基于智能继电保护技术的超高压断路器控制研究.pdf

第4 1卷 第8期2 0 2 3年8月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1 N o.8A u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 1 0 2 4基金项目:国网宁夏电力有限公司科技项目(5 2 2 9 C G 2 2 0 0 0 N)作者简介:杨 晨(1 9 9 1-),男,宁夏吴忠人,硕士,工程师,研究方向为高压直流输电系统直流检修;刘志远(1 9 7 0-),男,山东枣庄人,学士,高级工程师,研究方向为继电保护与直流输电设备运检。基于智能继电保护技术的超高压断路器控制研究杨 晨1,刘志远1,陆洪建1,梁守硕2,赵 健2(1.国网宁夏电力有限公司超高压公司,宁夏 银川7 5 0 0 0 1;2.南通鑫途信息技术有限公司,江苏 南通 2 2 6 0 0 0)摘 要:在7 5 0 k V的超高压供电系统中提出了一种能够融合于超高压断路器就地智能汇控终端的智能继电保护技术。该技术通过用于记录外部数据的传感器采集相关信息,并考虑外部因素对短路电流的影响,利用收集到的初始数据创建多维数学模型,以计算继电保护设定点的校正电流,对继电保护参数的计算更精确,同时提高了继电保护的灵敏度。然后通过可以就地安装于断路器本体的微控制器进行计算和信息传递,进而实现对断路器的智能控制。关键词:继电保护;数学模型;断路器;智能控制中图分类号:TM 7 7;TM 5 6 1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 8 0 0 4 5 0 4R e s e a r c h o n C o n t r o l o f U H V C i r c u i t B r e a k e r B a s e d o n I n t e l l i g e n t R e l a y P r o t e c t i o n T e c h n o l o g yY A N G C h e n1,L I U Z h i y u a n1,L U H o n g j i a n1,L I A N G S h o u s h u o2,Z H A O J i a n2(1.U l t r a h i g h V o l t a g e C o m p a n y,S t a t e G r i d N i n g x i a E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y,Y i n c h u a n 7 5 0 0 0 1,C h i n a;2.N a n t o n g X i n t u I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y C o.,L t d.,N a n t o n g 2 2 6 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A n i n t e l l i g e n t r e l a y p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y i s p r e s e n t e d i n t h e u l t r a h i g h v o l t a g e d i s t r i b u t e d p o w e r s u p p l y s y s t e m o f 7 5 0 k V,w h i c h c o l l e c t s r e l e v a n t i n f o r m a t i o n t h r o u g h s e v e r a l s e n s o r s u s e d f o r r e-c o r d i n g e x t e r n a l d a t a,a n d c o n s i d e r s t h e i n f l u e n c e o f e x t e r n a l f a c t o r s o n s h o r t c i r c u i t c u r r e n t,t h e m u l t id i m e n s i o n a l m a t h e m a t i c a l m o d e l i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e c o l l e c t e d i n i t i a l d a t a t o c a l c u l a t e t h e c o r r e c t i o n c u r r e n t o f t h e s e t p o i n t o f r e l a y p r o t e c t i o n,a n d t h e c a l c u l a t i o n o f r e l a y p r o t e c t i o n p a r a m e t e r s i s m o r e a c c u-r a t e,a n d t h e s e n s i t i v i t y o f r e l a y p r o t e c t i o n i s i m p r o v e d.T h e n t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l o f t h e c i r c u i t b r e a k e r i s r e a l i z e d t h r o u g h t h e c a l c u l a t i o n a n d i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n o f t h e m i c r o c o n t r o l l e r w h i c h c a n b e i n-s t a l l e d o n t h e c i r c u i t b r e a k e r b o d y.K e y w o r d s:r e l a y p r o t e c t i o n;m a t h e m a t i c a l m o d e l;c i r c u i t b r e a k e r;i n t e l l i g e n t c o n t r o l0 引言传统超高压断路器12的就地汇控系统具有回路复杂,机电元件多,易误碰,易卡塞、功能失灵,易老化、松动、接触不良等问题34。在运维方面当出现故障时需人工对照回路图逐个排查,依赖于人工定期检修,存在检修不到位、不及时的问题,智能化程度低5。因此本文在7 5 0 k V 超高压的供电系统中,提出了一种断路器智能汇控67终端的智能继电保护技术89,通过特定传感器获取必需的外部数据,利用微控制器计算线路当前时刻的主要参数,为提高系统的精确性和灵敏度,引入电流校正值,当线路电流大于校正值时,将信号传递给继电保护模块,由继电保护模块控制断路器执行工作,实现对断路器控制。542 0 2 3(8)1 智能继电保护模型1.1 系统模型为减少故障和不必要的保护触发,提高继电保护模块的可靠性和可信度,继电保护模块需包括记录模块和决策模块。这些模块必须根据触发结果和外部因素重新修正设置点的值。为提高继电保护的可靠性和灵敏度,开发可以作为超高压断路器智能汇控终端的智能继电保护模块,该系统考虑外部因素对短路电流的影响,并计算出继电保护设定点的校正电流,从而避免操作失败和保护误操作。该系统如图1和表1所示,在每条线路母线2上都包含1个零序电流传感器3(以变压器或零序电流滤波器的形式存在)、1个继电保护决策块4(其中包括1个具有2个输入的继电器元件5和1个通过断路器或“开信号”断开受损线路的输出)。11121314101615165237489RgULUPh图1 智能继电保护模块表1 智能继电保护模块组成项目编号项目编号主线1截面线2传感器3中继器5保护决策4计算接地故障7校正模块6电压互感器8微控制器1 0、1 6测量电压互感器9传感器1 11 4反射仪1 51.2 数学模型在每条线路母线2的保护决策块4中,另外引入1个模块6,用于对电流设定点进行自适应校正。而在计算接地故障不完全指数的模块7上所实现的运算为UP h=UL3(1)UL为网络的线电压;UP h为网络的相电压。校正装置9的第一微控制器(MC)1 0的输入端接收来自导线的温度传感器1 1、空气温度1 2、空气的介电常数1 3和对地电导率信号1 4,利用函数依赖关系,计算线路 R0、L0、C0、G0、UP h 和缩短因子 KS h 等主要参数。然后将第一微控制器1 0的信号传递到反射仪1 5,反射仪1 5引入事故距离自动校正。关于事故距离的信息信号从反射仪1 5传递到第二微控制器1 6。该微控制器的输入端接收关于线路2的主要参数的信息信号,然后计算线路2短路的链电阻值,并用该值校正设定点电流。考虑到外部因素的影响和事故现场上升的距离,将设定点校正电流值传递到模块6,将所获得的电路电阻值也传送到模块6,在模块6中对电阻值和电流值进行校正,进而将信号传递到继电器元件5,最终继电器元件5作用于断路器控制断路器作用。在整定电流自适应校正模块6上,进行了将线路零序电流信号I0值除以接地故障不完全指数 n 的运算,即I0 c o r r=I0n(2)在所提出的装置中,第一微控制器1 0用于计算复杂的操作,与第二微控制器1 6的操作相比,需要更多执行和处理操作的时间,且第二微控制器的性能取决于整个系统的性能。因此,使用2个微控制器可以提高电流保护操作的速度。线性参数 R0、L0、C0和G0的偏差导致了相位系数的偏差。因此,需要预先确定主动电阻对导线温度的依赖关系,其表达式为R0 t=R0 2 0(1+(t-2 0)(3)导线阻抗由表达式确定,即:Z=R+jXL(4)R=(R0 2 0(1+(t-2 0)+2f1 0-4(5)XL=2 9fl g0.1 7 8rf1 0-9(6)R为有源线电阻;XL为无源线电阻;f为网络频率;r为导线半径;为电导率;为电阻的温度系数。2 智能继电保护模块2.1 断路器智能模块断路器智能控制元件能够实现对于断路器剩余机械、开关资源的计算和指示、断路器断路持续时间的计算和指示,以及断路器机构产生的各种故障的分析。具体功能有:利用控制键对开关进行操64杨 晨等:基于智能继电保护技术的超高压断路器控制研究智能制造作控制;断开断路器与保护的连接;通过断路器电磁铁对长期电流流动进行保护;利用相位控制实现断路器的非开关相和不完全相保护;控制开关的状态;实现同步控制的连接和总线的自动重合闸;断路器故障备份1 01 1。断路器智能控制模块实际上就是智能继电保护模块将外部传感器得到的数据进行计算和比较后,判断故障的发生,进而传递控制信号,然后驱动断路器智能汇控终端的断路器控制模块实现对断路器的控制。2.2 断路器控制模块断路控制模块如图2所示。在短路的情况下,线路中的电流增加了许多倍,因此,系统不断地询问线路中的电流传感器,以获得线路中电流的准确电流值 iL。此外,系统将所得值与此线路继电保护的电流设定点的预设值 is 进行比较。如果线路中的电流 iL 没有超过当前设置点 is,则系统返回重新询问线路中的电流传感器。在线路电流 iL 超过设定点电流 is的情况下,系统从环境传感器读取外部参数值,利用微控制器实时接收,并且使用反射仪接收到短路点的距离值,将其输送到微控制器。?=ig?iils?YN?iils?YN?t0?？?？?YNYN图2 断路控制系统接收到的数据被发送到微控制器,微控制器计算继电保护的电流校正值 is.c o r r,并将其发送到继电器,以便与线路 iL的电流进一步比较。如果线路 iL 中的电流没有超过当前设置的校正值 is.c o r r,系统重新返回询问线路中的电流传感器。当线路电流 iL 超过电流设置 is.c o r r 的校正值时,继电器向断路器发送数字信号,断开故障线路。如果线路没有发生停电,系统通知继电保护和自动化服务解决相应的故障;当线路跳开后,系统将显示1个信号,表明故障的线路已断开连接。通过校正外部因素对短路电流的影响,提高了继电保护动作的可靠性。所提出的方法在已开发的智能网中具有广泛的应用前景。基于现代微处理器的 C B C A 在继电保护装置中的应用,提高了继电保护模块的可靠性1 2。因此,通过传感器测量得到的外部因子值和微控制器计算得到的修正信号,该装置能够自动修正整定电流值,从而提高电流保护操作的准确性。3 实例验证根据本文所提方案,在实际7 5 0 k V的超高压系统中进行验证,利用MC 9 S 1 2 X A 2 5 6 C AG微处理器进行数据计算和处理,并发送到断路器。如图3所示,MC 9 S 1 2 X A 2 5 6 C AG将功能模块对应的采集、逻辑判断和动作开出等软硬件功能统一集成在该微处理器,实现快速采集分析和出口。系统采用多MC 9 S 1 2 X A 2 5 6 C AG板卡,每个板卡仅完成相对单一的功能。按照功能将板卡分为跳合闸板、储能驱动板、温湿度监控板、管理板及人机界面板,各板卡之间通过内部总线实现松耦合的信息交互,各板卡并行工作,互不影响。?（?）14?（?：,)9Uabc Iabc?+?+?（?）8GPIOADCGPIOMC SXACAG9 12256?RS485(?)RS485UARTUARTUARTUART?I C2UART?TM1618I C2TM1640I C2LED?(?）256?DATAFLASHSPI图3 微处理器控制接口将该微处理器应用于现有断路器的操作控制回路,该装置在电流保护操作方面的实验结果如图4所示。10099 899 699 499 299 098 898 6.05102030?/?图4 电流保护操作准确性从图4中可以看出,该断路器自动控制系统能够保持操作准确率在9 9%以上,随着试验次数的增742 0 2 3(8)加准确率也随之上升,且逐渐接近1 0 0%,由此可以看出本文系统的有效性。4 结束语智能化变电站的建设离不开站内设备的智能化和测控技术的数字化,当前超高压断路器就地操作控制系统智能化程度低、问题较多及设备信息透明度低,难以适应智能电网对自动化、智能化的运行要求,因此,本文在7 5 0 k V的超高压供电系统中提出了一种基于智能继电保护技术的断路器控制方 法,以MC 9 S 1 2 X A 2 5 6 C A G微处理器 作为主要的控制模块,实现对断路器的控制。通过试验证明了本文所提方法在超高压系统的电流保护操作方面的准确性可高达9 9%,大大改善了断路器操作的准确性,有广泛的应用前景。参考文献:1 沈雨.智能变电站继电保护在线运维系统的架构与功能研究J.光源与照明,2 0 2 2(5):1 4 3 1 4 5.2 王海娜.继电保护在电力调控中的应用J.江西电力职业技术学院学报,2 0 2 2,3 5(3):1 0 1 2.3 李昕,付学玲,吴杰,等.分布式电网的可靠性指标体系应用J.集成电路应用,2 0 2 0,3 7(6):6 6 6 7.4 董彦宗.含分布式电源的微电网系统可靠性评估综述J.石家庄职业技术学院学报,2 0 2 0,3 2(2):1 9 2 2.5 关悦.电力系统继电保护可靠性研究J.光源与照明,2 0 2 2(4):1 8 0 1 8 2.6 张笑波,刘琪,夭小丽,等.对智能变电站继电保护系统可靠性问题的分析J.电子元器件与信息技术,2 0 2 1,5(1 2):3 9 4 0.7 贾海鹏,尹靖元,韦统振,等.一种晶闸管型混合直流断路器全 工 况 控 制 策 略 J.现 代 电 力:2 0 2 3,4 0(2):2 6 8 2 7 5.8 姚君峰.电站和变电站继电保护系统可靠性的优化方案J.机械管理开发,2 0 2 0,3 5(1 2):2 0 0 2 0 1.9 霍利敏.通用微机继电保护实验平台的研究与应用D.天津:天津职业技术师范大学,2 0 2 0.1 0 曾庆良,徐一沣.探究低压断路器自动重合闸装置J.自动化与仪器仪表,2 0 1 8,2 2 3(5):1 3 4 1 3 7.1 1 F I T R I AWA T I N,L E NA,MUR A D D F,e t a l.A u t o-m a t i c c i r c u i t b r e a k e r d e s i g n b a s e d o n f i r e i d e n t i f i c a-t i o n(s m o k e a n d f i r e)C/2 0 2 0 I n t e r n a t i o n a l C o n-f e r e n c e o n I n f o r m a t i o n M a n a g e m e n t a n d T e c h n o l o g y(I C I MT e c h),2 0 2 0:9 2 8 9 3 3.1 2 张恒山.继电保护系统的可靠性及其在电网中的运用J.通信电源技术,2 0 1 8,3 5(3):2 7 6 2 7 7,2 7 9.(上接第4 4页)6 HA B B OU CHE H,AM I R A T Y,B E NK E D J OUH T,e t a l.B e a r i n g f a u l t e v e n t t r i g g e r e d d i a g n o s i s u s i n g a v a r-i a t i o n a l m o d e d e c o m p o s i t i o nb a s e d m a c h i n e l e a r n i n g a p p r o a c hJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n e n e r g y c o n v e r s i o n,2 0 2 2,3 7(1):4 6 6 4 7 4.7 张超,秦敏敏,张少飞.基于1 D C NN X G B o o s t的滚动轴 承 故 障 诊 断 J.机 床 与 液 压,2 0 2 2,5 0(1 6):1 6 9 1 7 3.8 王军敏,樊养余,李祖贺.基于深度卷积神经网络和迁移学习的纹理图像识别J.计算机辅助设计与图形学学报,2 0 2 2,3 4(5):7 0 1 7 1 0.9 O Z C AN I H,D E V E C I OG L U O C,I N C E T,e t a l.E n-h a n c e d b e a r i n g f a u l t d e t e c t i o n u s i n g m u l t i c h a n n e l,m u l-t i l e v e l 1 D C NN c l a s s i f i e rJ.E l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g,2 0 2 2,1 0 4(2):4 3 5 4 4 7.1 0 WAN G J X,WAN G D Z,WAN G S H,e t a l.F a u l t d i-a g n o s i s o f b e a r i n g s b a s e d o n m u l t i s e n s o r i n f o r m a-t i o n f u s i o n a n d 2 D c o n v o l u t i o n a l n e u r a l n e t w o r kJ.I E E E A c c e s s,2 0 2 1,9:2 3 7 1 7 2 3 7 2 5.1 1 郭双全.多卷积神经网络融合的滚动轴承故障识别方法J.装备机械,2 0 2 1(2):7 9 8 4.1 2 姚明镜,唐璇,吕昂.基于改进卷积神经网络的行星齿轮箱故障诊断研究J.制造技术与机床,2 0 2 1(7):1 4 1 1 4 5.1 3 蒙志强,董绍江,潘雪娇,等.基于改进卷积神经网络的滚动轴承故障诊断J.组合机床与自动化加工技术,2 0 2 0(2):7 9 8 3.1 4 Z HAN G J Q,S UN Y,GUO L,e t a l.A n e w b e a r i n g f a u l t d i a g n o s i s m e t h o d b a s e d o n m o d i f i e d c o n v o l u t i o n-a l n e u r a l n e t w o r k sJ.C h i n e s e j o u r n a l o f a e r o n a u t i c s,2 0 2 0,3 3(2):4 3 9 4 4 7.1 5 X U G W,L I U M,J I AN G Z F,e t a l.O n l i n e f a u l t d i a g-n o s i s m e t h o d b a s e d o n t r a n s f e r c o n v o l u t i o n a l n e u r a l n e t w o r k sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n i n s t r u m e n t a t i o n a n d m e a s u r e m e n t,2 0 2 0,6 9(2):5 0 9 5 2 0.1 6 刘飞,陈仁文,邢凯玲,等.基于迁移学习与深度残差网络的滚动轴承快速故障诊断算法J.振动与冲击,2 0 2 2,4 1(3):1 5 4 1 6 4.1 7 郑海波,李志远,陈心昭.基于连续小波变换的齿轮故障诊断方法研究J.机械工程学报,2 0 0 2,3 8(3):6 9 7 3.84