继电保护新技术及其发展趋势(讲座)

继电保护新技术及其发展趋势主讲：李永丽教授天津大学电力自动化学院第一部分微机保护发展趋势第二部分特高压输电系统保护与控制第三部分继电保护可靠性第四部分继电保护管理软件第五部分电力系统实时数字动态仿真微机保护的发展趋势一．微机保护的网络化二．保护、控制、测量、数据通讯一体化三．继电保护的智能化一．微机保护的网络化计算机网络作为信息和数据通讯工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产活动和社会生活的面貌发生了根本的变化。它深刻地影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通讯手段。到目前为止，所有继电保护装置除了纵差动保护和纵联保护外，都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响的范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通讯手段。国外早已提出过系统保护的概念。虽然当时限于技术条件主要指安全自动装置，但在目前的技术条件下可以为继电保护的作用赋与新的含义。即它不只限于切除故障元件和限制事故影响范围（这是首要任务），而还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息和数据。各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，以确保系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息和数据。各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，以确保系统的安全稳定运行。显然实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。另外，继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置判断和故障距离的检测愈准确。全球卫星定位系统（GPS）和光纤通信技术对网络化的微机保护实现同步相量测量技术提供了条件。GPS在各领域中已得到广泛应用，在电力系统中主要用于同步相量测量。在GPS系统中，共有24颗卫星绕地球轨道运行。它们距地面约20000km。地球表面任一点均可接收到卫星发出的精度在luS以内的时间脉冲。这样，电力系统中任一变电站均可接收GPS发来的精确时间脉冲给当地测量电压或电流波形以时间标记，其标度的相位精度对50Hz的波形为0。018゜。光纤通信系统将各变电站的测量量收集汇总处理后，即可得到各变电站之间动态相量的变化，并据此实施相量控制。电力系统的大面积停电都与保护与控制装置的动作有关。2003年北美东部“8.14”大停电的教训为：应该在统一的框架下，有机地结合电力体制、市场运营、监管规则、规划设计、仿真分析、信息工程、调度运行、控制技术、科技投入和人才培训等因素。这次大停电事故，我们应考虑的重要问题是：为什么却无所作为地听其发展为系统振荡？为什么大停电的时间竟然长达29小时？技术方面的教训包括必须完善并协调各级信息系统和紧急控制，采用自适应的系统保护装置以及电力系统和电力市场的动态仿真器等。二．保护、控制、测量、数据通讯一体化保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机。是电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可以从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此每个微机保护装置不仅可以完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可以完成测量、控制、数据通讯的功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通讯一体化过去为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室，这似乎是天经地义的。大量控制电缆的敷设，不但需要大量投资，而且使二次回路非常复杂。如果将上述的保护、控制、测量、数据通讯一体化的微机保护综合装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可免除大量的控制电缆。并且如果用光纤作为网络的传输介质还可免除电磁干扰。现在光电流互感器（OCT）和光电压互感器（OPT）已在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应用。在采用OCT和OPT的情况下，保护装置应放在距OCT和OPT最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。OCT和OPT的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断，一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。随着电力系统电压等级的升高和传输容量的不断增大，传统电磁式电流互感器即CT暴露出一系列的缺点：绝缘结构复杂、造价高；在故障电流下铁芯易饱和；动态范围小；频带窄；易受电磁干扰；二次侧开路会产生高电压；会产生铁磁谐振；易燃易爆，占地面积大等等。电磁式CT正常的输出为5A或1A（在故障情况下可增大20倍），能为电磁式继电器提供足够的驱动能力。由于正在普及的微机保护只要求弱电信号的输入，为满足微机保护输入电平的范围，不得不在装置中增加电流变换器以对电磁式CT信号进行调整。•尤其是CT的饱和常使基于电流差动原理的保护误动作。典型的CT饱和曲线如下：•具有剩磁的CT电流饱和曲线：图8电磁型电流互感器的饱和现象（a）光电流互感器OCT光学电流传感器的出现为解决此问题提供了条件。光学电流互感器是通过测量偏振光在未知电流磁场作用下照射在光学传感器上的折射角来计算电流大小的器件。与传统的电磁式电流互感器相比，OCT具有如下优点：(1)其输出信号为低电平，易于与数字式保护/仪表接口。(2)测量范围大，可准确测量从几十毫安到几千安的电流，故障条件下可反映几万甚至几十万安的电流。(3)不含铁芯，没有磁饱和及磁滞现象。(4)频率响应范围宽，可从直流到几万赫。(5)结构简单，体积小，重量轻，易于安装。(6)抗电磁干扰能力强。(7)信号在光纤中传输，无二次开路产生高压的危险。(8)不含油，无易燃易爆危险。(9)距离一次侧大电流较近的OCT光路部分由绝缘材料组成，绝缘性能好。目前，许多国家开始积极从事这一方面的研究，并取得了很大的进展。已有不同类型和具有不同功能的OCT分别在美国、日本、德国6KV到380KV电压等级的变电站现场挂网运行。（b）OCT对继电保护的影响(1)促进保护新原理的研究目前的保护算法多采用电流的工频量，但需要滤波，这样不可避免地会产生延时。为了提高保护的动作速度，人们采用故障后的暂态分量构成高速保护。OCT的频响范围宽，可以满足其要求。(2)提高保护的可靠性某些基于电流量的差动保护原理受CT饱和的影响会错误动作，OCT的出现可以消除保护的误动，提高保护动作的灵敏度。三．继电保护的智能化近年来人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑、小波理论等在电力系统各个领域都得到了应用。在继电保护领域的应用的研究也在蓬勃发展。下面介绍几种研制中的新型保护及自动装置。（a）自适应继电保护自适应继电保护是在本世纪80年代提出的一个较新的研究课题。自适应继电保护可以定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。自适应继电保护的基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。电力系统由为数众多的电源设备、送变电设备、线路和各种用户组成，其运行状态（其中包括用户负荷的变化、设备的投切、发电机的出力变化等）处于频繁的变化之中，除上述正常运行情况外，电力系统中还可能发生各种类型的故障。故障可能是瞬时性或永久性的，又可能是金属性短路或经过渡电阻短路，因此要适应电力系统的变化，的确是一项十分困难的工作。事实上，传统的继电保护也力图适应系统运行方式的变化和故障状态。例如电流速断保护的整定值是按系统最大运行方式下线路末端发生三相短路考虑，过电流保护按线路的最大负荷考虑。这种按最严重的条件确定保护定值的方法，能保证所有可能的正常和故障条件下保护都不会错误地切除被保护的线路，但却存在以下两个缺点：一是按该方法设定的定值，在其它运行方式（其中包括系统的主要运行方式）下不是最佳的。另外在最小运行方式或最不利的短路条件下,保护可能失效或性能严重变差。同时，应该指出的是，在传统保护中也有许多自适应性能，例如过电流保护的反时限特性、差动保护中的制动特性及在距离保护中所采用的转换性故障判别以及防止系统振荡误动的方法等。由此可见，自适应保护并不是一个新提出的概念，它早已存在于传统继电保护之中。目前计算机在电力系统保护和控制中的应用以及相关技术的发展，更为自适应继电保护的发展，提供了前所未有的良机。自适应技术的应用，将使继电保护在如下几个方面有所改进。•保护性能最佳化保护性能最佳化是在考察现有保护存在问题的基础上提出的。对电力系统继电保护的四个基本要求是选择性、速动性、灵敏性、可靠性，它们之间既矛盾又统一，问题在于如何根据实际情况正确处理这四个基本要求之间的辩证统一关系。例如，传统的观点是必须在最不利的条件下考虑选择性，从而最大限度地满足了选择性的要求。其效果虽不是最佳的，但却是正确合理的。因为这种思维方式和决策方法与传统继电保护装置的情况相适应，或者说是由传统的保护装置不能在线自动识别千变万化的一次系统的运行状态和故障状态所决定的。与传统保护不同，自适应保护的突出特点之一就是具有自动识别系统运行状态和故障状态的能力，并针对状态的改变，实时自动地调整保护的性能，其中包括动作原理、动作特性和整定值，从而使其达到最佳效果。•整定计算在线化继电保护装置整定计算的目的是对电力系统中已经配置安装好的各种保护装置，按照具体电力系统的有关参数和运行要求，通过计算分析给出所需要的各项整定值，以使全系统中的保护装置正确协调地工作，有效地发挥其作用。由于电力系统的结构变化和运行情况的复杂性，继电保护的整定计算是一项复杂而又艰巨的工作。目前已开始进入计算机辅助整定计算的阶段，尽管还存在着不足，但整定计算工作效率已显著提高了。自适应继电保护技术的发展预示出未来整定计算在线化的可能性，目前国内外已有这方面的文章发表。随着电力系统继电保护信息网的形成和发展，可以预见整定计算在线化的时期一定会到来。•使用简便化微机保护之所以能在短短的20余年间取得如此迅猛的发展，是因为它有着传统的模拟式保护不可比拟的优点。微机保护装置现场调试、维护简便深受用户的欢迎。自适应继电保护将进一步发展计算机的智能作用，使装置使用更加简便化。(C)暂态保护进入九十年代以来，电力系统保护领域内的研究工作转向人工智能的应用，相继出现了用人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的确定、方向保护、主设备保护；用小波理论的数学手段分析故障产生信号的整个频带的信息并用于实现故障检测。这些人工智能技术不仅为提高故障判别精确度提供了手段，而且能够使一些基于单一工頻信号的传统算法难以识别的问题得到解决。然而目前为止，人工智能的应用还没有能够提供取代传统保护的新的原理，而且这些方法的应用同样受传感器频宽的限制，其结果往往是通过复杂的计算和繁琐的工作只能换取故障识别的准确度或可靠性的一点提高。“通过检测故障暂态产生的高频信号来实现传输线及电力设备等的保护”是新一代的电力系统继电保护思想，简称“暂态保护”。故障暂态产生的信号中含有大量的信息，其中包括故障的类型、方向、位置、持续时间等。这些信息贯穿于信号的整个频域，从直流、工頻到高頻。在基于工頻的传统保护方式中，故障产生的高频量被当作干扰滤掉，大量的研究工作用在设计滤掉高频信号的滤波器上。“暂态保护”首先通过特殊设计的高频检测装置及算法来从故障暂态中提取所需的高频信号，利用专门设计的快速信号处理算法来判断故障。微处理机技术的发展使得暂态保护的实现成为可能。特高压输变电系统二次控制与保护内容概要•国内电力发展对特高压系统建设的需求•国外特高压系统建设与运行现状•特高压输变电系统二次控制与保护重点研究领域和课题一、国内电力发展对特高压系统建设的需求•十一五期间，电力需求的平均增长速度预计仍将超过5％•西南水电、“三西”、东北地区的火电等综合能源基地的建设和“西电东送”工程的开展,使我国电力工业进入了以三峡为中心、辐射四方、西电东送、南北互供、全国联网，在更大范围内优化资