浅析我国电力系统继电保护和安全自动装置发展

郑有权

摘要：如何保证电网运行安全、避免故障及连锁反应是电力发展迫切需要解决的现实问题。通过系统地研究了超大互联电网基本结构、运行特点和薄弱环节，以及现有继电保护和全自动装置在理论、技术以及安全系统设计等方面存在的问题，指出了在计算机、通信技术发展的基础上，解决问题的思路和需要进一步研究的内容及发展方向。

关键词：电力系统；继电保护；安全自动装置；理论与技术系统发展

Abstract: how to ensure the safe operation of power grid, avoid failure and chain reaction is the electric power development urgent need to address the real problem. Through the system to research the interconnected power grid large basic structure, operation characteristics and the weak link, and existing relay protection and automatic device in the theory, technology and safety system design problems, it was pointed out that in the computer and communication technology development, and on the basis of solving the the problem and the need to further the content of research and development direction.

Key words: electric power system; The relay protection; Safety device; Theory and technology system development

中图分类号：TM7 文献标识码：A文章编号：

随着世界的电子、通讯地、计算机等技术突飞猛进的发展，为继电保护和安全自动装置的技术进步提供了必要的技术支持，同时，电力系统的发展也对继电保护和安全自动装置仍不断提出新的要求，这就促进科技工作者做出很大努力，并取得明显成效。

一、继电保护与安全自动装置技术发展现状。（一）国内继电保护方面。20世纪70年代中期到80年代末期，晶体管继电保护得到快速发展和广泛应用。晶体管保护主要的技术进步体现在保护的逻辑回路，应用电阻、电容、晶体管等元件构成的触发器、时间电路和门电路。20世纪90年代，我国的微机保护主要是单片机保护。但这些保护同之前的常规保护相比，具有维护调试方便、可靠性高、灵活性好、附加功能多等诸多优點。另外，就微机高压线路保护而言，在功能与构成上，也至少有四个大变革：①相间距离保护I、I、I段各自独立；②接地距离保护得到广泛应用；③纵联距离保护的阻抗元件独立于后备距离保护之外；④综合重合闸中的选相元件分配到纵联、距离、零序等各种保护中。进入21世纪后，数字信号处理器DSP技术融入到微机保护的硬件设计中。例如，在保护中可以由DSP在每个采样间隔内完成全部的相间阻抗和接地阻抗计算，完成电流、电压测量值的计算，并进行相应的滤波处理[1]。（二）国内安全自动装置方面。随着GPS同步和高速光纤通道的联网以及相量测量单元(PMU)的全网布局，使电网中远隔千里的各关键点的各相量，如同近在眼前。因此，基于PMU的广域测量系统(WAMS)在全世界范围内得到了高度重视。不同于SCADA系统，PMU／WAMS提供的广域数据特点为：①带有统一时标的高速采样；②高速的数据传输；③可提供瞬时值及相位值；④可提供暂态或动态响应。（三）国际先进水平比较。在电网构架方面，美国、日本都强于我国。但从继电保护和安全自动装置而言，无论是继电保护技术(包括可靠性、快速性、实现技术、运行水平等)，还是继电保护原理(反映故障分量、躲过振荡、非全相运行中又发生短路、tl适应重合闸等)以及安全自动装置方面，美国、日本、俄罗斯等国同我国相比，某些方面不如我国，总体上我国处于国际领先水平。

二、我国继电保护与安全自动装置面临的问题。“西电东送、南北互供、全国联网”是我国电网发展的总方针。西南部省份向东部地区输送电力将达到2000万kW，交直流输电线路超过20回；西北部省份将采用750 kV和330kV电磁环网东送电力，晋东南一南阳一荆门采用了交流1000kV特高压远距离输电。所以，如何避免故障时的连锁反应，保证远距离和大功率输电断面的运行安全性是电力发展迫切需要解决的现实问题。在这方面，欧洲“11．4”大停电给我们敲响了警钟[2]。

高性能的继电保护是保障电网安全运行的第一道防线，因为任何坚强的网络都必须快速、可靠地切除故障元件。但是，任何坚强的网络在一系列的元件被切除后都有可能变为薄弱网络，而保证故障元件被继电保护正确切除后剩余网络的安全性，高速有效的安全稳定控制系统是安全运行的第二道防线，紧急控制系统是第三道防线[3]。因而，此三道防线即继电保护、安全稳定控制系统和紧急控制系统是保障西电东送和全国联网运行关键技术。

三、继电保护与安全自动装置技术研究发展方向。对于继电保护和安全自动装置而言，一方面要应对“西电东送、南北互供、全国联网”能源战略的新挑战，另一方面计算机、通信技术的快速发展又为其提供了技术基础。目前，正在进行和应当开展的研究大致有以下几个方面：（一）高性能新原理的继电保护研究。随着DSP的应用和微机处理速度的越来越高，使得保护装置可以采用很高的采样频率和做相当复杂的运算处理；电子式TA、TV的应用，可以更真实地反映故障时的暂态分量；另外信号分析工具也有了许多发展，例如小波分析方法等。这些，都为暂态量保护的实现和基于波形系数、小矢量算法等自适应方法的应用提供了基础，有利于进一步加快保护动作速度、提高保护的整体性能。反应故障暂态量的保护新原理：主要不是滤除而是利用故障暂态分量，区分元件内、外部故障，利用单端(或两端)暂态量实现线路保护全线速动。这一方面已有诸多研究，例如：文献[4]分别对暂态量保护元件的特性和利用单端暂态量检测单相接地故障的方法进行了分析。（二）广域信息条件下的继电保护和安全自动装置研究。“输电断面”保护系统的研究也就是利用输电断面的广域运行信息，预测单元件故障被切除后输电断面其它元件的运行状态，动态改变后备保护定值或与安全自动装置配合动作，以避免非故障元件被连锁切除。（三）不依赖系统模型和参数互联电网暂态稳定紧急控制理论与技术研究。为了构建继电保护、安全稳定控制和紧急控制的一体化系统，保证互联电网效益的充分发挥和系统运行的稳定与安全，需要开展不依赖模型、参数的预测理论和方法的研究，具体如下：(1)基于同步相量测量的发电机摇摆轨迹的预测理论及方法。即利用稳态和暂态下测得的功角、角速度和功率等，研究针对各机组动态轨迹进行准确、快速的超长时预测算法；(2)全网稳定性实时预测理论与算法研究。即研究故障中、故障后机组实测不平衡功率、功角相对角度中心之间的变化轨迹，以及轨迹的变化特征同不稳定边界、控制量的关系，获得暂态不稳定的快速预测判据与实时控制的算法；(3)全网稳定性实时控制系统的实现技术研究：即利用关键厂站和输电断面的同步相量测量设备、预测算法和超实时的不稳定边界判据，解决互联电力系统的实时控制技术。（四）自适应最小潮流断面的互联系统解列理论与方法研究。互联系统失稳后，应当按功率尽可能平衡的原则，采取自适应的解列手段解列，以防止事故扩大导致大面积停电。研究如下：(1)快速识别失步机组模式的理论。根据平衡点处变换矩阵和特征向量的性质，直接计算机组摇摆轨迹，快速获得系统的失步模式；(2)振荡中心的自动捕捉与解列面的自适应确定。研究系统的失步模式与失步断面中实测电气量间的关系，以及由实测量确定失步及振荡断面的问题，并选择潮流较小失步断面的断路器跳闸。

四、结论。（一）我国在继电保护和安全自动装置领域具有良好的技术基础，立足于国内的科学研究和技术进步解决面I临的新问题是确实可行的。（二）继电保护与安全自动装置研究重点和发展方向：研究暂态量等新原理保护，提高动作速度和可靠性；研究输电断面保护，防止故障切除后的连锁反应导致大面积停电；发展新的稳定性预测和控制原理，构建继电保护、安全稳定控制与紧急控制一体化系统；自适应的解列控制等重大问题。

参考文献：

[1]杨奇逊，黄少锋．微型机继电保护基础[M]．第2版．北京：中国电力出版社，2005．

[2]葛謇，董昱，等．欧洲“11．4”大停电事故分析及对我国电网运行工作的启示口]．电网技术。2007(2)：1-6．