继电保护的现状及发展

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1、继电保护的历史现状及展望1. 继电保护的历史及现状：与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作 为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所以如此，是因为它是一门理 论和实践并重的科学技术，又与电力系统的发展息息相关。它以电力系统的需要作为发展的 泉源，同时又不断地吸取相关的科学技术中出现的新成就作为发展的手段。电力系统继电保 护技术的发展过程充分地说明了这一论点。首先让我们简要地回顾一下继电保护的技术发展史。随着电力系统的出现，继电保护技 术就相伴而生。在19世纪末已开始利用熔断器防止在发生短路时损坏设备，建立了过电流 保护原理，190519O8

2、年研制出电流差动保护，自1910年起开始采用方向性电流保护，于 19世纪20年代初生产出距离保护，在30年代初已出现了快速动作的高频保护。由此可见， 从继电保护的基本原理上看，到本世纪20年代末现在普遍应用的继电保护原理基本上都已 建立，迄今在保护原理方面没有出现突破性发展。从实现保护装置的硬件看，从1901年出 现的感应型继电器至今大体上经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微型计算机 式等发展阶段。纵观继电保护将近100年的技术发展史可以看出，虽然继电保护的基本原理 早已提出，但它总是在根据电力系统发展的需要，不断地从相关的科学技术中取得的最新成 果中发展和完善自身。总的看来，继电保

3、护技术的发展可以概括为三个阶段、两次飞跃。三 个阶段是机电式、半导体式、微机式。第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触 点化、小型化、低功耗。第二次飞跃是由半导体式到微机式，主要在数字化和智能化。显而 易见，第二次飞跃有着尤为重要的意义，它为继电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前 景。当前正面临第二次飞跃的大好机遇，因此应该立足于充分发挥微机保护的智能作用，根 据电力系统发展的需要，利用相关技术的新成就，把继电保护技术提高到一个更高的水平。自从1984年4月12日由杨奇逊教授主研的第一套微机线路保护装置在河北马头电厂投 入运行以来，微机保护的发展已经历了11年的历史。在我国，微机继电

4、保护的发展大体上 经历了三个阶段:第一阶段为一单CPU的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式的AD574 芯片构成，硬件及软件的设计符合我国高压线路保护装置的“四统一”设计标准，其代表产 品为WXB-01、WXH-1A型微机高压输电线路保护装置；第二阶段为以多个单片机构成的多CPU 硬件结构为主，数据采集系统为VFC电压-频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件及软 件的设计方面吸取了 WXB-01型微机保护装置的成功运行经验，针对01型保护存在的问题进 行了改进，利用多CPU的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可定位至插件，对保护 的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施及防止拒动和误动的措

5、施，其代表产品为WXB-11、 WXH-11x型微机高压线路保护装置和南瑞继保公司研制的LFP-900系列保护装置；第三阶段 为以高性能的16为单片机构成的硬件结构为主，具有总线不引出芯片，电路简单的特点， 抗干扰能力进一步加强，完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力的 环境。目前全国已投入运行的微机高压线路保护达7000多台，并以每年800台100台的速 率增加。微机保护的正确动作率逐年提高，已从1991年的90.6%提高到1997年的98.58%， 为保证电网的安全稳定运行做出了巨大的贡献。综观继电保护的发展历史，继电保护技术呈现以下发展趋势：2. 发展趋势:2.1. 利

6、用故障分量的继电保护故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础。30年代以来在电力系统发 展对继电保护不断提出的新的要求的条件下，在继电保护技术中广泛而成功地应用了故障时 出现的负序和零序对称分量。6 0年代以来开展了暂态行波用于保护的研究，开辟了在继电 保护技术中利用故障暂态信息的新途径。上述情况表明，不断发掘和利用新的故障信息对继 电保护技术的进一步发展有着十分重要的意义。计算机在继电保护中的应用为识别和获取故 障信息创造了前所未有的有利条件，反映故障信息的故障分星的成功应用，促进了继电保护 技术的进一步发展。由于故障分量可以确切地反映故障信息，因此可以在继电保护技术中应用于识别故

7、障。 迄今，故障分量在微机保护中已用于起动元件、方向元件、距离保护、差动保护、和利用通 道的纵联保护中，对提高保护的性能指标起到显著的作用。故障分量在微机保护中的应用虽然已经取得令人注目的效果，但仍存在一些有待深入研 究解决的问题。主要问题之一是寻求更为精确地获取故障分量的方法。目前广泛采用的算法 只有在工频周期不变的条件下，才是准确的。在正常运行条件下发生故障，一般可以得到满 意的结果。当电力系统出现振荡时，由于电压、电流的幅值和频率均处于不断变化中，因此 在这种非故障状态下也会出现较大的，从而使这种方法失效。西安交大孔繁鹏的博士论文自 适应预测与控制理论在计算机继电保护中的应用研究应用自适

8、应预测与控制理论与方法在 振荡情况下有效地获得故障分量。此外，如何在重复性故障的条件下获取故障信息还是一项 有待进一步研究解决的课题。2.2. 自适应继电保护自适应继电保护是本世纪8 0年代提出的一个较新的研究课题。自适应继电保护可以定 义为能根据电力系统运行情况和故障状态的变化而实时改变保护原理、性能、特性、定值的 保护。自适应保护的提出，引起了人们极大的关注和兴趣。事实上，传统的继电保护也力图适应系统运行方式的变化和故障状态，例如电流速断保 护的整定值，按系统最大运行方式下线路末端三相短路整定，按最小运行方式下线路末端两 相短路校验其灵敏度。它能保证在各种情况下保护不会误动，但却存在以下两

9、个缺点：一是 按该方法设定的定值，在其它运行方式下不是最佳;另外在最小运行或最不利的短路条件下， 保护可能失效或性能严重变差。在其它传统的保护中也有许多自适应性能，例如过电流保护 的反时限特性，差动保护中的制动特性，在距离保护中考虑了转换性故障及防止系统振荡误 动的方法等。由此可见，自适应保护并不是一个新提出的概念，但是现在又强调这一研究课 题却具有重要理论和实用意义。因为计算机及相关技术在继电保护中的应用为自适应继电保 护的发展提供了前所未有的良机。十余年来，微机保护在国内取得了迅猛发展。我国从1984年华北电力学院推出第一套 微机距离保护装置以来，国内各学校、科研、生产单位已陆续研制和产出

10、适用于线路和元件 的各种保护装置，它们已完全能取代传统的模拟式保护装置。从而使我国的微机保护进入当 前国际先进行列。另一方面，也应看到，不少微机保护装置在原理和性能上大体与传统保护 一样，只是传统保护的翻版，传统保护中已经存在的问题，在微机保护中依然存在，并未得 到改进和解决。关键在于如何才能充分发挥保护的潜在智能作用，而自适应继电保护是其中一个充满希望的研究方向。2.2.1.自适应继电保护举例自适应电流速断保护为了克服传统电流速断存在的缺点，自适应电流速断保护的定值不是按最大运行方式和 线路未端三相短路的条件整定的，也不是固定不变的，而是根据电力系统的实际运行方式和 短路类型，实时自动整定，

11、表示为式DZKdKkEZs + Zl(6)式中E 一等效电源的电势；zl 一被保护线路阻抗；Zs 一系统阻抗；Kd 一短路类型系数；Kk 一可靠系数。式(6)中，zl和2已知，电势E可设定或实时求得，短路类型系数由短路条件(负 序电流)实时判定，在三相短路时取Kd =1，两相短路时取Kd=&2。系统阻抗Zs也在发生短路时实时算出利用电压故障分量氏和电流故障分量可得到zs = ujig传统速断与自适应速断保护范围的比较:其中：X =5Q，Xsm“=10Q，Xl=8QSmi保护范围nsmaxL最大运行方式最小运彳丁力式三相短路两相短路三相短路两相短路传统0.730.550.100自适应0.730.

12、730.630.63自适应电流速断具有以下主要特点:(1) 电流速断的定值，由微机保护自动计算整定，使用起来简便可靠。(2) 根据系统的实际运行方式和短路类型确定保护的定值，可使保护范围达到最佳， 克服了传统速断保护的缺点。(3) 与传统的电流闭锁电压速断相比，自适应电流速断不仅不需要复杂的人工整定计 算，而且扩大了保护范围。(4) 与距离继电器相比，自适应电流速断可以达到相近的保护范围，但是却没有电压 死区和PT断线时仍能继续可靠地动作。以上说明了自适应电流速断的优越性。2.2.2. 自适应继电保护的前景展望从上面的实例可以看出，自适应继电保护能克服同类型传统保护中长期以来存在的问 题。虽然

13、自适应继电保护目前还处在初期发展阶段，但现有的研究成果已经有力他说明了它 的优越性。下面提出对自适应继电保护前景展望，供同行参考。2.2.2.1. 保护性能最佳化保护性能最佳化是在考察现有保护(包括微机保护)存在问题的基础上提出的。在微机 保护出现以前，由于技术条件的限制，保护最佳化的目标是难以实现的，与之相适应的是保 守的思维方式和决策方法，与传统保护不同。自适应保护的突出特点之一就是要具有自动识 别系统运行状态和故障状态的能力，井针对状态的变化，实时自动地调整保护的性能，其中 包括动作原理、动作特性和整定值，从而使其达到最佳效果。2.2.2.2. 整定计算自动化、在线化继电保护的整定计算是

14、一项复杂又艰巨的任务，这是由电力系统的结构变化、运行情况 的复杂性和的多样性决定的，目前计算机辅助整定计算已大大提高了效率，但是都是在人工 和离线条件下进行的。自适应继电保护技术的发展预示出未来整定计算自动化、在线化的可能性，本文给出自 适应电流保护就具有在线整定计算的能力、虽然电力系统继电保护整定计算远比这种最简单 的电流保护复杂得多，但是随着自适应继电保护技术的进步，特别是电力系统继电保护信息 网的形成和发展，可以预见，整定计算自动化在线化的时期一定会到来。2.2.2.3. 使用简便化微机保护之所以在短短的十余年间会取得如此迅速的发展，并受到用户热情欢迎，其主 要原因之一是简化了装置的调试

15、和维护，自适应继电保护将能进一步发挥计算机的智能作用 使装置的使用更加简便化。2.3. 小波变换近年来，小波理论和方法在应用和工程界引起了极大的反响，它被认为是富里叶变换的 重大发展，在应用科学领域，特别在数字信号处理、图象边缘检测、模式识别等领域，认为 它是近年来工具和方法上的重大突破，小波变换已在通信、遥感技术、生物医电信号处理、 宇航、数值分析等领域中应用，并卓有成效，小波变换在电力系统继电保护技术中的应用也 将显示出巨大的作用。2.3.1. 小波变换的基本概念在信号分析中通常采用的有效方法是富里叶分析，它的实质是：把一个信号波形分解成 许多不同频率的正弦波之和。如果这些波加起来成为原来

16、的波形，那么我们就确定了这个波 形的富里叶变换，这里正弦波是由8到+8时域的函数，这种方法对那些本质上具有正弦性 质的信号。例如语音信号、特别有用，然而对非平稳变化信息，不连续信号却无能为力。小波变挽是把一个信号波形用具有不用位置和尺度的小波函数表示，小波可以定义为 一个仅侍续1个或几个周期的振荡波。小波变换突出的特点是它在时域和频域具有良好的局 部化性质，因此成为分析象非平稳变化信号或具有突变性信号的锐利工具。例如一个单一的 锯齿波可以用6个小波表示出来，而用正弦波时要用256个，这是因为富里叶变换很难表示 其中的不连续部分的缘故。2.3.2. 小波变换在暂态行波测距和行波保护中的应用2.3.2.1. 小波变换的必要性利用故障暂态行波进行测距是当前国内外的重