【正文】 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 : 繼電保護(hù) 關(guān)鍵詞 : 電力系統(tǒng) 發(fā)展 繼電保護(hù) 【摘要】 回顧了我國電力系統(tǒng) 39。電力系統(tǒng)繼電保護(hù) 39。繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展 39。發(fā)展的過程，概述了微機(jī)繼 電保護(hù) 39。繼電保護(hù)技術(shù)的成就，提出了未來繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展 39。發(fā)展的趨勢是：計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化和人工智能化。 【關(guān)鍵詞】 繼電保護(hù) 現(xiàn)狀 發(fā)展 1 繼電保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀 電力系統(tǒng) 39。電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護(hù)不斷提出新的要求，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展不斷地注入了新的活力，因此，繼電保護(hù)技術(shù)得天獨(dú)厚，在 40 余年的時(shí)間里完成了發(fā)展的 4 個(gè)歷史階段。 建國后，我國繼電保護(hù)學(xué)科、繼電保護(hù)設(shè)計(jì)、繼電器制造工業(yè)和繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍從無到有，在大約 10 年的時(shí)間里走過了先進(jìn)國家半個(gè)世紀(jì)走過的道路。 50 年代，我國工程技術(shù)人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國外先進(jìn)的繼電保護(hù)設(shè)備性能和運(yùn)行技術(shù)［ 1］，建成了一支具有深厚繼電保護(hù)理論造詣和豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍，對全國繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍的建立和成長起了指導(dǎo)作用。阿城繼電器廠引進(jìn)消化了當(dāng)時(shí)國外先進(jìn)的繼電器制造技術(shù)，建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。因而在 60 年代中我國已建成了繼電保護(hù)研究、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和教學(xué)的完整體系。這是機(jī)電式繼電保護(hù)繁榮的時(shí)代，為我國繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 自 50 年代末，晶體管繼 電保護(hù)已在開始研究。 60 年代中到 80 年代中是晶體管繼電保護(hù)蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時(shí)代。其中天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研究的 500kV 晶體管方向高頻保護(hù)和南京電力自動(dòng)化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護(hù)，運(yùn)行于葛洲壩 500kV 線路上［ 2］，結(jié)束了 500kV 線路保護(hù)完全依靠從國外進(jìn)口的時(shí)代。 在此期間，從 70 年代中，基于集成運(yùn)算放大器的集成電路保護(hù)已開始研究。到 80 年代末集成電路保護(hù)已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護(hù)。到 90 年代初集成電路保護(hù)的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用仍處于主導(dǎo)地位，這是集成電路保護(hù)時(shí)代。在這 方面南京電力自動(dòng)化研究院研制的集成電路工頻變化量方向高頻保護(hù)起了重要作用［ 3］，天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的集成電路相電壓補(bǔ)償式方向高頻保護(hù)也在多條 220kV 和 500kV 線路上運(yùn)行。 我國從 70 年代末即已開始了計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)的研究［ 4］，高等院校和科研院所起著先導(dǎo)的作用。華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力學(xué)院、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)和南京電力自動(dòng)化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機(jī)保護(hù)裝置。 1984年原華北電力學(xué)院研制的輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置首先通過鑒定，并在系統(tǒng) 中獲得應(yīng)用［ 5］，揭開了我國繼電保護(hù)發(fā)展史上新的一頁，為微機(jī)保護(hù)的推廣開辟了道路。在主設(shè)備保護(hù)方面，東南大學(xué)和華中理工大學(xué)研制的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)和發(fā)電機(jī) ?變壓器組保護(hù)也相繼于198 1994 年通過鑒定，投入運(yùn)行。南京電力自動(dòng)化研究院研制的微機(jī)線路保護(hù)裝置也于 1991 年通過鑒定。天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)相電壓補(bǔ)償式方向高頻保護(hù)，西安交通大學(xué)與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護(hù)也相繼于 199 1996年通過鑒定。至此，不同原理、不同機(jī)型的微機(jī)線路和主設(shè)備保護(hù)各具特色 ，為電力系統(tǒng)提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護(hù)裝置。隨著微機(jī)保護(hù)裝置的研究，在微機(jī)保護(hù)軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。可以說從 90 年代開始我國繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)的時(shí)代。 2 繼電保護(hù)的未來發(fā)展 繼電保護(hù)技術(shù)未來趨勢是向計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。 計(jì)算機(jī)化 隨著計(jì)算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展，微機(jī)保護(hù)硬件也在不斷發(fā)展。原華北電力學(xué)院研制的微機(jī)線路保護(hù)硬件已經(jīng)歷了 3 個(gè)發(fā)展階段：從 8 位單CPU 結(jié)構(gòu)的微機(jī)保護(hù)問世，不到 5 年時(shí)間就發(fā)展到多 CPU 結(jié)構(gòu)，后又發(fā)展到總線不出模塊的大模塊結(jié)構(gòu)，性能大大提高，得到了廣泛應(yīng)用。華中理工大學(xué)研制的微機(jī)保護(hù)也是從 8 位 CPU，發(fā)展到以工控機(jī)核心部分為基礎(chǔ)的 32 位微機(jī)保護(hù)。 南京電力自動(dòng)化研究院一開始就研制了 16 位 CPU 為基礎(chǔ)的微機(jī)線路保護(hù)，已得到大面積推廣，目前也在研究 32 位保護(hù)硬件系統(tǒng)。東南大學(xué)研制的微機(jī)主設(shè)備保護(hù)的硬件也經(jīng)過了多次改進(jìn)和提高。天津大學(xué)一開始即研制以 16 位多 CPU 為基礎(chǔ)的微機(jī)線路保護(hù)， 1988 年即開始研究以 32 位數(shù)字信號處理器 (DSP)為基礎(chǔ)的保護(hù)、控制、測量一體化微機(jī)裝置，目前已與珠海 晉電自動(dòng)化設(shè)備公司合作研制成一種功能齊全的32 位大模塊，一個(gè)模塊就是一個(gè)小型計(jì)算機(jī)。采用 32 位微機(jī)芯片并非只著眼于精度，因?yàn)榫仁?A/D 轉(zhuǎn)換器分辨率的限制，超過 16 位時(shí)在轉(zhuǎn)換速度和成本方面都是難以接受的；更重要的是 32 位微機(jī)芯片具有很高的集成度，很高的工作頻率和計(jì)算速度，很大的尋址空間，豐富的指令系統(tǒng)和較多的輸入輸出口。 CPU 的寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是 32 位的，具有存儲器管理功能、存儲器保護(hù)功能和任務(wù)轉(zhuǎn)換功能，并將高速緩存 (Cache)和浮點(diǎn)數(shù)部件都集成在 CPU 內(nèi)。 電力系統(tǒng)對微機(jī)保護(hù)的要求不斷提 高，除了保護(hù)的基本功能外，還應(yīng)具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù)據(jù)處理功能，強(qiáng)大的通信能力，與其它保護(hù)、控制裝置和調(diào)度聯(lián)網(wǎng)以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)資源的能力，高級語言編程等。這就要求微機(jī)保護(hù)裝置具有相當(dāng)于一臺 PC 機(jī)的功能。在計(jì)算機(jī)保護(hù)發(fā)展初期，曾設(shè)想過用一臺小型計(jì)算機(jī)作成繼電保護(hù)裝置。由于當(dāng)時(shí)小型機(jī)體積大、成本高、可靠性差，這個(gè)設(shè)想是不現(xiàn)實(shí)的?，F(xiàn)在，同微機(jī)保護(hù)裝置大小相似的工控機(jī)的功能、速度、存儲容量大大超過了當(dāng)年的小型機(jī)，因此，用成套工控機(jī)作成繼電保護(hù)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，這將是微機(jī)保護(hù)的發(fā)展 方向之一。天津大學(xué)已研制成用同微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)完全相同的一種工控機(jī)加以改造作成的繼電保護(hù)裝置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)有： (1)具有 486PC 機(jī)的全部功能，能滿足對當(dāng)前和未來微機(jī)保護(hù)的各種功能要求。 (2)尺寸和結(jié)構(gòu)與目前的微機(jī)保護(hù)裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強(qiáng)，可運(yùn)行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。 (3)采用 STD 總線或 PC 總線，硬件模塊化，對于不同的保護(hù)可任意選用不同模塊，配置靈活、容易擴(kuò)展。 繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化、計(jì)算機(jī)化是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。但對如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進(jìn)一步提 高繼電保護(hù)的可靠性，如何取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，尚須進(jìn)行具體深入的研究。 \ 網(wǎng)絡(luò)化 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時(shí)代的技術(shù)支柱，使人類生產(chǎn)和社會(huì)生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，也為各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的通信手段。到目前為止，除了差動(dòng)保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)外，所有繼電保護(hù)裝置都只能反應(yīng)保護(hù)安裝處的電氣量。繼電保護(hù)的作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍。這主要是由于缺乏強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)通信手段。國外早已提出過系統(tǒng)保護(hù)的概念，這在當(dāng)時(shí)主要指安全自動(dòng)裝置。因繼電保護(hù) 的作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍 (這是首要任務(wù) )，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求每個(gè)保護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個(gè)保護(hù)單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動(dòng)作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。顯然，實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)保護(hù)的基本條件是將全系統(tǒng)各主要設(shè)備的保護(hù)裝置用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，亦即實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)化。這在當(dāng)前的技術(shù)條件下是完全可能的。 對于一般的非系統(tǒng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)也有很大的好處。繼電保護(hù)裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，則對故障性質(zhì)、故障位 置的判斷和故障距離的檢測愈準(zhǔn)確。對自適應(yīng)保護(hù)原理的研究已經(jīng)過很長的時(shí)間，也取得了一定的成果，但要真正實(shí)現(xiàn)保護(hù)對系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的自適應(yīng)，必須獲得更多的系統(tǒng)運(yùn)行和故障信息，只有實(shí)現(xiàn)保護(hù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化，才能做到這一點(diǎn)。 對于某些保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也能提高保護(hù)的可靠性。天津大學(xué) 1993 年針對未來三峽水電站 500kV 超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護(hù)的原理［ 6］，初步研制成功了這種裝置。其原理是將傳統(tǒng)的集中式母線保護(hù)分散成若干個(gè) (與被保護(hù)母線的回路數(shù)相同 )母線保護(hù)單元，分散裝設(shè)在各回路保護(hù)屏上 ，各保護(hù)單元用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，每個(gè)保護(hù)單元只輸入本回路的電流量，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送給其它所有回路的保護(hù)單元，各保護(hù)單元根據(jù)本回路的電流量和從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上獲得的其它所有回路的電流量，進(jìn)行母線差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果證明是母線內(nèi)部故障則只跳開本回路斷路器，將故障的母線隔離。在母線區(qū)外故障時(shí)，各保護(hù)單元都計(jì)算為外部故障均不動(dòng)作。這種用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的分布式母線保護(hù)原理，比傳統(tǒng)的集中式母線保護(hù)原理有較高的可靠性。因?yàn)槿绻粋€(gè)保護(hù)單元受到干擾或計(jì)算錯(cuò)誤而誤動(dòng)時(shí)，只能錯(cuò)誤地跳開本回路，不會(huì)造 成使母線整個(gè)被切除的惡性事故，這對于象三峽電站具有超高壓母線的系統(tǒng)樞紐非常重要。 由上述可知，微機(jī)保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化可大大提高保護(hù)性能和可靠性，這是微機(jī)保護(hù)發(fā)展的必然趨勢。 保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化 在實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化的條件下，保護(hù)裝置實(shí)際上就是一臺高性能、多功能的計(jì)算機(jī)，是整個(gè)電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)智能終端。它可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護(hù)元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)控制中心或任一終端。因此，每個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置不但可完成繼電保護(hù) 功能，而且在無故障正常運(yùn)行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。 目前，為了測量、保護(hù)和控制的需要，室外變電站的所有設(shè)備，如變壓器、線路等的二次電壓、電流都必須用控制電纜引到主控室。所敷設(shè)的大量控制電纜不但要大量投資，而且使二次回路非常復(fù)雜。但是如果將上述的保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化的計(jì)算機(jī)裝置，就地安裝在室外變電站的被保護(hù)設(shè)備旁，將被保護(hù)設(shè)備的電壓、電流量在此裝置內(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)送到主控室，則可免除大量的控制電纜。如果用光纖作為網(wǎng)絡(luò)的傳 輸介質(zhì)，還可免除電磁干擾?，F(xiàn)在光電流互感器 (OTA)和光電壓互感器 (OTV)已在研究試驗(yàn)階段，將來必然在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在采用 OTA 和 OTV 的情況下，保護(hù)裝置應(yīng)放在距OTA 和 OTV 最近的地方，亦即應(yīng)放在被保護(hù)設(shè)備附近。 OTA 和 OTV 的光信號輸入到此一體化裝置中并轉(zhuǎn)換成電信號后，一方面用作保護(hù)的計(jì)算判斷；另一方面作為測量量，通過網(wǎng)絡(luò)送到主控室。從主控室通過網(wǎng)絡(luò)可將對被保護(hù)設(shè)備的操作控制命令送到此一體化裝置，由此一體化裝置執(zhí)行斷路器的操作。 1992 年天津大學(xué)提出了保護(hù)、控制、測量、通信一體化問題，并研制了以 TMS320C25 數(shù)字信號處理器 (DSP)為基礎(chǔ)的一個(gè)保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化裝置。 智能化 近年來，人工智能技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，在繼電保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的研究也已開始［ 7］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復(fù)雜的非線性問題，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法則可迎刃而解。例如在輸電線兩側(cè)系統(tǒng)電勢角度擺開情況下發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路就是一非線性問題，距離保護(hù)很難正確作出故障位置的判別，從而造成誤動(dòng)或拒動(dòng)；如果用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，經(jīng) 過大量故障樣本的訓(xùn)練，只要樣本集中充分考慮了各種情況，則在發(fā)生任何故障時(shí)都可正確判別。其它如遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃等也都有其獨(dú)特的求解復(fù)雜問題的能力。將這些人工智能方法適當(dāng)結(jié)合可使求解速度更快。天津大學(xué)從 1996 年起進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式繼電保護(hù)的研究，已取得初步成果［