1，以便从网络退出，因为它是一个上游分布式电源，并且不会将远程控制命令发送到IED6，DG1仍然有效。

3.2 故障隔离与恢复供电

如图3所示，当连接到线性系统的BC段中K1发生永久故障，IED2打开并锁定断路器2。同时，IED2将打开和锁定命令发送到IED3和断路器3，并被打开及锁定，从而实现了故障隔离。由于DE段是非故障区域，因此需要恢复电源。IED5和IED7-9将向电力系统端的IED10发送恢复电源命令。IED10关闭环路交换机10，DE段由新的电源系统2提供。但是，当产系统1中发生永久故障时，电源的连续性就会中断。因此，智能配电网连接在环路主配电系统中，系统2和系统3将保证电源的连续性，以防发电系统1发生永久故障。例如，当系统1发生故障时，IED1-3将恢复电源命令发送到 IED4，因此 IED4将关闭环路开关，IED1-3由系统2配置。同时IED14和IED15将恢复电源命令发送到IED13，以便关闭环路交换机1，IED14-15从系统3供电。当DE段中的K2发生故障，IED7和IED8预测故障点位于节点7和节点8之间，但节点7和节点8中的开关无法切断故障电流。IED7将直接跳转命令发送到IED5，IED5打开断路器5。如果IED7检测馈线中没有电压，则打开节开关7。在延迟时间段后，断路器5重新被关闭。然后，节开关7也关闭。如果检测到的故障是瞬态类型，则配电网恢复工作。如果检测到的故障是永久性类型，IED7再次监测到故障电流，并将直接跳转命令发送到IED5。断路器5重新被打开。节点5及节点7之间工作段恢复供电。同时，IED8将恢复电源命令发送到IED10，环路交换机10被关闭，并从系统3供电。节点8及节点10之间工作段恢复供电。

3.3 故障隔离后续保护

当BC段中K1发生故障，断路器2和断路3隔离故障部分和DE部分是由电力系统2供电。对于具有更多电源和更多分支的配电网，馈线和电源容量的负载水平、负载量、容限电流容量必须整体考虑。通过不同智能设备的交互信息，构建新的网络结构［17］。

在网络重构后，智能设备之间的关系发生了变化。例如，当BC段中的K1发生故障，在网络重新配置之前，节点5是节点7的上行节点，节点7是节点8的上行节点。在网络重构后，节点5是节点7的下行节点，节点7是节点8的下行节点。在方向电流保护中，下游节点检测故障电流锁定上有节点进行保护的方案必须修改。修改后的方案是节点5锁定节点7，节点7锁定节点8，从而实现了保护复位。