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1、.第二十章 微机保护振荡闭锁算法综述20.1 微机保护概述电力系统的稳定运行为社会带来了巨大的效益。继电保护则是电力系统中十分重要、不可或缺的部分。它起到断开故障、确保电力系统安全稳定运行的重要任务。伴随着电网的飞速发展，更大容量的机组、超高压变电的投运，对继电保护提出了更新、更高的要求。而计算机技术的快速发展与应用，使继电保护也随之发展，新颖的思路和技术也都可以成为现实，像自适应、小波变换等等技术也都逐渐在实践中展现出独特优点，继电保护在 90 年代就已经进入到微机继电保护的时代。新型的微机继电保护技术与以往传统的继电保护相比有着许多优点，这些优点主要体现在以下几个方面：(1)可以改善和提高
2、继电保护的性能和动作特性。在微机保护中，我们可以用数学方程的数字方法来构成保护的测量元件，这使继电保护元件的动作特性有很大的改善和提高；微机继电保护有很强的记忆功能，利用这一特点能更好的实现故障分量保护；可以引用很多新的理论和技术，如自适应、模糊控制等等。(2)可以很方便的补充其他辅助功能。如故障录波、波形分析；还可以随时掌握有关保护的数据，能够打印故障前后的波形、故障报告，打印保护在运行中保护定值；利用线路故障记录数据进行测距；通过计算机网络、通信系统实现厂站监控交换信息。(3)工艺结构条件十分优越。和传统的继电保护相比，微机保护的硬件十分通用，制造的标准也容易统一。另外，微机保护的装置体积
3、小，盘位数量也就会减小，功耗更低。(4)可靠性容易提高。数字元件特性不易受温度变化、电源波动、使用年限影响，不易受更换元件影响；自检能力强。(5)使用起来更加方便。维护和调试都很方便，能大幅度缩短检修的时间；在现场即可通过软件改变特性、结构(6)保护的内部动作过程不像模拟式保护那样直观。微机保护有它独特的优点，它在各方面都比传统的继电保护更加先进，使用方便、可靠性高，这都使微机保护很快被继电保护工作者接受和重视。更多的技术也一直在研究开发，相信在不久的将来，微机保护一定会取代传统的继电保护，成为继电保护的主流。20.2 微机保护算法综述1在微机保护中，连续型的电压、电流信号经过离散采样和模数变
4、换成可以用于计算机处理的数字量后，计算机将对这些采样值进行分析、计算，确定保护所需的电气量参数，并根据这些参数的计算结果以及保护的动作特性方程与定值，通过比较判断，决定微机保护的动作行为。完成上述的分析计算和比较判断以实现各种继电保护功能的方法称为保护算法。目前常用的微机保护交流采样算法基本上可以分为三类：基于纯正弦函数模型算法、基于随机函数模型算法、基于周期函数模型算法。三类算法各有特点。基于纯正弦函数模型算法假设所用的电流、电压是纯正弦基频函数理想采样值，所以要对所采集的电流、电信号进行处理，要用滤波器滤掉非周期分量和高频分量。这种算法的计算量很小，所需的数据窗也很短，所以一般应用在输入信
5、号中的暂态分量很小或者计算精度要求不高的保护中。基于随机函数模型算法一般适用于输入的信号中存在非整数倍的随机高频分量时的保护算法。比较常用的有最小二乘算法和卡尔曼滤波算法。最小二乘算法突出的优点是有可变的数据窗，数据窗的长度是随着采样值的变化而变化的，精度较高。同时，此算法收敛速度快且收敛过程稳定，计算简便，可以满足不同场合对于计算速度和精度的不同要求。基于周期函数模型算法应用于输入信号是周期性函数的保护算法。常用的算法是傅氏算法。傅氏算法计算精度高，原理简单，在微机保护中有广泛的应用。但傅氏算法数据窗较长，需要一周波数据才能完成计算，这样就会降低保护的动作速度。不同的保护算法适用于不同的场合
6、，我们需要根据特性来选择适合的微机保护算法。影响我们选择算法的根据是保护算法的计算速度和精度。算法的速度决定了保护的动作速度，而算法的精度直接影响保护的正确动作。两者通常是矛盾的，算法的计算量越大，算法越复杂，算法的精度越高，但速度随之则会下降。所以如何在计算精度和计算速度中取得合理的平衡是选择和评价一个算法的关键。20.3 振荡闭锁元件算法概述目前常用的振荡闭锁的方法有以下几种：（1）利用负序或零序元件检测出的负序、零序参量或负序电流有突变量，短时开放距离保护，之后将保护闭锁。这样能有效的防止距离保护元件在振荡过程中发生误动作。一般开放保护的时间是 160ms。故障开始 160ms 后如果距
7、离元件不动作即为闭锁，对失去暂态稳定发生的振荡都能有效的闭锁。但短时开放保护的振荡闭2锁实际上不能真正区分振荡和短路，只是在可能出现误动作区间将保护闭锁，但在振荡闭锁期间发生再故障，保护将拒动。（2）采用 2 个定值不同的阻抗继电器，以这个元件在系统振荡时动作时间差大于整定值，而在故障时同时动作的原理构成。这种振荡闭锁方案在失步时间不长或突发振荡时灵敏度不够高（3）测量 dr/dt振荡时测量阻抗的电阻分量变化较大，变化速率取决于振荡周期。而短路时，测量阻抗的电阻分量因弧光放电而有微小的变化，但其变化的速率远小于振荡时的电阻变化率。所以可依次区分短路和振荡再实现振荡闭锁。缺点是需要按照在振荡中阻
8、抗先有突变，之后的 0.2 秒不变这个原理来检测。得到准确结果的时间对于保护来说过长。（4）反应测量电阻变化速度的振荡闭锁三段距离保护中，当其、段采用方向阻抗继电器，其段采用偏移特性阻抗器时，利用其各段动作时间不同的特点构成振荡闭锁。当系统发生振荡且振荡中心处于保护范围时，由于测量阻抗逐渐减小，Z3 先启动，然后依次是 Z2、Z1，而当故障发生在保护范围内时，Z1、Z2、Z3 是同时启动的。可以依据这个特点实现振荡闭锁。缺点是振荡频率范围较大，时间 t 不好整定。（5）对于三相故障通过检测振荡中心电压的突变量因为三相故障只考虑弧光电阻，故障后的振荡中心电压 Un 要小于 5%Un，所以可通过故
9、障前后振荡中心电压的突变量来判断是否发生了三相故障。缺点是两侧相角差较大时发生三相故障，保护将拒动。（6）其他有关振荡闭锁的研究小波变换、模糊理论、人工智能和神经网络这几种方法也一直在研究，但实际应用中还比较少。20.4 振荡闭锁的研究现状及发展趋势20.4.1 国内对振荡闭锁研究现状我国的电网结构相对于国外电网结构比较薄弱，这对继电保护提出了更高的要求。我国经过长期的经验发现：正确有效的处理系统振荡首先是要保持好系统的完整性，不允许手动或继电器自动的解列任意线路，即在电力系统振荡过程中要保证保护不动作，而是通过特定的措施来平息振荡，即振荡闭锁。我国对于振荡闭锁设计原则是:对系统的状态进行检测
10、，一旦发现电气参量有突3变，短时开放保护，在此期间，如果保护不动作就振荡闭锁，直至系统振荡消失解除闭锁。对于系统数千元静态稳定的情况，无延时的进入振荡闭锁。这种方案被称为“四统一”的设计原则、这种方案原理简单，可靠性也很高，在发生短路故障时能迅速开放保护，在振荡时能可靠的闭锁，不会发生误动。但是此方案也存在它的不足之处。比如系统在很远处发生了个扰动，由于突变量比较灵敏，也会短时开放，保护没有动作则启动了振荡闭锁模块。如果在此时线路恰好发生了故障，而由于距离保护一段和二段被闭锁，所以失去了保护作用。还有如果在振荡过程中发生了区内相间故障，距离一段和二段被闭锁，故障只能由距离保护的最后一段经过长延
11、时来切除，但是这有可能使系统的稳定性遭到破坏，或者相邻线路的相间保护可能会越级跳闸，严重的会造成系统崩溃。所以在此方面仍需要改进我国对于电力系统振荡研究侧重于防止振荡中保护误动的情况，长期的运行经验也证明了这很有利于我国电力系统的安全稳定运行。但对于一些特殊的情况，如振荡闭锁后再故障、故障后又发生振荡等等，保护都可能不正确动作。这是目前振荡闭锁元件存在的最大问题。20.4.2 国外振荡闭锁研究现状国外的电网结构相对稳定，即便是由于系统纯振荡引起的保护动作，也被认为是正确动作。所以国外振荡闭锁模块都是由简单的原理构成，可以区分出振荡和故障即可。通常是利用震荡和故障的不通情况，测量阻抗进入保护动作
12、区的时间不同原理来实现振荡闭锁。这种方法通常通过在系统中装设两个灵敏度不同的继电器来实现。发生短路故障时，测量阻抗基本同时进入两个阻抗继电器的动作区域内导致两个继电器同时动作；系统振荡是，测量阻抗是先后进入继电器的动作区域内，所以两个继电器是相继动作，从而发出信号，保护闭锁。通过比较测量阻抗进入保护动作区的时间的差别来判断短路和振荡，原理简单易懂，可行性也很高，费用低。但此种闭锁方案也有明显的缺陷。比如在发生转换性故障而非振荡时，也有可能出现两个继电器相继一前一后动作的情况，当这一时间差大于整定值时，就会使保护错误的闭锁。如果增大整定时间，会避免这种情况的发生，但是不满足快速性的要求。如果所发
13、生的振荡周期较短，可能动作的时间差还达不到整定值，保护就来不及闭锁。消除这种情况的办法就是缩小整定时间，但是这必定会降低灵敏度。所以要想快速性和高的灵敏度本身就是两个矛盾的个体，更倾向于其中哪个要视情况而定。同时，此种方案也不能判别振荡中发生故障的情4况，对于振荡中的故障保护失效，不能正确有选择性的切除故障，这样可能造成相邻线路保护全部动作跳闸而造成系统崩溃。这将会对系统造成极大地伤害。所以这也是此方案需要改进的地方。20.4.3 振荡闭锁研究发展趋势近些年来，随着科技的发展，一些新型的振荡闭锁方法也应运而生。比如正交小波分析法，以其能力强大的奇异检测能力使得在微机保护中有了突出发展，并应用到
14、了振荡闭锁方面。其优点主要表现在：（1）使得广域的输电网上进行多点保护的信息交换与协调工作成为可能；（2）使继电保护实现局部保护功能的同时，还实现了简化后备保护的外延功能，最终导致电力系统保护与控制朝着闭环控制的方向发展；（3）利用配电网保护测控装置，实现了区域性配电网的保护和控制的综合自动化。再比如基于神经网络的模糊集合理论，构成继电保护的辅助判断工具，再结合系统所提供的故障信息，不仅可以准确的判别故障情况，还可以对振荡中再故障的情况进行判断。这两种方法都突破了传统振荡闭锁的观念及思想，十分有创意，性能也有所提高，可以说在振荡闭锁方面取得了一定的成就，但还没达到成熟的地步，实现起来对硬件的要
15、求较高，有时也需要结合传统的判据，所以实用性不大，没有被广泛的应用。但总的来说，这两种方法独特智能优势为继电保护性能的改善和提高提供了一条新的途径。而且随着科学技术的不断发展，微机保护在硬件和软件方面都将会有很大的突破，这些新型的方法在将来一定会有很大的发展前景，电力系统在振荡闭锁方面也一定会越来越完善。5第二十一章 电力系统振荡对距离保护元件的影响21.1 电力系统振荡和振荡闭锁21.1.1 电力系统振荡以及振荡和短路的区别并联运行的电力系统或发电厂之间出现功率角大范围周期性变化的现象称之为电力系统振荡。电力系统振荡是不正常运行状态，而不是故障状态，所以电力系统振荡和短路故障有着明显的区别，
16、在实现振荡闭锁时首先要区分是发生了振荡或是短路，这样才能保证装置可靠地动作。振荡和短路的区别如下：（1）短路时的电流和电压是突变的，而振荡时的电流和电压变化速度较慢，同时是周期性的。（2）短路时电流和电压之间的相位是基本不变的，而振荡时，则是不断变化的。（3）短路时会有负序或零序分量产生，而振荡则不存在负序或零序分量。（4）短时的瞬间电流和电压三相是不对称的，而在振荡过程中，三相始终保持对称。21.1.2 振荡闭锁及其要求在电力系统振荡时，要采取必要的措施防止保护因测量元件动作而误动。这种用来防止保护误动的措施就称为振荡闭锁。在电压等级较低系统中，保护一般是电流保护、电压保护。这种系统发生振荡可能性非常小，而且保护误动也不会带来很大的损失，所以在较低电压等级系统中，一般不考虑振荡闭锁。而在较高电压等级的电力系统中，所用的保护一般是距离保护，系统出现振荡的可能性较大，保护误动造成的损失会很严重，这时必须要考虑振荡闭锁的问题。距离保护的振荡闭锁措施也有以下几点基本的要求：（1）系统发生全相或非全相振荡时，保护装置不应该误动跳闸。
