電力系統繼電保護自動化策略及技術研究

南京遠能電力工程有限公司 馬 迎 裴有慧

為確保電力系統長時間穩定在正常運行狀態下，必須對電力系統實施繼電保護。在科學技術水平不斷提升背景下，推動繼電保護自動化、智能化是必然趨勢，即要積極在電力系統內引入繼電保護自動化策略及技術，并結合現實情況展開持續性的優化調整，實現與時俱進。

1 電力系統繼電保護自動化技術主要內容

1.1 電力系統自動化繼電保護裝置應用原理

應用于電力系統內的繼電保護裝置可細化為邏輯模塊、測量模塊及執行模塊三部分，在實際運行中輸入信號傳遞至測量模塊內，結合整定值形成“是”、“非”、“大于”等邏輯信號，由此確定出是否需對保護裝置進行啟動；信號傳遞至邏輯模塊，形成“或”、“與”、“否”、“延時啟動”等邏輯回路，由此判斷出是否要進行斷路器跳閘或發出信號；信號傳遞至執行模塊后能根據之前形成的指令做出行動，并向電力系統其他功能單元發出控制指令。實踐中，一旦電力系統中發生故障所有異常物理量會轉變為信息量，如果異常物理量超出允許范圍，繼電保護裝置動作，迅速對故障元件、故障線路實施隔離，防止對電力系統中其他正常運行的元件或線路產生負面影響。

1.2 電力系統繼電保護自動化技術應用要求

為確保繼電保護自動化技術的作用可在電力系統中得到最大程度發揮，需重點控制繼電保護裝置安裝質量，為繼電保護自動化技術的作用發揮創造良好條件。在選定繼電保護裝置時應著重關注兩項性能：速動性。所選用的繼電保護裝置可在故障問題發生后第一時間做出反應，迅速、準確定位故障線路或元件并落實切斷合理處理，促使故障問題被控制在較小范圍內，避免對電力系統引發更大負面影響。通常要確保繼電保護裝置一般快速保護時間在60～120毫秒的范圍內，最快保護時間可達到1～40毫秒；選擇性。所使用的繼電保護裝置僅能對故障線路、元件做出切斷與隔離處理，而不會對正常運行的線路與元件進行干預，有效避免故障問題大范圍擴展的同時維護電力系統的正常、穩定運行。

1.3 電力系統繼電保護自動化技術應用價值

為自適應技術的發展提供支持。通過在電力系統中引入繼電保護自動化技術，能達到優化電力系統工作狀態與流程的效果，促使企業經濟效益增長的同時推動自適應技術的創新。此時電力系統在運行中發生的故障問題能得到更為迅速、精準的處理，促使電力系統長時間保持在穩定運行狀態下；推動網絡化發展空間的拓展。對繼電保護自動化技術而言，其基礎為信息技術，因此將繼電保護自動化技術應用于電力系統中可達到促進電力系統信息化、網絡化、智能化的效果，促進對電力系統的遠程控制功能升級，也賦予電力控制系統以更多可能性；實現電力系統的智能化發展。結合當前的發展現狀來看，自動化、智能化是電力系統甚至整個電力行業的主流發展趨勢。通過在電力系統中引入繼電保護自動化技術，就能達到促進電力系統向著智能化與自動化方向發展的效果，自動完成電力系統運行數據信息的提取、分析，準確、迅速定位風險問題及故障，并實施第一時間的報警、保護與處理，保證電力系統能長時間保持在穩定運行的狀態下。

2 電力系統繼電保護自動化技術具體應用探究

2.1 常見應用方式

接地保護技術。在電力系統實際運行過程中發生接地故障問題相對常見，通過引入繼電保護自動化技術，能參考不同接地故障類型實施針對性處理與保護的效果。如，在電力系統運行出現異常情況且產生零電壓背景下極易引發大面積斷電問題。而通過應用繼電保護自動化技術就能實現零序電壓的預警保護，即便發生上述故障也能讓電力系統在短時間內保持在穩定運行下，同時完成故障區域的迅速定位、故障區及其附近區域的電壓檢測，第一時間向管理人員、控制中心發送故障信息及警報，為迅速形成有效的故障處理方案提供支持，以此達到維護電力系統運行安全穩定水平的效果。

差動保護。主要參考“電路中流入節點電流的總和等于零”原理形成，將受到保護的設備元件視為一個節點，在電力系統正常運行條件下，流入被保護設備元件中的電流及流出的電流始終穩定在相等水平，此時差動電流為零；而一旦被保護設備元件發生故障或出現運行異常情況，則流入被保護設備元件中的電流及流出電流間存在差異，此時差動電流高于零。一旦差動電流的大小超出差動保護裝置的整定值時，上位機會立即發出動作信號，控制被保護設備元件的配套斷路器斷開，達到切斷隔離故障設備元件的效果。此時能將故障問題穩定在較小范圍內，避免對電力系統造成更大負面影響。對于差動保護來說，其電路結構相對簡單且具有更強的靈敏性、選擇性，實現更為精準的故障切斷隔離，整個保護啟動過程的獨立性也相對較更高，確保相關工作人員可在故障問題大范圍傳播擴散前完成有效、針對性處理。

熔斷器保護。通過在電力系統中加設熔斷器，能在電流超出預設規定條件下產生大量熱量促使熔體熔斷，以此達到斷開相應故障電路的效果，完成對電力系統的保護。在當前電路系統中，常用熔斷器類型包括插入式熔斷器、螺旋式熔斷器及封閉式熔斷器等，根據電流與電壓等級的不同所應用的熔斷器類型也存在較大差異：對380V及以下電壓等級的線路末端，在進行配電支線或電氣設備短路保護中更適合選用插入式熔斷器，方便后續維護以及更換；對電壓等級500V及其以下、電流等級200A以下的電路，在進行短路保護過程中更加適合選用封閉式熔斷器，以此獲取更大的分斷電流；對電壓等級500V以下、電流等級600A以下的電力網或配電設備，不需更高分斷能力，更適用于使用無填料封閉式熔斷器；對電壓等級500V以下、電流等級1kA以下的電路，需較高分斷能力，更適用于使用有填料封閉式熔斷器。

2.2 電力系統中的實際應用情況

變壓器繼電自動保護。在繼電保護自動化技術的支持下，電力系統中的變壓器能得到更為理想、全面的保護，并實現變壓器保護的自動化。在電力系統實際運行過程中，繼電保護自動化技術的應用對變壓器的保護作用主要體現：變壓器接地保護。通過在電力系統中應用繼電保護自動化技術可完成對短路故障的實時性監測，并結合對變壓器兩側電流與電壓數據的實時獲取及分析，達到落實零序電壓接地保護的效果；變壓器線路的短路保護。充分發揮出阻抗元件的保護功能實現自動斷電，或是在變壓器配套時間元件、電流保護裝置的支持下推動變壓器的正常運行時間長度增加，同時實現自動化斷電，有效規避短路故障時電流過高問題所帶來的負面影響；變壓器油箱的故障監控。繼電自動化保護裝置可對變壓器運行過程中油箱中的油、絕緣材質分解后所生成的氣體成分實施分析，在此基礎上確定出變壓器油箱是否存在異常現象。一旦發現故障問題或是運行異常情況，則能立即落實線路的自動化切斷，防止故障影響擴大。

發電機自動化保護。對于發電機來說，一旦其發生故障，所產生的異常現象更加明顯，也會對電力系統產生較大的負面影響，容易發生電量輸出平衡穩定性大幅下降問題?；谶@樣的情況，必須重點落實對發電機的繼電保護，特別是要對發電機中的定子組匝實施保護。實踐中需將繼電自動化保護裝置加設于定子繞組內，也可在電動機單相接地的條件下結合電流與相位的中心點完成對發電機的繼電保護操作。在繼電保護自動化技術的支持下，對發電機的動態性、遠程實時性監測成為現實，一旦發現發電機在實際運行過程中發生溫度異常變化等問題時能第一時間展開異常現象的分析及診斷，在判定發電機存在短路故障后繼電自動化保護裝置可迅速完成跳閘，防止由于發電機溫度持續上升而引發的更大負面影響，降低絕緣層被破壞的問題發生概率，由此達到保護電力系統運行安全穩定性的效果。

網絡母線保護?；诶^電保護自動化技術的母線保護可細化為兩種保護形式，即差動保護與相位比較保護。其中差動保護在前文已有說明不再贅述。對于相位比較保護，其主要利用母聯開關流過的電流與差動回路中的總差電流進行比較，將所有支路的二次電流回路固定連接在一起，這一總的電流與母聯的二次電流方向進行比較，也就是差動回路的電流是反應母線故障（Ⅰ或Ⅱ）的總電流，如果存在Ⅰ母故障則通過母聯電流方向是由Ⅱ母流向Ⅰ母；如果存在Ⅱ母故障則通過母聯電流方向是由Ⅰ母流向Ⅱ母，相位變化180°，而差動回路中的電流相位不變，因此可選擇出故障母線[1]。

電網運行維護。輸變電電網是電力系統中的重要組成部分，其運行安全穩定性直接關系著電力系統運行的安全穩定水平，因此須對其落實重點保護。實踐中，通過在輸變電電網構建及運行中應用繼電保護自動化技術，能達到規避電氣故障產生的效果，促使電網、整個電力系統長時間維持在穩定運行水平下。在選用繼電自動化保護裝置過程中，須重點參考電網所在區域的現實條件、氣候條件、電磁干擾情況等，確保繼電保護自動化技術的優勢得到最大程度發揮。

3 電力系統繼電保護自動化的優化策略分析

3.1 測量、保護、控制、數據信息的一體化

出于對提升繼電保護自動化技術應用成效的考量，應積極融合計算機技術，在互聯網的支持下推動測量、保護、控制、數據信息在電力系統內集成，由此轉入一體化的狀態，促使電力系統內所有信息與裝置均保持統一。依托測量、保護、控制、數據信息一體化的實現，電力系統中所有保護裝置的保護功能可得到進一步完善，由此賦予電力系統更多樣的性能。實踐中，須及時完成對電力系統運行中各種測量數據、狀態數據、保護數據、控制參數等的提取與分析，保證在發生故障后實現第一時間的故障識別、分析以及定位，提升繼電保護的展開速度。同時，通過融合計算機技術與繼電保護自動化技術，不僅所有電力系統運行數據能得到統一性管理，故障識別與分析處理過程中所產生的數據信息也能直接保存至數據庫內，為后續繼電保護動作的展開提供參考。

3.2 持續優化電力系統繼電保護網絡化模式的搭建

為更好滿足用電需求，電力系統建設規模呈現不斷增長趨勢，線路、設備的配置數量及種類增加，原有繼電保護裝置配置已無法滿足電力系統現實需求，難以保證對電力系統運行安全性的維護達到理想水平。基于此需在電力系統中配置多個繼電保護裝置，并持續強化各個保護裝置間的數據交換及聯系，而這需網絡的支持。換言之，要搭建起電力系統繼電保護網絡，促使電力系統中所配置的所有繼電保護設備構成一個整體，共同完成對電力系統安全穩定運行狀態的維護[2]。

同時，網絡化連接也是構建自動化繼電保護系統的重要內容，促使本地電站中的保護客戶機與遠端主站實現連接。在網絡化建設的支持下信息共享成為現實，能在整個繼電保護系統中分享電站、線路的運行數據。此時即使一臺機電保護裝置發生故障或無法應用，繼電保護系統中的其他裝置也能達到替代故障繼電保護裝置運行的效果，及時切斷隔離電力系統中發生故障或運行異常的元件、線路，提升了繼電保護功能的可靠性。

3.3 繼電保護策略的優化改進

為確保電力系統繼電保護自動化性能得到最大程度發揮，降低繼電保護故障問題發生概率，須對繼電保護策略實施著重的優化改進，維護繼電保護設備的可靠性、靈敏性、速動性以及選擇性。

對現行繼電保護原理進行改進與完善，重點提升其保護性能及適應能力。針對差動保護可使用“制動量優化+高阻故障精準選相”方式完成優化改進，針對距離保護可使用控制過負荷誤動發生概率的方式完成優化改進，針對啟動速度可通過設置“一點啟動”功能模塊達到優化改進的效果：差動保護制動量化。在調整制動電流過程中，參考線路兩側電流增幅關系實現自適應的、自動化的調節，推動短路電流識別能力的最小值由原有1000安培提升至300安培，促使在短路電流受限條件下線路保護的故障識別能力呈現出增強趨勢；線路單向高阻故障精準選相方法。充分發揮負荷序差動電流幅值作用，結合相位特征達到迅速使被單向接地故障相的效果，促使故障相的識別準確率提升至100%。此時故障隔離時長由原有5個周波縮減至2個周波，有效降低了因單向故障而引發的線路三相跳閘問題發生概率；故障一點啟動算法。對現有一相多點啟動算法進行優化調整，充分應用三相電流所具備的對稱性特征，依托三相同一時刻電流采樣值達到提取故障突變量特征的提取，實現在發生故障后第一點采樣值保護迅速進入啟動狀態，促使故障后的一點啟動成為現實。

積極展開原理及技術的創新研究，逐步形成全新的、性能優良的保護算法：基于電壓平面的距離保護應對過負荷的技術。在電壓余弦分量的支持下達到對過負荷、相間故障準確識別的效果，結合相-序補償電壓相位關系對過負荷、相間故障進行準確的識別，通過這樣的方式能更為精準的區別過負荷與線路故障問題，有效解決距離保護誤動問題；基于線路固有參數交流的線路低容抗保護。低容抗保護的動作性能穩定性更強，可精準識別1000歐姆的過渡電阻，能準確完成故障相的識別。金屬性故障動作時間穩定在1.67毫秒，相比與現有輸電線路保護的不低于10毫秒有著更明顯的應用優勢。

綜上，在當前的電力系統運行及保護工作中，推動繼電保護自動化、智能化是必然趨勢，要積極在電力系統內引入繼電保護自動化策略及技術。通過在發電機、變壓器、母線等的保護中應用接地保護技術、差動保護、熔斷器保護等繼電自動化保護技術，提升了電力系統運行的安全穩定性。