繼電保護自動化技術的應用研究

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.信息技術在繼電保護方面的應用

在計算機、網絡、通信和自動化技術的推動下，電力系統的繼電保護技術也取得了很大的發展。在電力系統的繼電保護技術的發展歷程中，以微電子、計算機、通信、網絡等技術為核心的信息化技術，成為了繼電保護自動化技術發展的核心。

繼電保護自動化技術的發展表現在以下幾個方面：

1）基于網絡的分布式自動化系統。

2）基于數字化、網絡化的繼電保護繼承設備。

3）基于數據同步和通信技術的監測與分析系統。

2.繼電保護控制系統的網絡化

繼電保護系統的網絡化發展是一種必然的趨勢。在電力系統對于繼電保護的需求日益復雜的情況下，像網絡化的方向發展，才能確保系統的靈活性和可擴展性，才能將各種技術解決方案進行融合。

繼電保護控制裝置主要由CPU處理模塊、輸入輸出模塊和通信管理模塊組成。在系統內部采用網絡化的結構，通過網絡在各個功能模塊進行數據傳輸和控制，而不再需要通過電氣系統。

這種網絡化的結構，不僅抗干擾，而且系統的兼容性和擴展性也都很良好，通過標準化的接口和模塊化的設計，即可對各種復雜的設備進行集成。

3.繼電保護技術的發展

在過去，變電站的系統管理是通過控制電纜一對一的對開關設備進行操作的。現在變電站的系統控制除了最后的保護與開關設備之間是通過電纜連接之外，其余環節都已經改用網絡（光纖）進行連接。變電站的各類業務功能也都通過網絡集合在了一起，這標志著現代化的電流互感器（電流互感器）、電壓互感器（電壓互感器）設備已經取代了傳統的電流互感器、電壓互感器設備。

在過去，電流互感器和電壓互感器設備是由鐵心、銅導線、絕緣材料等零部件組成，體積和重量較大，暫態特性也較差，在大電流的情況下還可能造成鐵心飽和，不能很好的適應系統對負載的要求。

相比之下，新式的電流互感器、電壓互感器設備在設計中融合了先進的計算機與通信技術，并使用傳感器作為設備的輔助手段。同時，系統所采用的光纖網絡還具有良好的抗干擾和絕緣性能，并且可以快速響應對大容量輸電的控制和保護，滿足了電力系統都設備進行控制和監測的需求。

現在仍處于研制階段的新型電流互感器、電壓互感器設備，采用了光纖傳輸技術，可以將A/D轉換（數/模轉換）后的數字信號在設備間進行傳輸，或將電流電壓信號轉換為光信號經光線進行傳輸，從而實現了有源式或無源式的傳感器/互感器。

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

此外，我國的科研單位和生產廠家也在聯合研制各種新型的互感器設備，并已投入使用。

3.1 IEC61850標準

IEC61850標準是為了實現設備的規范化和無縫連接而制定的基于變電站系統網絡通信的一個國際標準。IEC61850的實現，不僅有利于在變電站系統中實現不同設備之間的數據共享和控制，同時也有利于降低系統維護的工作量，增加系統的靈活性和可擴展性。

IEC61850的特點：一是采用了分層結構，將變電站劃分為了變電站、間隔和過程三個層次，并配置了相應的軟硬件和應用，層與層之間的設備通過通信接口進行連接；二是采用了面向對象的建模方法，用戶可以通過抽象的服務接口對數據對象進行通信訪問；三是實現了數據的自描述，從而簡化了數據傳輸的過程，以及對數據的維護和管理工作；四是實現了網絡的獨立性，采用了獨立于網絡和應用層協議的ASCI接口（抽象通信服務接口）。

3.2 WAMS廣域監測系統

WAMS（廣域監測系統）是電網的動態監測系統，主要用于電網的電流電壓信息采集、測點數據采集以及數據傳輸等，并能實現監測、分析和預警等功能。

WAMS的應用主要包括：對在線擾動的識別、對系統振蕩進行在線監測、離線分析、重現事件、對仿真曲線進行校驗核對、監測靜態功角的穩定度、監測和預報暫態功角的穩定狀況、監測發電機組的運行狀況、監測電壓的動態過程并實現動態穩定預報、分析和識別負荷特性以及發電機組的各項參數等。

WAMS的PMU裝置（電力系統同步相量測量裝置）通過GPS進行對時，還能實現廣域電網內的數據同步和同步檢測。此外，WAMS的終端數據在上傳到主服務器的過程中，由PMU貼上時間標簽，從而使監測中心能夠對電網的實時過程進行監控和分析。

4.繼電保護研究的方向

4.1 基于廣域信息的電網保護

當前，國內對繼電保護的研究主要還集中在輸電線路出現故障時的處理方面。隨著電力自動化技術的發展，基于WAMS的廣域電網保護已經成為電力技術研究的一個新方向，其主要內容是基于廣域信息基礎之上對電力系統保護和電網故障處理的研究。

廣域保護系統滿足了電力系統對于繼電保護系統、安全自動裝置、失步解列、低頻減載、低壓減載方面的要求。在電網出現故障時，不僅故障現場的主保護將迅速切除故障，廣域保護系統也將在見識斷路器動作的同時，根據故障情況做出跳開相鄰開關、加速后備保護等處理動作，從而構筑電力保護的第一道防線。然后，通過安全自動控制功能和緊急控制功能，實現廣域切負荷、電壓異常控制、發電機氣門控制等操作，從而構建電網的第二道防線。最后，在系統出現異步振蕩時，通過失步解列，在系統中構建各自獨立、穩定運行的子系統，以防止系統崩潰，從而建立電網的第三道防線。同構構建電網的三道防線，就可以基本確保電網的安全運行。

4.2 廣域保護系統的組成結構

廣域保護系統主要由實時動態監測系統、繼電保護算法和自動控制策略、實時控制系統這三部分組成。其中，實時動態監測系統是由電力系統中各變電站的PMC同步相量測量單元與調度中心、主站之間的通信系統一起組成的WAMS廣域監測系統，實現對廣域范圍的電力系統實時動態的監測與分析。繼電保護算法和自動控制策略主要是運用數學運算方法對故障量進行測量以及計算出所應采取的自動控制策略。實時控制系統主要是通過對電力系統中各變電站的自動控制裝置和調度中心進行聯網，通過網絡實現遠程的自動控制。

5.繼電保護的新思想——暫態保護

暫態保護是新一代的繼電保護思想，它不同于現有的穩態工頻量保護方法，而是利用故障暫態所導致的暫態量對故障進行檢測，從而實現對輸電線路的保護。

暫態保護具體又分為暫態行波保護、暫態量頻率特性保護。其中，利用暫態量頻率特性的保護，更符合暫態量保護的定義。

與傳統的和現行的繼電保護方式相比，暫態量的保護具有十分明顯的優勢和特點。首先是對故障的響應快，并且能夠對故障進行精確地定位，同時還不會被工頻現象所影響（比如電流互感器飽和）。此外，用于暫態量保護的濾波器在結構設計上并不復雜，這對于濾波器的使用和維護都十分有利。

5.1 暫態保護研究背景

當前，計算機的處理速度成倍加快，這就為進行更復雜的運算和采樣處理創造了條件。與此同時，在信號分析工具的研究方面也取得了一系列的進展。比如通過對時空頻率的區間分析，進行運算和細化，從而實現對于時頻信號的自適應分析，解決了Fourier變換所不恨很好解決的問題的小波分析方法，就是信號分析工具研究方面的一次重大突破。

此外，基于電子技術的新型電流、電壓互感器的應用，也為在出現故障時對暫態量做出直接的反應提供了便利。

5.2 暫態保護研究的現狀

目前，對暫態保護的研究主要分為行波保護的研究和對給予暫態量頻率特征的保護的研究。

行波保護，是暫態保護技術發展初期的一種技術方式，其技術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對故障進行準確的定位。其特點是反應迅速、定位準確、不受飽和干擾。行波保護主要分為行波差動保護、行波極性比較式縱聯保護、行波判別式方向保護、行波幅值比較式方向保護和行波測距保護等幾種。但是，由于行波信號本身的不確定性，以及缺乏對暫態信號識別的自適應方法，因此行波保護的缺點也是顯而易見的，對于雷電、諧波產生的行波與故障暫態行波不能進行很好地區分。

基于暫態量頻率特性的保護，是通過利用故障產生時的電壓、電流信號對故障進行監測和定位。

此外，不論是采用行波保護，還是基于暫態量頻率特性的保護，都存在對暫態信號的獲取問題。在采用暫態保護技術的系統中，還存在通信質量以及實施成本方面的一些問題。

但是不管怎樣，基于小波變換、DSP、GPS、光纖通信、光電傳感等技術的暫態保護技術，已經在電力系統中進行了成功的應用，并將取得更大的發展。

6.總結

隨著電力自動化技術的不斷發展，電力系統已經實現了從傳統的生產運營方式向智能電網生產運營方式的轉變。與此同時，繼電保護技術也實現了從電氣化向自動化、信息化方向的轉變，通過采用各種先進的傳感、測量和控制技術，為電網的安全和穩定運行，提供了可靠的保障，能夠滿足智能電網建設與發展的需求。

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