继电保护自动化技术的应用研究

青海送变电工程公司 高新丽

青海省电力公司检修公司 赵 辉

1.信息技术在继电保护方面的应用

在计算机、网络、通信和自动化技术的推动下，电力系统的继电保护技术也取得了很大的发展。在电力系统的继电保护技术的发展历程中，以微电子、计算机、通信、网络等技术为核心的信息化技术，成为了继电保护自动化技术发展的核心。

继电保护自动化技术的发展表现在以下几个方面：

1）基于网络的分布式自动化系统。

2）基于数字化、网络化的继电保护继承设备。

3）基于数据同步和通信技术的监测与分析系统。

2.继电保护控制系统的网络化

继电保护系统的网络化发展是一种必然的趋势。在电力系统对于继电保护的需求日益复杂的情况下，像网络化的方向发展，才能确保系统的灵活性和可扩展性，才能将各种技术解决方案进行融合。

继电保护控制装置主要由CPU处理模块、输入输出模块和通信管理模块组成。在系统内部采用网络化的结构，通过网络在各个功能模块进行数据传输和控制，而不再需要通过电气系统。

这种网络化的结构，不仅抗干扰，而且系统的兼容性和扩展性也都很良好，通过标准化的接口和模块化的设计，即可对各种复杂的设备进行集成。

3.继电保护技术的发展

在过去，变电站的系统管理是通过控制电缆一对一的对开关设备进行操作的。现在变电站的系统控制除了最后的保护与开关设备之间是通过电缆连接之外，其余环节都已经改用网络（光纤）进行连接。变电站的各类业务功能也都通过网络集合在了一起，这标志着现代化的电流互感器（电流互感器）、电压互感器（电压互感器）设备已经取代了传统的电流互感器、电压互感器设备。

在过去，电流互感器和电压互感器设备是由铁心、铜导线、绝缘材料等零部件组成，体积和重量较大，暂态特性也较差，在大电流的情况下还可能造成铁心饱和，不能很好的适应系统对负载的要求。

相比之下，新式的电流互感器、电压互感器设备在设计中融合了先进的计算机与通信技术，并使用传感器作为设备的辅助手段。同时，系统所采用的光纤网络还具有良好的抗干扰和绝缘性能，并且可以快速响应对大容量输电的控制和保护，满足了电力系统都设备进行控制和监测的需求。

现在仍处于研制阶段的新型电流互感器、电压互感器设备，采用了光纤传输技术，可以将A/D转换（数/模转换）后的数字信号在设备间进行传输，或将电流电压信号转换为光信号经光线进行传输，从而实现了有源式或无源式的传感器/互感器。

与老式的互感器设备相比，新型的电子式互感器具有体积小、重量轻、绝缘性好、成本低、暂态特性好等特点。ABB公司的PASS系统是新式互感器设备中比较具有代表性的一款产品。从技术上看，PASS系统是一种智能化的接插开关，其主体是一个采用气体绝缘的金属密闭系统，由断路器、传感器和各类开关组成。PASS系统采用了电容分压的有源方案，将电流电压等信号通过耦合器送到PISA（过程处理单元）后再进行传输。

此外，我国的科研单位和生产厂家也在联合研制各种新型的互感器设备，并已投入使用。

3.1 IEC61850标准

IEC61850标准是为了实现设备的规范化和无缝连接而制定的基于变电站系统网络通信的一个国际标准。IEC61850的实现，不仅有利于在变电站系统中实现不同设备之间的数据共享和控制，同时也有利于降低系统维护的工作量，增加系统的灵活性和可扩展性。

IEC61850的特点：一是采用了分层结构，将变电站划分为了变电站、间隔和过程三个层次，并配置了相应的软硬件和应用，层与层之间的设备通过通信接口进行连接；二是采用了面向对象的建模方法，用户可以通过抽象的服务接口对数据对象进行通信访问；三是实现了数据的自描述，从而简化了数据传输的过程，以及对数据的维护和管理工作；四是实现了网络的独立性，采用了独立于网络和应用层协议的ASCI接口（抽象通信服务接口）。

3.2 WAMS广域监测系统

WAMS（广域监测系统）是电网的动态监测系统，主要用于电网的电流电压信息采集、测点数据采集以及数据传输等，并能实现监测、分析和预警等功能。

WAMS的应用主要包括：对在线扰动的识别、对系统振荡进行在线监测、离线分析、重现事件、对仿真曲线进行校验核对、监测静态功角的稳定度、监测和预报暂态功角的稳定状况、监测发电机组的运行状况、监测电压的动态过程并实现动态稳定预报、分析和识别负荷特性以及发电机组的各项参数等。

WAMS的PMU装置（电力系统同步相量测量装置）通过GPS进行对时，还能实现广域电网内的数据同步和同步检测。此外，WAMS的终端数据在上传到主服务器的过程中，由PMU贴上时间标签，从而使监测中心能够对电网的实时过程进行监控和分析。

4.继电保护研究的方向

4.1 基于广域信息的电网保护

当前，国内对继电保护的研究主要还集中在输电线路出现故障时的处理方面。随着电力自动化技术的发展，基于WAMS的广域电网保护已经成为电力技术研究的一个新方向，其主要内容是基于广域信息基础之上对电力系统保护和电网故障处理的研究。

广域保护系统满足了电力系统对于继电保护系统、安全自动装置、失步解列、低频减载、低压减载方面的要求。在电网出现故障时，不仅故障现场的主保护将迅速切除故障，广域保护系统也将在见识断路器动作的同时，根据故障情况做出跳开相邻开关、加速后备保护等处理动作，从而构筑电力保护的第一道防线。然后，通过安全自动控制功能和紧急控制功能，实现广域切负荷、电压异常控制、发电机气门控制等操作，从而构建电网的第二道防线。最后，在系统出现异步振荡时，通过失步解列，在系统中构建各自独立、稳定运行的子系统，以防止系统崩溃，从而建立电网的第三道防线。同构构建电网的三道防线，就可以基本确保电网的安全运行。

4.2 广域保护系统的组成结构

广域保护系统主要由实时动态监测系统、继电保护算法和自动控制策略、实时控制系统这三部分组成。其中，实时动态监测系统是由电力系统中各变电站的PMC同步相量测量单元与调度中心、主站之间的通信系统一起组成的WAMS广域监测系统，实现对广域范围的电力系统实时动态的监测与分析。继电保护算法和自动控制策略主要是运用数学运算方法对故障量进行测量以及计算出所应采取的自动控制策略。实时控制系统主要是通过对电力系统中各变电站的自动控制装置和调度中心进行联网，通过网络实现远程的自动控制。

5.继电保护的新思想——暂态保护

暂态保护是新一代的继电保护思想，它不同于现有的稳态工频量保护方法，而是利用故障暂态所导致的暂态量对故障进行检测，从而实现对输电线路的保护。

暂态保护具体又分为暂态行波保护、暂态量频率特性保护。其中，利用暂态量频率特性的保护，更符合暂态量保护的定义。

与传统的和现行的继电保护方式相比，暂态量的保护具有十分明显的优势和特点。首先是对故障的响应快，并且能够对故障进行精确地定位，同时还不会被工频现象所影响（比如电流互感器饱和）。此外，用于暂态量保护的滤波器在结构设计上并不复杂，这对于滤波器的使用和维护都十分有利。

5.1 暂态保护研究背景

当前，计算机的处理速度成倍加快，这就为进行更复杂的运算和采样处理创造了条件。与此同时，在信号分析工具的研究方面也取得了一系列的进展。比如通过对时空频率的区间分析，进行运算和细化，从而实现对于时频信号的自适应分析，解决了Fourier变换所不恨很好解决的问题的小波分析方法，就是信号分析工具研究方面的一次重大突破。

此外，基于电子技术的新型电流、电压互感器的应用，也为在出现故障时对暂态量做出直接的反应提供了便利。

5.2 暂态保护研究的现状

目前，对暂态保护的研究主要分为行波保护的研究和对给予暂态量频率特征的保护的研究。

行波保护，是暂态保护技术发展初期的一种技术方式，其技术原理主要是利用输电线路故障后的行波，以及行波的折反射的特点对故障进行准确的定位。其特点是反应迅速、定位准确、不受饱和干扰。行波保护主要分为行波差动保护、行波极性比较式纵联保护、行波判别式方向保护、行波幅值比较式方向保护和行波测距保护等几种。但是，由于行波信号本身的不确定性，以及缺乏对暂态信号识别的自适应方法，因此行波保护的缺点也是显而易见的，对于雷电、谐波产生的行波与故障暂态行波不能进行很好地区分。

基于暂态量频率特性的保护，是通过利用故障产生时的电压、电流信号对故障进行监测和定位。

此外，不论是采用行波保护，还是基于暂态量频率特性的保护，都存在对暂态信号的获取问题。在采用暂态保护技术的系统中，还存在通信质量以及实施成本方面的一些问题。

但是不管怎样，基于小波变换、DSP、GPS、光纤通信、光电传感等技术的暂态保护技术，已经在电力系统中进行了成功的应用，并将取得更大的发展。

6.总结

随着电力自动化技术的不断发展，电力系统已经实现了从传统的生产运营方式向智能电网生产运营方式的转变。与此同时，继电保护技术也实现了从电气化向自动化、信息化方向的转变，通过采用各种先进的传感、测量和控制技术，为电网的安全和稳定运行，提供了可靠的保障，能够满足智能电网建设与发展的需求。

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