发电机保护技术发展趋势

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1、第五届输配电挂术国际会议2 0 0 5 发电机保护技术发展趋势 J i a n p i n gW a n g D a v i dW o n g A B BP o w e r T e c h n o l o g yS y s t e m s S u b s t a t i o nA u m a t i o nD i v i s i o n 擅要t 作为提供电力系统发电、输电及配电保护与控制系统的全球制造商，A B B 几十年来直为用户提供发电机保护系 统。本文首先介绍了A B B 在国内外发电机保护领域的业续。特别是三蛱电站的业绩。然后讨论了现代继电保护技术在发电 机保护系统中的应用与发展趋势。

2、为了满足不断增长的用户需求，A B B 将继续提供最先进和优化的发电机保护系统。 1 引言 数字保护继电器已经在变电站自动化领域中巨大的变化，例如通讯，自检、数据记录等等。另一方 面，由于电力系统二次设备并未改变，所以保护功能的基本要求仍然没有改变。 众所周知，发电机的重要性不仅仅在于其所提供的电力功率大小，更重要的是它的可用性及停机造成 的损失。利用现代数字继电器，不仅可以提供用于发电机保护的最有效的保护功能，同样开创了一个新的 整体保护的概念和原理的思路，从而可以改进电站的可用性及降低停机成本。 自1 9 8 7 年以来，A B B 就开始了向全世界电站用户提供数子式发变组保护系统的工作。

3、至今为止，全世 界范围内有9 0 0 台运行的发电机组使用了1 8 0 0 套A B B 数字式发电机保护系统。这些发电机包括水电、火 电、核电以及抽水蓄能电站。典型的案例是巴西的著名水电站伊泰普水电站，其中两台发电机保护为A B B 制造。在中国三峡工程中，A B B 提供了8 台发电机的保护系统。此外，A B B 还为中国秦山核电及邹县火电 厂提供了数字式保护系统。 A B B 有一百多年的继电器制造历史。继电保护已经经历了从电磁型、晶体管型到微机式保护三个阶段 的变化。今天，多数的继电器均是基于多功能设计的微机原理的保护，通常称为智能化电予装置( 1 E D ) 。 A B B 在保护和

4、自动化领域内一直处于技术领先地位并在保护算法和变电站数字通信方面积累了2 0 余年的 经验。 在发电机保护领域，应考虑各种故障和不正常运行条件。在此基础上，各种保护功能及整个保护概念 的恰当考虑应该基于获取最大的可用性，正确动作率及安全性这一观点基础上。这一要求使得A B B 的多功 能I E D 继电器成为完成故障跟踪，保护跳闸，切除故障的最好选择。 2 发电机故障和不正常条件 发电机和变压器保护单元可能会遇到各种不同的故障和不安全工况，为此，必须提供有效的保护系 统。否则，将会造成严重的发电机损坏以及较长时间维修而导致长期的停机。保护系统应该能够及时发现 下述运行工况，从而可以快速、有选项

5、择地切除故障。发电机故障和不正常条件可列写如下： 一发电机；l l 部故肆包括， 绕组相间故障( 包括匝间故障) 绕组相对地故障( 包括匝问教障) 转子接地故障 一发电机不正常工况包括： 失磁 过负荷 过电压 反功率 低频，过频 不平衡电流 误上电 失步 在外部故障时，发电机保护系统还要提供与其它保护配合的后备保护功能。 第五届输配电技术国际会议呈垒05 3 发电机保护系统的要求 在设计一个完整的发电机保护系统之前，首先要回答一些最基本的问题。这包括运行的需求，管理和 测试的需求以及信息系统的处理需求。 3 1 运行需求 现代社会生产规模的增加是基于工业生产过程的不问断运行及计划性的生产。而这

6、一切都依赖于不间 断的电力供应。电力中断事件会造成工业过程的针对停止，从而引起大量的生产及材料的损失。这些对于 电国系统工作者而言，应该清楚发电机的损害或停机可能造成的商业影响。这就要求发电机保护的设计者 能够通过详细、认真的设计来提供一个可靠的、完整的保护系统，从而能将可能的发电机的损害降到最低 程度。这包括保护系统的可用度，正确动作率和安全性。在现代保护方案中，对发电机的保护系统按双重 化保护的设计等等。 3 2 维护，测试 如果对正常运行的发电机保护系统进行维护和测试，保护系统的冗余设计是必要的，这就是双重化保 护系统设计的基本概念。被测试的保护功能和软件系统不应影响正在运行的发电机的保

7、护功能。 双重化系 统的设计可以保证可以退出一些系统进行测试而另一套系统仍然可以提供完整的保护功能。定期检测也可 以十分简化并且为影响发电机的运行。 3 3 信息处理 现代数字保护继电器的一个重要特点就是自检、自诊断、自动测试以及事件记录，故障录波及其与控 制系统的通用功能。利用现代通讯建立的变电站监控系统，使得运行人员可以方便地了解发电机故障的信 息和数据资料，从而大大减少了故障评估的时间。微机保护的测量和试验功能也可以降低现场调试和的定 检的时间。 保护管理机和继电器通讯不仅可以节省大量的传统系统联络的信号电缆，而且可以为运行人员了解保 护继电器的信息及壮态提供一个方便的界面。同步时钟可以

8、为运行人员了解详细的故障信息提供了一个时 间基准。运用现代通讯网络，还可以将保护信息送到调度总站。 4 功能概念 保护系统总的功能配置通常是根据发电机的大小及用户的技术要求设计的。但是，最后实现的硬件应 该提供一个适合于用户的解决方案，同时又能在基于功能概念的基础上使用较少的硬件。 如果由于某种原因。保护系统出错，那么其结果就是将被保护对象从电力系统中切除。为了避免仅仅 由于丧失保护功能引起的发电机停机，通常采用的方法是双套保护系统设计方案。 4 1 鬟体保护方案 通常，我们考虑将发电机，升压变压器及辅助变压器看作一个整体的被保护区来设计保护系统。这样 即可配置足够的保护功能来保护所有可能的故

9、障和不正常工况。 保护的冗余度取决于成本和效益的优化程度。但是保护功能可以有许多种配置方案。这些方案可视不 同的要求而不同。为了获取最大的冗余和可用性，通常采用双莺化的设计方案。当然，对应的直流电源及 跳闸回路也应该双重化。在工程设计阶段，应该仔细考虑互感器到最终跳闸回路的设计方案。 4 2 双重他的设计原理 利用现代数字技术，保护功能可以很容易地实现双重化。而线路技术中，任何功能的双重化都意味着 硬件的双重化。双重化意味着多方面保护概念的扩展。如果一个硬件系统生效或由于维护管理而退出，另 一套保护系统仍然可以提供完整的保护功能。由于差动保护功能可提供最好的选择性和动作速度，因此有 必要将差动

10、保护功能双重化( 见图1 ) 。基于双重化的系统即可保证保护系统的选择性和速动性。 苎亘旦塑墼皇垫查旦堕叁塑! ! ! ! 圈1 一基于双重化的保护熏统 发电机保护的数字式保护方法 过去所有的保护方案均通过对应的硬件产品实现的。今天，人们仍然在使用基于独立继电器的这样 一种方案( 见图2 ) 。但是，现代技术的趋势是采用系统化的方法来实现所有发电机的保护。其目标是在 较小的硬件系统上实现保护功能和相关逻辑的最大集成，从而减少辅助文件，增加整个保护系统的可用 性，正确动作率，和安全性。 5 1 基于单一产品的保护方法 这种方法的基本思路是用几个多功能的继电器来实现上述保护方案。这样一来，整个保护

11、方案的跳闸 逻辑，闭锁等均需要在模块与辅助元件之间连接许多辅助接线，从而导致了大量的工程和维护工作。另一 方面，每个继电器都会产生故障记录和事件，而这些信息可能会重叠，从而造成分析的困难。 基于产品的保护方案只能使用每个继电器的微机化特点，但涉及的整个保护系统配合的额外元件并不 能充分利用数字化的优点。这将导致一个不理想的保护方案。如果最终的保护系统只会用两个或三个多功 能的微机保护，这种方案仍然可以被接受。否则，就应该采用系统化的解决方案。基于产品设计的典型特 点可以列出如下： 功能基于被保护对象 保护方案受限 保护继电器功能按重叠方案设计 复杂的系统需要多个继电器 圈2 - - 基于单一产

12、品的保护方案 5 2 基于系统的设计方法 根据对应项目的需求，系统化的方法提供了一定量的硬件和输入输出量。基于给定的软件功能库的软 件设计概念允许保护工程师可以从给定的功能块表格中方便地选择或激活需要的功能。图3 给出了基于系 统的设计方法的示意图。这意味着系统化设计方法可以提供软件和硬件的灵活性。如果输入和输出不能满 足对应电厂保护功能的要求，则可以设计两套完全双重化的硬件系统来构成一个互为冗余的保护系统。由 于每组保护系统包括了相同的软件功能字并与对应的输入和输出关联。故保护功能即可以安放在A 系统也 可咀被安放在B 系统。这样一来，即可形成一个完整的双重化保护系统。这一方法同样可以提供保

13、护设各 第五届输配电技术国际会议2 0 05 闭锁逻辑及其它逻辑的集成。由于这一集成是由软件实现，故可以降低大量的外部接线和元件，从而简化 了整个工程设计及硬件数量。各种附加逻辑软件实现也增加了数字化保护系统的集成度和整体自检能力。 一旦任何逻辑有问题，微机系统即可将对应的报警或故障信息送到变电站监视系统。如果要对保护系统做 一些现场的改变，可以简单地在现场修改保护配置文件，而不需增加任何附加的成本，这给用户带来了极 大的经济效益。系统化方法的典型特征可列出如下： 根据整体保护概念设计功能 保护方案的实现基于软什功能 硬件或继电器的使用可最小化 可实现复杂保护方案的要求 保护概念来确定保护系统

14、 C T P T 要求数量少 圆圆匿虱匣虱匣司匿虱匣卸匿司回暖司圃圃 圈3 - - 基于熏统的设计方法的示意图 6 A B B 新一代继电器( 6 7 0 系列继电器) 信息技术的快速发展，特别是计算机容量和高速通信技术的发展，为新一代数字保护继电器提供了强 有力的大脑和安全快速的数据传送。为了提供高性能低成本的继电器且能够不断满足用户对于继电保护功 能和现代通讯协议的要求，A B B 最近推出了新一代数字保护继电器。新一代数字保护继电器不仅能够完成 各种保护的要求，同时具备了基于新的国际通信标准( I E C 6 1 8 5 0 ) 的通信接口。这里还包括了1 0 0 M H z 以 太网的

15、通讯标准。新一代数字保护继电器硬件独立的保护，控制，监视功能库为用户提供了各种应用的灵 活性。新继电器在久经考验的现有A B BR E X 2 1 6 ，R E X 3 1 6 ，R E X 5 0 0 系列继电器的功能基础上又增加了下列 特点： 加强的保护算法 加强的保护功能库 改进的工具 面向用户的工具 I E C 6 1 8 5 0 通用协议 新一代继电器不仅可用于高压，超高压网络，也可以用于发电机，变压器保护中，新一代继电器具有公共 的硬件平台，可扩展的I 0 板和一个强大的软件功能库。利用这一功能库，用户可以构造适合于不同保护对 象的保护，比如发电机保护，线路保护，变压器保护，母线保

16、护等。图4 给出利用新一代继电器( 6 7 0 系列 继电器) 对发变组保护的方案案例。 第五届输配电技术国际会议2 0 05 7 结论 o _ n d 目- L d b l d 蛳 ，捌h _ 蕾 U h - 瞒- ， a m ，d 删 g a w a i n 口_ _ S u b 2 圈4 一使用6 7 0 系列继电器对发变组保护的方案案例 基于系统化方法的发电机保护方案可以被认为是基于数字技术的现代保护概念。其优点在最大限度地 使用了多功能微机保护中的软件功能。除此之外，发电机保护系统的数字化解决方案可以为应用工程师提 供额外的益处，这就是可以将系统化的设计方案应用到电厂保护系统整体设计中去。随着新一代继电器 ( 6 7 0 系列继电器) 的引入，上述概念可扩展到变电站所有保护，控制和监视中去。这种方法可以带来整个 二次系统维护周期内的效益，比如维护，所有软硬件的监视和自检，故障录波和数据存储等等。 今天，保护工程师不仅需要注意单一保护功