低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡選擇性協(xié)調保護機制技術

蘇尚流　繆希仁　吳立敏（. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州　3506；. 嘉興供電公司，浙江 嘉興　34400）

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低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡選擇性協(xié)調保護機制技術

蘇尚流1繆希仁1吳立敏2
（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州350116；2. 嘉興供電公司，浙江 嘉興314400）

摘要針對現(xiàn)階段低壓系統(tǒng)短路故障選擇性保護的局限性，分析短路故障早期檢測及其峰值預測在選擇性保護的重要意義，提出低壓系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡全范圍選擇性協(xié)調保護機制技術，闡述實現(xiàn)低壓系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡選擇性協(xié)調保護的關鍵點。通過仿真分析，探討了多層級網(wǎng)絡中各個節(jié)點與中控CPU的協(xié)調保護機制及其可行性，并提出采用高速晶振同步采樣和基于光纖信道的高速SPI通信技術解決多層級網(wǎng)絡多節(jié)點同步采樣誤差問題和多節(jié)點與中控CPU高速通信問題。

關鍵詞：低壓系統(tǒng)；多層級選擇性保護；早期檢測；同步采樣；高速通信

Mechanism Technology of Coordinated Selective Protection in a Multi-level Low Voltage Distribution System

Su Shangliu1Miao Xiren1Wu Limin2
（1. College of Electrical Engineering and Automation Fuzhou University ，F(xiàn)uzhou350116; 2. Power Supply Company in Jiaxing， Jiaxing， Zhejiang314400）

Abstract Considering the limitations of short-circuit selective protection in low-voltage system， a technology of protective and coordinated mechanism in a multi-level low voltage distribution system is propound ，after analyzing the significance of early detection and peak prediction for short-circuit current in selective protection， key techniques to realize above technology are expound as well. By simulating and analyzing， the specific protection mechanism， in which multi-level network nodes and center control CPU is coordinated， and feasibility are discussed. To solve sampling synchronous error with many nodes in multi-level network and the problem of high speed communication of center control CPU， sampling synchronous using high speed external crystal and SPI communication technology which is based on optical fiber are proposed.

Keywords：low voltage system; selective protection in multi-level network; early detection; sampling synchronous; high speed communication

短路故障是低壓配電系統(tǒng)最主要的故障之一，傳統(tǒng)的低壓配電系統(tǒng)短路電流保護采用過電流三段式保護，依據(jù)時間-選擇性原則，通過設定上下級斷路器不同的整定電流、延遲時間來實現(xiàn)選擇性保護。這種保護技術相對成熟，但斷路器判斷短路故障需要滿足全電流大于整定值的條件，短路故障判別時間長，且未考慮配電層級較多時存在延遲時間逐級累加的問題。此外，當下級斷路器負載側的短路電流大于上級斷路器的短延遲整定值，并達到瞬動電流時，就可能出現(xiàn)這兩個層級的斷路器同時跳閘甚至越級跳閘的情況，使配電系統(tǒng)故障范圍擴大。由此可見，三段式保護以犧牲保護速度來換取保護選擇性，其實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)實現(xiàn)選擇性保護時間較長（一般達到1s，甚至更長），可以看作是一種局部選擇性保護，且缺乏低壓系統(tǒng)相鄰層級及多層級之間相互協(xié)調的選擇性保護機制[1-6]。

綜上所述，傳統(tǒng)的選擇性保護有其局限性，從局部選擇性提升到全局選擇性且選擇性保護范圍從電源側向終端側延伸，實現(xiàn)多層級全范圍的選擇性協(xié)調保護已成為低壓選擇性保護技術方向。隨著低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測技術的發(fā)展，使得兼顧速度性與選擇性的低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡全范圍選擇性的協(xié)調保護技術成為可能[6]。

1　研究現(xiàn)狀

在選擇性保護方面，國內外相關專家與企業(yè)已開展了大量的研究與開發(fā)。文獻[7]采用區(qū)域聯(lián)鎖實現(xiàn)全選擇性保護，較好地解決傳統(tǒng)三段式保護的缺點，但是該方法不具備全范圍協(xié)調能力，只是通過上下層級斷路器的ZSI信號來判斷短路點，靈活性不高。文獻[8]分析我國井下6kV高壓電網(wǎng)短路故障引起的越級跳閘原因的基礎上，開發(fā)了一種基于CAN總線通信具有選擇性短路保護的高壓綜合保護器，在一定程度上解決了短路故障越級跳閘問題，但是該方案采用CAN總線通信，其最高通信速率為1M，為了實現(xiàn)選擇性的同時保證速度性，只能在信道上傳輸簡單信息來表征本地發(fā)生故障與否，擴展性能比較差，主從機之間交互受到限制。文獻[9]首次提出了低壓斷路器保護與控制的單片機處理器控制系統(tǒng)概念，構造了以中控模塊為中心的選擇性保護通信控制架構。該通信控制架構采用集中式架構，適用于區(qū)域保護。但大量原始數(shù)據(jù)需要在中控模塊進行處理，這樣不僅對中控模塊的運算能力和存儲能力的要求大幅度提高，而且通信信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量顯著增加，從而延長傳輸時間且要求傳輸通道帶寬性能較高。

由此可見，目前低壓系統(tǒng)選擇性保護不能兼顧保護的速度性與選擇性，研究一種基于短路故障早期檢測和高速通信的選擇性保護技術，不但可以保證系統(tǒng)對于短路故障的快速反應，同時有望實現(xiàn)保護的選擇性與協(xié)調性。

2　低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡全范圍選擇性協(xié)調保護機制與仿真

為了實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡保護的快速性、選擇性和協(xié)調性，需要以短路故障快速判斷為基礎，采用高速通信網(wǎng)絡傳輸故障信息，并引入多層級網(wǎng)絡節(jié)點與中控CPU的可靠交互機制。該機制應可協(xié)調各個節(jié)點的故障信息及選擇出需要分斷的故障支路，并提供后備保護。

2.1低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測及峰值預測簡介

文獻[12-15]提出了形態(tài)小波濾除算法，將廣義形態(tài)開濾波器作為多尺度三次B樣條二進小波變換的前置濾波單元，形成一種新型的具有多結構元素的復合濾波算法，利用小波包細節(jié)分解分量，即小波變換第四尺度細節(jié)分量分解得到的高階細節(jié)分量（dd5）有效解決了全相角范圍內低壓配電線路短路故障特征的早期檢測，且結合快速分斷機構可充分抑制且有效分斷短路故障電流。大量實驗表明，形態(tài)小波早期檢測技術可以實現(xiàn)0.2ms內的短路故障早期辨識。只有在短路故障得以快速判斷的前提下，實現(xiàn)全范圍選擇性協(xié)調保護才有可能得以實現(xiàn)。

文獻[6]將極端學習機（Extreme Learning Machine，ELM）引入低壓配電系統(tǒng)短路電流預測研究，建立短路電流峰值預測模型，實現(xiàn)全相角范圍故障樣本預測模型的訓練與測試，實驗結果表明，基于短路故障早期檢測的ELM預測模型可有效地實現(xiàn)短路電流的峰值預測，其預測誤差小于5%，且實現(xiàn)了采用FPGA（Field-Programmable Gate Array）在短路故障發(fā)生后0.25ms內有效實現(xiàn)短路電流的早期檢測及其峰值預測。低壓配電系統(tǒng)短路故障早期檢測及其峰值快速預測的技術實現(xiàn)，為多層級低壓配電系統(tǒng)的選擇性協(xié)調保護提供了快速性的技術保障。

2.2低壓系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡節(jié)點與中控CPU交互機制

本文作者提出了低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡全范圍選擇性協(xié)調保護技術[5-6]，分析了短路故障早期檢測現(xiàn)狀及其關鍵技術問題，并以此為立足點對短路故障早期檢測及其趨勢預測進行深入研究，為低壓系統(tǒng)全范圍選擇性協(xié)調保護提供新的理論研究方法，但對于多層級網(wǎng)絡的節(jié)點與信息交換平臺的交互機制尚待深入研究。

圖1　低壓系統(tǒng)多層級短路故障選擇性保護架構

本文提出的低壓配電系統(tǒng)全范圍選擇性協(xié)調保護的架構圖如圖1所示，包括本地處理裝置、電流互感器、中控CPU、同步采樣模塊。其中，同步采樣模塊為各個層級的本地處理裝置節(jié)點發(fā)送同步觸發(fā)信號。本地處理裝置通過電流互感器對所在層級支路的電流實時采樣，并利用上述小波包細節(jié)高階分量實時計算dd5。當dd5大于設定的閾值時，則認為發(fā)生短路故障，并啟動極端學習機算法對短路電流峰值進行預測。當預測出短路電流峰值時啟動通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)即本地站號、dd5瞬時標幺值、短路電流峰值預測值、短路相，通過高速信道傳輸給中控CPU。

各個層級的本地處理裝置均設有發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先級，越接近負載端，其發(fā)送優(yōu)先級越高。當發(fā)生短路故障時，流過短路電流的相關支路同時判斷出短路故障（同步采樣的前提下，其時間間隔小于一個采樣時間間隔），此時發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先級越高的支路最先發(fā)送相關數(shù)據(jù)，發(fā)送優(yōu)先級低的支路延遲一定時間，等待優(yōu)先級高的從機將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢再發(fā)送本地故障數(shù)據(jù)，因此，越靠近電源側的層級支路延遲時間越長。中控CPU對各個節(jié)點的短路故障信息即dd5標幺值進行對比，判斷出具體的短路支路，并對該支路的斷路器容量、預期分斷電流和短路電流峰值進行匹配，如果匹配則發(fā)送分斷信號給短路支路的斷路器，如果不匹配則將分斷信號傳輸給上一層級的斷路器，從而實現(xiàn)選擇性協(xié)調保護。

短路故障發(fā)生后，多層級網(wǎng)絡中的節(jié)點接收到中控CPU分斷信號，該節(jié)點的本地處理裝置實時檢測電流信號，并根據(jù)本地斷路器的分斷特性計算分斷時間。如果在這段時間內斷路器沒有可靠分斷，則通知中控CPU，中控CPU立即發(fā)送分斷信號給上級斷路器，為短路支路提供后備保護。

實現(xiàn)低壓系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡選擇性協(xié)調保護的前提是保護的可靠性，在發(fā)生短路故障的時候應該及時分斷低壓斷路器[6]，所以上述低壓系統(tǒng)選擇性協(xié)調保護架構依然可保留常規(guī)的三段式保護。當選擇性協(xié)調保護系統(tǒng)發(fā)生故障時，如通信系統(tǒng)故障或本地檢測裝置故障，則開啟常規(guī)三段式保護，從而在實現(xiàn)全范圍選擇性協(xié)調保護的同時，可以保留系統(tǒng)的可靠性。

2.3低壓配電系統(tǒng)多層級短路故障仿真分析

本文采用Matlab中的Simulink的電力系統(tǒng)工具箱，針對圖1低壓系統(tǒng)多層級短路故障選擇性保護架構，建立了低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡短路故障模型，如圖2所示，以獲取全相角范圍短路故障仿真樣本。

圖2　低壓配電系統(tǒng)多層級故障模型

針對上述全范圍選擇性保護機制，仿真在不同層級不同初相角下（a）發(fā)生短路故障時，對各個支路的電流進行多尺度三次B樣條二進小波變換及小波包變換，分析在短路故障發(fā)生0.2ms時的電流波形高階細節(jié)分量的瞬時標幺值dd5*隨a的變化情況，dd5*的基準值為支路穩(wěn)定運行時電流的dd5分量峰值，短路支路為圖2的i31支路、i20支路、i10支路，仿真結果如圖3所示，圖上只列出了dd5*大于閾值的相關支路，即判斷出短路故障的支路[13]。

圖3　不同層級短路0.2ms時相關支路dd5* 隨a的變化情況

由圖3可知，在大多數(shù)相角下，短路發(fā)生0.2ms時的相關短路支路其dd5*均大于閾值，但當a ＝140°時，其短路相關支路電流在0.2ms時的dd5*小于閾值，如圖3（a）、（b）所示。為此，本文針對a ＝140°下的短路電流進行小波包變換，分析dd5*隨時間的變化情況，其結果如圖4所示?？梢钥闯?，dd5*在短路發(fā)生0.1ms時就已經(jīng)超過閾值，即短路發(fā)生0.1ms時就可以辨識出短路故障。因此，通過仿真可以驗證，采用dd5*作為短路早期辨識的特征量是可行的。

圖4　a＝140°的短路電流dd5*隨時間變化情況

此外，由圖3可以看出短路故障0.2ms時，只有短路回路的相關支路出現(xiàn)顯著的dd5*，而短路回路相鄰的支路沒有出現(xiàn)明顯的dd5*。所以只要設置合適的閾值，就可以在短路發(fā)生0.2ms后檢測到短路故障[13]，而其他相鄰支路不會受到短路支路的影響而誤判短路故障。而且，網(wǎng)絡中越靠近短路位置其dd5*越大，所以中控CPU只要對比dd5*的大小，就可以判斷出具體的短路支路，從而實現(xiàn)選擇性協(xié)調保護。特別的，圖1（c）可以看出，當i10支路短路時，i21支路的dd5*在一些短路初相角下大于閾值，即本地裝置會辨識出短路故障。但由于其dd5*小于i10支路，通過上述選擇性協(xié)調保護機制就可以避免誤觸發(fā)。

由上述分析可見，當發(fā)生短路故障，只有短路相關支路判斷出短路故障并發(fā)送數(shù)據(jù)給中控CPU，中控CPU對比接收到的各個支路的dd5*，找出最大dd5*所在的支路，則判定該支路為短路支路，并發(fā)送分斷信號給該支路的低壓斷路器。

3　多層級網(wǎng)絡多節(jié)點同步采樣與遠距離SPI通信技術

3.1同步采樣

根據(jù)上述低壓系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡節(jié)點與中控CPU交互機制的要求，需要一種可靠的同步采樣方式以減少多層級網(wǎng)絡中各個節(jié)點的本地處理裝置對短路故障檢測的時間差，從而減少系統(tǒng)的延遲時間。實現(xiàn)多機異地同步采樣的方式主要分為軟件和硬件兩種方法。

線性插值算法采樣同步是一種軟件同步方法，其原理是根據(jù)不同通道的采樣值，利用線性插值算法計算出不同通道同一時刻的采樣值，從而實現(xiàn)同步采樣。采用軟件算法進行同步矯正，不需要外部硬件，成本較低。但是這種方法增加了軟件的計算量，增加了短路故障的判斷時間，且數(shù)據(jù)采樣值的精度不高誤差較大。

隨著GPS應用的發(fā)展，GPS同步采樣被廣泛應用。其原理是異地采樣裝置接收同一時刻的高精度GPS時間信號，每隔一段時間強制同步本地采樣時鐘，從而實現(xiàn)高精度同步采樣，其同步精度小于1us。這種方法可以實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)同步，但是每個信號采集裝置均需要配備GPS接收模塊，成本較高。由于低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡分布環(huán)境復雜，不能保證每個節(jié)點所處現(xiàn)場環(huán)境均有可靠的GPS信號，且低壓配電網(wǎng)絡配置分布式GPS接收模塊還存在使用成本問題，所以GPS同步采樣方法并不適用于低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡。

圖5　高精度晶振實現(xiàn)同步采樣框圖

為了適應低壓配電系統(tǒng)多層級分布式網(wǎng)絡的環(huán)境，需要采用一種可靠且性價比高的同步信號方式。高精度晶振同步采樣，原理是通過高精度的晶振產(chǎn)生采樣觸發(fā)信號，經(jīng)過運放將信號放大并拆分成多路采樣觸發(fā)信號傳輸給多層級網(wǎng)絡各個節(jié)點的本地裝置觸發(fā)其同步采樣。該方法的同步精度小于1μs，且不存在同步信號丟失問題，適用于低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡中。其原理圖如圖4所示。

圖5為不同觸發(fā)采樣方式下的采樣觸發(fā)信號，圖5（a）為兩個采樣頻率一致，采樣時鐘各自獨立的采樣觸發(fā)信號，圖5（b）為兩個采用外部高精度晶振觸發(fā)采樣的采樣觸發(fā)信號?？梢钥闯?，采用高精度晶振實現(xiàn)同步采樣時，其同步采樣誤差遠小于未采用同步采樣信號觸發(fā)采樣的情況。

圖6　不同觸發(fā)方式下的采樣觸發(fā)信號

3.2遠距離SPI通信技術

SPI總線是一種同步串行外設接口，支持一主多從、全雙工工作方式。SPI一般采用四線制接口：串行時鐘線SCK、主機輸入/從機輸出線MISO、主機輸出/從機輸入線MOSI、低電平有效的從機選擇線CS。其主從工作方式示意圖如圖7所示。

圖7　SPI主從工作方式示意圖

SPI總線通信速度快、通信效率高，滿足低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡選擇線協(xié)調保護的高速通信要求。但其采用單端不平衡方式傳輸數(shù)據(jù)，存在遠距離共地問題，所以其通信距離受到限制。為了解決SPI通信距離問題，本文引入光纖信道作為SPI總線的通信信道。其原理圖如圖8所示。光電轉換模塊將數(shù)據(jù)電信號轉化為光信號，光信號在高速光纖上傳輸可以有效降低電磁干擾以及振動、溫度等因素對信號的干擾，降低誤碼率，并且由于在接收端是依據(jù)光場強度來轉化為電平信號，所以不存在對地參考電平問題，發(fā)送與接收端不需要共地，解決了遠距離共地問題，大大提高了SPI的通信距離，使其可以在多層級網(wǎng)絡的選擇性協(xié)調保護中得以應用。

圖8　SPI遠距離通信結構

本文采用的光纖發(fā)射器和接收器為AVAGO公司推出的AFBR-1629Z和AFBR-2529Z，其最高支持10Mbit的通信速率，其中1mm的塑料光纖的通信距離為50m，而200μm的塑料包層硅的通信距離為200m，滿足本文多層級選擇性保護的高速遠距離通信要求。實驗表明，采用DSP2812配合光纖可以實現(xiàn)9.375M的SPI通信速率，通信距離可達200m。

4　結論

傳統(tǒng)的低壓配電系統(tǒng)選擇性保護是以犧牲保護的時間性換取保護的選擇性，低壓系統(tǒng)短路故障早期檢測技術的發(fā)展，為低壓配電系統(tǒng)選擇性保護爭取了時間，為此本文基于短路故障早期檢測和峰值預測，介紹了一種低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡選擇性協(xié)調保護機制，當?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)多層級網(wǎng)絡中任一節(jié)點發(fā)生短路故障，其短路相關支路的電流dd5*均將超過短路判斷的閾值并隨著所在層級數(shù)的增高而增大，中控CPU通過各個層級的dd5*來判斷短路發(fā)生的具體節(jié)點，從而實現(xiàn)選擇性協(xié)調保護。

針對上述選擇性協(xié)調保護機制技術的關鍵問題，本文進行低壓配電系統(tǒng)多層級網(wǎng)絡短路故障仿真分析，結果表明采用dd5*作為特征量可以實現(xiàn)全相角短路故障早期辨識，且不同層級的dd5*隨著層級數(shù)的增加而增大，探討了多層級選擇性協(xié)調保護機制技術的可行性。此外，本文介紹了一種高速晶振同步采樣技術解決多層級網(wǎng)絡多節(jié)點同步采樣問題，實驗結果表明該方法可以大大降低多機同步采樣的采樣誤差；采用光纖信道解決高速SPI通信的短距離通信問題，保證了多層級網(wǎng)絡中各個節(jié)點與中控CPU的高速遠距離通信。

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蘇尚流（1990-），男，福建省泉州晉江市人。在讀碩士研究生，主要研究方向為智能電器及在線監(jiān)測技術。

作者簡介