新型继电保护发展现状综述

3 小波变换、神经网络在继电保护中的应用
及网络状态的影响。这种保护方案同时具有联合保
小波变换、人工神经网络（ANN）等数学方法在
护和非联合保护的优点，是今后继电保护发展的大 电力系统中的应用，为充分利用故障信息提供了有
趋势。
力的数学手段，也为继电保护的发展提供了一个更
文献［3］介绍了一种新型的无通信输电线路保 为广阔的空间。
电力系统中的应用可谓是得心应手。文献［12 ~ 16］ 暂态信号的差异，实现对串补输电线路的故障定位
分别介绍了应用神经网络的高速输电线路的方向保 并确定故障相。
护、输电线路的距离保护、数字式同步发电机定子绕
从这些文献中可以看出，自适应继电保护能克
组差动保护及故障检测装置。
服同类型传统保护中长期存在的困难和问题，从而
电力生产发展的需要和新技术的陆续出现是电 力系统继电保护原理和技术发展的源泉。继电保护 工作者总是在不断地根据需要和可能，对已有的继 电保护装置进行改进和完善，同时努力探求实现继 电保护的新原理，开发新型的继电保护装置。计算 机的应用为此创造了前所未有的良机。
l 故障信息与继电保护技术
继电保护的任务就是检测故障信息、识别故障 信号，进而作出保护是否出口跳闸的决定。因此故 障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的 基础，不断发掘和利用故障信息对继电保护技术的 进一步发展有十分重要的意义。故障信息可分为以 工频信息及谐波为主的稳态故障信息和暂态故障信 息。在使用故障信息方面，文献［l］中提出了故障分 量的概念。故障分量具有以下特征：
其主要逻辑模块图见图 2。这种设计使用了线路侧 发展的主要趋势。计算机在电力系统中的应用为开
和中性点末端的电流采样值作为网络电流采样值的 发和设计智能化的继电保护装置提供了十分有利的
补充。用作故障检测的神经网络根据故障时网络电 条件，也为自适应保护的发展提供了非常好的技术
流采样值中的基波和（或）二次谐波分量来判断发电 支持。
传统的输电线路保护可分为联合保护和非联合 分地利用了计算机的特性。
保护，这两类保护均存在本身固有的缺陷。非联合
目前微机在继电保护中的应用存在一些问题，
保护如距离保护只能保护输电线路的一部分，而且 现在研究开发的多为通用型或用于自动控制系统的
整定也比较复杂。联合保护如电流差动保护解决了 芯片，尚无继电保护装置专用芯片。由于电力系统
收稿日期：2000!0l!ll；修订日期：2000!05!29
注：LT 为线路阻波器；ST 为组合调谐设备；OF 为断路器
图 l 保护方案框图
第5期
高 华：新型继电保护发展现状综述
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a . 非故障状态下不存在 故 障 分 量 的 电 压、电 流，故障分量只有在故障状态下才出现；
b. 故障分量独立于非故障状态，但仍受系统运 行方式的影响；
c . 故障点的电压故障分量最大，系统中性点的 电压为零；
d. 保护装设处电压和电流故障分量间的相位 关系，由保护装设处到系统中性点间的阻抗决定，且 不受系统电势和短路点过渡电阻的影响。
这个问题，但是联合保护需要在输电线路两端之间 继电保护对实时性和可靠性有着近乎苛刻的要求，
设立昂贵的专用通信通道，且其可靠性还要受到通 开发微机型继电保护装置专用的芯片是微机在继电
信线路和元件的限制。使用就地故障信息实现保护 保护领域中得到进一步应用不可或缺的基础。
的基本思想，在节省通信联络线费用的同时避免了 信号传输带来的误差，使得保护可以免受 TA 饱和
从文献［19］中介绍的串补输电线路的自适应保 护可以清楚地看到自适应保护的基本特点。该保护 方案以卡 尔 曼 滤 波 器 和 自 适 应 卡 尔 曼 滤 波 器 为 基
［1］ 葛耀中 . 新型继电保护与故障测距原理与技术［M］. 西 安：西安交通大学出版社，1996 .
［2］ Jayasinghe J A S B，AggarwaI R K，Johns A T，et aI. A noveI non-unit protection for series compensated EHV transmission Iines based on fauIt generated high freguency voItage signaIs
机的状态（正常、外部故障或内部故障）。试验结果
从信息和硬件系统共享的观点来看，变电站保
证明该保护方案是快速而且可靠的。
护、测量和控制一体化的自动化系统将有力地促进
TA
发电机
TA
!an !bn !cn
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!a !b !c
## #
#
## #
模拟输入辅助系统
自适应 继 电 保 护 原 理 和 技 术 的 进 一 步 发 展。 文 献 ［21］介绍了一个变电站的保护、测量和控制一体化 系统，着重介绍了保护功能以及如何处理电力系统 的信息。该系统已经成功地通过了运行试验。
总之，故障信息的发掘、提取和利用，以满足电 赫芝），需要记录、存贮和传输的数据量巨大，迫切地
力系统发展的要求，是继电保护技术发展的重要课 需要数据压缩。使用离散小波变换来实现数据压缩
题。新算法的引入为高频暂态信号的应用提供了可 丢失的信息量很少。小波变换能够暗频带分解信
能性。但是行波保护尚未成熟，仍存在一些有待探 号，因此可以用于滤波，包括从含有衰减非周期分量
例子就是建立在暂态量基础上的行波保护原理，充
使用人工神经网络也是继电保护装置智能化的
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电力自动化设备
2000 年
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一种方法，在解决了计算速度的问题后，神经网络在 础，利用串补输电线路正常状态和故障状态时电流
高华
（西北电力设计院 电气处，陕西 西安 7l0032 ）
摘要：介绍了近年来国内外继电保护与故障测距新原理、新技术的现状及发展。简单总结了计算
机对电力系统继电保护发展的影响。介绍了对故障信息的进一步利用；小波变换、神经网络等数学
方法在继电保护领域中的应用；自适应原理继电保护的发展。新型继电保护的发展趋势是高速化、
状态改变保护的性能、特性或定值的保护。自适应 适应保护则是继电保护发展的趋势，即实现保护的
继电保护的基本思想是ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ其尽可能地适应电力系统 智能化。
的各种变化，进一步改善保护性能。使用自适应原 理可以使保护性能优化，并且可在线自动改变以适
参考文献：
应系统的改变。自适应原理在继电保护领域的主要 应用有自适应重合闸、自适应馈线保护［9］、对串补输 电线路的 自 适 应 保 护［19］以 及 自 适 应 行 波 保 护［20］。 文献［1］中详细地介绍了自适应继电保护的基本原 理，及使用自适应原理的电流、横联差动、纵联、距离 保护和自适应重合闸。自适应保护是继电保护发展 的目标。
能力解决了这个问题。又如对故障分量的判定，需 和识别这些模极大值，将极大改变行波保护和故障
将故障后的信息与正常状态下的信息相比较，在计 测距的面貌［5 ~ 9］。
算机未出现以前是很难实现的，但由于计算机有记
人工神经网络用于继电保护领域在 80 年代就
忆能力，该理论很容易在实际工程中应用。
已经开始了，但是形成和训练神经网络需要非常大
智能化、一体化，尽量避免测量元件对继电保护装置的影响。对故障信息的研究和充分利用是发掘
继电保护新原理的基础，计算机在继电保护中的应用为充分利用故障信息提供了技术手段，自适应
保护用以实现保护的智能化。
关键词：继电保护；故障测距；发展现状
中图分类号：TM 77
文献标识码：A
文章编号：l006!604（7 2000）05!0050!04
第 20 卷第 5 期
电力自动化设备
Voi. 20 No. 5
2000 年 l0 月
Eiectric Power Automation Eguipment
Oct. 2000
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新型继电保护发展现状综述
研究和充分利用是发掘继电保护新原理的基础，计
4 自适应继电保护
自适应继电保护是本世纪 80 年代提出的一个
算机在继电保护中的应用为充分利用故障信息提供 了技术手段，新型继电保护装置充分利用了计算机 的特性来为之服务。新算法在继电保护中的应用为
较新的研究课题，指可以根据系统运行方式和故障 继电保护的进一步发展提供了不断拓展的空间。自
#" 借助计算机开发的新理论及新技术。正如 的计算量，因此当时的研究未能取得很大的突破。
计算机的出现给其他学科带来的巨大冲击一样，计 近年来计算机计算速度的迅猛提高，神经网络应用
算机在电力系统继电保护中的应用，从某种意义上 于继电保护领域成为可能。许多学者致力于该项技
带来了继电保护领域的一场革新。其中较为成功的 术的研究，并取得了丰厚的成果。
现。例如很早就有人提出神经网络在电力系统中的 相角等）都将发生剧烈变化，从信号的角度来看，可
应用问题，但由于训练神经网络所需的计算量过大， 称为突变信号，包含着丰富的故障信息。小波变换
传统的计算方法无法满足继电保护的快速性要求， 的引入，将有助于利用故障分量或突变量的继电保
导致该理论无法得到实际应用，计算机的高速运算 护的发展。行波信号的小波变换呈模极大值，提取
#
模拟器 ! 存储器
!
故障探 测模块
#
故障识
别模块 "
跳闸逻
辑模块 "
# 故障相
# 跳闸信号
5 小结
本文仅简要地介绍了新型继电保护发展的几个 方面。总的来说，新型继电保护的发展趋势是高速 化、智能化、一体化，尽量避免测量元件对继电保护 装置的影响，尽量降低装置的造价。对故障信息的
图 2 保护主要逻辑模块图
讨的问题。
的故障电流中提取工频分量、谐波检测和电压波形
2 计算机在继电保护领域中的应用
畸变检测等。 由于二进小波变换具有平移不变性，其模极大
计算机在继电保护中的应用可分为最基本的 值可用来表示和重构信号，因此二进小波变换在电
两类：
力系统中主要用于故障检测、行波检测和识别。电
! " 计算机的出现，使许多 原 有 的 理 论 得 以 实 力系统发生故障后，各种电气量（电流、电压、阻抗、
范围内，这种保护除了可以节省通信联络线的费用 用的主要是离散小波变换和二进小波变换。
外，保存了许多暂态保护技术的优点，如故障点、类
离散小波变换主要用于数据压缩和滤波。电力
型、过渡电阻以及相位角影响较小，且不受饱和及网 质量监视器、行波保护和行波故障测距装置的共同
络状态的影响。
特点是对于电压、电流信号的采样频率很高（达数兆
文献［l］详细介绍了利用故障分量构成的电流、 方向、电流 纵 联 差 动、电 流 相 位 差 动 及 距 离 保 护 原
理，并特别介绍了六序故障分量及其在同杆双回线 保护中的应用。
建立在暂态故障信息基础上的小电流接地保 护、行波保护等，都是新型继电保护的重要理论。应 用暂态量，还发展出了利用高频故障电压、电流信号 的超高速 继 电 保 护 原 理，已 经 有 许 多 重 要 的 成 果。 如利用高频故障电压信号构成的对串补超高压输电 线路的保护［2］，该保护原理是基于故障点高频故障 电压信号的非联合保护，但是具有联合保护方案的 优点。这种保护方案使用组合调谐设备和输电线路 阻波器来检测保护区域内的高频暂态故障信号（频 率为 70 ~ 8l khz，也可以根据实际情况整定），使用 其带阻特性可以区分内部故障和外部故障。该装置 使用一个特殊设计的信号处理器来获取高频电压信 号，可以完全满足超高压串补线路对保护装置的可 靠性和安全性要求。继电器设计原理如图 l。
文献［14］介绍了应用人工神经网络的数字式同 改善或优化保护的性能指标。目前，自适应保护还
步发电机定子绕组差动保护方案。在这个保护方案 处于研究开发的初期，现有的研究成果已经有力地
中，使用了两个前向神经网络。其中一个神经网络 证明了优越性。自适应继电保护实质上是继电保护
用作故障检测，另一个神经网络用于内部故障识别， 智能化的一个重要的组成部分，智能化是现代科技
护技术。这种保护以第一次探测到的高频故障电流
为了有效地处理暂态量，小波变换算法被引入
暂态信号为基础，使用一个特别设计的多通道数字 了继电保护领域，并得到了日益广泛的应用。小波
滤波器来捕捉限定频段的高频信号，通过对数字滤 变换具有时域局部化性能，是分析具有突变性质的、
波器的几个输出之间的比较来确定故障是否在保护 非平稳变化信号的理想工具。在电力系统中得到应