基于区域概念的用于分配电网的自适应保护

摘要

本发明提供一种保护分配网络的方法，分配网路具有互连汇流线(11、21)的线路(30)，每个汇流线能够通过邻近汇流线的开关设备(40)连接到线路，以及负载(31)和/或发电机(32)。该方法将分配网络划分为多个保护区域(10、20)，每个保护区域包括汇流线、保护设备和区域控制器(12、22)。在能够连接到汇流线之一的分配馈电线、负载或发电机的连接状态的发生变化的情况下，该保护区域的逻辑控制器重新计算区域的短路级别。基于重新计算的短路级别，可以调整区域的保护设置。本发明还提供一种适于执行该方法的步骤的系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于主动(active)分配网络的分散保护的方法，尤其涉及需要动态调整保护设置的网络的分散保护的方法。

背景技术

传统配电网是不具备本地能源的被动(passive)电网，并且完全由传输电网供电。由于对可再生源的增加的产业关注，在配电网中出现了小型和中型的分布式能源资源(DER)。而且，它们的量预期主要受到环境和可靠性关注驱动而增长。

与占主导的径向方案相反，具有大量DER的配电网还会得益于采用常闭环/网状拓扑。这些拓扑对电力损耗、电压调整和网络可靠性具有正面效应。最终，通过大量可控和可协调的DER，配电网的一部分在紧急情况下可以有意地与主电网断开，并且以孤岛模式继续运行。这种概念被称为微电网。

这种进化转变使得配电网更主动，但是它也将面对许多技术挑战。而且，一个重要的方面是微电网的保护。现有保护系统被设计用于具有固定设置的传统被动配电网，并且会在微电网的不断变化的运行条件下不适当地运作。例如，这包括短路电流的大小和方向的变化，例如DER开/关，包括孤岛的网络配置；搭接式(tapped)DER连接的故障检测灵敏性和速度的降低；由于DER的故障贡献，针对邻近线路的故障的公用断路器的不必要切断；以及公用线路断路器策略的自动重新关闭将会失效。考虑到以上方面的一些方面而形成了以下建议。

WO2010/063816描述了用于使至少一组参数适于具有多个开关设备的电力网络的至少一个智能电子设备的方法和装置。该方法包括如下步骤：a)读取电力网络的电流网络状态，其中网络状态包括多个开关设备的状态；b)模拟电力网络中的至少一个网络故障；c)在考虑到电力网络的网络拓扑和电流网络状态的情况下，利用由至少一个模拟网络故障引起的模拟的故障电流，推导用于至少一个智能电子设备的至少一组新的参数；d)在至少一个智能电子设备中的至少一个中设置至少一组参数。OudalovA.,FidigattiA.于2009年在期刊DistributedEnergyResources第4卷第3号第201-225页的“AdaptiveNetworkProtectioninMicrogrids,Int.”中描述了类似的方法。

US7525782描述了用于处理电路断路器信息的自适应保护过程，其不断地监视自身变化，使其随着电力分配系统的状态变化。自适应保护算法通过电路断路器系统跟踪电力的流动，并且基于其与电源和末端负载的相对接近度，将值或排名分派给每个电路断路器。使用分派给断路器的排名来确定每个断路器的响应时间，以保证系统协调性和选择性。

WO/2013/036385描述了配电系统中电子电路断路器的设置和调整切断设定的集中式协调，这借助于监视短路电流可用性，SCCA，以及基于从安装在分配系统的分支节点、馈电节点和主节点处的SCCA监视设备接收的SCCA估计来调整切断设定。该文献仅仅关注具有多个负载而非分布式能源资源的分配系统。因此，短路级别的变化不如既具有多个负载又具有分布式能源资源的分配网络那样复杂。

发明内容

上面提到的建议关注集中式系统，在集中式系统中，中央控制器与本地设备通信并作出决定。该方法可以在小型微电网中操作良好，但是可能在横跨大的地理区域且具有大量开关的分配系统中不适用，尤其是对于因分配网络的动态变化而导致保护复杂得多的、具有多个负载和分布式能源资源的分配网络而言不适用。

因此本发明的目的在于提供一种用于主动分配网络的分散保护的方法，该方法基于分布式逻辑支持本地保护系统调整(adaptation)。该方法应当能够动态地调节网络的不同部分中的保护设置以遵循其拓扑变化，而无需知道完整的系统拓扑，减少链接网络的不同部分的通信基础设施的负荷，并且在集成新的分布式发电机或馈线延伸之后使得能够实现自动化系统调节。

该目的是由根据独立权利要求的系统和方法来实现的。根据从属专利权利要求，优选的实施方式是明显的。

本发明提供一种保护分配网络的方法，该分配网络具有互连第一汇流线与第二汇流线的电力线路，每个汇流线能够通过邻近于汇流线的开关设备连接到线路，以及负载和/或发电机，其中该方法包括如下步骤：识别第一保护区域和第二保护区域，第一保护区域和第二保护区域分别包括第一汇流线和第二汇流线，第一保护区域和第二保护区域分别由第一保护设备和第二保护设备例如智能电子设备保护，以及第一保护区域和第二保护区域由邻近的开关设备界定；分别为第一保护区域和第二保护区域分配第一逻辑控制器和第二逻辑控制器；对于由开关设备的连接状态定义的初始电网拓扑，分别通过第一逻辑控制器和第二逻辑控制器评估第一保护区域和第二保护区域的第一短路级别和第二短路级别；在能够连接到第一汇流线的分布式馈电线路、负载或发电机的连接状态改变的情况下，通过第一逻辑控制器重新评估第一短路级别，并且优选地，基于重新评估的第一短路级别，调整第一保护设备的保护设置，以及通过第二逻辑控制器基于重新评估的第一短路级别，重新评估第二短路级别；以及基于重新评估的第二短路级别，调整第二保护设备的保护设置。

第一保护区域和第二保护区域之间的距离通常取决于电压级别。例如，在中电压下，该距离可以多于100m，特别是多于1km，更特别地在20km到50km之间；以及在低电压下，汇流线和开关端子之间的距离可以较短，例如20m到1km或2km。根据本发明的分配网络中开关的数量通常是数百个，特别是数千个，更特别地是数万个。

该重新评估的第一短路级别构成了提供给第二逻辑控制器的、来自第一保护区域的仅有的重新故障(re-fault)信息。

优选地，还可以与第二保护设置的调整同时地执行第一保护设置的调整。

此后，术语逻辑控制器还可以被称作本地逻辑控制器或用于保护区域的区域控制器。

根据优选的实施方式，通过基于使用MVA方法进行计算，执行评估和重新评估。首字母缩略词MVA是功率的单位，即兆伏安。

优选地，第一逻辑控制器通过通信信道或链路将重新评估的第一短路级别传送到第二逻辑控制器，该通信信道或链路为诸如切换通信网络、硬连线通信线路、无线或现有电力线路。

分配网络可以包括多个其它汇流线，每个汇流线关联到特定保护区域。在这种情况下，在能够连接到第一汇流线和第二汇流线的发电机或负载的连接状态改变的情况下，将增生(propagate)重新评估短路级别的步骤。然后，可以聚集第一保护设备、第二保护设备和其它保护设备的保护设置的调整。这意味着，根据本发明的方法适用于属于几个保护区域的多个负载或发电机的状态同时改变的情况。

优选地，可以确定用于保护设备的一组设置，其中每个设置对应于短路级别的一个范围。

优选地，通过从该组设置中选择与重新评估的短路级别相对应的保护设置，执行调整保护设置的步骤。

替选地，紧接在配置改变成新模式之后还可以实时计算设置。在这种情况下，不需要预先计算和验证的设置组。配置改变发电机、负载、线路的开/关，其导致可用短路电力的改变。在已经发生改变并且已知新的配置之后，系统可以运行故障分析仿真并且验证保护设备之间的故障敏感性和选择性是否是所需要的。在保护设备没有按照预期运行的情况下，系统可计算将会满足上面提到的要求的新设置。

优选地，在分配网络故障时，可以检测用于第一保护区域和第二保护区域的故障方向，所以可以估计故障位置，例如，故障在特定保护区域的内部或外部。相应地，界定特定保护区域的开关设备可以断开，即打开，因此故障被隔离。这避免了未受到故障影响的保护区域、负载或发电机中的组件的不必要断开。此外，关于故障位置的信息，即哪个区域发生了故障，可以被传送到故障所在区域的边界上的其它开关设备，从而允许这些区域与电子系统的其余部分完全断开。

区域的边界可能包括不同电压级别的电路，或具有不同布线和接地方式的电路，例如一相对三相，或具有不同频率或甚至部分AC和部分DC的电路。然而，故障期间的行为可以由相同策略限定，即检测故障是在区域内部还是外部，如果故障在内部，则告诉边界上的所有设备切断，如果故障在外部，则让线路中的下一个知晓。

根据其它实施方式，第一和第二逻辑控制器可以分别与第一和第二保护设备集成。在这种情况下，地理上邻近的保护区域可以共享一个本地逻辑控制器，因此节省了用于外部组件的空间。此外，一个区域中的几个或所有保护设备可以担当区域控制器。这提供了区域控制器的冗余并增加了可靠性。

根据另一方面，本发明还提供一种保护分配网络的系统，该分配网络具有互连第一汇流线与第二汇流线的线路，每个汇流线能够通过邻近于汇流线的开关设备连接到线路，以及负载或发电机。该系统包括：第一保护区域和第二保护区域，第一保护区域和第二保护区域分别包括第一汇流线和第二汇流线，第一保护区域和第二保护区域分别由第一保护设备和第二保护设备保护，以及第一保护区域和第二保护区域由邻近的开关设备界定；第一逻辑控制器和第二逻辑控制器，第一逻辑控制器和第二逻辑控制器分别连接到第一保护区域和第二保护区域，用于计算和重新计算第一短路级别和第二短路级别。对于由开关设备的连接状态定义的初始电网拓扑，第一逻辑控制器和第二逻辑控制器分别适于评估第一保护区域和第二保护区域的第一短路级别和第二短路级别。第一逻辑控制器和第二逻辑控制器分别适于在能够连接到第一汇流线的分配馈电线路、负载或发电机的连接状态改变的情况下重新评估第一短路级别，以及基于重新评估的第一短路级别重新评估第二短路级别。根据本发明的系统适于基于重新评估的第一短路级别和第二短路级别分别调整第一保护设备和第二保护设备的保护设置。

本发明还涉及计算机程序产品，其包括用于控制适于执行上面方法的设备的一个或多个处理器的计算机程序代码，具体地，计算机程序产品包括其中含有计算机程序代码的计算机可读介质。

总之，本发明提供一种保护分配网络的方法，分配网络具有互连汇流线的线路，每个汇流线能够通过邻近于汇流线的开关设备连接到线路，以及负载和/或发电机。该方法将分配网络划分为多个保护区域，每个保护区域包括汇流线、保护设备和区域控制器。在能够连接到一个汇流线的分配馈电线路、负载或发电机的连接状态改变的情况下，保护区域的逻辑控制器重新计算区域的短路级别。基于重新计算的短路级别，可以调整区域的保护设置。

附图说明

参考附图中图解的优选示例实施方式，在下文中将更详细地说明本发明的主题内容，在附图中：

图1示意性示出了根据本发明的第一保护区域和第二保护区域，每个保护区域包括汇流线和多个开关设备；

图2在其左部示意性示出了根据本发明的分配保护设置调整过程的离线阶段，以及在其右部示意性示出了根据本发明的分配保护设置调整过程的在线阶段。

图3a示出了根据本发明的径向拓扑的保护区域之间的示例性通信；

图3b示出了根据本发明的通过径向线路连接的多个闭环中保护区域之间的示例性通信；

图4示意性示出了根据本发明的示例性径向主动分配网络的MVA图；

图5示意性示出了根据本发明的通信中涉及的端子；

图6示意性示出了示例性分配网络中的MVA传送方法的使用；以及

图7示意性示出了根据本发明图4中图解的保护区域2中的短路电力级别以及相应保护设置组。

在名称列表中以概况的形式列出了附图中所使用的附图标记及其主要含义。原则上，在图中为相同的部件提供相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了基于保护区域概念的示例性自适应保护系统。保护区域10或保护区域20被定义为分配电网的如下部分：其以电节点即总线为中心，并且具有经过由最接近电节点11或21的电子继电器/IED控制的断路器的虚拟边界。

每个保护区域10通过分配线路30或变压器连接到同一配电网中的至少一个其它区域20。它也可以连接到本地发电机32以及负载31，本地发电机32在故障情况下注入故障电流，负载31在故障期间可以是被动的或主动的(注入故障电流)，例如电动机31。

保护区域10可以被认为是具有连接端口的黑盒子，连接端口可以通过外部端口与直接相邻区域交换正常和故障情况下的电力，以及通过内部端口与其本地发电机32和负载31交换正常和故障情况下的电力。每个端口通过双向通信线路(诸如总线、硬连线、无线等)连接到本地逻辑(LL)控制器12。LL控制器12物理上可以是独立设备，或者可以嵌入到本地保护设备中，其控制保护区域中端口之一处的开关。LL控制器12可以从每个端口接收信息并且可以向每个端口发送信息，并且LL控制器12还可以与直接相邻区域20对话，以协调保护和紧急控制动作，例如产生斜升(ramping)、负载脱落等。

电力分配系统内的短路级别取决于短路电源诸如发电机和主动负载例如电动机的网络拓扑和连接性。为了评估每个保护区域10、20中的短路级别，本发明使用MVA方法。用于故障分析的MVA方法是欧姆法的修改，其中每个网络部件由以MVA表达的、表示部件对短路级别的贡献(即共用电网、发电机和电动机)或作为短路级别的减小的降额(即架空线、地下线缆和变压器)的框代替。为了计算每个组件的MVA值，必要的规则如下(其中line-to-line为线路对线路，nominal为标称值)：

或者其由公用电网给定

当跟踪MVA框图时，可以在特定点计算短路MVA级别，即从该点开始不同元素被组合为：

并联部件→MVA_1,2＝MVA₁+MVA₂(2)

图2如下示出了根据本发明的示例性实施方式的步骤。

假定包括关于变压器到相邻保护区域的连接(例如Y/Y,D/Y等)的信息的变压器或连接线，以及本地故障电流源的参数已经被LL12、22知晓，通过知道打开/关闭的内部和外部端口的实际状态，为每个区域计算MVA中实际可用的短路级别，即用于不同类型故障(三相、相对相、相对地)的短路级别。

在拓扑变化的情况下，例如本地发电机32被接通，发电机被连接的第一区域10将更新MVA中可用短路电力的级别，并且可以更新第一区域中的保护设置，并且将其潜在的故障贡献(例如对三相故障或相对地故障的贡献)的更新值发送到直接电连接的相邻区域，其中再次进行可用短路级别的重新计算，并将其进一步转发。连接链路阻抗将更新的值降额(de-rate)，其中连接链路阻抗是LL控制器12的配置参数。

根据相邻者的类型，LL12控制器可以决定向直接相邻者发送什么短路信息，例如如果有单个相抽头，则LL12将仅发送相对地贡献。在环/圈形拓扑的情况下，位于环中的所有LL控制器12、22可以在彼此间交换信息。相邻者之间的通信是不够的，因为在存在故障的情况下，在环中两个区域之间总是存在两个电流路径。在环网络与单个连接链接的情况下，即，在两个环之间仅有一条故障贡献的路径，每个回路可以被认为是具有LL控制器的保护区域，参见图3a和图3b。

当在特定保护区域中更新短路级别后，LL验证新的故障级别是否可能以消极的方式影响外部和内部端口处的保护设备的性能，例如选择性、故障敏感性和运行速度的损失。

在至少针对一个本地保护设备识别到问题的情况下，LL运行保护设置调整引擎，其调节实际的继电器设置以恢复该区域的保护设备的正确操作，以及与相邻区域的保护设备的协调。它可以利用离线计算和验证的“可信”设置组，该设置组例如通过查找表被映射到特定网络拓扑。替选的方式可以通过实时运行故障分析来验证设置的选择性，并且分析生成的切断信号。于是，如果需要，同样可以实时计算新的设置。根据保护功能的类型，“设置”可以包括：(i)某些电参数的阈值，(ii)各种时间延迟，(iii)被硬连线的互锁和传输切断连接方向或订阅列表，以及(iv)其它保护功能的激活等。替选地，可以根据环的LL，针对环中连接的几个总线做出调整。

应当为完整的配电网集中地检查配电网升级对当前短路级别的效果，配电网升级例如为新故障电流源的连接，馈电线路延伸等。如果该效果是可忽略的，新的拓扑与现有的故障级别范围和现有的设置相关联。在对现有故障级别由显著影响的情况下(例如新级别在现有范围之外)，可以针对新拓扑引入新设置。通过利用标准IEC61850的出版者/订阅者模型，实现信息交换。网络拓扑的每个主要变化，诸如增加新CB，将需要整个系统的自动或手动重新配置。

在不需要将特定电路断路器的状态变化传送到中央控制器的情况下，上述实施方式允许将关于拓扑变化的信息作为变化的短路电力级别通过整个主动分配电网进行传播。对于具有大量开关的电网来说，其是显著的改进。如图3a和3b所示，顺序地执行变化的传播，例如从区域1到区域3，以及然后从区域3到区域4。换句话说，区域1的变化没有被直接传送到区域4。也就是说，当重新计算区域3的短路级别时，将考虑区域1的短路级别变化，并且区域4的短路级别的重新计算考虑区域3的重新计算的短路级别，而不是区域1的短路级别计算。

图4示出了示例性径向主动分配网络的MVA图。该网络包括标有虚线的七个区域，该区域具有内部和外部端口。底部和左侧标示有51的框表示故障电流源，即公用电网和本地发电机，以及标示有52的框表示互连不同保护区域50的无源元件。我们仅假定没有对故障级别做出贡献的无源负载，所以在图中不需要考虑它。如果有源负载被认为是发电机，因为在计算中考虑了其短路贡献，本发明还以任何方式适用于存在有源负载(诸如电动机)的网络。框内的值表示短路贡献，即框51中的短路电力的增加以及降额，即每个元件的框52中的短路电力的下降，并且框内的值以MVA表示。

每个连接线在其两侧具有两个开关，其中LL从最近的保护区域监视并控制所述开关。LL控制器是具有通信模块、CPU和存储器的独立的单元。CPU被用来运行程序，例如编程逻辑软件，以及存储器存储每个本地保护设备的设置和短路级别之间的映射。每个区域仅与直接电连接的相邻者进行通信。

例如，图5示出了区域2的LL控制器具有以下输入和输出：来自区域1、区域3和区域4的三个输入，用于接收对区域2中的内部故障的MVA的贡献；三个二进制输入，用于表示本地开关的状态，即0＝“断开”以及1＝“闭合”；至区域1、区域3和区域4的三个输出，用于发送区域2对区域1、区域3和区域4中的外部故障的MVA贡献。

图6概括了在所有开关即端口闭合的情况下区域之间传送的MVA值。例如，利用等式(1)计算区域1对区域2的贡献作为两个元件(即具有100MVA的框51和具有15MVA的框52)的串联连接，等式(1)如下：

该结果被表示为箭头线上方的数字，其表示从区域1对区域2的贡献。当计算从所有3个端口对区域2的所有贡献时，必须将它们并联放置，利用等式(2)得到全局和：

并联→13.04+4.29+10＝27.33MVA

通过来自外部端口和内部端口的所有输入乘以本地开关的状态值的(1＝关，0＝开)的和，给出每个保护区域的短路电力级别。如果物理连接是断开的，则做出该乘法以忽略相邻区域的贡献。例如，区域(AREA)2具有如下短路电力。

MVA_{AREA_2}＝StVal_eP2.1MVA_eP2.1+StVal_eP2.2MVA_eP2.2+StVal_eP2.3MVA_eP2.3

＝1*13.04+1*4.29+1*10＝27.33MVA

将MVA值(即发送的或接收的)乘以相应开关的状态，根据拓扑变化计算系统的每个区域的短路级别是有可能的。例如，如果微电网从公用电网中隔离出来并且作为具有两个本地发电机的孤岛运行(开关eP2.1是断开的)，则区域2将具有新的MVA级别，如下：

MVA_{AREA_2}＝StVal_eP2.1MVA_eP2.1+StVal_eP2.2MVA_eP2.2+StVal_eP2.3MVA_eP2.3

＝0*13.04+1*4.29+1*10＝14.29MVA

在这种情况下，保护区域2中的LL将识别出可用短路电力从27.3MVA降低到14.3MVA。LL将检验本地保护设备的设置是否被连累。由程序进行该检验，例如PLC程序，该程序将与二进制编码实际拓扑相关的设置组号和从设备读取的实际设置组进行比较。图7中可以看出的是，LL将发现所有保护设备的设置组1(对应于27.3MVA的MVA级别)必须被切换到设置组2(对应于14.3MVA的MVA级别)。最终，将命令发送到保护设备以实现该变化。该示例考虑了离线计算的设置之间的切换。

短路级别在整个系统中始终是已知的，并且根据现有规则或者实时计算，每个区域的LL可以更新区域内部的保护设备的设置。每个特定设置或设置组对应于可用短路电力级别的特定范围，即特定的网络拓扑。

尽管在附图和前述描述中详细地描述了本发明，但是这样的描述被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。根据对附图、公开内容、和所附权利要求的研究，对所公开的实施方式的变型可以被本领域的技术人员所理解并实现，并且实践所要求的发明。在权利要求中，词语“包括”没有排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一种(an)”没有排除多个。仅仅某些元件或步骤被记载在不同权利要求中的事实不表示不可以使用这些元件或步骤的组合来获益，具体地，除了实际的权利要求从属关系之外，还应认为公开了任何其它有意义的权利要求组合。