一种有源配电网快速保护方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及配电网保护技术领域，并且更具体地，涉及一种有源配电网快速保护方法、装置及介质。

背景技术

以风电和光伏为代表的分布式电源的高度渗透和环网结构逐步增多，传统配电网由辐射型网络向多端有源网络转变，使得常见的三段式电流保护及基于过流原理的故障定位方式难以适用，而在输电网中得到成熟应用的电流差动保护在原理上要求两端电气量数据严格同步采集，不管是依赖光纤通信还是5G等无线通信，都有可能存在同步性能劣化的问题。传统相量差动保护将被闭锁，通常只能依靠三段式过流保护实现故障隔离，但此时线路两侧电流幅值仍是正确测量的，存在保护动作速度缓慢的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种有源配电网快速保护方法、装置及介质。

根据本发明的一个方面，提供了一种有源配电网快速保护方法，包括：

实时采集配电网各节点的电气量，其中电气量包括各节点自身电气量以及接收的对侧节点的电气量；

根据采集的各节点的电气量，判断两侧保护装置间通信是否正常；

在两侧保护装置间通信正常的情况下，将各节点的电气量传输至保护装置的中央控制决策单元，中央控制决策单元根据各节点的电气量计算电流幅值差；

根据电流幅值差以及预设的幅值差动保护判据，判断区内、区外故障，并在区内故障的情况下，保护装置的保护动作出口；

在两侧保护装置间通信异常或中断的情况下，由中央控制决策单元根据各节点的电气量计算负序电流二次突变量；

当本侧过流Ⅱ段保护连续动作且不返回时，判断为区内故障，根据负序电流二次突变量以及预设的过流Ⅱ段加速保护判据保护加速动作出口。

可选地，幅值差动保护判据为：

式中，

可选地，优先保证区外故障时，制动量I

式中，

可选地，当某配网线路MN区外故障时，线路送端侧M、受端侧N电流向量

式中，

可选地，当某配网线路MN区内故障时，线路送端侧M、受端侧N电流向量

式中，

可选地，保护加速动作出口条件为：过流Ⅱ段保护连续动作且不返回、负序电流幅值发生两次突变并且动作时间需躲过瞬时故障。

根据本发明的另一个方面，提供了一种有源配电网快速保护装置，包括：

采集模块，用于实时采集配电网各节点的电气量，其中电气量包括各节点自身电气量以及接收的对侧节点的电气量；

判断模块，用于根据采集的各节点的电气量，判断两侧保护装置间通信是否正常；

第一计算模块，用于在两侧保护装置间通信正常的情况下，将各节点的电气量传输至保护装置的中央控制决策单元，中央控制决策单元根据各节点的电气量计算电流幅值差；

保护动作出口模块，用于根据电流幅值差以及预设的幅值差动保护判据，判断区内、区外故障，并在区内故障的情况下，保护装置的保护动作出口；

第二计算模块，用于在两侧保护装置间通信异常或中断的情况下，由中央控制决策单元根据各节点的电气量计算负序电流二次突变量；

保护加速动作出口模块，用于当本侧过流Ⅱ段保护连续动作且不返回时，判断为区内故障，根据负序电流二次突变量以及预设的过流Ⅱ段加速保护判据保护加速动作出口。

根据本发明的又一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行本发明上述任一方面所述的方法。

根据本发明的又一个方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：处理器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现本发明上述任一方面所述的方法。

从而，本发明提出一种有源配电网电流幅值差动保护判据，可直接作为主保护，或传统相量差动保护的后备保护，在通信系统两侧数据同步性破坏或者劣化导致传统相量差动保护退出时，可仅利用两侧电流数据的幅值信息，为线路提供尽可能的保护。提出一种有源配电网新型快速综合保护方案，该方案可以适应不同的通信数据传输场景，当通信系统出现传输中断时，可采用相继速动保护加速传统过流保护Ⅱ段，保证在线路严重故障时断路器的快速动作。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1是本发明一示例性实施例提供的有源配电网快速保护方法的流程示意图；

图2是本发明一示例性实施例提供的有源配电网快速保护方法的另一流程示意图；

图3是本发明一示例性实施例提供的有源配电网示意图；

图4是本发明一示例性实施例提供的区外故障等效网络示意图；

图5是本发明一示例性实施例提供的区内故障等效网络示意图；

图6是本发明一示例性实施例提供的相继速动保护动作逻辑图；

图7是本发明一示例性实施例提供的10kV有源配电网PSCAD仿真模型图；

图8是本发明一示例性实施例提供的有源配电网快速保护装置的结构示意图；

图9是本发明一示例性实施例提供的电子设备的结构。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。

应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

还应理解，在本发明实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。

还应理解，对于本发明实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。

另外，本发明中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还应理解，本发明对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明实施例可以应用于终端设备、计算机系统、服务器等电子设备，其可与众多其它通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与终端设备、计算机系统、服务器等电子设备一起使用的众所周知的终端设备、计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境，等等。

终端设备、计算机系统、服务器等电子设备可以在由计算机系统执行的计算机系统可执行指令(诸如程序模块)的一般语境下描述。通常，程序模块可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。

示例性方法

图1是本发明一示例性实施例提供的有源配电网快速保护方法的流程示意图。本实施例可应用在电子设备上，如图1所示，有源配电网快速保护方法100包括以下步骤：

步骤101，实时采集配电网各节点的电气量，其中电气量包括各节点自身电气量以及接收的对侧节点的电气量；

步骤102，根据采集的各节点的电气量，判断两侧保护装置间通信是否正常；

步骤103，在两侧保护装置间通信正常的情况下，将各节点的电气量传输至保护装置的中央控制决策单元，中央控制决策单元根据各节点的电气量计算电流幅值差；

步骤104，根据电流幅值差以及预设的幅值差动保护判据，判断区内、区外故障，并在区内故障的情况下，保护装置的保护动作出口；

步骤105，在两侧保护装置间通信异常或中断的情况下，由中央控制决策单元根据各节点的电气量计算负序电流二次突变量；

步骤106，当本侧过流Ⅱ段保护连续动作且不返回时，判断为区内故障，根据负序电流二次突变量以及预设的过流Ⅱ段加速保护判据保护加速动作出口。

具体地，参考图2所示，一种有源配电网新型快速综合保护方案，具体包括以下步骤，图3为有源配电网拓扑结构示意图：

(1)利用数据采集装置实时采集配电网各节点的各电气量；

(2)判断两侧保护装置间通信是否正常，若正常，进行步骤(3)，若通信异常或中断，进行步骤(5)；

(3)将各节点电流幅值传输至中央控制决策单元；

(4)通信正常时，接收到对侧的电流幅值信息后，由中央控制决策单元计算得到电流幅值之差的绝对值，由幅值差动保护判据判定区内、区外故障，若为区内故障，保护动作出口；

(5)将各节点负序电流幅值传输至中央控制决策单元；

(6)通信异常或中断时，由中央控制决策单元计算得到负序电流二次突变量，由过流Ⅱ段加速保护判据判定区内、区外故障，若为区内故障，保护加速动作出口。

其中：

进一步地，步骤(4)中的幅值差动保护判据如下式：

式中，

优先保证区外故障时的安全性，I

式中，K

当某配网线路MN区外故障时，如图4，线路M、N两侧电流幅值

当某配网线路MN区内故障时，如图5，线路M、N两侧电流幅值

进一步地，步骤(6)中的过流Ⅱ段加速保护出口条件为：1)本侧过流Ⅱ段保护连续动作且不返回；2)检测到负序电流幅值发生两次突变；3)动作时间需躲过瞬时故障。如图6。

此外，以附图3为例，线路MN下游接有DG，并存在分支负荷。对应线路的MN段，若不计分布式电源控制特性，两侧电势被认为幅值相等，区外故障等效网络如图4所示。

对应线路首端和末端电源电势，分别为系统侧电源电动势和分布式电源侧电动势，Z

可见，当区外故障f

当区内f

式中，m为系统侧M等效阻抗与线路阻抗的比值，n为分布式电源侧N等效阻抗与线路阻抗的比值。系数β为故障点f

此时，线路M、N两侧保护检测到的故障电流相量分别为：

可见，当区内故障f

(2)过流Ⅱ段加速保护判据

当发生不对称故障时，相继速动保护基于负序电流二次突变的原理动作。配电网由正常运行状态变为故障状态，负序幅值分量发生第一次突变，对端断路器若能由Ⅰ段保护跳开故障相，必将引起负序幅值分量发生第二次突变，本端电流保护装置通过检测到负序分量的两次突变，即可构造基于负序电流二次突变量的相继速动保护判据。

相继速动保护和配电网中已有的过流三段式电流保护配合以保证选择性。故障发生后，仅当本侧过流Ⅱ段保护连续动作且不返回时，认定为区内故障，从而加速跳开本侧断路器；否则认定为区外故障，本侧断路器不动作。即为保护区内启动判据：

式中

结合相继速动保护在不对称故障时的突变量判据和区间判据，相继速动保护动作逻辑图如图7所示。

采用相继速动保护加速传统电流三段式保护的Ⅱ段，有望极大缩短动作时长。其整体用时：

t＝t

式中，t

(3)仿真结果

基于PSCAD/EMTDC仿真软件，搭建如图6的10kV含DG电缆配网模型，中性点经小电阻接地，接地电阻值为10Ω。其中，线路AM、MN、NO的长度分别为2、8、4km，负荷Ld1、Ld2、Ld3为1.5MV·A，功率因数为0.85；DG为逆变型，额定容量为1.5MV·A；线路单位正序阻抗均为0.088+j0.069Ω/km；K

a.区外故障

以线路MN为例，在其区外下游出口的f4处以及距离出口4km的f5处设置不同类型的金属性短路故障，考察判据在区外故障场景下的动作安全性。所提幅值差动保护方案动作情况如下：

表1区外故障时保护方案动作情况

动作情况：×表示保护不动作，√表示保护动作，下同。

对于区外故障，所提新型幅值差动保护方案在不同故障位置，故障类型的情况下均能正确不动作，显示出在区外故障场景的动作安全性。

b.区内故障

以线路MN为例，在其区内靠近母线M的f1处，线路中点f2处以及靠近母线N的f3处设置不同类型，不同过渡电阻的短路故障，考察判据在区内故障场景的动作灵敏性。所提的幅值差动保护方案在50Ω过渡电阻情况下动作情况如下：

表2区内50Ω过渡电阻故障时保护方案动作情况

对于区内故障，所提幅值差动保护方案在各种故障类型，过渡电阻的情况下均能正确动作。仿真后发现，较高过渡电阻时，所提方案依然可以快速准确动作，三相、两相接地以及单相接地故障的动作边界电阻均大于300Ω，两相故障的动作边界电阻大于450Ω。

c.考虑不同DG类型及渗透率的适应性验证

考虑不同类型DG及其在不同渗透率时的判据适应性，主要仿真验证DG处于弱送端时，其出力和故障后的控制策略是否会对动作的正确性产生影响。事实上，前面两个仿真中，总负荷4.5MV·A，逆变型电源出力(光伏)1.5MV·A，DG的渗透率已经达到百分之三十以上，结合实际情况，在下面的故障仿真中，增加了DG为风机的类型，针对光伏(PV)和双馈风机(DFIG)两种类型DG，考虑不同渗透率(以DG出力大小反映)，记录幅值差动保护的动作准确性和动作时间，具体如下表所示。

表3光伏型DG在不同渗透率时的保护动作情况

表4风机型DG在不同渗透率时的保护方案动作情况

可以看出，不同类型DG及不同渗透率时，所提幅值差动保护方案均能在10ms以内动作，验证了模型搭建的合理性。即未等到DG因机端电压骤降而发生控制策略变化，幅值差动保护已经正确判别区内外故障。在幅值差动保护理论分析所考虑的故障后时间段内，DG可以视为一般的系统电源，仅考虑其弱馈特性。

d.通信中断场景下的所提保护方案性能验证

以线路MN的M端为例，在区内靠近N端位置(距N端1km)，区外下级线路近端(距N端0.5km)和远端(距N端3.5km)分别设置金属性不对称故障，考察相继保护性能。对于区内外故障的表现特性。M处相继保护的启动与动作情况如下。

表5两相金属性故障时M处相继保护的启动与动作情况

区内靠近对端(N端)发生故障时，由于不在M端I段保护动作区，其相继速动保护启动，向断路器发动作信号，保证故障线路被切除。对端(N端)区外近区故障时，M端的相继速动保护虽然会启动，但在对端过流I段动作、相应断路器跳开后本端保护将返回。而对端区外远端故障时，M端的相继速动保护不启动，所区外故障下相继速动保护不会误动。

从而，本发明提出一种有源配电网电流幅值差动保护判据，可直接作为主保护，或传统相量差动保护的后备保护，在通信系统两侧数据同步性破坏或者劣化导致传统相量差动保护退出时，可仅利用两侧电流数据的幅值信息，为线路提供尽可能的保护。提出一种有源配电网新型快速综合保护方案，该方案可以适应不同的通信数据传输场景，当通信系统出现传输中断时，可采用相继速动保护加速传统过流保护Ⅱ段，保证在线路严重故障时断路器的快速动作。

示例性装置

图8是本发明一示例性实施例提供的有源配电网快速保护装置的结构示意图。如图8所示，装置800包括：

采集模块810，用于实时采集配电网各节点的电气量，其中电气量包括各节点自身电气量以及接收的对侧节点的电气量；

判断模块820，用于根据采集的各节点的电气量，判断两侧保护装置间通信是否正常；

第一计算模块830，用于在两侧保护装置间通信正常的情况下，将各节点的电气量传输至保护装置的中央控制决策单元，中央控制决策单元根据各节点的电气量计算电流幅值差；

保护动作出口模块840，用于根据电流幅值差以及预设的幅值差动保护判据，判断区内、区外故障，并在区内故障的情况下，保护装置的保护动作出口；

第二计算模块850，用于在两侧保护装置间通信异常或中断的情况下，由中央控制决策单元根据各节点的电气量计算负序电流二次突变量；

保护加速动作出口模块860，用于当本侧过流Ⅱ段保护连续动作且不返回时，判断为区内故障，根据负序电流二次突变量以及预设的过流Ⅱ段加速保护判据保护加速动作出口。

可选地，幅值差动保护判据为：

式中，

可选地，优先保证区外故障时，制动量I

式中，

可选地，当某配网线路MN区外故障时，线路送端侧M、受端侧N电流向量

式中，

可选地，当某配网线路MN区内故障时，线路送端侧M、受端侧N电流向量

式中，

可选地，保护加速动作出口条件为：过流Ⅱ段保护连续动作且不返回、负序电流幅值发生两次突变并且动作时间需躲过瞬时故障。

示例性电子设备

图9是本发明一示例性实施例提供的电子设备的结构。如图9所示，电子设备90包括一个或多个处理器91和存储器92。

处理器91可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其他组件以执行期望的功能。

存储器92可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器91可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本发明的各个实施例的软件程序的方法以及/或者其他期望的功能。在一个示例中，电子设备还可以包括：输入装置93和输出装置94，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。

此外，该输入装置93还可以包括例如键盘、鼠标等等。

该输出装置94可以向外部输出各种信息。该输出装置94可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。

当然，为了简化，图9中仅示出了该电子设备中与本发明有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等的组件。除此之外，根据具体应用情况，电子设备还可以包括任何其他适当的组件。

示例性计算机程序产品和计算机可读存储介质

除了上述方法和设备以外，本发明的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种实施例的方法中的步骤。

所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。

此外，本发明的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种实施例的方法中的步骤。

所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、系统或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明中涉及的器件、系统、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、系统、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

还需要指出的是，在本发明的系统、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。