CN112290518A - 一种基于5g通信的智能分布式馈线保护方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法及***，利用5G无线通信具备低时延高带宽的技术特点实现配电终端之间的通信以及向上位机的通信，分别针对分布式馈线***中开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路进行保护，在线路故障发生后实现无线信息交互，自动完成故障区间的定位、隔离和转供电，既能弥补传统馈线保护存在的隔离和切除故障时间久的缺陷，同时也能替代基于光纤通信的差动保护，无需工程施工铺设光纤线路，减少建设成本。

Description

一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法及***
技术领域
本发明涉及电力***继电保护技术领域，尤其涉及一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法及***。
背景技术
目前国内的配电自动化在不同的应用场景有三种方式，一是依靠配网主站来进行逻辑判断的主站集中式馈线自动化(Feeder Automation，FA)，二是以“电压-时间”型为代表的就地重合器模式，三是利用配电终端间的横向对等通信，由终端就地完成故障处理的智能分布式FA。集中式FA的故障处理时间为十秒左右，而就地重合器模式在原理上就要依靠变电站出线开关率先动作，均将造成整条配网线路停电，对供电可靠性影响较大。
智能分布式FA与集中式FA相比，故障隔离及恢复的逻辑不再由配网主站实现，而是由配电终端通过相互间的通信来实现，从而达到快速且准确定位隔离故障点的目标，不再造成全线停电，从而明显提高供电可靠性。但由于在智能分布式FA依赖于装置间的通信，且对通信的实时性和可靠性要求较高，目前多采用光纤来充当通信介质，但是光纤分布式馈线保护存在光纤布线难、工程施工难度大、投入成本高的问题，基于光纤的智能分布式FA的推广和应用受到了限制。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法及***，利用5G无线通信具备低时延高带宽的技术特点实现配电终端之间的通信以及向上位机的通信，能够在线路故障发生后实现无线信息交互，自动完成故障区间的定位、隔离和转供电，既能弥补传统馈线保护存在的隔离和切除故障时间久的缺陷，同时也能替代基于光纤通信的差动保护，无需工程施工铺设光纤线路，减少建设成本。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法，包括步骤：
对馈线线路的电流进行实时检测；
当馈线线路发生过流故障时，计算故障信息并提取故障信息特征，采用基于5G通信的信道传输订阅故障信息；
根据所检测到的故障信息特征、接收到的订阅故障信息、以及馈线线路的拓扑结构，自动定位出故障区间；
自动分闸、隔离故障、并发出故障控制指令；
故障隔离成功后，上传动作信息和故障定位信息。
进一步的，包括针对开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路的保护方法。
进一步的，所述针对开环运行的馈线线路，计算故障信息并提取故障信息特征，包括计算故障电流是否超出电流整定值。
进一步的，所述针对开环运行的馈线线路，自动定位出故障区间，包括通过与相邻单元的是否有故障信息进行比对，判断有故障信息单元的最末端线路或者有故障信息单元与相邻后端无故障信息单元间的区段为故障区间。
进一步的，所述针对闭环运行的馈线线路，计算故障信息并提取故障信息特征，包括计算故障电流是否超出电流整定值，并判断故障分量的方向。
进一步的，所述针对闭环运行的馈线线路，自动定位出故障区间，包括通过与相邻单元的是否有故障信息进行比对，判断有故障信息单元的最末端线路或者有故障信息单元与相邻后端无故障信息单元间的区段为故障区间；以及判断故障分量的方向。
进一步的，所述判断故障电流分量的方向，包括以母线流向支线的方向为正方向，
如果母线进线处检测到故障并且故障正序分量方向为负方向，则故障位于母线进线侧；
如果母线出线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，则故障位于母线出线侧；
如果母线的分支线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，则故障位于分支线；
如果母线进线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，母线出线处到故障并且故障正序分量方向为负方向，并且母线的分支线处无故障，则故障位于该母线线路。
进一步的，所述采用基于5G通信的信道传输订阅故障信息，包括采用基于UDP传输的GOOSE或R-GOOSE协议进行传输。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于5G通信的智能分布式馈线保护***，包括智能馈线保护单元和联络转供智能单元；所述智能馈线保护单元包括检测模块、计算模块、通信模块、定位模块、和动作模块；其中，
所述检测模块，对馈线线路的电流进行实时检测；
所述计算模块，计算故障信息并提取故障信息特征；
所述通信模块，采用基于5G通信的信道在各个智能馈线保护单元之间传输订阅故障信息和传输故障控制指令，并在故障隔离成功之后，向所述联络转供智能单元上传动作信息和故障定位信息；
所述定位模块，根据所检测到的故障信息特征、接收到的订阅故障信息、以及馈线线路的拓扑结构，自动定位出故障区间；
所述动作模块，实施自动分闸和隔离故障；
所述联络转供智能单元，接收所述动作信息和故障定位信息，实现供电线路的复电与择优转供电。
进一步的，该保护***实施针对开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路的保护。
综上所述，本发明提供了一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法及***，利用5G无线通信具备低时延高带宽的技术特点实现配电终端之间的通信以及向上位机的通信，分别针对分布式馈线***中开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路进行保护，在线路故障发生后实现无线信息交互，自动完成故障区间的定位、隔离和转供电，既能弥补传统馈线保护存在的隔离和切除故障时间久的缺陷，同时也能替代基于光纤通信的差动保护，无需工程施工铺设光纤线路，减少建设成本。
附图说明
图1是本发明基于5G通信的智能分布式馈线保护方法的流程图；
图2是本发明开环运行模式的馈线线路结构示意图；
图3是本发明闭环运行模式的馈线线路结构示意图；
图4是本发明配网馈线线路基于5G通信的网络设置框图；
图5是本发明基于5G通信的智能分布式馈线保护***的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法，该保护方法的流程图如图1所示，具体来说，包括如下步骤：
利用智能馈线保护单元对馈线线路的电流进行实时检测。
当馈线线路发生过流故障时，智能馈线保护单元检测到过流故障，立刻开始计算故障信息并提取故障信息特征，启动智能馈线保护单元之间的信息交互。所述智能馈线保护单元之间的信息交互采用基于5G通信的信道进行传输，实现各个订阅信息的智能馈线保护单元的数据交互。采用基于5G通信的信道传输订阅故障信息，可以包括采用基于UDP传输的GOOSE或R-GOOSE协议进行传输。
所述智能馈线保护单元在数据交互完毕后，根据所检测到的故障信息特征、接收到的订阅的智能馈线保护单元故障信息、以及馈线线路的拓扑结构，自动定位出故障区间。
已确定出故障区间的智能馈线保护单元实施自动分闸、隔离故障，并发出故障控制指令或信息，通知故障区间段的其它智能馈线保护单元控制分闸并隔离故障区间。
智能馈线保护单元在故障隔离成功后，将动作信息和故障定位信息上传至联络转供智能单元，由联络转供智能单元实现供电线路的复电与择优转供电。
该实施例提供的保护方法，分别针对不同的配电馈线线路运行方式进行保护，包括针对开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路的保护。以下分别进行说明。
针对开环运行的馈线线路，计算故障信息并提取故障信息特征时，智能馈线保护单元只需要在过流故障时对故障电流是否超出电流整定值判断出该单元有无故障，智能分布式馈线保护单元间的交互信息仅涉及本单元有无故障信息。在自动定位出故障区间阶段，智能分布式馈线保护单元通过与相邻单元的有无故障信息进行比对，判断有故障信息单元的最末端线路或者有故障信息单元与相邻后端无故障信息单元间的区段为故障区间。
针对闭环运行的馈线线路，计算故障信息并提取故障信息特征时，智能馈线保护单元需在判断故障有无的基础上增加故障分量的方向判断，并将该信息一起作为交互信息合并传输。在自动定位出故障区间阶段，智能馈线保护单元在判断故障有无的基础上需要增加故障分量的方向判断，判断故障有无的步骤与上文中所述的开关运行的馈线线路的步骤相同；故障分量的方向判断方法如下：以母线流向支线的方向为正方向，如果母线进线处检测到故障并且故障正序分量方向为负方向，则故障位于母线进线侧；如果母线出线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，则故障位于母线出线侧；如果母线的分支线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，则故障位于分支线；如果母线进线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，母线出线处到故障并且故障正序分量方向为负方向，并且母线的分支线处无故障，则故障位于该母线线路。
图2和图3中示出了典型的开环运行模式的馈线线路结构示意图和闭环运行模块的馈线线路结构示意图。根据故障点的不同，智能分布式FA的处理策略不同。
如图2所示，针对开环运行模块的馈线线路，包括如下故障处理策略：
(1)变电站出口线路故障(F1点)
当变电站出线到智能配电终端(STU，以下简称为STU)的进线F1点处发生故障时，STU1和STU2控制器在各个线路均未检测到故障电流，变电站保护断路器CB1在经过延时后保护跳闸，切除故障。STU1和STU2检测到失压后，STU1控制开关K1分闸并闭锁合闸，STU2检测到失压启动联络开关K5合闸，进行联络转供，恢复非故障区间的供电。
(2)内部母线故障(F2处)
当STU1内部母线F2点处发生故障时，STU1的开关K1检测到故障电流，而开关K2和K3均为检测到故障电流，STU1判定故障发生在内部母线上，启动开关K1、K2和K3分闸并闭锁合闸，STU2检测到失压并且未检测到故障电流，启动K5进行联络转供，恢复非故障区间的供电。
(3)内部馈出线故障(F3处)
当STU1内部馈出线F3点处发生故障时，STU1的馈线分支开关K3检测到故障电流，而开关K1和K2均为检测到故障电流，STU1判定故障为内部馈出线故障，只启动开关K3分闸并闭锁合闸，直接切除并隔离故障。STU2未失压并且未检测到故障电流不动作。
(4)STU间主干线故障(F4处)
当STU1和STU2直接的主干线F4点处发生故障时，STU1的出线开关K2检测到故障电流，而开关K1和K2均为检测到故障电流，并且通过通信交互，STU2各个开关都未检测到故障电流，STU1判定STU间主干线故障线故障，启动开关K2和K4分闸并闭锁合闸，直接切除并隔离故障。STU2检测到失压并且未检测到故障电流，启动K5进行联络转供，恢复非故障区间的供电。
“H型”双环网是对负荷密度大、对可靠性要求较高的城市核心区域主要采用的一种配电网架结构，其典型结构如图3所示。由于闭环网采用了双电源供电，故障电流的检测需要增加方向元件辅助判据。其中采用故障分量的方向元件及方向性保护原理简单可靠并且优势明显。利用故障分量方向元件的保护基本原理就是比较保护装设处故障分量的电压和电流的相位。而该方法较传统方法优越性十分明显，所以对故障区间的判别方法采用的是过流保护和故障分量方向元件两者相结合。
如图3所示，针对闭环运行模块的馈线线路，包括如下故障处理策略：
(1)变电站出口线路故障(F1点)
当变电站出线到STU的进线F1点处发生故障时，STU1、STU3和STU5控制器均可检测到故障电流，这时再比较K1和K12的故障分量元件方向，规定电流的正方向为母线CB1指向被保护线路。那么，K1和K12的故障分量元件方向都为反方向，故障发生在K1背侧。STU1直接控制K1跳闸，母线CB1检测到故障后自动跳闸，这样就切除并隔离了故障。
(2)内部母线故障(F2处)
当STU1内部母线F2点处发生故障时，比较各个开关在故障时刻的故障分量元件方向。那么，K1的故障分量元件方向都为正方向而其他开关(K2、K6、K7、K11、K12、K16)的故障分量元件方向都为反方向，故障发生在K1与K2以及K1与K16区间(即STU1内部母线上)。STU1直接控制K1、K2以及K16跳闸并闭锁分闸，这样在母线CB检测到故障自动跳闸前，就切除并隔离了故障。
(3)内部馈出线故障(F3处)
当STU1内部馈出线F3点处发生故障时，比较各个开关在故障时刻的故障分量元件方向。那么，K1和K16的故障分量元件方向为正方向而其他开关(K2、K6、K7、K11、K12)的故障分量元件方向都为反方向，故障点位于K16线路末端，故STU1控制K16自动分闸并闭锁合闸，就切除并隔离了故障。
(4)STU间主干线故障(F4处)
当STU1和STU3直接的主干线F4点处发生故障时，比较各个开关在故障时刻的故障分量元件方向。那么，K1和K2的故障分量元件方向为正方向而其他开关(K6、K7、K11、K12、K16)的故障分量元件方向都为反方向，故障点位于K2与K6之间的线路，故STU1控制K2分闸并闭锁合闸，故STU2控制K6分闸并闭锁合闸，就切除并隔离了故障。
图4示出了本实施例中涉及的配网馈线线路基于5G通信的网络设置框图，如图4所示，基于5G通信分布式实现方式为每个开关间隔配置一台分散式DTU，每个开关柜配一台光交换机、5G无线路由及一台公共单元，各分散式DTU通过以太网与光交换机连接，光交换机再与5G无线路由连接，开关柜之间通过无线路由组成5G无线局域网，实现信息交互，分式DTU通过网口与公共单元连接，公共单元通过5G路由器通信与主站实现信息交互。在局部的环网柜内，各个单元可以通过有线的方式连接，采用基于MAC传输的GOOSE通信协议，实现柜内间隔单元间的信息互订阅和柜内的小分布保护，提升通信和***可靠性。对于柜与柜间的信息交互或者架空线上各个分布式终端间的交互则采用5G的无线网络，采用基于UDP传输的GOOSE或者R-GOOSE协议实现单元间的信息互订阅和馈线线路的主分布式保护。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种基于5G通信的智能分布式馈线保护***，该***的结构框图如图5所示，包括智能馈线保护单元和联络转供智能单元。所述智能馈线保护单元包括检测模块、计算模块、通信模块、定位模块、和动作模块；其中，
所述检测模块，对馈线线路的电流进行实时检测；
所述计算模块，计算故障信息并提取故障信息特征；
所述通信模块，采用基于5G通信的信道在各个智能馈线保护单元之间传输订阅故障信息和传输故障控制指令，并在故障隔离成功之后，向所述联络转供智能单元上传动作信息和故障定位信息；
所述定位模块，根据所检测到的故障信息特征、接收到的订阅故障信息、以及馈线线路的拓扑结构，自动定位出故障区间；
所述动作模块，实施自动分闸和隔离故障；
所述联络转供智能单元，接收所述动作信息和故障定位信息，实现供电线路的复电与择优转供电。
该保护***实施针对开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路的保护。所针对的开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路的保护策略，与本发明第一个实施例中所描述的保护方法策略相同，在此不再赘述。
综上所述，本发明涉及一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法及***，利用5G无线通信具备低时延高带宽的技术特点实现配电终端之间的通信以及向上位机的通信，分别针对分布式馈线***中开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路进行保护，在线路故障发生后实现无线信息交互，自动完成故障区间的定位、隔离和转供电，既能弥补传统馈线保护存在的隔离和切除故障时间久的缺陷，同时也能替代基于光纤通信的差动保护，无需工程施工铺设光纤线路，减少建设成本。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于5G通信的智能分布式馈线保护方法，其特征在于，包括步骤：
对馈线线路的电流进行实时检测；
当馈线线路发生过流故障时，计算故障信息并提取故障信息特征，采用基于5G通信的信道传输订阅故障信息；
根据所检测到的故障信息特征、接收到的订阅故障信息、以及馈线线路的拓扑结构，自动定位出故障区间；
自动分闸、隔离故障、并发出故障控制指令；
故障隔离成功后，上传动作信息和故障定位信息。
2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，包括针对开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路的保护方法。
3.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于，所述针对开环运行的馈线线路，计算故障信息并提取故障信息特征，包括计算故障电流是否超出电流整定值。
4.根据权利要求3所述的保护方法，其特征在于，所述针对开环运行的馈线线路，自动定位出故障区间，包括通过与相邻单元的是否有故障信息进行比对，判断有故障信息单元的最末端线路或者有故障信息单元与相邻后端无故障信息单元间的区段为故障区间。
5.根据权利要求4所述的保护方法，其特征在于，所述针对闭环运行的馈线线路，计算故障信息并提取故障信息特征，包括计算故障电流是否超出电流整定值，并判断故障分量的方向。
6.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于，所述针对闭环运行的馈线线路，自动定位出故障区间，包括通过与相邻单元的是否有故障信息进行比对，判断有故障信息单元的最末端线路或者有故障信息单元与相邻后端无故障信息单元间的区段为故障区间；以及判断故障分量的方向。
7.根据权利要求6所述的保护方法，其特征在于，所述判断故障电流分量的方向，包括以母线流向支线的方向为正方向，
如果母线进线处检测到故障并且故障正序分量方向为负方向，则故障位于母线进线侧；
如果母线出线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，则故障位于母线出线侧；
如果母线的分支线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，则故障位于分支线；
如果母线进线处检测到故障并且故障正序分量方向为正方向，母线出线处到故障并且故障正序分量方向为负方向，并且母线的分支线处无故障，则故障位于该母线线路。
8.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述采用基于5G通信的信道传输订阅故障信息，包括采用基于UDP传输的GOOSE或R-GOOSE协议进行传输。
9.一种基于5G通信的智能分布式馈线保护***，其特征在于，包括智能馈线保护单元和联络转供智能单元；所述智能馈线保护单元包括检测模块、计算模块、通信模块、定位模块、和动作模块；其中，
所述检测模块，对馈线线路的电流进行实时检测；
所述计算模块，计算故障信息并提取故障信息特征；
所述通信模块，采用基于5G通信的信道在各个智能馈线保护单元之间传输订阅故障信息和传输故障控制指令，并在故障隔离成功之后，向所述联络转供智能单元上传动作信息和故障定位信息；
所述定位模块，根据所检测到的故障信息特征、接收到的订阅故障信息、以及馈线线路的拓扑结构，自动定位出故障区间；
所述动作模块，实施自动分闸和隔离故障；
所述联络转供智能单元，接收所述动作信息和故障定位信息，实现供电线路的复电与择优转供电。
10.根据权利要求9所述的保护***，其特征在于，该保护***实施针对开环运行的馈线线路和闭环运行的馈线线路的保护。
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