智能配电系统多层级选择性保护技术包括「电力保护系统」

今天带来智能配电系统多层级选择性保护技术包括「电力保护系统」，关于智能配电系统多层级选择性保护技术包括「电力保护系统」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。

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福州大学电气工程与自动化学院、中国移动通信集团福建有限公司的研究人员张丽萍、蔡传庆、缪希仁，在2016年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，智能电网是整个电力行业未来的发展方向，作为其中的重要组成部分，保障智能配电系统供电的可靠性与持续性尤其受人关注。

本文从建设坚强智能配电网的需求出发，总结了传统过电流保护技术的不足和包括应用在线监测以及对控制与保护等方面的技术要求，提出低压配电系统多层级选择性保护技术，并分析了多层级选择性保护系统的关键技术实现，展望该技术的应用趋势，为实现多层级全范围选择性保护提供一个新思路。

国民经济的发展和智能电网的建设都对电力系统的安全可靠运行提出了更高的要求，作为智能电网的重要组成部分，智能配电系统建设最主要的目标是保障供电的可靠性与持续性[1]。随着智能配电系统建设的发展与需求的不断提高，配电系统中大功率负荷迅速增长，大容量机组不断投入运行，配电系统的层级和短路电流的规模也在不断增长。

不断增强的短路电流对线路、设备及保护电器本身的动热稳定性以及相互配合的协调性均提出了更高要求，而实现这一目标的重要手段之一是采用选择性保护[2-3]。

目前我国低压配电系统选择性保护的方式主要是过电流保护，不论是采用传统的还是智能型的短路保护电器，大多都仍采用全电流值是否大于其整定值来作为保护动作的判定依据。

在这种情况下，距故障发生时刻已过了一定的时间，保护的快速性得不到保障；若通过的短路电流很大，还可能造成上下级同时跳闸或上级先跳闸的情况，保护的可靠性同样受到限制，即目前所采用的过电流保护方式尚只能实现不完备的局部选择性保护。

我国电力行业的发展方向是建设国际领先的统一坚强型智能电网，当中极其重要的特点是坚强。坚强的主要含义是能够实时监测，并且能预测电网的运行状态，及时发现、诊断和快速消除故障隐患，将故障消灭于萌芽阶段，避免带来故障的扩大和次生安全事故，如火灾、爆炸和大规模停电的发生，提高电网运行的可靠性，因此，传统的保护方式已不能满足实际应用需求。

本文基于传统过电流保护的不足以及建设坚强智能配电系统对在线监测、短路故障早期检测以及控制与保护方面的需求，提出智能配电系统多层级选择性保护技术，从局部选择性提升到全局选择性、将选择性保护的范围延伸至终端配电系统，并具备全相角短路故障早期检测与辨识功能，对任意层级、任意位置发生的任意类型的短路故障，均能在故障尚未发展起来之时即被快速、可靠地检测并分断，为实现多层级全范围选择性保护提供一个新思路。

1 建设坚强智能配电系统的需求

1.1 在线监测

随着电网规模的不断扩大，越来越多的大功率机组和非线性负载接入配电系统，使得配电系统的网络结构愈加复杂；同时，各种电或非电元件或设备在正常或非正常运行过程中均存在着大量的协调、配合、互动等相互影响的动态过程和能量转换；存在着启动、过载、变频等有别于正常运行的暂态过程，也存在着包括电、磁、热、力、光、机械、腐蚀等在内的物理和化学过程[4]。

而短路故障的规模也越来越大，对配电系统中的线路和设备所造成的恶性影响也日益凸显，这些过程都会对配电系统的稳定运行造成影响。

早期的低压配电系统中，人们对于配电系统中各线路或设备的运行状态和微环境变化往往一无所知，无论是非正常运行状态还是故障运行状态，都需要通过在线监测来获取，以制定相应的应对策略，智能配电系统具备在线监测的基础条件。

因此，要发展智能且坚强型的配电系统，就需要实时在线监测配电系统各线路、设备的运行状态，在配电系统出现异常状况的时候能准确定位异常状况的来源并能辨识该异常状况，从而为后续的恢复或切除打下基础。

例如，电器设备的温度、振动、带电状态、电磁暂态以及内部微环境等均是能够反映设备动热稳定性的重要参数与检测设备运行状态的安全可靠的技术手段，而非智能的电器设备并不具备可靠的检测手段。

世界各国在电器研发上的不断创新与新技术的应用使得诞生了智能化电器，其应用了微处理器、传感以及通信技术，能够实时监测各配电系统中关键关节的运行状态与环境状态，实时采集各种电或非电参量，利用通信技术将监测结果上传至智能控制中心，智能控制中心中的微处理器根据负载、线路或设备的运行状况以及环境状况的变化情况，进行配电系统中各环节的自适应协调与优化运行[5]。

若遇到无法自适应调节的短路故障状态，则对采集到的电流电压参量进行分析，确定短路故障类型和短路故障发生位置，并向保护电器发送指令，进行优化控制与保护。

总之，在线监测能够及时发现并捕捉配电系统中各主要环节运行状态和微环境的变化，是智能配电系统提供自适应协调与优化以及针对短路故障提供选择性保护的基础。

1.2 控制与保护

智能配电系统在在线监测完成对线路或设备的运行状态和环境状态的参量获取后，最关键的一步就是对状态参量所反映的非正常运行状态或故障状态进行有效的优化控制与保护。智能配电系统中的控制电器应具备能根据运行状态的变化实时地调整控制程序完成最佳电路接通和断开过程，并且能够调整控制策略，自适应地完成状态转换与参数调节，使设备能从非正常运行状态尽快地转入额定运行状态[4]。

而智能配电系统对保护功能的应用需求主要体现在快速、可靠的选择性保护上。由于配电系统层级较多，负载类型和故障类型多样，这就使得当配电系统任意位置发生短路故障时，短路故障保护只切断故障位置供电而保障其他非故障位置的持续可靠供电变得异常重要，因此对短路故障保护的选择性提出了极高的要求[6]。

目前低压配电系统中广泛采用的选择性保护方式是过电流保护，主要分为电流选择性和时间选择性。电流选择性是通过设定上下级断路器不同的整定电流来实现对过载、短路故障的选择性保护配合，即三段式保护，其优点是技术成熟、原理简单且成本较低。

但基于电流选择性的瞬动保护的动作时间仅为开关的固有分闸时间，在短路电流足够大时，会出现上下级同时跳闸或上级先跳闸的情况，选择性难以保障，且保护范围上亦收到限制，只能做到局部而非全范围的保护[7-8]；而时间选择性则是对于相同的短路电流，设定不同的动作时间，靠时间来决定上下级的开关顺序以实现选择性。

虽然弥补了电流选择性的不足，但当多级开关串联时，延时时间累计增加，上级开关延时时间越长，故障时短路电流持续时间越长，整个配电系统要付出更大的代价来满足动、热稳定的要求[9-10]。

此外，基于三段式保护的断路器总是在短路电流达到其整定值时才开始分断，此时分断的短路电流常常处于峰值附近，对断路器的使用寿命会造成不可逆转的影响。这种以牺牲保护的快速性甚至可靠性为代价来获取选择性的保护方式并不能满足智能配电系统对保护功能的需求。

迄今，低压配电系统短路故障全范围选择性保护的机理尚未得到解决，智能配电系统的坚强性亦无从谈起。综上所述，智能配电系统对选择性保护的需求为[11]：

(1) 实现全电流选择性保护，即在任何短路电流时确保上、下级断路器不同时跳闸或越级跳闸从而将短路故障限制在最小范围内。

(2) 实现全范围选择性保护，即终端配电系统也要具备可靠的选择性保护。

(3) 在短路故障尚未发展起来的极短时间内完成故障切除，实现智能配电系统选择性保护。

2 多层级选择性保护技术

迄今为止的短路保护方法均不完全适用于低压系统短路故障全范围选择性保护，本文根据智能配电系统的应用需求提出了多层级选择性保护技术，以期实现短路故障的全范围选择性保护。

2.1 故障参量采集

要实现多层级选择性保护，首先要对能反映短路故障特征的两个参量，即电压和电流进行采集。由于本文所采用的多层级选择性保护技术主要是针对短路电流变化来检测和判定故障的，因此对于电流的采样频率和精度要求较高，需要在配电系统中各段支路的保护电器安装处加装动态响应快，测量频带宽的大电流测试装置，其采样频率应至少达到100kHZ，测量精度应能达到1%以下，同时能对多路电流信号进行同步采样，这样才能准确捕捉到多层级短路故障发生时刻的电流突变特征量，为后续的短路故障早期检测提供可靠数据。

而该技术对电压采集的要求不高，只需将电压传感器安装于电源处，一般来说，短路故障发生时，电源电压会出现较明显的跌落，其变化幅度比短路发生时刻电流的变化幅度要明显得多，本文仅根据电压跌落来确定短路故障的发生时刻，而短路故障发生的位置、类型等则通过对电流采样值的分析来确定。

2.2 短路故障早期检测与辨识

本文所提出的多层级选择性保护技术的关键之一在于对所采集到的电流信号进行短路故障早期检测与辨识，主要通过具备分析测控能力的Compact-RIO硬件系统中的FPGA模块以及LabVIEW图形化程序开发平台加以技术实现。

首先对采集到的包含有白噪声和脉冲噪声干扰的原始电流信号进行滤波处理，以免造成噪声和短路故障特征量的混淆，导致早期检测算法误判。前置滤波器采用了集白噪声和正负脉冲噪声滤除功能于一体的形态小波滤波器[12]，将滤波后的较为光滑的电流信号输入短路故障早期检测算法程序中进行下一步分析。

本文所提出的多层级选择性保护技术采用小波包细节分解算法作为短路故障早期检测的执行算法。小波变换的基本过程是用一簇函数去表示或逼近一个信号，与传统傅里叶变换不同的是，小波变换的基函数是具有有限的持续时间和突变频率/振幅的小波函数，这使其可较准确地拟合原始信号，特别是具有突变特征的非平稳信号。

此外，作为一种时频域分析方法，小波变换可通过伸缩和平移等运算功能实现对信号的多分辨率细化分析，从而有效地提取信号中的有用信息。由于短路全电流的变化规律与短路瞬间电源电压或电流相位(即故障初相角)有密切关系，因此必须将短路故障初相角作为探讨短路电流特性重要考虑因素[13]。

实验证明[14]，通过小波变换将信号分解得到第四尺度细节分量，可以获取短路电流明显的突变特征，以此作为短路故障早期检测的特征量，可实现在大部分相角下短路后极短时间(0.2ms)内检测出故障，但在某些短路电流突变特征不明显的相角区间，其检测速度及辨识效果并不理想,且文献[14]所做实验仅针对单层级配电系统的单相短路故障，并未涉及多层级配电系统及其他类型的短路故障。

本文引入小波包细节分解算法，其在信号高频段的频率分辨率和在低频段的时域分辨率都较小波变换有显著提高，对短路故障电流信号经小波变换得到的第四尺度细节分量加以进一步分解，得到高阶细节分量，可以获取比第四尺度细节分量更明显的短路电流突变特征量，而算法本身增加的时间极少，可实现全相角下的短路故障早期检测(0.2ms)。

短路故障早期检测的速度性和有效性除了受到算法的影响，另一个关键的影响因素就是故障阈值[15]。由于早期检测最终是以所提取的特征量是否超过设定的故障阈值来判别故障发生，以特征量第一次超过故障阈值的时刻来定位故障发生时刻，因此，故障阈值的设置非常关键。

在实际多层级低压配电系统中，一般来说越靠近电源侧以及工况状态下承载电流越多的线路或设备，发生短路故障时其所承受的短路电流等级就越大，相对而言越靠近负载侧的线路或设备短路电流等级则越小。

本文以对短路故障电流信号经小波变换得到的第四尺度细节分量加以进一步分解所得到高阶细节分量作为判断短路故障的特征量，其数值通常随短路电流的增大而增大，但还与短路故障初相角密切相关，若将故障阈值设的太大，则在某些故障特征不明显的短路故障初相角下，可能发生漏判或检测时间延长，影响早期检测的速度性和有效性；若为了追求检测速度而一味减小故障阈值，则可能将电动机启动、电力电容器投切等暂态过程误判为短路故障。

在算法提取短路故障特征量的基础上，还需要设定合适的故障阈值，以确保快速有效地检测和辨识短路故障[16-18]。

2.3 快速分断

传统过电流三段式保护电器的一个比较大的缺陷是其大多都采用全电流值是否大于其整定值来作为保护动作的判定依据，在分断时短路电流往往已经发展起来，呈现出一个比较大的峰值电流，而一般断路器的分断过程通常要持续数个周波，这又导致短路电流进一步发展，极易造成配电系统故障支路甚至上级支路的线路和设备发生损坏，对断路器自身的寿命也相当不利，因此实现短路故障早期检测基础上的快速分断是智能配电系统多层级选择性保护技术的又一关键所在。

快速分断的理想化效果是分断机构在早期检测算法检测到短路故障并触发保护后立刻动作，并能在极短的时间内完成短路电流（包括电弧）的完全分断，将短路电流对线路和设备的影响限制到最小。

目前我校已经研究出了平均全开断时间在5ms以内的快速分断机构，大幅改善短路保护的速度性，提高智能配电系统的保护性能，使短路电流在开始的1/4个周期内即被分断，有效保护线路和设备不受短路故障侵害。

2.4 短路电流趋势预测

众所周知，当某条支路发生短路故障时，其上级支路的电流同样会发生突变，且这种突变亦可由前述的短路故障早期检测算法检测得出。因此，在将短路故障早期检测算法应用于多层级智能配电系统时，若仅根据所提取的故障特征量大于故障阈值来定位故障发生位置并触发保护动作，将可能造成上下级保护同时动作，即越级跳闸，造成非故障区域断电，全选择性保护无法实现。

针对这一问题，本文所提出的多层级选择性保护技术在短路故障早期检测的基础上，利用早期检测算法分析所得的数据，对短路电流进行趋势预测[19]，重点是峰值预测。该预测应能综合考虑短路故障早期检测时间、峰值预测时间、断路器固有动作时间等，预测出断路器实际需开断的短路电流大小，然后将预测结果经由网络上传至智能控制中心。

智能控制中心存储有不同层级、支路发生的不同类型短路故障电流等级信息以及断路器的额定开断能力、所处位置等信息，其可结合短路电流趋势预测的结果，准确定位短路故障所处的层级支路，分析判断出最靠近短路点且能可靠分断当前短路电流的断路器，并给其发出故障分断动作指令。

将短路电流趋势预测应用于多层级选择性保护技术，可在短路故障发生时为智能配电系统选择合适层级的断路器加以控制保护，以提高智能配电系统在短路故障发生时多层级之间的选择性与协调性，有效缩小故障停电范围，避免盲目提高保护电器的容量，更好地实现低压系统多层级短路故障保护的选择性、速度性与经济性。

综上所述，本文所提出的智能配电系统多层级选择性保护技术能够对不同层级、不同类型的短路故障进行实时采集测控，既能满足短路故障的快速、实时、可靠检测，又具备分析、辨识、预测、分断能力，具有广阔的应用发展前景，其技术架构如图1所示[20]。

图1 智能配电系统多层级选择性保护技术架构图

3 多层级选择性保护技术应用趋势

本文所提出的智能配电系统多层级选择性保护技术在未来的应用中，应着力在以下几个方面实现优化提升：

(1) 本文所提出的多层级选择性保护技术以短路故障早期检测算法对电流信号的分解结果作为短路故障早期检测的特征量，无论如何设置短路故障阈值，仍存在无法有效辨识短路故障和启动暂态过程的误判风险。

因此，可对短路电流早期检测算法进行优化，降低误判率，例如，对短路点后的电压信号进行采集，在短路故障发生时，短路点后的电压会瞬间跌落至零点上下，可利用电压的这一特性作为检测短路故障的判据。由于在电动机等启动暂态过程中电压不会发生明显变化，因此该方法可更有效地辨识启动过程和短路故障，避免误判。

(2) 本文所提出的多层级选择性保护技术利用快速分断机构可实现检测到短路故障后5ms内完全分断短路故障，但其仍有可能在短路电流的峰值附近进行分断，电弧较大，分断的时间存在分散性，机构尚不够稳定，对分断机构的寿命不利。

因此，可研究开发智能保护电器，能自适应地实现优化的分断过程（如无弧、少弧分断或综合配电系统最佳状态下分断）。另外，亦可采用带有限流能力的保护电器，将短路电流峰值快速降低至线路或设备的额定电流范围内再进行分断，有效防止短路大电流对线路及设备的侵害，延长保护电器寿命。

(3) 本文所提出的多层级选择性保护技术目前仍处于实验阶段，尚未形成一套完整的系统，未来应将其小型化、产品化，并使其能更加适应复杂多变的低压配电系统环境，早日投入市场。

4 结论

我国在电力行业的发展上提出了建设坚强智能电网的目标，而短路故障对多层级低压配电系统来说发展极快且危害极大，是对电网坚强性的挑战，需采用选择性保护以保证电网供电的可靠性与持续性。传统的过电流保护存在速度性和可靠性不足、只能实现局部选择性等缺陷。

本文在分析传统选择性保护方法和智能配电系统对控制与保护的应用需求的基础上，提出智能配电系统多层级选择性保护技术，阐述了实现全选择性保护的关键技术及其实现方法，并提出了优化方案，为智能配电系统选择性协调保护的研究奠定技术基础，有广阔的应用发展前景。

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