新型继电保护和故障测距

广域保护系统
可定义为：依赖电力系统多点的信息， 对故障进行快速、可靠、精确的切除，同 时分析故障切除对系统安全稳定运行的影 响，并采取相应的控制措施，这种同时实 现继电保护和自动控制功能的系统称为广 域保护系统。
广域保护提出的背景 ——电力系统面临的挑战

1) 电力市场的出现将竞争引入了电力行业， 打破了长久以来的垄断，有利于电力行业的 健康发展和降低电价；但同时电力市场又使 得电网被人为分成了许多由不同公司控制的 部分，各公司为了自身的经济利益有尽可能 减少投资、充分利用现有电力设备的倾向， 因而随着用电负荷的快速增长，使得电网的 运行状态越来越接近于稳定极限，系统的稳 定裕度减小，受到扰动时容易失去稳定。
行波的基本概念
故障行波的产生 输电线路上某点f 发生故障后的网络可以等 效为正常运行网络和故障附加网络的叠加。 而故障附加网络相当于把电压源短接、电流 源开路，然后在故障点叠加一个与故障前电 压幅值相等、方向相反的电压源。 在这一电压的作用下，将产生由故障点f 向 线路两端传播的行波。
（2）继电保护装置结构（硬件方面）的发展过程： 机电型 (50年代以前，由电磁型、感应型或电动型 继电器构成) ——电子型 （ 50年代～80年代后期， 晶体管、集成电路 ）——微机型（90年代）
（3）根据其扮演角色的不同，继电保护的发展历史可分为以
下三个阶段：

第一阶段：以保护设备安全为目的，区分内部和外部故障， 切除故障元件，限制事故影响范围（这是首要任务）；在被 保护对象内部发生故障时及时切除故障，保证被保护电气元 件（电机、变压器、线路等）的安全。 第二阶段：在保证设备安全的基础上，考虑了继电保护对系 统稳定性的影响；主要表现为进一步提高了继电保护装置的 动作速度，与自动重合闸配合，提高系统暂态稳定性。 第三个阶段：广域保护。随着我国“西电东送、全国联网” 发展目标的提出，对继电保护的发展提出了更高的要求，在 保证电气设备运行安全和系统暂态稳定性的基础上，还应考 虑电网互联时各保护装置动作的协调和配合，保证故障切除 后不发生大规模的连锁跳闸和系统崩溃现象。

2）电网规模越来越大，各大区域电网 逐渐互联，互联电网一方面可以提高系 统的稳定性，使电力系统的规模不断扩 大；另一方面，一旦电网受到严重扰动 而失去稳定，往往会引起连锁跳闸最终 导致系统崩溃。

3）现有的保护及安全自动装置不适应电力系统发展的 要求。 目前的安全自动装置都是在检测到系统产生不正 常运行状态以后再采取控制措施，属于事故后控制措 施。在特殊情况下如果频率或电压下降速度过快，可 能安全自动装置来不及动作，系统已经发生严重的崩 溃事故。 目前使用的安全自动控制判据大都是基于本地量 构成，其工作方式是采集装置安装处的系统电流、电 压量，经过计算后得到一些反映系统状况的参数值， 然后与预先整定的门槛值进行比较，若超过门槛值则 执行某种动作。这些装置的动作原理和动作时间都不 相同，互相之间又缺乏有效的协调，因此在某些情况 下(如发生连锁故障时)会恶化系统的运行状况。
例如线路保护：低频减载 自动重合闸 故障录波 故障 测距 打印等 （6）利用微机的智能特点可采用新原理 例如波形对称法识别励磁涌流

四、微机保护硬件构成


1、微处理器系统 2、数据采集系统 3、信号输入输出系统 4、通讯网络 5、人机接口 6、电源系统
微机保护硬件结构图
1、微处理器系统


2、继电保护的发展方向和发展趋势
发展方向： （1）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： 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。
新型继电保护和故障测距
电力工程学院
第一讲 绪论




一、继电保护的发展 二、输电线路故障测距的意义 三、本课程的主要内容与特点 四、参考书目与考核要求
一、继电保护的发展
引言：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： 1）改进和完善已有的继电保护装置； 2）努力探求实现继电保护的新原理； 3）开发新型的继电保护装置。
二、输电线路故障测距的意义


高压输电线路是电力系统的命脉，它担负着输送电 能的重任。 输电线路运行的可靠性影响着整个电力系统的供电 可靠性，而输电线路工作环境又极为恶劣，暴露于 风雨，穿行于山野，是电力系统中发生故障最多的 地方，而且极难查找。 因此，在线路发生故障后迅速准确地找到故障点， 不仅对及时修复线路和快速恢复供电，而且对整个 电力系统的安全稳定和经济运行都有十分重要的作 用。
执行 部分
整定值

输入信号——电压电流模拟量、开关量、通 讯数据 测量部分——预处理、采样计算 逻辑部分——信息的综合、分析、决断： 用数字技术进行数值/逻辑运算来完成
一、微机保护的基本组成

硬件——实现继电保护功能的基础 软件——用计算机程序实现继电保护原理

“模块化设计”
微机保护结构框图


近年来微机保护发展特别快，我国生产的微 机线路保护装置在原理、性能、主要技术指 标的等方面均达到国际先进水平，代表着当 前继电保护发展的前沿。输电线路微机保护 运行的情况较好，正确动作率逐年提高。 这些保护装置的原理大都建立在反应工频电 压、电流或由其组合的功率方向、阻抗等基 础上。
行波保护研究的必要性表现在两个方面：

考核要求



出勤——抽查 每次课的课堂笔记——抽查 期末大作业——全体
本节结束 点此进入下一节
第二讲 微机保护基础


一、微机保护的基本组成 二、微机保护的发展过程 三、微机保护的特点 四、微机保护硬件构成 五、微机保护软件原理 六、微机保护的发展趋势
继电保护装置原理图
输入信号 输出信号 测量 部分 逻辑 部分
二、微机保护的发展过程

从硬件结构发展的角度：
1984年 微机距离保护 杨奇逊 采用单CPU及多路转换的ADC模数变换模式 90年代 多单片机 VFC式模数变换 超大规模集成多路 网络通信 达到当时国际先进水平 DSP＋MCU GPS 网络化 光电互感器 更高运算速度、可靠性，拓宽变电站自动化的发展
三、本课程主要内容


微机保护 输电线路故障测距 输电线路行波保护 自适应继电保护 广域保护系统WAPS 光电互感器OCT、OPT 运用实例
行波保护的意义



高压输电线路是电力系统的命脉，它担负着输送电能 的重任。 快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的 电网破坏程度，减小对用户工作的影响；在220 kV及 以上电压等级的电网中，快速切除故障还对提高电力 系统的暂态稳定性具有决定性作用。 随着超高压、大容量、远距离输电和互联电网的迅速 发展，电网的稳定性问题越来越突出，因而，希望继 电保护装置能够具有超高速动作特性（动作时间在1 个工频周期以内）。

4）恐怖分子的蓄意破坏对电网安全也构成 了威胁。 “9．11”事件以来，恐怖分子可 能对社会基础设施的破坏开始得到越来越 多的关注。在各种基础设施中，电力设施 是维持正常社会生活的重要支撑，电力供 应一旦中断，将造成巨大损失，因此，电 力设施很容易成为恐怖分子的袭击目标。 这就要求保护系统尽可能灵活，同时还要 考虑通信等其它系统的影响，从而将破坏 造成的损失减少到最小。
（2）尽量避免测量元件对继电保护装置的影 响： 光电互感器——解决电流互感器的饱和问题 （3）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——实现保护的智能化 广域保护
新型继电保护的发展趋势是：

高速化——行波保护、暂态量超高速保护 智能化——自适应保护 一体化——保护、控制、测量、数据通信一 体化（OCT、OPT作为基础） 网络化——广域保护（全球定位系统GPS、 同步相量测量PMU为基础）
从软件角度 进入综合智能化阶段： 自适应 行波原理 模糊控制 ANN

运用现状


目前我国220kV以上系统的线路微机保 护占有率达97.7% 220~500kV变电所 基于不同原理的双套 微机主保护系列装置 微机保护成为变电所综合自动化的一个 子系统
三、微机保护的特点




（1）灵活性强 （2）综合判断能力强 （3）性能稳定，可靠性高 （4）维护调试使用方便 （5）易于获得各种附加功能


（1）具有快速动作性能。 继电保护的快速动作性能是增大输电线路传 输容量、提高电力系统稳定性简单而有效的措施， 而行波保护最突出的优点就是它动作的快速性， 因为行波保护根据线路故障后所产生的暂态行波 而动作，并且行波的传播速度接近光速，现有的 行波保护原理的动作时间一般不会超过10毫秒， 正是因为这个原因，行波保护被称作超高速保护。 （2）行波保护可以从原理上解决传统的工频量 保护所不能解决的理论和技术问题。除了快速性 以外，行波保护还有以下优点：不受电流互感器 饱和的影响；不受过渡电阻的影响；不反映电力 系统振荡；不受高压长输电线路分布电容的影响 等。


综上所述： 电力系统在本质上是一个广域系统，系统中所有 的电气量是互相关联的一个整体，这在根本上决 定了系统保护是一个全局问题，应该将系统作为 一个整体考虑。此外，电力系统的运行状态是不 断变化的，不同运行状态下的相同事件对电网的 影响也不同。因此，系统的稳定运行问题实际上 是系统在当前运行状态下的稳定运行问题，需要 通过不断获得的实时数据来实时确定保护控制策 略。 广域保护是在电网互联趋势下提出的对继电保护 系统更高的要求，这是一个新的研究方向，国外 早在1997年开展了相关研究探讨；国内在这一领域 的研究起步较晚，直到最近五年才陆续有相关的 论文发表。



1、继电保护的发展历史
（1）继电保护原理（软件方面）的发展过程： 过电流保护 （1901年，最早熔断器） ——电流差动 保护 （1908年）—方向性电流保护 （1910年） —距 离保护 （1920年） —高频保护 （1927年） —微波 保护 （50年代） ——行波保护、光纤保护（70年代 ）

根据行波发生的时间先后，故障行波可 分为初始行波、故障点反射波、对端母 线反射行波以及相邻线路反射行波
行波的折、反射



输电线路故障行波的一个重要特性是波 的折射和反射。 当行波沿导线运动时，在波阻抗不连续 的地方（故障点、母线、线路阻波器等 等），将发生折、反射。 线路任一点的电压就是这些初始行波及 折、反射波的叠加，根据线路结构和故 障形式的不同呈现不同的特征。
任务：进行数据处理，实现各种继电保护算法和逻 辑功能 构成 （1）微处理器芯片：计算机自动工作的指挥中枢 （2）存储器：保存程序和数据 （3）定时器/计数器：触发采样信号、中断采样 （4）看门狗：监视程序运行，防止死机和误动作

u1f——入射电压 u1b——反射电压 u2f——折射电压
自适应Fra Baidu bibliotek电保护

20世纪80年代提出的一个较新的研究课题 可定义为：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
基本思想：使保护尽可能地适应电力系统 的各种变化进一步改善保护的性能。




电力系统由为数众多的电源设备、送变电设备、 线路和各种用户组成， 其运行状态(其中包括用户负荷的变化、设备的 投切、发电机的出力变化等)，处于频繁的变化 之中。 除上述正常运行情况外电力系统中还可能发生 各种类型的故障，故障可能是瞬时性或永久性 的，又可能是金属性短路或经过渡电阻短路。 因此，要适应电力系统的变化的确是一项 十分困难的工作。
光电式电流互感器
利用光电子技术和光纤传感技术来实现电 流测量的新型测量装置
本课程的特点



新——了解继电保护领域最新发展概况 普及基本概念 尽量实用
四、参考书与考核要求
参考书

《微型机继电保护原理》 张举 编 中国水利水电出版社

《新型继电保护和故障测距的原理与技术》 葛耀中 著 西安交通大学出版社 近年相关论文