繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用研究

青海送變電工程公司 高新麗

青海省電力公司檢修公司 趙 輝

1.信息技術(shù)在繼電保護(hù)方面的應(yīng)用

在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信和自動(dòng)化技術(shù)的推動(dòng)下，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)也取得了很大的發(fā)展。在電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程中，以微電子、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為核心的信息化技術(shù)，成為了繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的核心。

繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）基于網(wǎng)絡(luò)的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。

2）基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的繼電保護(hù)繼承設(shè)備。

3）基于數(shù)據(jù)同步和通信技術(shù)的監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。

2.繼電保護(hù)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化

繼電保護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是一種必然的趨勢(shì)。在電力系統(tǒng)對(duì)于繼電保護(hù)的需求日益復(fù)雜的情況下，像網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，才能確保系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，才能將各種技術(shù)解決方案進(jìn)行融合。

繼電保護(hù)控制裝置主要由CPU處理模塊、輸入輸出模塊和通信管理模塊組成。在系統(tǒng)內(nèi)部采用網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，而不再需要通過(guò)電氣系統(tǒng)。

這種網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)，不僅抗干擾，而且系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性也都很良好，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口和模塊化的設(shè)計(jì)，即可對(duì)各種復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行集成。

3.繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展

在過(guò)去，變電站的系統(tǒng)管理是通過(guò)控制電纜一對(duì)一的對(duì)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作的?，F(xiàn)在變電站的系統(tǒng)控制除了最后的保護(hù)與開關(guān)設(shè)備之間是通過(guò)電纜連接之外，其余環(huán)節(jié)都已經(jīng)改用網(wǎng)絡(luò)（光纖）進(jìn)行連接。變電站的各類業(yè)務(wù)功能也都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集合在了一起，這標(biāo)志著現(xiàn)代化的電流互感器（電流互感器）、電壓互感器（電壓互感器）設(shè)備已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的電流互感器、電壓互感器設(shè)備。

在過(guò)去，電流互感器和電壓互感器設(shè)備是由鐵心、銅導(dǎo)線、絕緣材料等零部件組成，體積和重量較大，暫態(tài)特性也較差，在大電流的情況下還可能造成鐵心飽和，不能很好的適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的要求。

相比之下，新式的電流互感器、電壓互感器設(shè)備在設(shè)計(jì)中融合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)，并使用傳感器作為設(shè)備的輔助手段。同時(shí)，系統(tǒng)所采用的光纖網(wǎng)絡(luò)還具有良好的抗干擾和絕緣性能，并且可以快速響應(yīng)對(duì)大容量輸電的控制和保護(hù)，滿足了電力系統(tǒng)都設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)的需求。

現(xiàn)在仍處于研制階段的新型電流互感器、電壓互感器設(shè)備，采用了光纖傳輸技術(shù)，可以將A/D轉(zhuǎn)換（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）后的數(shù)字信號(hào)在設(shè)備間進(jìn)行傳輸，或?qū)㈦娏麟妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)經(jīng)光線進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了有源式或無(wú)源式的傳感器/互感器。

與老式的互感器設(shè)備相比，新型的電子式互感器具有體積小、重量輕、絕緣性好、成本低、暫態(tài)特性好等特點(diǎn)。ABB公司的PASS系統(tǒng)是新式互感器設(shè)備中比較具有代表性的一款產(chǎn)品。從技術(shù)上看，PASS系統(tǒng)是一種智能化的接插開關(guān)，其主體是一個(gè)采用氣體絕緣的金屬密閉系統(tǒng)，由斷路器、傳感器和各類開關(guān)組成。PASS系統(tǒng)采用了電容分壓的有源方案，將電流電壓等信號(hào)通過(guò)耦合器送到PISA（過(guò)程處理單元）后再進(jìn)行傳輸。

此外，我國(guó)的科研單位和生產(chǎn)廠家也在聯(lián)合研制各種新型的互感器設(shè)備，并已投入使用。

3.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的規(guī)范化和無(wú)縫連接而制定的基于變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850的實(shí)現(xiàn)，不僅有利于在變電站系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享和控制，同時(shí)也有利于降低系統(tǒng)維護(hù)的工作量，增加系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

IEC61850的特點(diǎn)：一是采用了分層結(jié)構(gòu)，將變電站劃分為了變電站、間隔和過(guò)程三個(gè)層次，并配置了相應(yīng)的軟硬件和應(yīng)用，層與層之間的設(shè)備通過(guò)通信接口進(jìn)行連接；二是采用了面向?qū)ο蟮慕７椒?，用戶可以通過(guò)抽象的服務(wù)接口對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行通信訪問(wèn)；三是實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自描述，從而簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程，以及對(duì)數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理工作；四是實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性，采用了獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的ASCI接口（抽象通信服務(wù)接口）。

3.2 WAMS廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

WAMS（廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）是電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要用于電網(wǎng)的電流電壓信息采集、測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，并能?shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警等功能。

WAMS的應(yīng)用主要包括：對(duì)在線擾動(dòng)的識(shí)別、對(duì)系統(tǒng)振蕩進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、離線分析、重現(xiàn)事件、對(duì)仿真曲線進(jìn)行校驗(yàn)核對(duì)、監(jiān)測(cè)靜態(tài)功角的穩(wěn)定度、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)暫態(tài)功角的穩(wěn)定狀況、監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況、監(jiān)測(cè)電壓的動(dòng)態(tài)過(guò)程并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定預(yù)報(bào)、分析和識(shí)別負(fù)荷特性以及發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)等。

WAMS的PMU裝置（電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量裝置）通過(guò)GPS進(jìn)行對(duì)時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)廣域電網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)同步和同步檢測(cè)。此外，WAMS的終端數(shù)據(jù)在上傳到主服務(wù)器的過(guò)程中，由PMU貼上時(shí)間標(biāo)簽，從而使監(jiān)測(cè)中心能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的實(shí)時(shí)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和分析。

4.繼電保護(hù)研究的方向

4.1 基于廣域信息的電網(wǎng)保護(hù)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)繼電保護(hù)的研究主要還集中在輸電線路出現(xiàn)故障時(shí)的處理方面。隨著電力自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，基于WAMS的廣域電網(wǎng)保護(hù)已經(jīng)成為電力技術(shù)研究的一個(gè)新方向，其主要內(nèi)容是基于廣域信息基礎(chǔ)之上對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)和電網(wǎng)故障處理的研究。

廣域保護(hù)系統(tǒng)滿足了電力系統(tǒng)對(duì)于繼電保護(hù)系統(tǒng)、安全自動(dòng)裝置、失步解列、低頻減載、低壓減載方面的要求。在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，不僅故障現(xiàn)場(chǎng)的主保護(hù)將迅速切除故障，廣域保護(hù)系統(tǒng)也將在見(jiàn)識(shí)斷路器動(dòng)作的同時(shí)，根據(jù)故障情況做出跳開相鄰開關(guān)、加速后備保護(hù)等處理動(dòng)作，從而構(gòu)筑電力保護(hù)的第一道防線。然后，通過(guò)安全自動(dòng)控制功能和緊急控制功能，實(shí)現(xiàn)廣域切負(fù)荷、電壓異?？刂?、發(fā)電機(jī)氣門控制等操作，從而構(gòu)建電網(wǎng)的第二道防線。最后，在系統(tǒng)出現(xiàn)異步振蕩時(shí)，通過(guò)失步解列，在系統(tǒng)中構(gòu)建各自獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行的子系統(tǒng)，以防止系統(tǒng)崩潰，從而建立電網(wǎng)的第三道防線。同構(gòu)構(gòu)建電網(wǎng)的三道防線，就可以基本確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

4.2 廣域保護(hù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

廣域保護(hù)系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、繼電保護(hù)算法和自動(dòng)控制策略、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)這三部分組成。其中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由電力系統(tǒng)中各變電站的PMC同步相量測(cè)量單元與調(diào)度中心、主站之間的通信系統(tǒng)一起組成的WAMS廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廣域范圍的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)與分析。繼電保護(hù)算法和自動(dòng)控制策略主要是運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算方法對(duì)故障量進(jìn)行測(cè)量以及計(jì)算出所應(yīng)采取的自動(dòng)控制策略。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)中各變電站的自動(dòng)控制裝置和調(diào)度中心進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制。

5.繼電保護(hù)的新思想——暫態(tài)保護(hù)

暫態(tài)保護(hù)是新一代的繼電保護(hù)思想，它不同于現(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)工頻量保護(hù)方法，而是利用故障暫態(tài)所導(dǎo)致的暫態(tài)量對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的保護(hù)。

暫態(tài)保護(hù)具體又分為暫態(tài)行波保護(hù)、暫態(tài)量頻率特性保護(hù)。其中，利用暫態(tài)量頻率特性的保護(hù)，更符合暫態(tài)量保護(hù)的定義。

與傳統(tǒng)的和現(xiàn)行的繼電保護(hù)方式相比，暫態(tài)量的保護(hù)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。首先是對(duì)故障的響應(yīng)快，并且能夠?qū)收线M(jìn)行精確地定位，同時(shí)還不會(huì)被工頻現(xiàn)象所影響（比如電流互感器飽和）。此外，用于暫態(tài)量保護(hù)的濾波器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上并不復(fù)雜，這對(duì)于濾波器的使用和維護(hù)都十分有利。

5.1 暫態(tài)保護(hù)研究背景

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)的處理速度成倍加快，這就為進(jìn)行更復(fù)雜的運(yùn)算和采樣處理創(chuàng)造了條件。與此同時(shí)，在信號(hào)分析工具的研究方面也取得了一系列的進(jìn)展。比如通過(guò)對(duì)時(shí)空頻率的區(qū)間分析，進(jìn)行運(yùn)算和細(xì)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于時(shí)頻信號(hào)的自適應(yīng)分析，解決了Fourier變換所不恨很好解決的問(wèn)題的小波分析方法，就是信號(hào)分析工具研究方面的一次重大突破。

此外，基于電子技術(shù)的新型電流、電壓互感器的應(yīng)用，也為在出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)暫態(tài)量做出直接的反應(yīng)提供了便利。

5.2 暫態(tài)保護(hù)研究的現(xiàn)狀

目前，對(duì)暫態(tài)保護(hù)的研究主要分為行波保護(hù)的研究和對(duì)給予暫態(tài)量頻率特征的保護(hù)的研究。

行波保護(hù)，是暫態(tài)保護(hù)技術(shù)發(fā)展初期的一種技術(shù)方式，其技術(shù)原理主要是利用輸電線路故障后的行波，以及行波的折反射的特點(diǎn)對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。其特點(diǎn)是反應(yīng)迅速、定位準(zhǔn)確、不受飽和干擾。行波保護(hù)主要分為行波差動(dòng)保護(hù)、行波極性比較式縱聯(lián)保護(hù)、行波判別式方向保護(hù)、行波幅值比較式方向保護(hù)和行波測(cè)距保護(hù)等幾種。但是，由于行波信號(hào)本身的不確定性，以及缺乏對(duì)暫態(tài)信號(hào)識(shí)別的自適應(yīng)方法，因此行波保護(hù)的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，對(duì)于雷電、諧波產(chǎn)生的行波與故障暫態(tài)行波不能進(jìn)行很好地區(qū)分。

基于暫態(tài)量頻率特性的保護(hù)，是通過(guò)利用故障產(chǎn)生時(shí)的電壓、電流信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位。

此外，不論是采用行波保護(hù)，還是基于暫態(tài)量頻率特性的保護(hù)，都存在對(duì)暫態(tài)信號(hào)的獲取問(wèn)題。在采用暫態(tài)保護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)中，還存在通信質(zhì)量以及實(shí)施成本方面的一些問(wèn)題。

但是不管怎樣，基于小波變換、DSP、GPS、光纖通信、光電傳感等技術(shù)的暫態(tài)保護(hù)技術(shù)，已經(jīng)在電力系統(tǒng)中進(jìn)行了成功的應(yīng)用，并將取得更大的發(fā)展。

6.總結(jié)

隨著電力自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)方式向智能電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)方式的轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，繼電保護(hù)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了從電氣化向自動(dòng)化、信息化方向的轉(zhuǎn)變，通過(guò)采用各種先進(jìn)的傳感、測(cè)量和控制技術(shù)，為電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，提供了可靠的保障，能夠滿足智能電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的需求。

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