CN103022993B - 基于goose的自适应级联方向闭锁继电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法，包括：1)根据初始闭锁方向整定规则设定各保护单元的初始闭锁方向；2)方向元件判别当前故障电流方向，方向比较器将其与初始闭锁方向进行比较，判断二者方向是否相同，若是，则执行步骤3)，若否，则选通IN2，并向OUT2输出闭锁信号；3)方向比较器选通IN1，并向OUT1输出闭锁信号，此时输出信号方向与初始闭锁方向相反；4)接收虚端子判断是否接收到闭锁信号，若是，则闭锁，若否，则执行步骤5)；5)过流元件判断当前故障电流是否超过本地过流保护起动定值，若是，则发出跳闸信号。与现有技术相比，本发明具有保证***安全可靠运行、适用性好等优点。

Description

基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法

技术领域

本发明涉及一种智能配电网的保护方法，尤其是涉及一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法。

背景技术

传统配电网采用辐射形拓扑，并由单侧电源供电，其继电保护也是以此架构为基础而设计。

然而对于接入大量分布式电源(Distributed Generation，DG)的智能配电网，运行特性将发生明显改变，例如功率双向流动、环形供电以及短路电流特征的变化等。由于故障点双端均有故障电流流入，将造成故障电流流经沿途各处保护误动，这对现有保护***带来了很大挑战。

根据保护原理是否依赖于通信技术，可将现有的智能配电网保护方案分为两大类。第一类保护方案仅利用站内所采集的信息，由于不依赖站间通信，故在可靠性与成本方面有明显优势。但由于配电网地理分布区域小、线路短，使得无论采用电压、电流、阻抗或导纳等相量作为特征量，定值配合都非常困难，难以正确识别区内外故障。而对于仅利用线路单端电气量的无通道保护，对于含分布式电源的闭环配电网，***不平衡度原理不适用于对称性故障，而电流二次突变量原理又存在整定困难。所以，对于对称故障以及不同DG渗透率等情况，该方案的自适应性与可靠性仍需做进一步研究。

第二类保护方案需要各级保护之间利用通信交换实时信息。根据所交换信息的类型，又可以分为两类。一类交换模拟量信息，如利用数字式差动保护原理实现微电网保护。但该方案需要克服同步采样、双/多端实时交互大量采样信息、配电网内设备差异较大等问题，近期实用化具有很大困难。另一类仅交换逻辑量信息，如保护的方向判别结果，由于无需同步采样且对通信带宽要求低，具备更高的实用性。但其对于配网变电站低压侧母线和微网公共连接点处发生故障没有很好的解决办法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种保证***安全可靠运行、适用性好的基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法(GOOSE-based Adaptive Directional Interlocking Scheme，简称GADIS)。该方法能适应含多个微网的闭环配电网，在配电网线路和母线、微网内部母线以及配电网公共连接点等处发生故障时，皆能快速切除故障。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法，该方法利用自适应级联方向闭锁策略实现含分布式电源接入的智能配电网的继电保护，所述的智能配电网内设有多套保护单元，所述的多套保护单元间通过GOOSE协议传递闭锁信号，所述的保护单元包括方向元件、过流元件、方向比较器、发送虚端子和接收虚端子；所述的方法具体包括以下步骤：

1)根据初始闭锁方向整定规则设定各保护单元的初始闭锁方向；

2)方向元件判别当前故障电流方向，方向比较器将其与初始闭锁方向进行比较，判断二者方向是否相同，若是，则执行步骤3)，若否，则通过发送虚端子输出与初始闭锁方向同方向的闭锁信号；

3)方向比较器通过发送虚端子输出与初始闭锁方向反方向的闭锁信号；

4)接收虚端子判断是否接收到闭锁信号，若是，则闭锁，若否，则执行步骤5)；

5)过流元件判断当前故障电流是否超过本地过流保护起动定值，若是，则发出跳闸信号。

所述的发送虚端子和接收虚端子设有两组、四个，分别向线路上、下游发送闭锁信号。

所述的初始闭锁方向整定规则具体为：

A、环网中线路断路器的保护单元初始闭锁方向为从下游(远离变电站)指向上游(靠近变电站)；

B、DG并网断路器的保护单元初始闭锁方向为从线路指向DG；

C、配电变电站断路器的保护单元初始闭锁方向为指向大电网。

所述的智能配电网发生异常时，通过以下方式处理：

a、保护单元利用GOOSE的心跳报文机制进行信道自检，一旦检测到通信失效，则自主增大跳闸信号的出口延时定值，同时发送告警信号，当检测到通信正常后，保护单元瞬时将跳闸信号的出口延时定值返回原始值；

b、若断路器失灵，则失灵元件动作，通知方向比较元件停止发送闭锁信号；

c、若保护单元的电压互感器二次回路断线，导致保护单元的过流元件无法启动，则断线检测模块动作，通知方向比较元件停止发送闭锁信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)适应性。能适应含多微网的配电网，支持闭环运行方式，允许配电网工作于孤岛、并网两种模式，并在故障后尽可能减少停电范围。

2)开放性。利用成熟、标准化的GOOSE通信技术交换方向闭锁信号，易于实现保护之间的互操作，且占用通信带宽较低。

3)协同性和快速性。能够根据故障位置自适应改变闭锁方向，并与上下游保护协同配合。对于配电网线路和母线故障、微网内部母线故障、变电站低压母线以及配电网PCC等各处故障，均能快速切除。

4)自治性与可靠性。在发生PT断线、断路器失灵等异常情况时，也能可靠切除故障；当部分甚至全部通信链路失效时，能够自主增大动作延时并依靠本地信息进行决策，防止误动或拒动。

附图说明

图1为GADIS保护原理示意图；

图中，(a)为配电网正常运行时的示意图；(b)为故障方向判断示意图；(c)为故障后新的闭锁方向示意图。

图2为初始闭锁方向整定规则示意图；

图3为闭环配电网拓扑图；

图4为F1点故障时各保护闭锁方向变化示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法，该方法考虑智能配电网基本特点，依照故障电流与闭锁信号间的方向关系自适应调整闭锁方向，从而达到保护准确配合与选择性隔离故障的目的，构成简单实用的智能配电网保护***。所述的智能配电网内设有多套保护单元(Protective Relay，PR)，所述的多套保护单元间通过GOOSE协议传递闭锁信号，如图1所示，所述的每套保护单元(PR)包括方向元件、过流元件、方向比较器以及两组、四个GOOSE虚端子。其中，OUT1、OUT2为发送虚端子，IN1、IN2为接收虚端子，第一组虚端子IN1、OUT1负责向下游方向闭锁，分别用于从上游接收和向下游发送闭锁信号。信号1代表闭锁，0代表取消闭锁；第二组虚端子IN2、OUT2则负责闭锁上游方向。在物理上可以用一根光纤或宽带电力线通信完成GOOSE收发。方向元件、方向比较器与发送虚端子共同构成PR闭锁信号输出模块，过流元件与接收虚端子共同构成本地断路器跳闸信号输出模块，各模块均基于IEC 61131-3建立相关功能的逻辑方程。

故障发生时，所述的继电保护方法具体包括以下步骤：

1)根据初始闭锁方向整定规则设定保护单元的初始闭锁方向；

2)方向元件判别故障方向，然后由方向比较器将其与初始闭锁方向进行比较，判断二者方向是否相同，若是，则执行步骤3)，若否，则选通IN2，并向OUT2输出闭锁信号，此时输出信号方向与初始闭锁方向相同；

3)方向比较器选通IN1，并向OUT1输出闭锁信号，此时输出信号方向与初始闭锁方向相反；

4)接收虚端子判断是否接收到闭锁信号，若是，则闭锁，若否，则执行步骤5)；

5)过流元件判断当前故障电流是否超过本地过流保护起动定值，若是，则发出跳闸信号。

对于任意保护，其跳闸条件为本地过流保护起动，并且未收到闭锁信号，判据如下：

Trip＝NOT(LockingSignal)AND(I＞I_th)

式中，LockingSignal指收到的闭锁信号，I_th为本地过流保护起动定值，按躲最大负荷整定。

图1阐述了所发明GADIS方案的基本原理，配电网正常运行时，保护的初始闭锁方向为从下游指向上游，即PR3.OUT2→PR2.IN2、PR2.OUT2→PR1.IN2，如图1(a)。当F1处发生故障时，PR1、PR2、PR3的过流元件皆起动，PR1的故障方向异于闭锁方向，而PR2、PR3的故障方向同于闭锁方向，如图1(b)。根据表1的自适应方向闭锁规则，PR1继续向初始闭锁方向发送闭锁信号，而PR2、PR3则向初始闭锁方向的反方向发送闭锁信号，如图1(c)所示。此时，PR1、PR2将发出跳闸命令，F1处故障被成功隔离。而PR1的上游保护、PR3及其下游保护则被级联闭锁。

表1自活应方向闭锁规则

如图2所示，所述的初始闭锁方向整定规则具体为：

A、环网中线路断路器(图中A所示)初始闭锁方向为从下游(远离变电站)指向上游(靠近变电站)；

B、DG并网断路器(图中B所示)初始闭锁方向为从线路指向DG；

C、配电变电站断路器(图中C所示)初始闭锁方向为指向大电网。

所述的智能配电网发生异常时，通过以下方式处理：

a、如果通信失效后发生区外故障，保护会因收不到闭锁信号而误动。本方案利用GOOSE的心跳报文机制，可在1s左右探测到通信失效，并自动增大t1定值(如增大至0.6s)以防止保护误动，同时发送告警信号。当外部故障被切除后，本保护瞬时返回。

b、如果区内故障但断路器失灵，断路器失灵元件动作，通知方向比较模块停发闭锁信号，这样，沿闭锁方向的上一级保护因收不到闭锁信号而以近后备或远后备方式动作并切除故障。

c、如果区内故障时电压互感器二次回路断线，PT断线监测元件动作，通知方向比较模块停发闭锁信号，这样，沿闭锁方向的上一级保护因收不到闭锁信号而以近后备或远后备方式动作并切除故障。

图3为闭环智能配电网，其中，配电区域1、3、5内含有DG，配电区域1、3、5内含有DG和负荷，可视为单/多设施级微网；区域2、4、6中仅接入负荷；而整个智能配电网可视为变电站级微网，具备自治性和孤岛运行能力，配电变电站为公共连接点(PCC)。环路开关S处于闭合状态。各保护的初始闭锁方向如图3中箭头所示。

图3中共有6处故障点，其中，F1、F5为配电网线路故障；F2～F4为微网、配电网、变电站低压侧的母线故障；F6为配电网PCC处故障。，本实施例将在配电网孤岛运行方式、并网运行方式以及异常情况下以上述6处故障点为例阐述本发明方法的具体操作过程。

(1)孤岛运行方式

A、线路故障

区域1-2间线路发生故障时(F1点)，各保护自适应地改变闭锁方向，如图4所示。由于PR1.2、PR2.1的IN口均收不到闭锁信号，因此均发出跳闸命令并成功隔离故障。此时配电网开环运行，但区域1～6仍持续供电。

B、母线故障

微网内母线故障时(图3中F2点)，PR1.3改变闭锁方向，而PR1.4保持不变。由于二者闭锁方向相背，均收不到闭锁信号，故皆动作于跳闸并切除故障。这样，故障微网(区域1)进入停电检修状态，但配电网其余部分仍保持闭环运行。

而若故障发生在配网母线(图3中F3点)，依照闭锁规则，PR5.2改变闭锁方向，PR5.1和PR5.3保持不变，于是三者均因无闭锁信号而动作。此时，由于PR5.4仍被上游信号闭锁而不会误切DG，因此区域5的微网运行于孤岛状态，而配电网开环运行。

C、合环开关故障

当合环开关S处发生故障时(图3中F5点)，PR3.2和PR6.2依照规则动作并切除故障。此时配电网开环运行。

(2)并网运行方式

A、配电网内部故障

闭环配电网本身具有双向潮流特性，因此与孤岛模式相比，并网模式仅在故障电流水平上有所不同，不会对保护动作结果造成影响。因此对于配网内部故障(F1～F5点)，经分析可知与孤岛时的操作方式相同。

B、变电站低压母线故障

配网变电站低压侧母线故障时(图3中F4点)，保护PR1与PR2检测到故障电流与初始闭锁方向相同，因此同时改变闭锁方向。由于二者均收不到对方的闭锁信号，PR1、PR2动作于跳闸将故障母线隔离，此时整个配电网进入孤岛运行状态，并开环运行。

C、配电网公共连接点故障

故障发生在变电站低压侧(图3中F6点)时，故障电流与PR_LV初始闭锁同向，PR_LV反向发出闭锁信号。由于PR_MV与PR_LV的闭锁方向相背，保护动作切除故障，此时整个配电网进入孤岛运行状态，但仍保持闭环运行。

(3)异常情况(以F1点故障为例)

A、PT断线

若PR1.2因PT断线而导致方向元件无法起动，则PR1.2无法向PR1.1、PR1.3发送方向闭锁信号。这样，PR1.1、PR1.3因收不到闭锁信号而动作并切除故障。所以，在PT断线时故障仍能被快速切除，但却导致区域1的微网进入孤岛状态。

B、断路器失灵

若F1点故障时PR1.2断路器失灵，则失灵元件动作，通知方向比较模块停止向PR1.1、PR1.3发送闭锁信号，于是PR1.1、PR1.3动作并切除故障。同样地，这导致区域1的微网进入孤岛状态。

C、通信失效

假设PR2.2、PR3.1之间的GOOSE通信中断，则PR3.1主动增大动作延时t1至0.6s，同时发出告警信号通知运行人员检修。若此后F1点发生故障，则虽然PR3.1收不到PR2.2的闭锁信号，但其不会误动。待F1点故障切除后，PR3.1保护随即瞬时返回。

Claims (4)

1.一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法，其特征在于，该方法利用自适应级联方向闭锁策略实现含分布式电源接入的智能配电网的继电保护，所述的智能配电网内设有多套保护单元，所述的多套保护单元间通过GOOSE协议传递闭锁信号，所述的保护单元包括方向元件、过流元件、方向比较器、发送虚端子和接收虚端子；所述的继电保护方法具体包括以下步骤：

1)根据初始闭锁方向整定规则设定各保护单元的初始闭锁方向；

2)方向元件判别当前故障电流方向，方向比较器将其与初始闭锁方向进行比较，判断二者方向是否相同，若是，则执行步骤3)，若否，则通过发送虚端子输出与初始闭锁方向同方向的闭锁信号；

3)方向比较器通过发送虚端子输出与初始闭锁方向反方向的闭锁信号；

4)接收虚端子判断是否接收到闭锁信号，若是，则闭锁，若否，则执行步骤5)；

5)过流元件判断当前故障电流是否超过本地过流保护起动定值，若是，则发出跳闸信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法，其特征在于，所述的发送虚端子和接收虚端子设有两组，分别向线路上、下游闭锁。

3.根据权利要求1所述的一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法，其特征在于，所述的初始闭锁方向整定规则具体为：

A、环网中线路断路器的保护单元初始闭锁方向为从下游指向上游；

B、DG并网断路器的保护单元初始闭锁方向为从线路指向DG；

C、配电变电站断路器的保护单元初始闭锁方向为指向大电网。

4.根据权利要求1所述的一种基于GOOSE的自适应级联方向闭锁继电保护方法，其特征在于，所述的智能配电网发生异常时，通过以下方式处理：

a、保护单元利用GOOSE的心跳报文机制进行信道自检，一旦检测到通信失效，则自主增大跳闸信号的出口延时定值，同时发送告警信号，当检测到通信正常后，保护单元瞬时将跳闸信号的出口延时定值返回原始值；

b、若断路器失灵，则通知方向比较器停止发送闭锁信号；

c、若保护单元的过流元件无法启动，则通知方向比较器停止发送闭锁信号。