覃華東

摘要 本文回顧了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展過程,對(duì)我國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和討論,概述了微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)的成就,展望了未來(lái)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向和前景。

關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng);繼電保護(hù);現(xiàn)狀;發(fā)展

中圖分類號(hào) TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708(2009)08-0018-02

0 引言

電力系統(tǒng)作為一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng),它由發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、輸配線路及用電設(shè)備通過各種方式連接配置而成,各元件之間通過電或磁發(fā)生聯(lián)系,任何元件發(fā)生故障都將在不同程度上影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。繼電保護(hù)作為電力技術(shù)的一環(huán),它對(duì)保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益起到舉足輕重的作用。

1 繼電保護(hù)發(fā)展歷程

我國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)在建國(guó)后隨著電力行業(yè)的飛速發(fā)展得到了長(zhǎng)足進(jìn)步,在電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、通訊技術(shù)不斷更新完善的情況下,在40余年的時(shí)間里繼電保護(hù)技術(shù)完成了發(fā)展的4個(gè)歷史階段。50年代,我國(guó)工程技術(shù)人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國(guó)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(duì)全國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)隊(duì)伍的建立和成長(zhǎng)起了指導(dǎo)作用。期間阿城繼電器廠根據(jù)國(guó)外先進(jìn)的繼電器制造技術(shù),結(jié)合國(guó)內(nèi)電力行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r,建立了我國(guó)自己的繼電器制造業(yè),這是機(jī)電式繼電保護(hù)繁榮的時(shí)代。60年代到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)束了我國(guó)500kV線路保護(hù)完全依靠從國(guó)外進(jìn)口的時(shí)代,這是晶體管繼電保護(hù)時(shí)代。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)用已處于主導(dǎo)地位,這是集成電路保護(hù)時(shí)代。我國(guó)從20世紀(jì)70年代末即已開始了計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)的研究[3],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,并在電力系統(tǒng)中獲得應(yīng)用[4],就此揭開了我國(guó)繼電保護(hù)發(fā)展史上新的一頁(yè),為微機(jī)保護(hù)的推廣開辟了道路。從90年代開始我國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)的時(shí)代,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、功能齊全且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。

2 繼電保護(hù)的未來(lái)發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)、區(qū)域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用,繼電保護(hù)技術(shù)未來(lái)趨勢(shì)已轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化,保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。

2.1 計(jì)算機(jī)化

按照著名的摩爾定律,芯片上的集成度每隔18~24個(gè)月翻一番,其結(jié)果是不僅計(jì)算機(jī)硬件的性能成倍增加,價(jià)格也在迅速降低。微處理機(jī)的發(fā)展主要體現(xiàn)在單片化及相關(guān)功能的極大增強(qiáng),片內(nèi)硬件資源得到很大擴(kuò)充,單片機(jī)與DSP芯片二者技術(shù)上的融合運(yùn)算能力的顯著提高,以及嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信芯片的出現(xiàn)及應(yīng)用等方面,這些發(fā)展使硬件設(shè)計(jì)更加方便高性價(jià)比使冗余設(shè)計(jì)成為可能,為實(shí)現(xiàn)靈活化、高可靠性和模塊化的通用軟硬件平臺(tái)創(chuàng)造了條件。微機(jī)保護(hù)充分利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)上的兩個(gè)顯著優(yōu)勢(shì),即高速的運(yùn)算能力和完備的存貯記憶能力,以及采用大規(guī)模集成電路和成熟的數(shù)據(jù)采集,A/D模數(shù)變換、數(shù)字濾波和抗干擾措施等技術(shù),使其在速動(dòng)性、可靠性方面均優(yōu)于以往傳統(tǒng)的常規(guī)保護(hù),而顯示了強(qiáng)大生命力。與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)相比,微機(jī)保護(hù)具有以下幾個(gè)方面優(yōu)點(diǎn):1)改善和提高繼電保護(hù)的動(dòng)作特征和性能,正確動(dòng)作率高。主要表現(xiàn)在能得到常規(guī)保護(hù)不易獲得的特性,其很強(qiáng)的記憶力能更好地實(shí)現(xiàn)故障分量保護(hù),可引進(jìn)自動(dòng)控制、新的數(shù)學(xué)理論和技術(shù),如自適應(yīng)、狀態(tài)預(yù)測(cè)、模糊控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,其運(yùn)行正確率很高;2)可以方便地?cái)U(kuò)充其他輔助功能,如故障錄波、波形分析等,可以方便地附加低頻減載、自動(dòng)重合閘、故障錄波、故障測(cè)距等功能;3)工藝結(jié)構(gòu)條件優(yōu)越,體現(xiàn)在硬件比較通用,制造容易統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),裝置體積小,減少了盤位數(shù)量,且功耗低;4)可靠性容易提高,體現(xiàn)在數(shù)字元件的特性不易受溫度變化、電源波動(dòng)、使用年限的影響,不易受元件更換的影響,且自檢和巡檢能力強(qiáng),可用軟件方法檢測(cè)主要元件、部件的工況以及功能軟件本身;5)使用靈活方便,人機(jī)界面好,其維護(hù)調(diào)試更方便,從而縮短維修時(shí)間,同時(shí),依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)可通過軟件方法改變特性、結(jié)構(gòu);6)可以進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控。微機(jī)保護(hù)裝置具有串行通信功能,與變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信聯(lián)絡(luò)使微機(jī)保護(hù)具有遠(yuǎn)方監(jiān)控特性。我國(guó)在2000年220kV及以上系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)率為43.99%,線路微機(jī)保護(hù)占86%,到2003年底,220kV以上系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)已占到70.29%,線路的微機(jī)化率達(dá)到97.6%。實(shí)際運(yùn)行中,微機(jī)保護(hù)的正確動(dòng)作率要明顯高于其它保護(hù),一般比平均正常動(dòng)作率高0.2~0.3個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)保護(hù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微機(jī)保護(hù)相結(jié)合的產(chǎn)物,通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能,如線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)等。網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的最大好處是數(shù)據(jù)共享,可實(shí)現(xiàn)本來(lái)由高頻保護(hù)、光纖保護(hù)才能實(shí)現(xiàn)的縱聯(lián)保護(hù)。另外,由于分站保護(hù)系統(tǒng)采集了該站所有斷路器的電流量、母線電壓量,所以很容易就可實(shí)現(xiàn)母線保護(hù),而不需要另外的母線保護(hù)裝置。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)型繼電保護(hù)是一種新型的繼電保護(hù),是微機(jī)保護(hù)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),它建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及微機(jī)保護(hù)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上。網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)中網(wǎng)省級(jí)、省市級(jí)和市級(jí)主干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以及分站系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均可采用簡(jiǎn)單、可靠的總線結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)等。分站保護(hù)系統(tǒng)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)中是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。分站保護(hù)系統(tǒng)有兩種模式:一是利用現(xiàn)有微機(jī)保護(hù);另一個(gè)是組建新系統(tǒng),各種保護(hù)功能完全由分站系統(tǒng)保護(hù)管理機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于繼電保護(hù)在電網(wǎng)中的重要性,必須采取有針對(duì)性的網(wǎng)絡(luò)安全控制策略,以確保網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)的安全。電力系統(tǒng)的高速發(fā)展迫切要求現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有更安全、優(yōu)質(zhì)、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的性能。從電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化角度來(lái)看,在網(wǎng)絡(luò)方面,系統(tǒng)要求其控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)間相互借鑒、相互融合。對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)而言,微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全的分散分布式控制、處理和運(yùn)行,相當(dāng)于一個(gè)智能化的節(jié)點(diǎn),可就地上有關(guān)信息而無(wú)須考慮其他條件的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和其它條件的約束,正是這一點(diǎn),使得我們?cè)谶M(jìn)行新型數(shù)字保護(hù)的設(shè)計(jì)時(shí),將保護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部分,尤其是具有高可靠性、高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,使其更具靈活性,具備多種網(wǎng)絡(luò)接口。

2.3 智能化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及計(jì)算機(jī)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用,新的控制原理和方法不斷被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)中。近年來(lái),人工智能技術(shù)如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯、小波理論等在電力系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用[5],從而使繼電保護(hù)的研究向更高的層次發(fā)展,出現(xiàn)了引人注目的新趨勢(shì)。例如,電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障類型的判別、故障距離的測(cè)定、方向保護(hù)、主設(shè)備保護(hù)等。在輸電線兩側(cè)系統(tǒng)電勢(shì)角度擺開情況下發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路就是非線性問題,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,那么在發(fā)生任何故障時(shí)都可正確判別。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展,新的方法也在不斷涌現(xiàn),在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大,為繼電保護(hù)的發(fā)展注人了新的活力。將不同的人工智能技術(shù)結(jié)合在一起,分析不確定因素對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響,從而提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性,是今后智能保護(hù)的發(fā)展方向。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[6],雖然上述智能方法在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中應(yīng)用取得了一些成果,但這些理論本身還不是很成熟,需要進(jìn)一步完善。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)、通信等各種技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,可以預(yù)見人工智能技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域必會(huì)得到應(yīng)用,從而解決用常規(guī)方法難以解決的問題。

2.4 保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為改變變電站目前監(jiān)視、控制、保護(hù)和計(jì)量裝置及系統(tǒng)分割的狀態(tài),提供了優(yōu)化組合和系統(tǒng)集成的技術(shù)基礎(chǔ)。高壓、超高壓變電站正面臨著一場(chǎng)技術(shù)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化的緊密結(jié)合,它表現(xiàn)在集成與資源共享、遠(yuǎn)方控制與信息共享。以遠(yuǎn)方終端單元(RTU)、微機(jī)保護(hù)裝置為核心,將變電所的控制、信號(hào)、測(cè)量、計(jì)費(fèi)等回路納入計(jì)算機(jī)系統(tǒng),取代傳統(tǒng)的控制保護(hù)屏,能夠降低變電所的占地面積和設(shè)備投資,提高二次系統(tǒng)的可靠性。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和自動(dòng)化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,變電站將向集成自動(dòng)化方向發(fā)展。根據(jù)變電站自動(dòng)化集成的程度,可將未來(lái)的自動(dòng)化系統(tǒng)分為協(xié)調(diào)型自動(dòng)化和集成型自動(dòng)化。協(xié)調(diào)型自動(dòng)化仍然保留間隔內(nèi)各自獨(dú)立的控制、保護(hù)等裝置,各自采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的輸出功能,通過統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)與站級(jí)相連,在站級(jí)建立一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),進(jìn)行各個(gè)功能的協(xié)調(diào)。而集成型自動(dòng)化既在間隔級(jí),又在站級(jí)對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行優(yōu)化組合,是現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。所謂集成型自動(dòng)化系統(tǒng),是將間隔的控制、保護(hù)、故障錄波、事件記錄和運(yùn)行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能集成在一個(gè)統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi),間隔內(nèi)部和間隔間以及間隔同站級(jí)間的通信用少量的光纖總線實(shí)現(xiàn),取消傳統(tǒng)的硬線連接?？傮w來(lái)說,綜合自動(dòng)化系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)二次系統(tǒng)各專業(yè)界限和設(shè)備劃分原則,改變了常規(guī)保護(hù)裝置不能與調(diào)度(控制)中心通信的缺陷,給變電所自動(dòng)化賦予了更新的含義和內(nèi)容,代表了變電所自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一種潮流。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,功能更全、智能化水平更高、系統(tǒng)更完善的超高壓變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng),必將在我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)中不斷涌現(xiàn),把電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提高到一個(gè)新的水平。

3 結(jié)論

我國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)從機(jī)電式繼電保護(hù)到微機(jī)保護(hù)走過了漫長(zhǎng)的50年,隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)的進(jìn)步,繼電保護(hù)技術(shù)也將面臨全面革新,高科技的應(yīng)用將促使繼電保護(hù)技術(shù)出現(xiàn)原理性突破,繼電保護(hù)技術(shù)由數(shù)字時(shí)代跨入信息化時(shí)代,發(fā)展到綜合自動(dòng)化水平,這對(duì)繼電保護(hù)工作者提出了艱巨而光榮的任務(wù),也是社會(huì)科技進(jìn)步的一大表現(xiàn)。

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