一種供電環網的智能保護迴路架構系統及智能保護方法

2023-10-23 22:57:17

專利名稱：一種供電環網的智能保護迴路架構系統及智能保護方法
一種供電環網的智能保護迴路架構系統及智能保護方法
技術領域：
本發明涉及城市軌道交通供電系統35kV、10kV、0. 4kV中低壓環網供電系統繼電 保護技術領域，特別是涉及一種供電環網的智能保護迴路架構系統及智能保護方法。
背景技術：
軌道交通的供電系統包括提供電力的主變電所或開閉所和分布於各車站的牽引 或降壓變電所組成，主變電所或開閉所通過電纜將35kV或IOkV電力輸送到各車站變電所 的進線斷路器，再經該變電所的35kV或IOkV母線連接到出線斷路器，再經出線斷路器用電 纜輸出到下一個車站變電所的進線，以此類推，形成供電環網。軌道交通中壓環網採用多分區短環串的接線方式，每個分區內串接3 4個牽引 降壓變電所組成了短環串。在每個環串內，為了保證選擇性，過流保護定值之間按0. 3秒 的時間級差配合，從末端到主變電所低壓母線進線開關的跳閘時間就需要1.8秒，但由於 軌道交通主變電所或開閉所一般歸電力部門管轄，電力調度提供的主變電所35kV側母線 的定值一般小於1. 8秒，甚至可能只有0. 5秒，這樣只能壓縮環網上保護的跳閘時間設定， 這會造成環網保護裝置之間的級差無法正常配合，或只能壓縮變電所間配合級數，犧牲了 保護的選擇性，也就無法滿足環網供電系統對繼電保護的要求。另外，為了保證保護的速動 性，在2個變電所間的中壓環網設置差動保護作為主保護。目前，國內外的保護裝置，差動、 過流保護一般分別為不同的保護裝置。由於差動保護裝置價格比較昂貴，且35kV環網饋線 的故障率相對來說並不大，這種配置必然提高了工程的造價。綜上所述，利用傳統保護配合思路不能較理想地解決這些矛盾。隨著計算機技術和網絡通信技術的發展，保護裝置無論在原理、元件和功能上都 有了長足的進步，目前的保護裝置大多採用多CPU結構，信息處理量越來越大，功能越來越 多，出現了保護功能集成化的發展趨勢；裝置之間的通信能力大大增強，能通過光纖或無線 通信實現長達三十多公裡的遠程通信功能；保護裝置越來越集成化和可編程功能，裝置可 以通過多達幾十個接點量的二進位觸發輸入或通過光纖通信傳遞的輸入信息，進行在線編 程，智能輸出；裝置內可以集成多種保護，也可以設多組相同的保護；在這種發展趨勢下， 控制、保護、信號和通信一體化的多功能綜合保護測控單元成為保護裝置的發展方向。如果 將站內和站間有關綜合測控一體化裝置進行聯網或通過光纖或無線通信直接連接，利用網 絡信息資源共享和網絡通信的快速響應性，將保護的採樣信息或保護動作信息在有關保護 裝置之間進行聯網通信，並通過可編程功能參與保護動作判據，能夠解決上述矛盾，從而達 到降低造價又不失可靠性並增加選擇性的目的。

發明內容本發明的目的是解決現有技術中存在的上述問題，提供一種供電環網的智能保護 迴路架構系統及智能保護方法。本發明是將每個變電所進出線環網以及各車站變電所綜合保護測控的一體化裝
5置，具備多電流保護和可編程功能，再通過光纖或無線等傳輸媒介，共享相關的電流信息， 從而實現變電所間和變電所內的電流信息資源共享，並通過相關保護裝置對相關電流信息 的綜合利用，可以在增強35kV、10kV環網保護的選擇性、速動性、靈敏性、可靠性的前提下， 切實可行的解決了保護時限的問題。本發明提供的供電環網的智能保護迴路架構系統是由各個變電所為一個獨立單 元共同構成，各獨立單元的具體結構包括第一個變電所進線支路由串接在一起的第一斷路器7和第一電流傳感器15構成，用於接收來 自外部電源20的電力供應，並向第一段母線49饋出電力；第一段母線49:一方面向該母線上的饋線輸送電力，另一方面通過第一環網電纜 50向遠距離的下一個迴路送電；第一環網送電支路由串連在一起的第二斷路器8和第二電流傳感器16構成，並 串接在第一段母線49和第一環網電纜50之間；第一段母線49上的饋線迴路第一段母線49上的饋線迴路至少有一個，均由變壓 器以及變壓器兩端分別串接的兩個電流傳感器和兩個斷路器組成，用於向饋線送電；第一保護裝置1 一端分別通過跳閘迴路連接第一斷路器7和第一段母線49上各 饋線迴路中的斷路器，另一端連接第一交換機或光纖轉接箱5 ；第二保護裝置2 —端分別通過跳閘迴路連接第二斷路器8和第一段母線49上各 饋線迴路中的斷路器，另一端連接第一交換機或光纖轉接箱5 ；第一和第二保護裝置用於接收來自直接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中 的電流值信息，以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各斷路器上串聯的電流傳感 器中的電流值信息，並與保護裝置內預先設定的電流值比較，當接收到的電流值符合設定 的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將相關斷路器跳開；以上所述的第一和第二(包括後面的第三和第四)保護裝置是集電流測量、控制 和通信為一體的微機型保護裝置，硬體形式與目前市場上已有的保護裝置相同，在輸入和 輸出迴路配置以及算法方面採用本發明中的規定即可，用於接收供電系統中相關支路的電 流值信息，也可以通過通信端連接到交換機或光纖轉接箱，通過光纖迴路接收更遠處的電 流傳感器的信息，保護裝置將接收到的電流值信息與裝置內預先設定的值比較，當接收到 的電流值符合設定的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將斷路器跳開。第一交換機或光纖轉接箱5 —方面分別連接第一保護裝置1和第二保護裝置2， 另一方面分別連接進線支路中的第一電流傳感器15、第一環網送電支路中的第二電流傳感 器16以及第一段母線49上各饋線迴路中的兩個電流傳感器，同時通過光纖或跳接光纜連 接第二交換機或光纖轉接箱；用於將與該交換機或光纖轉接箱直接連接的各電流傳感器中 的電流值信息以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各電流傳感器中的電流值信 息傳遞給第一保護裝置1和/或第二保護裝置2 ；第一環網電纜50 進線端連接第一環網送電支路，用於向遠距離的下一個迴路送 電；第一段光纖或跳接光纜52 連接第一交換機或光纖轉接箱5和第二交換機或光纖 轉接箱6 ；
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第二個變電所第二段母線51的進線支路由串接在一起的第三斷路器9和第三電流傳感器17 構成，用於接收來自第一環網電纜50的電力供應，並向第二段母線51饋出電力；第二段母線51 —方面向該母線上的饋線輸送電力，另一方面通過第二環網電纜 54向遠距離的另一個迴路送電；第二環網送電支路由串連在一起的第四斷路器10和第四電流傳感器18構成，串 接在第二段母線51和第二環網電纜54之間，並通過第二段環網電纜54向第三個變電所送 電，依次類推；第二段母線51上的饋線迴路第二段母線51上的饋線迴路同樣至少有一個，均由 變壓器以及變壓器兩端分別串接的兩個電流傳感器和兩個斷路器組成，用於向饋線送電；第三保護裝置3 —端分別通過跳閘迴路連接第三斷路器9和第二段母線51上各 饋線迴路中的斷路器，另一端連接第二交換機或光纖轉接箱6 ；第四保護裝置4 一端分別通過跳閘迴路連接第四斷路器10和第二段母線51上 各饋線迴路中的斷路器，另一端連接第二交換機或光纖轉接箱6 ；第三和第四保護裝置用於接收來自直接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中 的電流值信息，以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各斷路器上串聯的電流傳感 器中的電流值信息，並與保護裝置內預先設定的電流值比較，當接收到的電流值符合設定 的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將相關斷路器跳開；第二交換機或光纖轉接箱6 —方面分別連接第三保護裝置3和第四保護裝置4， 另一方面分別連接第二段母線51的進線支路中的第三電流傳感器17、第二環網送電支路 中的第四電流傳感器18以及第二段母線51上各饋線迴路中的兩個電流傳感器，同時通過 光纖或跳接光纜連接其它交換機或光纖轉接箱，依次類推；用於將與該交換機或光纖轉接 箱直接連接的各電流傳感器中的電流值信息以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接 的各電流傳感器中的電流值信息傳遞給第三保護裝置3和/或第四保護裝置4 ；第二環網電纜54:進線端連接第二環網送電支路，用於向遠距離的另一個迴路送 電，依次類推； 第二段光纖或跳接光纜53 連接第二交換機或光纖轉接箱6和第三交換機或光纖 轉接箱，用於實現各保護裝置對所有的電流傳感器信息的共享，依次類推；上述第一段母線49在第一個變電所內，第二段母線51在第二個變電所內，第一段 環網電纜50為兩個變電站之間的聯接電纜；第三個變電所結構和第一、第二個變電所相同，依次類推至整個環網。本發明同時提供了實現以上所述系統的供電環網的智能保護方法，該方法包括第1、確定保護域將供電環網中的各段母線、各環網電纜以及各饋線迴路中的變 壓器作為獨立的保護對象，與各保護對象直接連接的進線斷路器和出線斷路器共同構成了 該保護對象的保護域；第2、確定後備保護域將各保護域中的任何一個斷路器後面與之緊鄰的最近的 斷路器與其餘斷路器一起構成該保護域的後備保護域，各保護域的後備保護域不止一個；第3、各保護域是否啟動工作的判定各保護裝置根據檢測到的各電流傳感器的 電流信息確定各保護域是否啟動工作
第3. 1、保護域不動作的判據當各保護域環網上任何一端的電流向量值Ia符合
如下公式，則保護域不動作 ηIa + Σ Ii > k Ia
i=l其中，k值取1. 2 1. 7，η為保護域另一端的總支路數，Ii為η個支路中的第i支
η
路的支路電流向量值，i = 1,2,......,η, Σ Ii表示將保護域另一端所有支路電流求和，
i=l每條支路是由斷路器和電流傳感器等組成；如果保護域另一端為一個支路，則i = Ln = 1，如果另一端有支路數為3，則i取值分別為i = l、2、3，n = 3。第3. 2、保護域動作的判據當各保護域環網上任何一端的電流向量值Ia符合如
下公式，則保護域動作 ηIa + Σ Ii <k Ia
1=1
ι第4、後備保護域的保護動作判據規定保護域保護動作的時限為、，後備保護域
保護動作的時限為t2，對於t2 >、時刻，當後備保護域環網上任意與保護域不重疊端的電
流向量值Ib符合如下公式，則後備保護域動作 ηIb + Σ I i < k Ibη為後備保護域另一端的總支路數，Ii為η個支路中的第i支路的支路電流向量 η
值，Σ Ii表示將後備保護域另一端所有支路電流向量值求和； i=l一般保護域的保護動作時限、可以取20 50ms，後備保護域的保護動作時限t2 可以取IOOms 200ms ；第5、當相關保護裝置檢測到所負責的保護域中各個端的電流傳感器的電流值符 合第3. 2步中保護域動作的判據或第4步後備保護域的保護動作判據時，立即跳開所負責 的保護域各端的斷路器，切除故障，後備保護域比保護域的保護動作時間長。本發明方法第1步所述的保護域包括對第一段母線49的保護域在第一和第二斷路器(7、8)以及第一段母線49上的 饋線迴路中進線斷路器11之間組成，第一和第二保護裝置(1、2)中的任何一個均可以實施 對該保護域的保護任務；對第一饋線迴路中變壓器47的保護域在第一饋線迴路中的進線斷路器11和出 線斷路器13之間組成，第一和第二保護裝置(1、2)中的任何一個均可以實施對該保護域的 保護任務；對第一環網電纜50的保護域在第二和第三斷路器(8、9)之間組成；第一至第四 保護裝置(1、2、3、4)中的任何一個均可以實施對該保護域的保護任務；對第二段母線51的保護域在第三和第四斷路器(9、10)以及第二段母線51上的 饋線迴路中進線斷路器12之間組成，第三和第四保護裝置(3、4)中的任何一個均可以實施 對該保護域的保護任務；
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對第二饋線迴路中變壓器48的保護域在第二饋線迴路中的進線斷路器12和出 線斷路器14之間組成，第三和第四保護裝置(3、4)中的任何一個均可以實施對該保護域的 保護任務。第2步所述的後備保護域包括對第一環網電纜50或對第一段母線49的後備保護域在第一和第三斷路器(7、
9)以及第一段母線49上的饋線迴路中進線斷路器11之間組成，第一和第二保護裝置(1、 2)中的任何一個均可以實施對該後備保護域的保護任務；對第一環網電纜50或對第二段母線51的後備保護域在第二和第四斷路器(8、
10)以及第二段母線51上的饋線迴路中進線斷路器12之間組成，第三和第四保護裝置(3、 4)中的任何一個均可以實施對該後備保護域的保護任務。本發明的優點和積極效果本發明通過有關電流傳感器與相關保護裝置聯網，組成系統保護網，達到信息資 源共享，網絡上保護裝置可以提取網上任何一個傳感器輸出信息，如果環網上的電纜、母線 或變壓器設備的自己區域發生短路故障，那麼，系統保護網上的相關保護裝置能夠迅速提 取到故障區域兩端的電流信息，綜合判斷，以很短的延時迅速切除故障區域兩端的斷路器， 如果故障區域的提供短路電流側的斷路器發生故障而拒絕分閘，則系統保護將保護區域擴 大到後備區域，進行判斷，跳閘。與現有技術相比，本發明提供的方法保證了在環網上最大 0. 5秒的時間內可以拓展出主、後備保護域，保證了環網上保護的選擇性，同時，由於任何一 個保護域發生故障，均會由兩套保護裝置進行保護；更主要的，環網和饋線的保護具備智能 化自適應特徵，無需整定。本發明系統保護架構不用通過設置保護時差而獲得選擇性，切實可行地解決了保 護時限小的問題，增強了 35kV或IOkV環網保護的選擇性、速動性、靈敏性、可靠性，適合大 規模的推廣應用，從而實現傳統分立的繼電保護裝置無法實現的功能要求，滿足了城市軌 道交通供電環網的有效保護，具有重大的生產實踐意義。

圖1為本發明提供的一種針對環網系統保護架構(部分)示意圖；圖2為本發明提供的環網中正常負荷電流的流向示意圖；圖3為本發明提供的環網中母線51短路故障電流的流向示意圖；圖4為本發明提供的環網中環網電纜50短路故障電流的流向示意圖；圖5為本發明提供的變壓器48短路故障電流的流向示意圖。圖中，1-4第一至第四保護裝置，5-6第一和第二交換機或光纖轉接箱，7-10第一 至第四斷路器，11-14饋線迴路中的斷路器，52-53第一、第二段光纖或跳接光纜，15-18第 一至第四電流傳感器，19-22饋線迴路中的電流傳感器，47-48變壓器，49和51為第一、第二 段母線，50和54為第一、第二環網電纜，23-30為電流傳感器輸出信號傳輸線，31-46為斷路 器跳間連接線組成的跳間迴路。
具體實施方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明。實施例1、供電環網的智能保護迴路架構系統，如圖1所示包括第一個變電所進線支路由串接在一起的第一斷路器7和第一電流傳感器15構成，用於接收來 自外部電源20的電力供應，並向第一段母線49饋送電力；第一段母線49 一方面向第一饋線輸送電力，另一方面通過第一環網電纜50向遠 距離的下一個迴路(即第二個變電所)送電；第一環網送電支路由串連在一起的第二斷路器8和第二電流傳感器16構成，並 串接在第一段母線49和第一環網電纜50之間；第一段母線49上的饋線迴路第一段母線49上的饋線迴路至少有一個，均由變壓 器以及變壓器兩端分別串接的兩個電流傳感器和兩個斷路器組成，用於向饋線送電；第一保護裝置1 一端分別通過跳閘迴路連接第一斷路器7和第一段母線49上各 饋線迴路中的斷路器，另一端連接第一交換機或光纖轉接箱5 ；第二保護裝置2 —端分別通過跳閘迴路連接第二斷路器8和第一段母線49上各 饋線迴路中的斷路器，另一端連接第一交換機或光纖轉接箱5 ；第一和第二保護裝置用於接收來自直接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中 的電流值信息，以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各斷路器上串聯的電流傳感 器中的電流值信息，並與保護裝置內預先設定的電流值比較，當接收到的電流值符合設定 的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將相關斷路器跳開；以上所述的第一和第二(包括後面的第三和第四)保護裝置是集電流測量、控制 和通信為一體的微機型保護裝置，硬體形式與目前市場上已有的保護裝置相同，在輸入和 輸出迴路配置以及算法方面採用本發明中的規定即可，用於接收供電系統中相關支路的電 流值信息，也可以通過通信端連接到交換機或光纖轉接箱，通過光纖迴路接收更遠處的電 流傳感器的信息，保護裝置將接收到的電流值信息與裝置內預先設定的值比較，當接收到 的電流值符合設定的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將斷路器跳開。第一交換機或光纖轉接箱5 —方面分別連接第一保護裝置1和第二保護裝置2， 另一方面分別連接進線支路中的第一電流傳感器15、第一環網送電支路中的第二電流傳感 器16以及第一段母線49上各饋線迴路中的兩個電流傳感器，同時通過光纖或跳接光纜連 接第二交換機或光纖轉接箱；用於將與該交換機或光纖轉接箱直接連接的各電流傳感器中 的電流值信息以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各電流傳感器中的電流值信 息傳遞給第一保護裝置1和/或第二保護裝置2 ；第一環網電纜50 進線端連接第一環網送電支路，用於向遠距離的下一個迴路送 電；第一段光纖或跳接光纜52 連接第一交換機或光纖轉接箱5和第二交換機或光纖 轉接箱6。第二個變電所第二段母線51的進線支路由串接在一起的第三斷路器9和第三電流傳感器17 構成，用於接收來自第一環網電纜50的電力供應，並向第二段母線51饋出電力；第二段母線51 —方面向該母線上的饋線輸送電力，另一方面通過第二環網電纜54向遠距離的另一個迴路(即第三變電所)送電；第二環網送電支路由串連在一起的第四斷路器10和第四電流傳感器18構成，串 接在第二段母線51和第二環網電纜54之間，並通過第二段環網電纜54向第三個變電所送 電，依次類推；第二段母線51上的饋線迴路第二段母線51上的饋線迴路同樣至少有一個，均由 變壓器以及變壓器兩端分別串接的兩個電流傳感器和兩個斷路器組成，用於向饋線送電；第三保護裝置3 —端分別通過跳閘迴路連接第三斷路器9和第二段母線51上各 饋線迴路中的斷路器，另一端連接第二交換機或光纖轉接箱6 ；第四保護裝置4 一端分別通過跳閘迴路連接第四斷路器10和第二段母線51上 各饋線迴路中的斷路器，另一端連接第二交換機或光纖轉接箱6 ；第三和第四保護裝置用於接收來自直接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中 的電流值信息，以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各斷路器上串聯的電流傳感 器中的電流值信息，並與保護裝置內預先設定的電流值比較，當接收到的電流值符合設定 的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將相關斷路器跳開；第二交換機或光纖轉接箱5 —方面分別連接第三保護裝置3和第四保護裝置4， 另一方面分別連接第二段母線51的進線支路中的第三電流傳感器17、第二環網送電支路 中的第四電流傳感器18以及第二段母線51上各饋線迴路中的兩個電流傳感器，同時通過 光纖或跳接光纜連接其它交換機或光纖轉接箱，依次類推；用於將與該交換機或光纖轉接 箱直接連接的各電流傳感器中的電流值信息以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接 的各電流傳感器中的電流值信息傳遞給第三保護裝置3和/或第四保護裝置4 ；第二環網電纜54:進線端連接第二環網送電支路，用於向遠距離的另一個迴路送 電，依次類推； 第二段光纖或跳接光纜53 連接第二交換機或光纖轉接箱6和第三交換機或光纖 轉接箱，用於實現各保護裝置對所有的電流傳感器信息的共享，依次類推；上述第一段母線49在第一個變電所內，第二段母線51在第二個變電所內，第一段 環網電纜50為兩個變電站之間的聯接電纜；第三個變電所結構和第一、第二個變電所相同，依次類推至整個環網。本發明在具體的設計中，可以充分考慮通信或轉接箱5和6的高可靠性，以保證某 一個電流傳感器的輸出可以經過不同的路逕到達相關保護裝置中，光纜52或53可以是一 組多光纖芯線。第一和第二保護裝置1和2中的保護配置相同，包含的電流傳感器的信息相同，第 三和第四保護裝置3和4中的保護配置相同，包含的電流傳感器的信息相同。第一保護裝 置1也可以直接令第二斷路器8跳閘，第二保護裝置2也可以直接令第一斷路器7跳閘；第 三保護裝置3也可以直接令第四斷路器10跳閘，第四保護裝置4也可以直接令第三斷路器 9跳閘。正常運行時，可以設置第二和第三保護裝置2和3負責有關主保護域的監控和保 護，而設置第一和第四保護裝置1和4負責相關後備保護域的監視和保護；也可以設置第二 和第三保護裝置2和3為主保護，負責主保護域和後備保護域的監視和保護工作，如果第二 保護裝置2故障，則直接由第一保護裝置1代替其工作，如果第三保護裝置3故障，則第四
11保護裝置4代替其工作。第一保護裝置1通過跳閘迴路31可以令第一斷路器7跳閘，通過跳閘迴路34令 第一饋線迴路中的斷路器11跳閘，或通過跳閘迴路33可以令斷路器13跳閘。第二保護裝 置2通過跳閘迴路35可以令第二斷路器8跳閘，通過跳閘迴路38令第一饋線迴路中的斷 路器11跳閘，或通過跳閘迴路37可以令斷路器13跳閘。第三保護裝置3通過跳閘迴路39可以令第三斷路器9跳閘，通過跳閘迴路42令 第二饋線迴路中的斷路器12跳閘，或通過跳閘迴路41可以令斷路器14跳閘。第四保護裝 置4通過跳閘迴路43可以令第四斷路器10跳閘，通過跳閘迴路45令第二饋線迴路中的斷 路器12跳間，或通過跳間迴路46可以令斷路器14跳閘。圖1表達了簡化的三相環網供電網絡，每一條線表達的是三相。如圖3所示，圖3表達了當第二段母線51發生短路時，有關短路相的電流分布。本 發明所述系統保護的主要保護域是一段環網電纜或母線，當電纜或母線發生故障時，需要 保護域兩端的斷路器跳閘，同時，該保護域的後備保護域的保護也啟動，只是後備保護域的 動作時限比主保護域的稍長，因此，如果保護域的一段斷路器拒動，則將備用保護域經過一 段延時後保護動作，後備保護域比主保護域的範圍大，保護動作的時間長。由此可見，與現有技術相比，本發明提供的保護方法保證了在環網上最大0.5秒 的時間內可以拓展出主、後備保護，保證了環網上保護的選擇性，同時，由於任何一個保護 域發生故障，則均會由兩套保護裝置進行保護；更主要的，環網和饋線的保護具備智能化自 適應特徵，無需整定，具有重大的生產實踐意義。實施例2、供電環網的智能保護方法，包括第1、確定保護域將供電環網中的各段母線、各環網電纜以及各饋線迴路中的變 壓器作為獨立的保護對象，與各保護對象直接連接的進線斷路器和出線斷路器共同構成了 該保護對象的保護域；第2、確定後備保護域將各保護域中的任何一個斷路器後面與之緊鄰的最近的 斷路器與其餘斷路器一起構成該保護域的後備保護域，各保護域的後備保護域不止一個；第3、各保護域是否啟動工作的判定各保護裝置根據檢測到的各電流傳感器的 電流信息確定各保護域是否啟動工作第3. 1、保護域不動作的判據當各保護域環網上任何一端的電流向量值Ia符合
如下公式，則保護域不動作 ηIa + Σ I i > k Ia
i=l其中，k值取1. 2 1. 7，η為保護域另一端的總支路數，Ii為η個支路中的第i支
η
路的支路電流向量值，i = 1,2,......,η, Σ Ii表示將保護域另一端所有支路電流求和，
i=l每條支路是由斷路器和電流傳感器等組成；如果保護域另一端為一個支路，則i = Ln = 1，如果另一端有支路數為3，則i取值分別為i = l、2、3，n = 3。第3. 2、保護域動作的判據當各保護域環網上任何一端的電流向量值Ia符合如 下公式，則保護域動作
12η!a + . Ii <k Ia
1=1
，第4、後備保護域的保護動作判據規定保護域保護動作的時限為、，後備保護域
保護動作的時限為t2，對於t2 >、時刻，當後備保護域環網上任意與保護域不重疊端的電
流向量值Ib符合如下公式，則後備保護域動作 ηIb + Σ I i < k Ib
i=lη為後備保護域另一端的總支路數，Ii為η個支路中的第i支路的支路電流， η
Σ Ii表示將後備保護域另一端所有支路電流求和； i=l一般保護域的保護動作時限、可以取20 50ms，後備保護域的保護動作時限t2 可以取IOOms 200ms ；第5、當相關保護裝置檢測到所負責的保護域中各個端的電流傳感器的電流值符 合第3. 2步中保護域動作的判據或第4步後備保護域的保護動作判據時，立即跳開所負責 的保護域各端的斷路器，切除故障，後備保護域比保護域的保護動作時間長。實施例3、如圖2所示，圖2表達了當環網有正常負荷電流時，有關迴路中電流傳感器中的電 流分布，為了表達清晰，隱藏了各點電流傳感器的圖形符號。本發明所述系統的保護方法圖2中，把I1電流的箭頭方向(指向環網電纜50)規定為正，I2電流方向與I1電 流方向相同，因此，環網電纜50兩側的電流I1和I2電流大小相等，方向相同I^I2其中，k取值1.2 1.7，說明短路點不在斷路器8和斷路器9之間， 符合不動作判據，故第二斷路器8和第三斷路器9均不跳閘。對於母線51的保護域(第三和第四斷路器9和10、及饋線迴路中的斷路器12之 間)，由於流經斷路器9的電流I2 (指向母線51，設定為正方向)，流經第四斷路器10的電 流I3和流經斷路器12的I4均遠離母線51，13+14約等於12，故I2+I3+I4彡kl2，說明故障點不在第三和第四斷路器9和10、及饋線迴路中的斷路 器12之間，符合不動作判據。實施例4、如圖3所示，圖3表達了母線51短路故障電流的流向示意圖當母線51發生短路時，由於流經第三斷路器9的電流I2指向母線51 (規定此電 流方向為正)，流經第四斷路器10的電流I3和流經斷路器12的電流I4或流向母線51，或 為零，或與I2的方向相反，均為負值，因此，13+14也相對於I2為負值，故I2+I3+I4 < kl2，其中，k取值1. 2 1. 7，說明短路點在斷路器9、斷路器10和斷路 器12之間，符合保護域動作判據，經過保護動作時間為、。使得斷路器9、斷路器10和斷 路器12跳閘。當母線51發生短路時，由於流經第二斷路器8的電流I1指向母線51 (規定此電 流方向為正)，流經第四斷路器10的電流I3和流經斷路器12的電流I4或流向母線51，或 為零，或與I2的方向相反，均為負值，因此，13+14也相對於I1為負值，或為零，故Ii+I3+I4
13、，保證了選擇性。顯然，當母線51發生短路故障時，主保護域9、10、12和後備保護域8、10、12同時 啟動，只有當斷路器9拒動時，後備保護域8、10、12才能動作。 優選地，所述母線49和51均可以接入任何包含斷路器和電流傳感器的饋線，同樣 符合保護動作判據。實施例5、如圖4所示，圖4表達了環網電纜50短路故障電流的流向示意圖；當環網電纜50發生短路時，環網電纜兩端的第二和第三斷路器8和9應該跳閘， 此時，環網電纜一端的電流I2從第二斷路器8指向故障點，規定此電流的方向為正，環網電 纜的另一端電流I3指向故障點(此時I3電流方向與I2的電流方向相反，因此為負)或沒 有故障電流，兩個方向的電流和為I2+I3 < kl2，其中，k取值1. 2 1. 7，動作時間為、。當環網電纜50發生短路時，由於流經第一斷路器7的電流I1流向環網電纜50，規 定此電流方向為正，流經第三斷路器9的電流I3和流經斷路器11的電流I4或流向環網電 纜50 (此時I3或I4電流方向與I1的電流方向相反，因此為負)，或為零。13+14相對於I1為 負值，或為零，說明故障點位於第一斷路器7、第三斷路器9和斷路器11之間，故符合後備保 護域7、9、11的動作判據I^I3+I4 、，保證了選擇性。顯然，當環網電纜50發生短路故障時，主保護域8、9和後備保護域7、9、11同時啟 動，只有當第二斷路器8拒動時，後備保護域7、9、11才能動作。實施例6、如圖5所示，圖5表達了變壓器發生短路故障時電流的流向示意圖；當變壓器48發生短路故障，仍然有兩個公式對於斷路器12和14間主保護域I4+I5 < kl4，其中，k取值1. 2 1. 7，動作時間為、；對於第三斷路器9、10和14，的後備保護域I2+I3+I5 、而斷路器9、10、12間的保護域因滿足判據I2+I3+I4+I6彡kl2，因此，斷路器9、10、 12之間的保護域不會發生保護動作。證明如下如圖5所示，設I2的電流方向為正，13與I2的電流向相反，符號為負，即12 = -|13|， I6是I2向短路點48貢獻的短路電流，流經過斷路器12時，電流方向變得與I2相同，方向 為正，I4是I3向短路點48貢獻的短路電流，流經過斷路器12時，電流方向變得與I2相同， 方向為正，顯然，I6 = I2, I3的模值與I4的模值相等，即I4 = +113I，所以，當在變壓器48 處發生短路故障時，對於斷路器9、10、12間的保護域，因I2+I3+I4+I6 = I2-1131 +1131 +I2 = 212≥kl2，所以，斷路器9、10、12間的保護域不會動作。對於本發明，可以在35kV或IOkV環網智能動態設置保護域和後備保護域，不需要很長的保護動作時限就能迅速切除故障，只要保護裝置所能提取到的電流傳感器的信息， 均能參與保護域的故障的判斷，且可以動態伸縮。因此，本發明可以很好地適用於城市軌道 交通所有類型的交流供電網絡的保護。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明的原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種供電環網的智能保護迴路架構系統，其特徵在於，該系統由各個變電所為一個獨立單元共同構成，各獨立單元的具體結構包括第一個變電所進線支路由串接在一起的第一斷路器(7)和第一電流傳感器(15)構成，用於接收來自外部電源(20)的電力供應，並向第一段母線(49)饋出電力；第一段母線(49)一方面向該母線上的饋線輸送電力，另一方面通過第一環網電纜(50)向遠距離的下一個迴路送電；第一環網送電支路由串連在一起的第二斷路器(8)和第二電流傳感器(16)構成，並串接在第一段母線(49)和第一環網電纜(50)之間；第一段母線(49)上的饋線迴路第一段母線(49)上的饋線迴路至少有一個，均由變壓器以及變壓器兩端分別串接的兩個電流傳感器和兩個斷路器組成，用於向饋線送電；第一保護裝置(1)一端分別通過跳閘迴路連接第一斷路器(7)和第一段母線(49)上各饋線迴路中的斷路器，另一端連接第一交換機或光纖轉接箱(5)；第二保護裝置(2)一端分別通過跳閘迴路連接第二斷路器(8)和第一段母線(49)上各饋線迴路中的斷路器，另一端連接第一交換機或光纖轉接箱(5)；第一和第二保護裝置用於接收來自直接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中的電流值信息，以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中的電流值信息，並與保護裝置內預先設定的電流值比較，當接收到的電流值符合設定的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將相關斷路器跳開；第一交換機或光纖轉接箱(5)一方面分別連接第一保護裝置(1)和第二保護裝置(2)，另一方面分別連接進線支路中的第一電流傳感器(15)、第一環網送電支路中的第二電流傳感器(16)以及第一段母線(49)上各饋線迴路中的兩個電流傳感器，同時通過光纖或跳接光纜連接第二交換機或光纖轉接箱；用於將與該交換機或光纖轉接箱直接連接的各電流傳感器中的電流值信息以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各電流傳感器中的電流值信息傳遞給第一保護裝置(1)和/或第二保護裝置(2)；第一環網電纜(50)進線端連接第一環網送電支路，用於向遠距離的下一個迴路送電；第一段光纖或跳接光纜(52)連接第一交換機或光纖轉接箱(5)和第二交換機或光纖轉接箱(6)；第二個變電所第二段母線(51)的進線支路由串接在一起的第三斷路器(9)和第三電流傳感器(17)構成，用於接收來自第一環網電纜(50)的電力供應，並向第二段母線(51)饋出電力；第二段母線(51)一方面向該母線上的饋線輸送電力，另一方面通過第二環網電纜(54)向遠距離的另一個迴路送電；第二環網送電支路由串連在一起的第四斷路器(10)和第四電流傳感器(18)構成，串接在第二段母線(51)和第二環網電纜(54)之間，並通過第二段環網電纜(54)向第三個變電所送電，依次類推；第二段母線(51)上的饋線迴路第二段母線(51)上的饋線迴路同樣至少有一個，均由變壓器以及變壓器兩端分別串接的兩個電流傳感器和兩個斷路器組成，用於向饋線送電；第三保護裝置(3)一端分別通過跳閘迴路連接第三斷路器(9)和第二段母線(51)上各饋線迴路中的斷路器，另一端連接第二交換機或光纖轉接箱(6)；第四保護裝置(4)一端分別通過跳閘迴路連接第四斷路器(10)和第二段母線(51)上各饋線迴路中的斷路器，另一端連接第二交換機或光纖轉接箱(6)；第三和第四保護裝置用於接收來自直接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中的電流值信息，以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各斷路器上串聯的電流傳感器中的電流值信息，並與保護裝置內預先設定的電流值比較，當接收到的電流值符合設定的斷路器跳閘條件時，則通過輸出端連接到跳閘迴路，並將相關斷路器跳開；第二交換機或光纖轉接箱(6)一方面分別連接第三保護裝置(3)和第四保護裝置(4)，另一方面分別連接第二段母線(51)的進線支路中的第三電流傳感器(17)、第二環網送電支路中的第四電流傳感器(18)以及第二段母線(51)上各饋線迴路中的兩個電流傳感器，同時通過光纖或跳接光纜連接其它交換機或光纖轉接箱，依次類推；用於將與該交換機或光纖轉接箱直接連接的各電流傳感器中的電流值信息以及通過其它交換機或光纖轉接箱間接連接的各電流傳感器中的電流值信息傳遞給第三保護裝置(3)和/或第四保護裝置(4)；第二環網電纜(54)進線端連接第二環網送電支路，用於向遠距離的另一個迴路送電，依次類推；第二段光纖或跳接光纜(53)連接第二交換機或光纖轉接箱(6)和第三交換機或光纖轉接箱，用於實現各保護裝置對所有的電流傳感器信息的共享，依次類推；上述第一段母線(49)在第一個變電所內，第二段母線(51)在第二個變電所內，第一段環網電纜(50)為兩個變電站之間的聯接電纜；第三個變電所結構和第一、第二個變電所相同，依次類推至整個環網。
2. 一種實現權利要求1所述系統的供電環網的智能保護方法，其特徵在於該方法包括第1、確定保護域將供電環網中的各段母線、各環網電纜以及各饋線迴路中的變壓器 作為獨立的保護對象，與各保護對象直接連接的進線斷路器和出線斷路器共同構成了該保 護對象的保護域；第2、確定後備保護域將各保護域中的任何一個斷路器後面與之緊鄰的最近的斷路 器與其餘斷路器一起構成該保護域的後備保護域，各保護域的後備保護域不止一個；第3、各保護域是否啟動工作的判定各保護裝置根據檢測到的各電流傳感器的電流 信息確定各保護域是否啟動工作第3. 1、保護域不動作的判據當各保護域環網上任何一端的電流向量值Ia符合如下 公式，則保護域不動作Ia + Σ Ii>kla i=l其中，k值取1. 2 1. 7，η為保護域另一端的總支路數，Ii為η個支路中的第i支路的η支路電流向量值，i = 1，2，......,η, Σ Ii表示將保護域另一端所有支路電流求和；i=l第3. 2、保護域動作的判據當各保護域環網上任何一端的電流向量值Ia符合如下公式，則保護域動作Ia + Σ Ii、時刻，當後備保護域環網上任意與保護域不重疊端的電流向 量值Ib符合如下公式，則後備保護域動作Ib + Σ Ii<klb i=lη為後備保護域另一端的總支路數，Ii為η個支路中的第i支路的支路電流向量值，ηΣ Ii表示將後備保護域另一端所有支路電流向量值求和；第5、當相關保護裝置檢測到所負責的保護域中各個端的電流傳感器的電流值符合第 3. 2步中保護域動作的判據或第4步後備保護域的保護動作判據時，立即跳開所負責的保 護域各端的斷路器，切除故障，後備保護域比保護域的保護動作時間長。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於第1步所述的保護域包括對第一段母線(49)的保護域在第一和第二斷路器(7、8)以及第一段母線(49)上的 饋線迴路中進線斷路器(11)之間組成，第一和第二保護裝置(1、2)中的任何一個均可以實 施對該保護域的保護任務；對第一饋線迴路中變壓器(47)的保護域在第一饋線迴路中的進線斷路器(11)和出 線斷路器(13)之間組成，第一和第二保護裝置(1、2)中的任何一個均可以實施對該保護域 的保護任務；對第一環網電纜(50)的保護域在第二和第三斷路器(8、9)之間組成；第一至第四保 護裝置(1、2、3、4)中的任何一個均可以實施對該保護域的保護任務；對第二段母線(51)的保護域在第三和第四斷路器(9、10)以及第二段母線(51)上的 饋線迴路中進線斷路器(12)之間組成，第三和第四保護裝置(3、4)中的任何一個均可以實 施對該保護域的保護任務；對第二饋線迴路中變壓器(48)的保護域在第二饋線迴路中的進線斷路器(12)和出 線斷路器(14)之間組成，第三和第四保護裝置(3、4)中的任何一個均可以實施對該保護域 的保護任務。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於第2步所述的後備保護域包括對第一環網電纜(50)或對第一段母線(49)的後備保護域在第一和第三斷路器(7、9)以及第一段母線(49)上的饋線迴路中進線斷路器(11)之間組成，第一和第二保護裝置 (1、2)中的任何一個均可以實施對該後備保護域的保護任務；對第一環網電纜(50)或對第二段母線(51)的後備保護域在第二和第四斷路器(8、10)以及第二段母線(51)上的饋線迴路中進線斷路器(12)之間組成，第三和第四保護裝置 (3,4)中的任何一個均可以實施對該後備保護域的保護任務。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的方法，其特徵在於第4步所述的保護動作的時 限、取 20 50ms ;t2 取 100 200ms。
全文摘要
一種供電環網的智能保護迴路架構系統及智能保護方法。該系統以供電環網中的各段母線、各環網電纜以及各饋線迴路中的變壓器作為獨立的保護對象，各保護對象通過與之直接連接的進線、出線斷路器共同構成了該保護對象的保護域；通過有關電流傳感器與相關保護裝置聯網，達到信息資源共享，保護裝置可提取網上任一傳感器的輸出信息，如保護對象發生短路故障，各相關保護裝置能迅速提取到故障區域兩端的電流信息，綜合判斷，以很短的延時迅速切除故障區域兩端的斷路器，如故障區域的某斷路器發生故障而拒絕分閘，則系統將保護擴大到後備區域。本發明系統保護無需整定計算，適合大規模的推廣應用，具有重大的生產實踐意義。
文檔編號H02H7/26GK101916988SQ201010197388
公開日2010年12月15日 申請日期2010年6月11日 優先權日2010年6月11日
發明者餘滿峰, 姜春林, 孟祥奎, 張雲太, 李繼勝, 楊嘯勇, 王術合, 王立天, 田勝利, 趙印軍, 韓魯斌 申請人:中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司