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【研究前沿】基于分布式 DTU 的配电网母线保护

  配电网母线故障概率较高,危害大,有必要配置专用的母线保护。结合目前分布式控制技术的发展,提出了基于分布式DTU的配电网母线保护的具体方案,就主动配电网的情况提出了变通方案。并对通信异常、开关失灵及TV断线等异常情况作了处理。本方案的实现方式不增加投资及建设成本,可在智能配电网中推广使用。

  传统配电网中的10 kV配电母线一般不装设专用的母线保护。而在配电网中,母线故障概率较高,且易造成开关设备烧毁,甚至烧坏直流操作回路造成整站保护拒动 [1] 。当母线发生故障时,使用母线上一级的过流保护,通过定值及延时的配合整定反应并切除母线故障,动作时间较长,故障电流严重威胁母线及其相邻的变压器和开关设备的安全,并且往往要扩大停电范围 [2] 。随着用户对供电可靠性的要求越来越高,有必要配置专用的配电网母线保护。

  传统变电站若想实现母线保护,因二次保护回路配合主要通过硬接线,二次回路接线复杂,施工量大;闭锁回路无法有效监视,运行维护困难,可靠性低。同时由于传统变电站自身的局限性,信息共享困难,母线保护对低压母线小电源处理困难,无法有效兼顾

  全局 [3] 。目前大多数智能变电站中配置了简易母线保护,早期的方案为电流闭锁式简易母线] ,存在故障判别未判方向,不能处理小电源的影响,未考虑分段合位母线并列运行情况,在间隔检修与通信中断同时发生时退出了保护的问题 [5] 。典型方案为:在判别母线元件主开关电流幅值的基础上,将母线各支路间隔(出线间隔、

  小电源间隔、分段等)过流保护的启动状态作为其动作逻辑闭锁信号,综合进行故障判别并选择相应的跳闸策略 [6-7] ,采用了GOOSE作为状态传输信号。文献[8]提出了一种基于功率方向的母线保护。

  以上均是针对变电站主变低压侧母线的保护,就配电网的母线保护,有提出基于集中式和就地式装置的差动方案 [9] 。方向保护方案 [1,10] 未提供具体装置实现方式。对主动配电网还提出了母线保护的人工神经网络(artificial neural network,ANN)模型的新方法 [11] 。随着分布式控制技术的发展 [12-13] ,配电网集中智能与分布智能协调配合的概念提出来了 [14] 。文献[15]提出从主动配电网的故障特征着手,与主动配电网的控制功能相结合,实现集成化保护将是主动配电网保护技术的主要研究方向。

  结合目前分布式控制技术的发展,本文提出了一种基于分布式DTU的配电网母线 基于分布式DTU的配电母线保护方案

  站所终端(distribution terminal unit,DTU)为配电网自动化系统远方终端的一大类,即开闭所远方终端。所要监视的开关和线路的数量较多,因此对模拟量输入、开关量输入及控制量/数字量输出的容量要求也较大。它的实现有2种方案:①一种是集中控制RTU实现方案,在传统的RTU基础上将功能增强,提供故障检测功能,甚至继电保护及备用电源自投等功能,由类似的成套设备来完成全部的功能。这种方案的缺点是不利

  于安装及维护,系统扩充也不方便,另外整个系统稳定性也相对较低。②另一种方案是分布式DTU方案,由若干个间隔单元和公共单元组成,间隔单元和公共单元通过总线联接,相互配合,共同完成DTU功能。监视各馈线的DTU间隔单元分散安装于各间隔开关柜内。完成远动、信息汇聚等功能的DTU公共单元安装于DTU公共单元柜内。这种方案的好处在于系统可以分散安装,各间隔单元功能独立,接线相对简单,便于系统扩充和

  保护功能方案包括故障启动元件、方向元件及动作元件。公共DTU接收各间隔DTU的保护启动状态和保护方向状态,当以下4个条件均满足,则经延时定值后母线保护动作,向各间隔DTU发跳闸命令。1)母线)至少一个间隔启动;

  其中各间隔的启动及方向状态为各间隔DTU判别后的状态量以GOOSE信号传送给公共DTU。启动及方向判别元件分布于各间隔的就地保护中。通信异常判别放在公共DTU中。公共DTU中设各间隔母线保护投退软压板,以便某间隔退出正常运行时,不影响母线保护的正常逻辑判别。

  一般变电站母线保护,保护动作后,首先跳开小电源间隔,在消除小电源的影响、缩小故障判别范围后,最终才能逐级动作切除故障母线]针对变电站低压母线保护也设置了先跳分段再跳主变压器低压侧及主变压器各侧的跳闸逻辑。

  对于开闭站的配电母线保护负荷已经是供电末端,对于母线保护动作后行为不必再分优先级,直接将电源间隔跳掉,以求快速处理,动作元件逻辑见图4。当母线保护动作时仅电源间隔会启动,所以间隔DTU由自身是否启动来接收母线保护动作命令后跳本间隔。图4 动作元件逻辑图

  对各间隔,判定本间隔发生故障,过流元件需躲开最大负荷,故取当本间隔任一相电流满足式(1)时,判定系统发生故障,母线保护启动:

  最大灵敏角取-30°,动作范围为±90°。特别的,分段间隔需同时进行Ⅰ母及Ⅱ母的功率方

  敏角取150°。为判别故障相方向,需消除非故障相的影响,因此取最大相电流的相应方向为准,且最大相电流应大于启动电流门槛。

  向为故障正方向,经20 ms延时确认后输出本间隔反方向状态或GOOSE闭锁信号,并进行保持,用于闭锁本段母线保护。若过流把关条件持续满足500 ms,则解除母

  传统配电网保护中一般以过电流元件作为启动元件。如果主动配电网始终与主电网联网运行,且所

  的灵敏度。但主动配电网中还可能存在大量逆变器接口型IIDG [17-18] (inverter-interfaced DG),发生故障时其所能够提供的短路电流水平较低 [1] 。为了适应上述主动配电网的情况,变压器浪涌拟采用阻抗启动

  采用全阻抗继电器作为启动元件,代替过电流元件。其目的在于:①提高启动元件的灵敏度;②方便整定计算。由于距离元件受系统运行方式的影响较小,故也可以提高保护的适应性。为保证保护的安全性,当本间隔任一相间阻抗满足式(3),即全阻抗继电器时,判定系统发生故障,母线保护启动:

  配电系统一般为中性点不接地系统,计算阻抗为相间阻抗。相应方向元件则也应是相间的,依据参考文献

  分段间隔需同时进行Ⅰ母及Ⅱ母的功率方向判别,TA极性按Ⅰ母间隔的TA极性的接线时,Ⅰ母方向元件动作最大灵敏角取60°、Ⅱ母方向元件最大灵敏角取-120°。当方向元件满足动作条件时,则认为本间隔功率方向为故障正方向,经20 ms延时确认后输出本间隔反方向状态或GOOSE闭锁信号,并进行保持,用于闭锁本段

  开关失灵。为了防止TV断线后方向元件误判导致母线保护误动,此时应等同于故障正方向,以闭锁母线保护。方向元件判别逻辑见图6。

  TA极性按Ⅰ母间隔的TA极性的接线时,Ⅰ母方向元件动作方程采取上式、Ⅱ母方向元件动作方程为:

  GOOSE信息传输如图1所示。状态信号传输:各间隔DTU判别的启动状态及方向信号以GOOSE方式通过信息网络传输至公共DTU,以参与闭锁母线保护逻辑判别。

  母线保护动作信号传输:以GOOSE跳闸信号,通过信息网络由公共DTU传输至各间隔DTU,各间隔DTU自身启动作为投入跳闸逻辑的条件。

  母线配置一套分布式DTU。因此配电网无DG接入,因此直接采用过流启动和相间功率方向的方案。3.2 故障分析

  间隔DTU和线间隔DTU检测到间隔故障正方向,分别闭锁母线的公共DTU母线保护。母线保护不动作。相应故障需依靠线间隔DTU和线

  其他段母线保护若启动则必有一相应与故障处相连间隔会判为故障正方向,因而闭锁了母线:母线点故障)。线间隔DTU和线间隔

  的公共DTU母线保护动作。线间隔DTU和线间隔DTU均投入跳闸逻辑,分别断开相应线的断路器,切除母线故障。其他段母线保护若启动则必有一相应与故障处相连间隔会判为故障正方向,因而闭锁了母线点故障)。

  其他段母线保护若启动则必有一相应与故障处相连间隔会判为故障正方向,因而闭锁了母线 结语

  随着用户对供电可靠性的要求越来越高,有必要配专用的配电网母线保护。分布式DTU可分散安装,各间

  护。目前分布式控制技术的发展,已经能支持分布式DTU方案的实现了,分布式DTU也是发展趋势。提出了基于分布式DTU的配电网母线保护具体应用常规方案,且就主动配电网的情况作出变通方案,并兼顾GOOSE通信异常、变压器浪涌

  通方案采用了阻抗保护方案,现在的分布式DTU软硬件资源也能支持其实现。上述方案的实现方式对现有分布式DTU二次系统及其网络构成没有影响,不增加投资及建设

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