电力系统继电保护技术的发展历程和前景展望3000.

电力系统继电保护技术的发展历程和前景展望

摘要：本文主要对电力系统继电保护技术的原理、发展及其前景做一系统性梳理和分析。

关键词：电力；继电保护；技术发展

近年来人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑、小波理论等在电力系统各个领域都得到了应用。在继电保护领域的应用的研究也在蓬勃发展。本文主要对电力系统继电保护技术的原理、发展及其前景做一系统性梳理和分析。

一、线路的继电保护原理与技术

在电力系统中，线路包括高压、超高压及特高压的输电线路和中低压的配电线路，从继电保护的角度出发，主要分为以下三类：

（1）6～66kV的中低压配电线路；

（2）110kV的输配电线路；

（3）220kV及以上电压等级的高压输电线路。

这三种类型线路的继电保护在原理上和构成上有很大的差异：

（1）6～66kV的中低压配电线路一般为单电源、辐射状的小电流接地系统线路，故障形式只有三相故障和两相故障两种形式（ABC三相故障或AB、BC、CA两相故障）。保护一般为电流电压保护，特殊情况下为方向性电流电压保护、距离保护或纵联保护。主要问题是速断保护区短，线路大部分的故障需要经过延时切除。

配电线路的继电保护解决问题的思路：

1）微机保护采用后，简单、经济、可靠不再是电流电压保护的独特优点；

2）配电系统全面推广应用距离保护；（技术上没有困难，不增加复杂程度，除应该考虑TV断线闭锁外，基本没有负面影响）

2）纵联保护原理应用于配电线路保护。（主要考虑用低成本的通信手段传输继电保护的信息，可用的手段包括：导引线、复用光纤、无线电台、移动通信、无线宽带技术等）

（2）110kV的输配电线路一般为大电流接地系统的单电源辐射状网络，部分线路末端可能接有小的分散电源；故障的形式包括：三相故障、两相故障、两相接地故障、单相接地故障共有不同相别的十种故障类型；采用的保护一般为三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、多段式（方向）零序电流保护；末端带有分散电源时，或线路接于较为重要的母线时，可采用纵联保护。该电压等级线路的继电保护原理和技术都比较成熟，性能基本满足要求[1]。主要问题成套保护后，只有原理上的后备保护，没有设备上的近后备保护。

（3）220kV及以上电压等级输电线路在电力系统中占据着十分重要的地位，对其继电保护有较高的要求，微机保护后，线路保护一般均设计为成套保护，即一套保护完成所有的主保护和原理上的后备保护功能，为了实现设备上的后备，通常采用双重化配置或多重化配置。

每套保护的配置方式一般为：

（1）主保护：能够全线速切的纵联差动或纵联比较式保护、快速跳闸的独立段保护（如工频变化量距离保护等）

（2）后备保护：三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、多段式（方向）零序电流保护；

（3）综合重合闸。

二、继电保护技术发展

1、自适应继电保护

自适应继电保护能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。电力系统组成复杂，各种电源、送变电设备以及线路和各类用户构成的复杂系统，其运行状态频繁变化，各类型故障时有发生。要适应电力系统的变化，其工作难度可想而知。事实上，传统的继电保护也要适应系统运行的变化和故障状态。但却存在两个缺点：一是按该方法设定的定值，在其它运行方式下不是最佳的[2]。二是在最小运行方式或最不利的短路条件下,保护可能失效或性能严重变差。实际上自适应保护并不是一个新提出的概念，它早已存在于传统继电保护之中。

2、暂态保护

“通过检测故障暂态产生的高频信号实现传输线及电力设备等的保护”是“暂态保护”的主体思想。故障暂态产生的信号中包括故障的类型、方向、位置、持续时间等信息并贯穿于信号的整个频域。在传统保护方式中，主要是通过滤波器过滤故障产生的高频量，设计过滤高频信号的滤波器成为继电保护领域的主要研究方向之一。九十年代以来，随着人工智能技术的发展，通过人工神经网络实现了故障类型判别、故障距离确定、方向保护、主设备保护等应用；还有就是用小波理论数学手段分析故障并实现故障检测。人工智能技术一方面提高了故障判别的精确度另一方面还解决了单一工頻信号传统算法难以识别的问题。不过就目前人工智能的发展来看，其还不能够提供取代传统保护的新的原理，而且受传感器频宽的限制，其结果往往只能换取故障识别的准确度或提高部分可靠性。

三、微机保护的网络化发展

计算机网络作为信息和数据通讯工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产活动和社会生活的面貌发生了根本的变化。它深刻地影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通讯手段。到目前为止，所有继电保护装置除了纵差

动保护和纵联保护外，都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响的范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通讯手段。国外早已提出过系统保护的概念[3]。虽然当时限于技术条件主要指安全自动装置，但在目前的技术条件下可以为继电保护的作用赋与新的含义。即它不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，而还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息和数据。各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，以确保系统的安全稳定运行。

显然实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。另外，继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置判断和故障距离的检测愈准确。

全球卫星定位系统（GPS）和光纤通信技术对网络化的微机保护实现同步相量测量技术提供了条件。GPS在各领域中已得到广泛应用，在电力系统中主要用于同步相量测量。

目前计算机在电力系统保护和控制中的应用以及相关技术的发展，更为自适应继电保护的发展，提供了前所未有的良机。自适应技术的应用，将使继电保护在如下几个方面有所改进。

（1）保护性能最佳化

保护性能最佳化是在考察现有保护存在问题的基础上提出的。传统的观点是必须在最不利的条件下考虑选择性，效果不佳，但是正确合理。这种思维方式和决策方法与传统继电保护装置的情况相适应。与传统保护不同，自适应保护的突出特点之一就是具有自动识别系统运行状态和故障状态的能力，并针对状态的改变，实时自动地调整保护的性能。

（2）整定计算在线化

由于电力系统结构和运行的复杂性，继电保护的整定计算复杂而又艰巨。目前已开始进入计算机辅助整定计算的阶段，虽存在着不足，但整定计算工作效率已显著提高了。且自适应继电保护技术的发展为将来整定计算的在线化提供了可能。（3）使用简便化

微机保护有着传统模拟式保护不可比拟的优点。微机保护装置现场调试、维护简便深受用户的欢迎。自适应继电保护将进一步发展计算机的智能作用，使装置使用更加简便化。

结论：

本文一方面阐述了电力系统继电保护技术的原理及解决问题的主要思路，另一方面对目前电力系统中继电保护领域不断深化发展的自适应保护和暂态保护技术做了分析，值得重视的是，随着计算机技术的发展，微机保护的网络化技术将在继电保护方面发挥重要作用。