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中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。 请感兴趣的读者扫描下方的二维码（或关注微信公众号“电气技术”），浏览会议详情和进行快速注册报名。注册时请准确填写相关信息，会议服务人员将及时与您确认参会事宜。 福州大学电气工程与自动化学院、嘉兴供电公司的研究人员苏尚流、缪希仁、吴立敏，在2016年第1期《电气技术》杂志上撰文，针对现阶段低压系统短路故障选择性保护的局限性，分析短路故障早期检测及其峰值预测在选择性保护的重要意义，提出低压系统多层级网络全范围选择性协调保护机制技术，阐述实现低压系统多层级网络选择性协调保护的关键点。 通过仿真分析，探讨了多层级网络中各个节点与中控CPU的协调保护机制及其可行性，并提出采用高速晶振同步采样和基于光纤信道的高速SPI通信技术解决多层级网络多节点同步采样误差问题和多节点与中控CPU高速通信问题。 短路故障是低压配电系统最主要的故障之一，传统的低压配电系统短路电流保护采用过电流三段式保护，依据时间-选择性原则，通过设定上下级断路器不同的整定电流、延迟时间来实现选择性保护。 这种保护技术相对成熟，但断路器判断短路故障需要满足全电流大于整定值的条件，短路故障判别时间长，且未考虑配电层级较多时存在延迟时间逐级累加的问题。 此外，当下级断路器负载侧的短路电流大于上级断路器的短延迟整定值，并达到瞬动电流时，就可能出现这两个层级的断路器同时跳闸甚至越级跳闸的情况，使配电系统故障范围扩大。 由此可见，三段式保护以牺牲保护速度来换取保护选择性，其实现低压配电系统实现选择性保护时间较长（一般达到1s，甚至更长），可以看作是一种局部选择性保护，且缺乏低压系统相邻层级及多层级之间相互协调的选择性保护机制[1-6]。 综上所述，传统的选择性保护有其局限性，从局部选择性提升到全局选择性且选择性保护范围从电源侧向终端侧延伸，实现多层级全范围的选择性协调保护已成为低压选择性保护技术方向。随着低压系统短路故障早期检测技术的发展，使得兼顾速度性与选择性的低压配电系统多层级网络全范围选择性的协调保护技术成为可能[6]。 1研究现状 在选择性保护方面，国内外相关专家与企业已开展了大量的研究与开发。文献[7]采用区域联锁实现全选择性保护，较好地解决传统三段式保护的缺点，但是该方法不具备全范围协调能力，只是通过上下层级断路器的ZSI信号来判断短路点，灵活性不高。 文献[8]分析我国井下6 kV高压电网短路故障引起的越级跳闸原因的基础上，开发了一种基于CAN总线通信具有选择性短路保护的高压综合保护器，在一定程度上解决了短路故障越级跳闸问题，但是该方案采用CAN总线通信，其最高通信速率为1M，为了实现选择性的同时保证速度性，只能在信道上传输简单信息来表征本地发生故障与否，扩展性能比较差，主从机之间交互受到限制。 文献[9]首次提出了低压断路器保护与控制的单片机处理器控制系统概念，构造了以中控模块为中心的选择性保护通信控制架构。该通信控制架构采用集中式架构,适用于区域保护。但大量原始数据需要在中控模块进行处理，这样不仅对中控模块的运算能力和存储能力的要求大幅度提高，而且通信信道传输的数据量显著增加，从而延长传输时间且要求传输通道带宽性能较高。 由此可见，目前低压系统选择性保护不能兼顾保护的速度性与选择性，研究一种基于短路故障早期检测和高速通信的选择性保护技术，不但可以保证系统对于短路故障的快速反应，同时有望实现保护的选择性与协调性。 2低压配电系统多层级网络全范围选择性协调保护机制与仿真 为了实现低压配电系统多层级网络保护的快速性、选择性和协调性，需要以短路故障快速判断为基础，采用高速通信网络传输故障信息，并引入多层级网络节点与中控CPU的可靠交互机制。该机制应可协调各个节点的故障信息及选择出需要分断的故障支路，并提供后备保护。 2.1低压系统短路故障早期检测及峰值预测简介 文献[12-15]提出了形态小波滤除算法，将广义形态开滤波器作为多尺度三次B样条二进小波变换的前置滤波单元，形成一种新型的具有多结构元素的复合滤波算法，利用小波包细节分解分量，即小波变换第四尺度细节分量分解得到的高阶细节分量（dd5）有效解决了全相角范围内低压配电线路短路故障特征的早期检测，且结合快速分断机构可充分抑制且有效分断短路故障电流。 大量实验表明，形态小波早期检测技术可以实现0.2ms内的短路故障早期辨识。只有在短路故障得以快速判断的前提下，实现全范围选择性协调保护才有可能得以实现。 文献[6]将极端学习机（ExtremeLearning Machine，ELM）引入低压配电系统短路电流预测研究，建立短路电流峰值预测模型，实现全相角范围故障样本预测模型的训练与测试，实验结果表明，基于短路故障早期检测的ELM预测模型可有效地实现短路电流的峰值预测，其预测误差小于5%，且实现了采用FPGA（Field－Programmable Gate Array）在短路故障发生后0.25ms内有效实现短路电流的早期检测及其峰值预测。 低压配电系统短路故障早期检测及其峰值快速预测的技术实现，为多层级低压配电系统的选择性协调保护提供了快速性的技术保障。 2.2低压系统多层级网络节点与中控CPU交互机制 本文作者提出了低压配电系统多层级网络全范围选择性协调保护技术[5-6]，分析了短路故障早期检测现状及其关键技术问题，并以此为立足点对短路故障早期检测及其趋势预测进行深入研究，为低压系统全范围选择性协调保护提供新的理论研究方法，但对于多层级网络的节点与信息交换平台的交互机制尚待深入研究。 本文提出的低压配电系统全范围选择性协调保护的架构图如图1所示，包括本地处理装置、电流互感器、中控CPU、同步采样模块。其中，同步采样模块为各个层级的本地处理装置节点发送同步触发信号。本地处理装置通过电流互感器对所在层级支路的电流实时采样，并利用上述小波包细节高阶分量实时计算dd5。 当dd5大于设定的阈值时，则认为发生短路故障，并启动极端学习机算法对短路电流峰值进行预测。当预测出短路电流峰值时启动通信系统将数据即本地站号、dd5瞬时标幺值、短路电流峰值预测值、短路相，通过高速信道传输给中控CPU。 图1 低压系统多层级短路故障选择性保护架构 各个层级的本地处理装置均设有发送数据优先级，越接近负载端，其发送优先级越高。当发生短路故障时，流过短路电流的相关支路同时判断出短路故障（同步采样的前提下，其时间间隔小于一个采样时间间隔），此时发送数据优先级越高的支路最先发送相关数据，发送优先级低的支路延迟一定时间，等待优先级高的从机将数据发送完毕再发送本地故障数据，因此，越靠近电源侧的层级支路延迟时间越长。 中控CPU对各个节点的短路故障信息即dd5标幺值进行对比，判断出具体的短路支路，并对该支路的断路器容量、预期分断电流和短路电流峰值进行匹配，如果匹配则发送分断信号给短路支路的断路器，如果不匹配则将分断信号传输给上一层级的断路器，从而实现选择性协调保护。 短路故障发生后，多层级网络中的节点接收到中控CPU分断信号，该节点的本地处理装置实时检测电流信号，并根据本地断路器的分断特性计算分断时间。如果在这段时间内断路器没有可靠分断，则通知中控CPU，中控CPU立即发送分断信号给上级断路器，为短路支路提供后备保护。 实现低压系统多层级网络选择性协调保护的前提是保护的可靠性，在发生短路故障的时候应该及时分断低压断路器[6]，所以上述低压系统选择性协调保护架构依然可保留常规的三段式保护。当选择性协调保护系统发生故障时，如通信系统故障或本地检测装置故障，则开启常规三段式保护，从而在实现全范围选择性协调保护的同时，可以保留系统的可靠性。 2.3低压配电系统多层级短路故障仿真分析 本文采用MATLAB中的Simulink的电力系统工具箱，针对图1低压系统多层级短路故障选择性保护架构，建立了低压配电系统多层级网络短路故障模型，如图2所示，以获取全相角范围短路故障仿真样本。 图2 低压配电系统多层级故障模型 针对上述全范围选择性保护机制，仿真在不同层级不同初相角下（a）发生短路故障时，对各个支路的电流进行多尺度三次B样条二进小波变换及小波包变换，分析在短路故障发生0.2ms时的电流波形高阶细节分量的瞬时标幺值dd5*随a的变化情况，dd5*的基准值为支路稳定运行时电流的dd5分量峰值,短路支路为图2的i31支路、i20支路、i10支路,仿真结果如图3（a-c）所示，图上只列出了dd5*大于阈值的相关支路，即判断出短路故障的支路[13]。 图3 不同层级短路0.2ms时相关支路dd5*随a的变化情况 由图3可知，在大多数相角下，短路发生0.2ms时的相关短路支路其dd5*均大于阈值，但当a=140°时，其短路相关支路电流在0.2ms时的dd5*小于阈值,如图3(a)、(b)所示。为此，本文针对a=140°下的短路电流进行小波包变换，分析dd5*随时间的变化情况，其结果如图4所示。 可以看出，dd5*在短路发生0.1ms时就已经超过阈值，即短路发生0.1ms时就可以辨识出短路故障。因此，通过仿真可以验证，采用dd5*作为短路早期辨识的特征量是可行的。 图4 a=140°的短路电流dd5*随时间变化情况 此外，由图3（a-c）可以看出短路故障0.2ms时，只有短路回路的相关支路出现显著的dd5*，而短路回路相邻的支路没有出现明显的dd5*。所以只要设置合适的阈值，就可以在短路发生0.2ms后检测到短路故障[13]，而其它相邻支路不会受到短路支路的影响而误判短路故障。 而且，网络中越靠近短路位置其dd5*越大，所以中控CPU只要对比dd5*的大小，就可以判断出具体的短路支路，从而实现选择性协调保护。特别的，图1（c）可以看出，当i10支路短路时，i21支路的dd5*在一些短路初相角下大于阈值，即本地装置会辨识出短路故障。但由于其dd5*小于i10支路，通过上述选择性协调保护机制就可以避免误触发。 由上述分析可见，当发生短路故障，只有短路相关支路判断出短路故障并发送数据给中控CPU，中控CPU对比接收到的各个支路的dd5*，找出最大dd5*所在的支路，则判定该支路为短路支路，并发送分断信号给该支路的低压断路器。 3多层级网络多节点同步采样与远距离SPI通信技术 3.1同步采样 根据上述低压系统多层级网络节点与中控CPU交互机制的要求，需要一种可靠的同步采样方式以减少多层级网络中各个节点的本地处理装置对短路故障检测的时间差，从而减少系统的延迟时间。实现多机异地同步采样的方式主要分为软件和硬件两种方法。 线性插值算法采样同步是一种软件同步方法，其原理是根据不同通道的采样值，利用线性插值算法计算出不同通道同一时刻的采样值，从而实现同步采样。采用软件算法进行同步矫正，不需要外部硬件，成本较低。但是这种方法增加了软件的计算量，增加了短路故障的判断时间，且数据采样值的精度不高误差较大。 随着GPS应用的发展，GPS同步采样被广泛应用。其原理是异地采样装置接收同一时刻的高精度GPS时间信号，每隔一段时间强制同步本地采样时钟，从而实现高精度同步采样，其同步精度小于1us。这种方法可以实现真正意义上的数据同步，但是每个信号采集装置均需要配备GPS接收模块，成本较高。 由于低压配电系统多层级网络分布环境复杂，不能保证每个节点所处现场环境均有可靠的GPS信号，且低压配电网络配置分布式GPS接收模块还存在使用成本问题，所以GPS同步采样方法并不适用于低压配电系统多层级网络。 图5 高精度晶振实现同步采样框图 为了适应低压配电系统多层级分布式网络的环境，需要采用一种可靠且性价比高的同步信号方式。高精度晶振同步采样，原理是通过高精度的晶振产生采样触发信号，经过运放将信号放大并拆分成多路采样触发信号传输给多层级网络各个节点的本地装置触发其同步采样。 该方法的同步精度小于1us，且不存在同步信号丢失问题，适用于低压配电系统多层级网络中。其原理图如图4所示。 图5为不同触发采样方式下的采样触发信号，图a为两个采样频率一致，采样时钟各自独立的采样触发信号，图b为两个采用外部高精度晶振触发采样的采样触发信号。可以看出，采用高精度晶振实现同步采样时，其同步采样误差远小于未采用同步采样信号触发采样的情况。 图6 不同触发方式下的采样触发信号 3.2远距离SPI通信技术 SPI总线是一种同步串行外设接口，支持一主多从、全双工工作方式。SPI一般采用四线制接口：串行时钟线SCK、主机输入/从机输出线MISO、主机输出/从机输入线MOSI、低电平有效的从机选择线CS。其主从工作方式示意图如图7所示。 图7 SPI主从工作方式示意图 图8 SPI远距离通信结构 SPI总线通信速度快、通信效率高，满足低压配电系统多层级网络选择线协调保护的高速通信要求。但其采用单端不平衡方式传输数据，存在远距离共地问题，所以其通信距离受到限制。为了解决SPI通信距离问题，本文引入光纤信道作为SPI总线的通信信道。其原理图如图8所示。 光电转换模块将数据电信号转化为光信号，光信号在高速光纤上传输可以有效降低电磁干扰以及振动、温度等因素对信号的干扰，降低误码率，并且由于在接收端是依据光场强度来转化为电平信号，所以不存在对地参考电平问题，发送与接收端不需要共地，解决了远距离共地问题，大大提高了SPI的通信距离，使其可以在多层级网络的选择性协调保护中得以应用。 本文采用的光纤发射器和接收器为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的塑料光纤的通信距离为50米，而200μm的塑料包层硅的通信距离为200米，满足本文多层级选择性保护的高速远距离通信要求。实验表明，采用DSP2812配合光纤可以实现9.375M的SPI通信速率，通信距离可达200米。 4结论 传统的低压配电系统选择性保护是以牺牲保护的时间性换取保护的选择性，低压系统短路故障早期检测技术的发展，为低压配电系统选择性保护争取了时间，为此本文基于短路故障早期检测和峰值预测，介绍了一种低压配电系统多层级网络选择性协调保护机制。 当低压配电系统多层级网络中任一节点发生短路故障，其短路相关支路的电流dd5*均将超过短路判断的阈值并随着所在层级数的增高而增大，中控CPU通过各个层级的dd5*来判断短路发生的具体节点，从而实现选择性协调保护。 针对上述选择性协调保护机制技术的关键问题，本文进行低压配电系统多层级网络短路故障仿真分析，结果表明采用dd5*作为特征量可以实现全相角短路故障早期辨识，且不同层级的dd5*随着层级数的增加而增大，探讨了多层级选择性协调保护机制技术的可行性。 此外，本文介绍了一种高速晶振同步采样技术解决多层级网络多节点同步采样问题，实验结果表明该方法可以大大降低多机同步采样的采样误差；采用光纤信道解决高速SPI通信的短距离通信问题，保证了多层级网络中各个节点与中控CPU的高速远距离通信。 《电气技术》杂志社微信群 电气技术微信号：dianqijishu 关注电气工程技术、聚焦学科前沿发展 分布式发电与微电网微信号：dggrid 关注新能源行业技术发展动态 城铁供电技术微信号：ctgdjs 关注轨道交通供电系统技术发展 |
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