電力系統繼電保護技術的現狀與發展

覃華東

摘要 本文回顧了電力系統繼電保護技術的發展過程,對我國繼電保護技術的現狀進行了分析和討論,概述了微機繼電保護技術的成就,展望了未來繼電保護技術的發展方向和前景。

關鍵詞 電力系統;繼電保護;現狀;發展

中圖分類號 TM63 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)08-0018-02

0 引言

電力系統作為一個龐大復雜的系統,它由發電機、變壓器、母線、輸配線路及用電設備通過各種方式連接配置而成,各元件之間通過電或磁發生聯系,任何元件發生故障都將在不同程度上影響系統的正常運行。繼電保護作為電力技術的一環,它對保障電力系統安全運行、提高社會經濟效益起到舉足輕重的作用。

1 繼電保護發展歷程

我國繼電保護技術在建國后隨著電力行業的飛速發展得到了長足進步,在電子技術、計算機應用、通訊技術不斷更新完善的情況下,在40余年的時間里繼電保護技術完成了發展的4個歷史階段。50年代,我國工程技術人員創造性地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設備性能和運行技術[1],建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗的繼電保護技術隊伍,對全國繼電保護技術隊伍的建立和成長起了指導作用。期間阿城繼電器廠根據國外先進的繼電器制造技術,結合國內電力行業發展狀況,建立了我國自己的繼電器制造業,這是機電式繼電保護繁榮的時代。60年代到80年代中是晶體管繼電保護蓬勃發展和廣泛采用的時代,其中天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護,運行于葛洲壩500kV線路上[2],結束了我國500kV線路保護完全依靠從國外進口的時代,這是晶體管繼電保護時代。70年代中,基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列,逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生產、應用已處于主導地位,這是集成電路保護時代。我國從20世紀70年代末即已開始了計算機繼電保護的研究[3],1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定,并在電力系統中獲得應用[4],就此揭開了我國繼電保護發展史上新的一頁,為微機保護的推廣開辟了道路。從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代,不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色,為電力系統提供了一批新一代性能優良、功能齊全且工作可靠的繼電保護裝置。隨著微機保護裝置的研究,在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。

2 繼電保護的未來發展

隨著計算機、區域網、互聯網技術的發展應用,繼電保護技術未來趨勢已轉向計算機化、網絡化、智能化,保護、控制、測量和數據通信一體化發展。

2.1 計算機化

按照著名的摩爾定律,芯片上的集成度每隔18~24個月翻一番,其結果是不僅計算機硬件的性能成倍增加,價格也在迅速降低。微處理機的發展主要體現在單片化及相關功能的極大增強,片內硬件資源得到很大擴充,單片機與DSP芯片二者技術上的融合運算能力的顯著提高,以及嵌入式網絡通信芯片的出現及應用等方面,這些發展使硬件設計更加方便高性價比使冗余設計成為可能,為實現靈活化、高可靠性和模塊化的通用軟硬件平臺創造了條件。微機保護充分利用了計算機技術上的兩個顯著優勢,即高速的運算能力和完備的存貯記憶能力,以及采用大規模集成電路和成熟的數據采集,A/D模數變換、數字濾波和抗干擾措施等技術,使其在速動性、可靠性方面均優于以往傳統的常規保護,而顯示了強大生命力。與傳統的繼電保護相比,微機保護具有以下幾個方面優點:1)改善和提高繼電保護的動作特征和性能,正確動作率高。主要表現在能得到常規保護不易獲得的特性,其很強的記憶力能更好地實現故障分量保護,可引進自動控制、新的數學理論和技術,如自適應、狀態預測、模糊控制及人工神經網絡等,其運行正確率很高;2)可以方便地擴充其他輔助功能,如故障錄波、波形分析等,可以方便地附加低頻減載、自動重合閘、故障錄波、故障測距等功能;3)工藝結構條件優越,體現在硬件比較通用,制造容易統一標準,裝置體積小,減少了盤位數量,且功耗低;4)可靠性容易提高,體現在數字元件的特性不易受溫度變化、電源波動、使用年限的影響,不易受元件更換的影響,且自檢和巡檢能力強,可用軟件方法檢測主要元件、部件的工況以及功能軟件本身;5)使用靈活方便,人機界面好,其維護調試更方便,從而縮短維修時間,同時,依據運行經驗在現場可通過軟件方法改變特性、結構;6)可以進行遠方監控。微機保護裝置具有串行通信功能,與變電所微機監控系統的通信聯絡使微機保護具有遠方監控特性。我國在2000年220kV及以上系統的微機保護率為43.99%,線路微機保護占86%,到2003年底,220kV以上系統的微機保護已占到70.29%,線路的微機化率達到97.6%。實際運行中,微機保護的正確動作率要明顯高于其它保護,一般比平均正常動作率高0.2~0.3個百分點。

2.2 網絡化

網絡保護是計算機技術、通信技術、網絡技術和微機保護相結合的產物,通過計算機網絡來實現各種保護功能,如線路保護、變壓器保護、母線保護等。網絡保護的最大好處是數據共享,可實現本來由高頻保護、光纖保護才能實現的縱聯保護。另外,由于分站保護系統采集了該站所有斷路器的電流量、母線電壓量,所以很容易就可實現母線保護,而不需要另外的母線保護裝置。電力系統網絡型繼電保護是一種新型的繼電保護,是微機保護技術發展的必然趨勢,它建立在計算機技術、網絡技術、通信技術以及微機保護技術發展的基礎上。網絡保護系統中網省級、省市級和市級主干網絡拓撲結構,以及分站系統拓撲結構均可采用簡單、可靠的總線結構、星形結構、環形結構等。分站保護系統在整個網絡保護系統中是最重要的一個環節。分站保護系統有兩種模式:一是利用現有微機保護;另一個是組建新系統,各種保護功能完全由分站系統保護管理機實現。由于繼電保護在電網中的重要性,必須采取有針對性的網絡安全控制策略,以確保網絡保護系統的安全。電力系統的高速發展迫切要求現代電力系統具有更安全、優質、可靠和經濟運行的性能。從電力系統綜合自動化角度來看,在網絡方面,系統要求其控制網絡與信息網絡間相互借鑒、相互融合。對控制網絡而言,微機保護系統可以實現完全的分散分布式控制、處理和運行,相當于一個智能化的節點,可就地上有關信息而無須考慮其他條件的網絡節點和其它條件的約束,正是這一點,使得我們在進行新型數字保護的設計時,將保護系統的網絡部分,尤其是具有高可靠性、高速、大容量的數據傳輸作為系統設計的關鍵環節之一,使其更具靈活性,具備多種網絡接口。

2.3 智能化

隨著計算機技術的飛速發展及計算機在電力系統繼電保護領域中的普遍應用,新的控制原理和方法不斷被應用于計算機繼電保護中。近年來,人工智能技術如專家系統、人工神經網絡、遺傳算法、模糊邏輯、小波理論等在電力系統各個領域都得到了應用[5],從而使繼電保護的研究向更高的層次發展,出現了引人注目的新趨勢。例如,電力系統繼電保護領域內出現了用人工神經網絡(ANN)來實現故障類型的判別、故障距離的測定、方向保護、主設備保護等。在輸電線兩側系統電勢角度擺開情況下發生經過渡電阻的短路就是非線性問題,距離保護很難正確作出故障位置的判別,從而造成誤動或拒動;如果用神經網絡方法經過大量故障樣本的訓練,只要樣本集中充分考慮了各種情況,那么在發生任何故障時都可正確判別。隨著人工智能技術的不斷發展,新的方法也在不斷涌現,在電力系統繼電保護中的應用范圍也在不斷擴大,為繼電保護的發展注人了新的活力。將不同的人工智能技術結合在一起,分析不確定因素對保護系統的影響,從而提高保護動作的可靠性,是今后智能保護的發展方向。天津大學從1996年起進行神經網絡式繼電保護的研究,已取得初步成果[6],雖然上述智能方法在電力系統繼電保護中應用取得了一些成果,但這些理論本身還不是很成熟,需要進一步完善。隨著電力系統的高速發展和計算機、通信等各種技術的進步和發展,可以預見人工智能技術在繼電保護領域必會得到應用,從而解決用常規方法難以解決的問題。

2.4 保護、控制、測量和數據通信一體化

現代計算機技術、通信技術和網絡技術為改變變電站目前監視、控制、保護和計量裝置及系統分割的狀態,提供了優化組合和系統集成的技術基礎。高壓、超高壓變電站正面臨著一場技術創新,實現繼電保護和綜合自動化的緊密結合,它表現在集成與資源共享、遠方控制與信息共享。以遠方終端單元(RTU)、微機保護裝置為核心,將變電所的控制、信號、測量、計費等回路納入計算機系統,取代傳統的控制保護屏,能夠降低變電所的占地面積和設備投資,提高二次系統的可靠性。隨著電力系統的高速發展和自動化技術的開發和應用,變電站將向集成自動化方向發展。根據變電站自動化集成的程度,可將未來的自動化系統分為協調型自動化和集成型自動化。協調型自動化仍然保留間隔內各自獨立的控制、保護等裝置,各自采集數據并執行相應的輸出功能,通過統一的通信網絡與站級相連,在站級建立一個統一的計算機系統,進行各個功能的協調。而集成型自動化既在間隔級,又在站級對各個功能進行優化組合,是現代控制技術、計算機技術和通信技術在變電站自動化系統的綜合應用。所謂集成型自動化系統,是將間隔的控制、保護、故障錄波、事件記錄和運行支持系統的數據處理等功能集成在一個統一的多功能數字裝置內,間隔內部和間隔間以及間隔同站級間的通信用少量的光纖總線實現,取消傳統的硬線連接。總體來說,綜合自動化系統打破了傳統二次系統各專業界限和設備劃分原則,改變了常規保護裝置不能與調度(控制)中心通信的缺陷,給變電所自動化賦予了更新的含義和內容,代表了變電所自動化技術發展的一種潮流。隨著科學技術的發展,功能更全、智能化水平更高、系統更完善的超高壓變電所綜合自動化系統,必將在我國電網建設中不斷涌現,把電網的安全、穩定和經濟運行提高到一個新的水平。

3 結論

我國繼電保護技術從機電式繼電保護到微機保護走過了漫長的50年,隨著電力系統的高速發展和計算機技術、網絡技術和人工智能技術的進步,繼電保護技術也將面臨全面革新,高科技的應用將促使繼電保護技術出現原理性突破,繼電保護技術由數字時代跨入信息化時代,發展到綜合自動化水平,這對繼電保護工作者提出了艱巨而光榮的任務,也是社會科技進步的一大表現。

參考文獻

[1]王梅義.高壓電網繼電保護運行技術[M].北京:電力工業出版社,1981.

[2]He Jiali,Zhang Yuanhui,Yang Nianci. New Type Power Line Carrier Relaying System with Directional Comparison for EHV Transmission Lines.IEEE Transactions PAS-103,1984(2).

[3]葛耀中.數字計算機在繼電保護中的應用[J].繼電器,1978(3).

[4]楊奇遜.微型機繼電保護基礎[M].北京:水利電力出版社,1988.

[5]吳斌,劉沛,陳德樹.繼電保護中的人工智能及其應用[J].電力系統自動化,1995(4).

[6]段玉清,賀家李.基于人工神經網絡方法的微機變壓器保護[J].中國電機工程學報,1998.