电力系统继电保护技术的现状与发展

覃华东

摘要 本文回顾了电力系统继电保护技术的发展过程,对我国继电保护技术的现状进行了分析和讨论,概述了微机继电保护技术的成就,展望了未来继电保护技术的发展方向和前景。

关键词 电力系统;继电保护;现状;发展

中图分类号 TM63 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2009)08-0018-02

0 引言

电力系统作为一个庞大复杂的系统,它由发电机、变压器、母线、输配线路及用电设备通过各种方式连接配置而成,各元件之间通过电或磁发生联系,任何元件发生故障都将在不同程度上影响系统的正常运行。继电保护作为电力技术的一环,它对保障电力系统安全运行、提高社会经济效益起到举足轻重的作用。

1 继电保护发展历程

我国继电保护技术在建国后随着电力行业的飞速发展得到了长足进步,在电子技术、计算机应用、通讯技术不断更新完善的情况下,在40余年的时间里继电保护技术完成了发展的4个历史阶段。50年代,我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术[1],建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍,对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。期间阿城继电器厂根据国外先进的继电器制造技术,结合国内电力行业发展状况,建立了我国自己的继电器制造业,这是机电式继电保护繁荣的时代。60年代到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代,其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护,运行于葛洲坝500kV线路上[2],结束了我国500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代,这是晶体管继电保护时代。70年代中,基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列,逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用已处于主导地位,这是集成电路保护时代。我国从20世纪70年代末即已开始了计算机继电保护的研究[3],1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定,并在电力系统中获得应用[4],就此揭开了我国继电保护发展史上新的一页,为微机保护的推广开辟了道路。从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代,不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色,为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全且工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究,在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。

2 继电保护的未来发展

随着计算机、区域网、互联网技术的发展应用,继电保护技术未来趋势已转向计算机化、网络化、智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

2.1 计算机化

按照著名的摩尔定律,芯片上的集成度每隔18~24个月翻一番,其结果是不仅计算机硬件的性能成倍增加,价格也在迅速降低。微处理机的发展主要体现在单片化及相关功能的极大增强,片内硬件资源得到很大扩充,单片机与DSP芯片二者技术上的融合运算能力的显著提高,以及嵌入式网络通信芯片的出现及应用等方面,这些发展使硬件设计更加方便高性价比使冗余设计成为可能,为实现灵活化、高可靠性和模块化的通用软硬件平台创造了条件。微机保护充分利用了计算机技术上的两个显著优势,即高速的运算能力和完备的存贮记忆能力,以及采用大规模集成电路和成熟的数据采集,A/D模数变换、数字滤波和抗干扰措施等技术,使其在速动性、可靠性方面均优于以往传统的常规保护,而显示了强大生命力。与传统的继电保护相比,微机保护具有以下几个方面优点:1)改善和提高继电保护的动作特征和性能,正确动作率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性,其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护,可引进自动控制、新的数学理论和技术,如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等,其运行正确率很高;2)可以方便地扩充其他辅助功能,如故障录波、波形分析等,可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能;3)工艺结构条件优越,体现在硬件比较通用,制造容易统一标准,装置体积小,减少了盘位数量,且功耗低;4)可靠性容易提高,体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响,不易受元件更换的影响,且自检和巡检能力强,可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身;5)使用灵活方便,人机界面好,其维护调试更方便,从而缩短维修时间,同时,依据运行经验在现场可通过软件方法改变特性、结构;6)可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能,与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。我国在2000年220kV及以上系统的微机保护率为43.99%,线路微机保护占86%,到2003年底,220kV以上系统的微机保护已占到70.29%,线路的微机化率达到97.6%。实际运行中,微机保护的正确动作率要明显高于其它保护,一般比平均正常动作率高0.2~0.3个百分点。

2.2 网络化

网络保护是计算机技术、通信技术、网络技术和微机保护相结合的产物,通过计算机网络来实现各种保护功能,如线路保护、变压器保护、母线保护等。网络保护的最大好处是数据共享,可实现本来由高频保护、光纤保护才能实现的纵联保护。另外,由于分站保护系统采集了该站所有断路器的电流量、母线电压量,所以很容易就可实现母线保护,而不需要另外的母线保护装置。电力系统网络型继电保护是一种新型的继电保护,是微机保护技术发展的必然趋势,它建立在计算机技术、网络技术、通信技术以及微机保护技术发展的基础上。网络保护系统中网省级、省市级和市级主干网络拓扑结构,以及分站系统拓扑结构均可采用简单、可靠的总线结构、星形结构、环形结构等。分站保护系统在整个网络保护系统中是最重要的一个环节。分站保护系统有两种模式:一是利用现有微机保护;另一个是组建新系统,各种保护功能完全由分站系统保护管理机实现。由于继电保护在电网中的重要性,必须采取有针对性的网络安全控制策略,以确保网络保护系统的安全。电力系统的高速发展迫切要求现代电力系统具有更安全、优质、可靠和经济运行的性能。从电力系统综合自动化角度来看,在网络方面,系统要求其控制网络与信息网络间相互借鉴、相互融合。对控制网络而言,微机保护系统可以实现完全的分散分布式控制、处理和运行,相当于一个智能化的节点,可就地上有关信息而无须考虑其他条件的网络节点和其它条件的约束,正是这一点,使得我们在进行新型数字保护的设计时,将保护系统的网络部分,尤其是具有高可靠性、高速、大容量的数据传输作为系统设计的关键环节之一,使其更具灵活性,具备多种网络接口。

2.3 智能化

随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用,新的控制原理和方法不断被应用于计算机继电保护中。近年来,人工智能技术如专家系统、人工神经网络、遗传算法、模糊逻辑、小波理论等在电力系统各个领域都得到了应用[5],从而使继电保护的研究向更高的层次发展,出现了引人注目的新趋势。例如,电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络(ANN)来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是非线性问题,距离保护很难正确作出故障位置的判别,从而造成误动或拒动;如果用神经网络方法经过大量故障样本的训练,只要样本集中充分考虑了各种情况,那么在发生任何故障时都可正确判别。随着人工智能技术的不断发展,新的方法也在不断涌现,在电力系统继电保护中的应用范围也在不断扩大,为继电保护的发展注人了新的活力。将不同的人工智能技术结合在一起,分析不确定因素对保护系统的影响,从而提高保护动作的可靠性,是今后智能保护的发展方向。天津大学从1996年起进行神经网络式继电保护的研究,已取得初步成果[6],虽然上述智能方法在电力系统继电保护中应用取得了一些成果,但这些理论本身还不是很成熟,需要进一步完善。随着电力系统的高速发展和计算机、通信等各种技术的进步和发展,可以预见人工智能技术在继电保护领域必会得到应用,从而解决用常规方法难以解决的问题。

2.4 保护、控制、测量和数据通信一体化

现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分割的状态,提供了优化组合和系统集成的技术基础。高压、超高压变电站正面临着一场技术创新,实现继电保护和综合自动化的紧密结合,它表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元(RTU)、微机保护装置为核心,将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统,取代传统的控制保护屏,能够降低变电所的占地面积和设备投资,提高二次系统的可靠性。随着电力系统的高速发展和自动化技术的开发和应用,变电站将向集成自动化方向发展。根据变电站自动化集成的程度,可将未来的自动化系统分为协调型自动化和集成型自动化。协调型自动化仍然保留间隔内各自独立的控制、保护等装置,各自采集数据并执行相应的输出功能,通过统一的通信网络与站级相连,在站级建立一个统一的计算机系统,进行各个功能的协调。而集成型自动化既在间隔级,又在站级对各个功能进行优化组合,是现代控制技术、计算机技术和通信技术在变电站自动化系统的综合应用。所谓集成型自动化系统,是将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能集成在一个统一的多功能数字装置内,间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信用少量的光纤总线实现,取消传统的硬线连接。总体来说,综合自动化系统打破了传统二次系统各专业界限和设备划分原则,改变了常规保护装置不能与调度(控制)中心通信的缺陷,给变电所自动化赋予了更新的含义和内容,代表了变电所自动化技术发展的一种潮流。随着科学技术的发展,功能更全、智能化水平更高、系统更完善的超高压变电所综合自动化系统,必将在我国电网建设中不断涌现,把电网的安全、稳定和经济运行提高到一个新的水平。

3 结论

我国继电保护技术从机电式继电保护到微机保护走过了漫长的50年,随着电力系统的高速发展和计算机技术、网络技术和人工智能技术的进步,继电保护技术也将面临全面革新,高科技的应用将促使继电保护技术出现原理性突破,继电保护技术由数字时代跨入信息化时代,发展到综合自动化水平,这对继电保护工作者提出了艰巨而光荣的任务,也是社会科技进步的一大表现。

参考文献

[1]王梅义.高压电网继电保护运行技术[M].北京:电力工业出版社,1981.

[2]He Jiali,Zhang Yuanhui,Yang Nianci. New Type Power Line Carrier Relaying System with Directional Comparison for EHV Transmission Lines.IEEE Transactions PAS-103,1984(2).

[3]葛耀中.数字计算机在继电保护中的应用[J].继电器,1978(3).

[4]杨奇逊.微型机继电保护基础[M].北京:水利电力出版社,1988.

[5]吴斌,刘沛,陈德树.继电保护中的人工智能及其应用[J].电力系统自动化,1995(4).

[6]段玉清,贺家李.基于人工神经网络方法的微机变压器保护[J].中国电机工程学报,1998.