（电力系统及其自动化专业论文）超高压线路保护按相补偿方法及相关问题研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ep o w e rs y s t e md e v e l o p m e n ts u c ha sp o w e rt r a n s m i t t e df o r mw e s tc h i n at o e a s tc h i n a ，p o w e rg r i di n t e r l i n kp r o j e c t ，u l t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o n ，l a r g en u m b e r s o fe h vt r a n s m i s s i o nl i n eh a sb e e nc o m m i s s i o n e di nc h i n a i no r d e rt ok e e pt h es t a b i l i t y o ft h ep o w e rs y s t e m ，t h eh i g h e rd e m a n do ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o nh a sb e e np u tf o r w a r d t k sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n c e r n s a b o u tt h es t u d yo fh o wt or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta l le h vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n w i t hh i g hp e r f o r m a n c e t h es i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) h o wt om e a s u r et h ei m p e d a n c ew i t hv o l t a g ea n dc u r r e n ta tr e l a yl o c a t i o ni st h e f u n d a m e n t a lq u e s t i o nt od i s t a n c er e l a y i no r d e rt o a c c u r a t e l ym e a s u r et h e i m p e d a n c e ，t h er e s i d u a lc u r r e n tf o ri m p e d a n c em e a s u r e m e n ti ng r o u n dd i s t a n c e r e l a yi sc o m p e n s a t e di naf i x e dw a y i th a sb e e ns h o w nt h a tt h ea b o v ec o m p e n s a t i o n m a n n e rm a yh a v en e g a t i v ei m p a c to nt h ep h a s es e l e c t i o ni nm h oe l e m e n t si nas i n g l e p o l et r i ps c h e m e an e wr e s i d u a lc u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec u r r e n t m a g n i t u d eo fe a c hp h a s ef o rm h oe l e m e n t si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ( 2 ) f o r7 5 0 k va n d10 0 0 k vs y s t e m ，t h ei n f l u e n c eo ft h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ec u r r e n t t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e l a yc a n n o tb ei g n o r e d t h ei n f l u e n c et ot h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o na l g o r i t h ma n dt h ec u r r e n td i f f e r e n t i a lr e l a yh a sb e e nc o n s i d e r e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tm o d e lo f t h ed i s t r i b u t e dt r a n s m i s s i o nl i n e ，a n e wm e t h o db a s e do nt h eb e r g e r o nm o d e lo ft h et r a n s m i s s i o nl i n eh a sb e e np u t f o r w a r d t h ei n f l u e n c eo ft h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ec u r r e n th a sb e e nc o n s i d e r e di n t h i sn e wm o d e l ( 3 ) h o wt og e tt h ec o r r e c tp h a s es e l e c t i o nr e s u l ti ss t i l lad i f f i c u l tq u e s t i o nf o rt h eb a c k u p p r o t e c t i o no ft h et r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n t h em a i np r o b l e mf o rp h a s es e l e c t o ri s t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e p h a s es e l e c t o rb a s e do ns t e a d yc o m p o n e n ti sn o t s a t i s f y i n g an e wm e t h o df o rp h a s es e l e c t i o nb a s e do ni m p e d a n c ei nm i c r o p r o c e s s o r b a s e dp r o t e c t i v er e l a yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r n e ws c h e m eh a sb e e np u tf o r w a r d f o rm es i n g l el i n ea n dd o u b l e - c i r c u i t l i n e r e s p e c t i v e l y i tm a yb eo n eo ft h e s o l u t i o n sf o r t h ep h a s es e l e c t i o nb a s e do ns t e a d yc o m p o n e n t ( 4 ) t h ep o w e rs w i n gb l o c k i n gf o rd i s t a n c er e l a yh a sa l w a y sb e e no n eo ft h ed i f f i c u l t i e s f o rt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n b a s e do nt h ei d e ao fa d a p t i v er e l a y ， ad e f l n i t e a n a l y t i ce q u a t i o na b o u tt h ei m p e d a n c ec h a n g i n gw i t ht i m eh a sb e e nd e d u c e d t h e i l l a b s t r a c t s e t t i n go ft h et h r e s h o l dt od i s t i n g u i s hp o w e rs w i n gf r o ms h o r tc i r c u i th a sb e e n d e t e r m i n e dn o tb yt h ep r a c t i c eb u tb yt h er u l e ，a na l g o r i t h mb a s e do nt h em a g n i t u d e a n dp h a s ea n g l eo ft h eg e n e r a l i z e dp h a s o rf o rm e a s u r i n gi n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c ya n d s w i n gf r e q u e n c yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r e x t e n s i v es i m u l a t i o ns t u d i e ss h o wt h a t t h ea l g o r i t h mh a saf a s tr e s p o n s ea n d h i g ha c c u r a c y ( 5 ) t h ei n f l u e n c eo ft h eh v d cc o m m u t a t i o nf a i l u r et ot h ef a u l tc o m p o n e n tr e l a yi s d i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rt h er e l a yn e a rt h eh v d ci n v e r t e r ，t h ei n f l u e n c eo f t h ec o m m u n i c a t i o nf a i l u r ec a u s e db yt h ea cs y s t e mf a u l tt ot h ef a u l tc o m p o n e n t r e l a yi ss t i l laq u e s t i o nn e e d e dt ob ec o n s i d e r e d i no r d e rt oa v o i dt h em i s o p e r a t i o no f f a u l tc o m p o n e n td i r e c t i o ne l e m e n t ， s o m em e a s u r eh a sb e e np u tf o r w a r di nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：e h vt r a n s m i s s i o nl i n e ，p r o t e c t i v er e l a y ， a d a p t i v er e s i d u a lc u r r e n t c o m p e n s a t i o n ，p h a s es e l e c t i o n ，p o w e rs w i n gb l o c k i n g i v 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文超高压线路保护按相补偿方法及相关 问题研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：歪缁g ! 鬈 日期： 2 ! 曼6 ：墨：f 争 导师签名： 日期： 华北电力大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 电力系统继电保护是一门综合性的科学，它奠基于理论电工、电机学和电力系 统故障分析等基础理论，还与电子技术、通信技术、计算机技术和信息科学等新理 论新技术有着密切的联系 i l 。电力系统自身的发展是继电保护理论和技术发展的源 泉，相关领域新理论、新技术、新概念、新方法不断的发展为继电保护发展提供了 物质基础1 2 1 1 3 i 。纵观继电保护的发展历史，可以看到电力系统通信技术的每一次重 大进步都导致了一种新保护原理的出现，新一代电子元件的出现也都引起了继电保 护装置的革命【1 1 。继电保护是一门理论和实践并重的学科，同时也是一门实践性很 强的技术。继电保护问韪的解决既需要科学的理论，也需要处理工程问题的技巧。 不断提高继电保护技术水平和可靠性指标，改善继电保护装置的性能，以保证电力 系统的安全运行是继电保护发展的永恒动力1 2 1 1 4 1 。 1 2 超高压线路保护的现状及发展 1 2 1 线路保护的发展历程 2 0 世纪2 0 年代已经提出了电流差动、电流方向、距离及高频等一系列继电保 护原理，迄今在保护基本原理方面没有新的突破。在电力系统不断对继电保护提出 新要求的条件下，3 0 年代以来，在继电保护中广泛而成功地应用了故障时出现的对 称分量。虽然继电保护的基本原理早已提出，但它总是根据电力系统发展的需要， 不断从相关学科取得的最新成果中吸收营养，发展和完善自身。继电保护装置硬件 的发展，则经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型和数字计算机型五个阶 段。保护发展到微机保护阶段实现了重要的飞跃，微机保护不仅全面提高了保护装 置的性能，更重要的是为保护的原理和功能产生质的变化提供了可能性。微机保护 绝不只是模拟保护的简单数字化，它把微机的运算能力、记忆能力、分析能力、通 信能力赋予继电保护，使得从原理上采用更加广泛的新原理、新方法、新技术成为 可能。保护的数字化、智能化为微机保护提供了广阔的发展空间5 l f 6 l 。 计算机在继电保护领域的发展是继电保护发展历史上的一个里程碑。在微机保 护的发展过程中，相关的继电保护研究人员为微机保护的实用化做出了巨大的贡 献。1 9 6 5 年英国剑桥大学的p g m c l a r e n 等人率先提出利用采样技术实现输电线路 的距离保护1 7j ，随后，1 9 6 6 年澳大利亚南威尔士大学的i f m o r r i s o n 预测了输电线 路和变电站采用计算机控制的前景i 引，接着他们继续进一步研究了微机保护的理论 第一章绪论 基础，主要研究集中在微机保护的各种算法。1 9 6 9 年，美国西屋公司的 g , d r o c k e f e l l e r 在文章中论述了用一个计算机保护e h v 变电站及其出线的可行性 1 9 1 ，并于1 9 7 2 年发表了装置的试运行样机的原理、结构和现场运行结果i l 。这是一 套比较完整的用于现场的计算机继电保护样机，它具备了微机保护的基本组成部 分。国内的微机保护研究工作起步较晚，但进展却比较迅速。1 9 8 4 年华北电力学院 杨奇逊教授研制的国内第一套微机距离保护样机在河北马头电厂试运行后，首先通 过鉴定f i l l 。1 9 8 6 年杨奇逊教授研制成功国内第一套微机高压线路保护装置，并在系 统中获得实际应用，为微机保护的推广开辟了道路，揭开了我国继电保护发展史上 新的一页。进入9 0 年代，硬件水平的迅猛提高使得实时、复杂的信号处理成为可 能，随着信号处理手段、智能技术的发展，利用d s p 提取信号特征以及保护功能的 综合优化与智能化成为保护发展的中心，保护的构成方式与原理在一定程度上得到 了长足发展。继电保护发展到今天，从国内外继电保护技术发展来看，计算机化、 网络化、保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化已经成为继电保护的发 展趋势，这对继电保护研究人员提出了艰巨的任务，同时也开辟了广阔的活动天地 1 1 2 1 。 1 2 2 超高压线路保护新原理的发展 保护新原理的研究对提高继电保护水平具有根本性的意义。在微机保护形成与 发展的历史中，保护的各种新原理不断涌现，其中具有代表性的是故障分量原理保 护得到广泛认同，并取得良好的运行效果。故障信息及故障特征的提取、处理和利 用一直是继电保护技术发展的基础和关键1 3 l 。三十年代以来，在继电保护技术中广 泛而成功地应用了故障时出现的负序和零序分量来构成保护装置。五十年代以来， 开展了暂态分量用于保护的研究，开辟了继电保护技术中利用故障信息的新途径。 微机保护的出现为识别和获取故障信息创造了前所未有的有利条件，充分利用微机 的运算能力、记忆能力、分析能力不断发掘和利用新的故障信息对继电保护技术的 进一步发展具有十分重要的意义。 故障分量保护的成功应用促进了继电保护原理的进一步发展，基于故障分量原 理的保护主要分为工频故障分量保护和暂态故障分量保护，其中工频故障分量原理 是至今最为成功的原理之一。反应工频故障分量的保护具有灵敏度高、动作速度快、 受过渡电阻影响小且不受负荷分量影响等特点，故障分量距离保护【1 3 1 1 1 4 i 、工频故障 分量方向保护i l5 l 被广大用户接受并普遍应用，同时工频故障分量原理被不断推广， 如故障分量纵联差动保护等，并相继取得成功，效果显著。 传统的继电保护是建立在工频故障信息基础上的，而实际上高压长距离输电线 路的分布参数特性很明显，在故障时会产生从菲周期、工频到高频等丰富的频率分 量。传统保护中多是利用工频分量来获取故障信息和实现保护功能，而将高频分量 2 华北电力大学博士学位论文 当作噪声滤掉，事实上，故障暂态过程中产生的高频信号中含有更多的故障信息， 可用来实现利用工频信号实现不了的新型保护。暂态分量原理保护包括暂态行波保 护和利用暂态频率特性的保护，后者又称为暂态保护。行波保护是暂态量保护的一 种，但只利用了行波初始波头及后续两三个反射波所包含的故障信息而未完全使用 故障产生的暂态量。利用行波进行保护的研究则始于五十年代末1 1 6 l 【1 7 l ，并在七、八 十年代达到高潮。这期间，日本学者t t a k a g i 提出了行波差动保护原理【l 8 l 【l ”， d o m m e l 和m i c h e l s 提出了行波判别式方向保护原理【2 们，j o h n s 和a g g a r w a l 提出了 幅值比较式行波保护原理【2 1 1 ，c h a m i a 和l i b e r m a n 提出了极性比较式行波保护原理 1 2 2 1 c r o s s l e y 和m c l a r e n 等人提出了行波距离继电器1 2 3 1 。早期的行波保护装置，受 当时技术条件的限制，很难处理好快速性和可靠性之间的矛盾，并没有在电力系统 中得以广泛应用。行波保护未能成为具有标志性的新一代保护，最主要原因是保护 原理的可靠性问题。以往的行波保护原理抵御电网非故障情况下的各种扰动的鲁棒 性不强，要保证行波保护的完全正确动作比较困难。 对于高压和超高压输电线路来说，故障时的高频暂态信号主要由频率分量比较 集中的一部分高频信号和频带较宽、能量比较均衡的另一部分组成。行波的折反射 产生频率分量比较突出的高频信号，其频率与故障发生的位置有关1 2 4 t ；f g 弧的熄灭与 重燃以及行波传播过程中的色散产生频带较宽的高频暂态信号。利用暂态频率特性 的保护即暂态保护是通过检测故障暂态过程中产生的高频信号来实现保护功能。目 前，利用暂态分量的保护分为有通信保护和无通信保护两种。由于受通信通道性能 的限制，目前有通信的暂态保护主要通过通信传递两端的保护动作信息，2 0 世纪 9 0 年代，z q b o 和a t j o h n s 等人用暂态电流信号作为保护的判断量，在同一条母 线上通过比较进入母线和离开母线的高频暂态电流能量水平来确定故障的方向，利 用双端信息综合判断以实现方向保护1 2 5 i 。随后，在此基础上，z q b o 等人进一步讨 论了t 型回路情况下该保护的特性b 6 1 。该保护不受故障类型、故障位置和接地阻抗 的影响，尤其是可以区分保护区内故障和母线上其他设备故障，此保护方案主要基 于信号频谱分析，而没有信号的时间信息，同时，由于故障时高频信号的分散性使 得保护在电压过零点故障时高频信号分量不明显的情况下保护灵敏度不足。目前研 究较多的是无通信暂态保护。在2 0 世纪9 0 年代，a t j o h n s 和z q b o 等人陆续提 出了一系列无通信单端暂态量故障信息提取及测量技术和保护的具体实旖方案。在 文献 2 7 中，a t j o h n s 利用单端的高频电压分量作为保护判断量，将1 5 0 k h z 的高 频电压信号作为研究对象，通过方向检测实现单端保护，并通过特别的调谐器设计， 使得区内和区外故障时此频率信号的能量有显著的差异。在随后的研究中， a t j o h n s 逐渐形成了比较系统的信号获取和处理方法【2 8 i i ”i ，利用阻波器同调谐器 将故障产生的高频信号限制在保护区内，借助连接在c v t 上的调谐回路将高频信号 提取出来，利用快速信号处理单元来检测故障高频信号在频域内的特性，以区分区 第一章绪论 内、外故障。文献 3 0 进一步验证了这种保护原理在平行双回线上的应用。随后为 了方便保护判断，z q b o 在以上保护基础上，将高频段和相对较低频段两个频段信 号能量比值的对数值作为区分区内、外故障和母线故障的判据，综合多次判断结果 进行保护判断3 1 1 。由于电压互感器暂态性能的不足，以上保护都使用了专门的调谐 器以获取高频电压信号，造成保护构成比较复杂。b o z q 等人分析了母线杂散电容 对故障时故障电流的衰减效应，发现进入保护单元的高频电流信号在区内和区外故 障时明显不同。保护不需要另加专用的限波器，也不需要同c v t 相联的调谐器，而 直接从t a 中获得电流信号 3 2 】【3 3 】。利用这个原理通过专门设计的暂态量检测单元来 捕获故障产生的暂态电流信号，对其进行积分获得谱能量分别对l k h z 和8 0 k h z 两 个频段的电流分量进行分析。在区内故障和区外故障时，这两个频段的电流分量有 明显的不同，将这两个能量的比值作为保护判断量。该保护不需要附加限波器和调 谐器，便于实现，并且不受故障初始角、接地阻抗和故障位置的影响，但在接近保 护边界母线的内部和外部故障时，分辨率不够。同暂态行波保护一样，如何确保保 护原理的可靠性是暂态保护应用的关键问题。暂态保护的效果还有待进一步的理论 研究和现场运行实践，离实用还有比较远的距离。 1 2 3 现代信号分析处理技术在超高压线路保护中的应用 继电保护原理的发展在一定程度上依赖于对故障特征的准确提取与利用。信号 处理的主要目的在于寻找一种简单有效的变换方法，使信号所包含的感兴趣的特征 在另种形式下变得更加明显，更易于进行特征提取。近年来，数字信号处理领域 的新发展，尤其是小波分析的出现，从根本上打破了傅立叶分析对数字信号处理的 垄断。经典信号处理方法在分析实际工程中的非平稳信号时体现出不足，小波变换 是在这个不足的基础上产生与发展的。工程上最常使用的是f o u r i e r 变换，它把一个 时域信号分解为各个不同的频率分量的线性叠加，从而建立了信号时域与频域的联 系。由于f o u r i e r 变换是纯频域分析方法，它在频域上是完全局部化了，但在时域上 没有任何分辨力，即它只能表征信号中各频率分量的总强度，不能指明这些频率分 量何时产生。但在工程实际中，对于具有突变性质的、非平稳变化的信号，人们有 时特别关心局部时域信号在局部频域中的对应特性。在继电保护领域，文献1 3 4 在 国内较早开展了应用小波分析的研究。文献 3 5 】介绍了小波变换应用于暂态信号分 析的优越性，利用小波变换的滤波特性，分析暂态信号不仅可以获得各频率分量的 信息，同时可以获得这些分量产生的时间信息。该文对小波变换在暂态信号分析中 的奇异点检测以及信号滤波和频率分析中的应用亦进行了初步探讨。文献 3 6 】利用 小波变换的模极大值检测行波的波头，通过分析发现故障扰动所产生的行波分量在 各尺度下均表现为极大值，而噪声信号将随着尺度的增大而减小。故障点的反射波 与其它( 如母线) 反射波相同，其小波极大值极性相反。根据分析，构造了基于小波 4 华北电力大学博士学位论文 变换模极大值的行波故障起动元件和故障选相元件，获得了较好的效果。文献 3 7 】 探讨了单端暂态电流保护中利用小波变换的模极大值进行保护判断的方法，由于区 外故障时高频信号各分量的衰减程度不同，信号的奇异度发生了变化。在区内放障 时突变点附近信号的小波交换模极大值随尺度的增大其变化很小，而区外故障时这 个极大值随着尺度的增大而增大。文献 3 9 4 0 4 t 茅l j 用以小波变换为工具提取故障 后的行波信息，并通过小波变换对传统的行波保护原理进行改进。总之，小波分析 强大的时频分解能力、优异的奇异性检测能力，为其在线路保护中的应用展开了广 阔的前景。 作为现代信号处理的另外一个重要分支，数学形态学的应用已经开始占据比较 重要的地位。数学形态学可以用来设计各种数字滤波器，其突出特点在于它既能有 效滤除各种脉冲噪声和随机噪声，又能很好地保持原始信号的形态特征。另外，经 过有效组合后，形态综合滤波也同样具有奇异性检测的能力。值得一提的是，形态 学滤波的实现十分简单，仅利用布尔运算和简单的加减运算，在高实时性应用场合 具有优势。文献 4 2 】系统的介绍了数学形态学理论及其在继电保护领域中的应用。 文献 4 3 将形态学信号分解和多分辨形态梯度成功应用于超高速暂态保护中的故 障暂态波形特征提取。文献 4 4 为了解决暂态行波中滤除随机噪声和脉冲噪声的困 难，利用数学形态学设计的前置滤波单元在有效抑制各种噪声的同时，较好地保持 了行波波头的基本形状，提出了一种用于电力系统超高速保护的形态学小波综合 滤波算法。文献 4 5 】提出了一种新型的级联多分辨形态梯度变换( s m m g ) 的概念， s m m g 具有很强的奇异信号检测和波形识别能力，作为一种特征提取工具，s m m g 能感受并增强信号波形上的微小变化、反映突变的大小。文中给出了其在线路保护 相继速动判据以及选相元件中的具体应用实例。文献 4 6 引入数学形态学以提高基 于故障暂态的超高速线路方向保护的动作性能。在获取连接在同一母线上的各条输 电线路暂态电流信号的基础上，采用数学形态学分析其极性和能量，以确定故障方 向。由于数学形态学滤波器具有极佳的奇异点识别能力和噪声抑制能力，使得故障 的发生和产生差流浪涌之间的时间差能通过多分辨率形态梯度讲行实时、高精度的 提取，文献 4 7 利用数学形态学滤波器结合传统的时差法，实现了一种适用于差动 保护的电流互感器饱和闭锁方案。需要指出的是，形态学分析同小波变换样，本 身只是一种数学工具，只有同保护原理结合，才能够发挥其作用。 1 2 4 智能技术在超高压线路保护中的应用 从8 0 年代末至今，模糊理论、人工神经网络、自适应理论等以非线性科学为主 导的智能技术在众多工程领域得到应用，在电力系统继电保护领域中的应用也日益 广泛。 模糊逻辑思想改变了以往单纯通过事物的内涵来描述其特征的片面性，提出了 5 第一章绪论 能综合事物内涵和外延形态的合理的数学表达模型一隶属函数，为在不确定背景下 描述事物的特征以及模拟人类识别机理提供了一种简单有效的工具。继电保护中有 许多复杂状态的识别是直接决定保护性能的关键问题，这些特殊的状态识别问题用 传统的判据处理时，不可避免地遇到定值的合理选择问题。用一个绝对的定值将一 个状态空间划分为两部分是很困难的。从这个角度讲，对于继电保护而言，定性的 判据总是要优于定量的判据。文献 4 8 b t , 数学模型上描述了如何应用模糊集合模拟 继电保护专家对复杂状态的识别过程，且应用于实际的保护装置中。文献 4 9 5 0 】 对利用模糊集理论识别系统振荡与短路进行了更为深入的讨论。文献【5 l 】给出了模 糊集合理论在线路保护选相元件中的应用。文献 5 2 】提出了基于模糊集理论的短时 转换性故障识别方法，解决了同杆线路距离保护区外故障经短时间内转成区内单相 故障后误跳三相的问题。 人工神经网络是一种并行处理的非线性映射，采用物理系统来模拟人脑神经细 胞的结构和功能，具有很强的容错性、鲁棒性和冗余度，广泛应用于模式识别和模 式分类等方面。人工神经网络的着眼点在于解决目前计算机或其它系统不能解决的 非线性问题。国内对于人工神经网络在线路保护中的应用也做了大量的研究工作， 文献 5 3 5 4 5 5 5 6 】 5 8 1 是其在距离保护中应用的报道。文献 5 8 】利用神经网络对距 离保护躲过渡电阻能力进行了研究。人工神经网络因为需要利用大量的样本进行训 练，而在继电保护研究中，样本的获取往往是通过典型系统的仿真数据得到，继电 保护要求高度可靠性，利用典型系统数据得到的训练结果能否真正具有广泛的适用 性，还有待进一步研究。因此，现有的应用也主要停留在理论研究阶段，离真正的 工程应用还有很长的路要走。 自适应保护是种继电保护的基本原理，这种原理使得继电保护自动地对各种 保护功能进行调节或改变，以更适合于给定的电力系统的工况i 鲫1 。对自适应保护的 定义，长期存在一些不同看法。一种看法认为传统的继电保护本身就具有自适应性。 其中有两类情况，一类是逻辑控制型的，如允许式高频距离保护等。必须有线路对 侧判明是正方向短路以后，才能决定本侧跳闸信号是否允许发出。检查同期的自动 重合闸要有对侧重合闸成功信号才能允许重合。另一类是相关性特性型的，如反时 限过流保护，带制动特性的差动保护等。所有这些，都说明从有继电保护开始，其 本身就要有适应电力系统故障情况的能力。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，为自适应继电保护的发展提供了前所未有的良机。现在，自 适应技术已广泛应用于各种保护之中，并取得了一定的成效。对于保护继电器的自 适应技术，国内继电保护研究人员也做了大量的研究工作，文献t 6 0 6 1 1 1 6 1 6 2 较 系统地研究了自适应距离保护的理论和方法，文献 6 4 对纵联保护中的自适应对策 进行了较全面的研究，文献 6 5 】则对自适应继电保护系统的结构和自适应预测方法 进行了研究a 迄今为止，还未见报道具体电网实现并运行自适应保护系统，而且对 华北电力大学博士学位论文 于保护的自适应功能也还没有明确的要求，但随着通信技术的进步、电网整体自动 化程度的提高、以及微机保护自身智能性的发展，现有保护系统的自适应能力必将 会有较大的提高。 1 2 5 超高压线路保护的发展趋势 基于基尔霍夫定律的电流差动保护原理，对于电力系统继电保护来说，是最为 理想的一种判据。但实际上由于电力系统通信条件的限制，限制了电流差动保护原 理在高压线路保护中的应用。从7 0 年代开始，人们试图寻找具有真正通信能力的 通信方式来传输远方的电气量信息，以构成电流差动线路保护。随着微机保护和数 字通信技术的迅速发展及应用，日本于7 0 年代中期研制了采用脉冲调制( p c m ) 方式的数字式微波电流纵差保护装置 6 6 】1 6 7 1 1 甜1 。我国也较早开始了输电线路的微波电 流纵差保护的研究【6 9 1 。随着光纤技术的出现，继电保护又迅速前进了一步。8 0 年代 初，日本k a n s a i 电力公司和m i t s u b i s h i 电气公司合作研制了采用光纤传输数据的 p c m 数字式电流纵差保护1 7 0 l 。此后，东芝、日立公司、g e c 公司、a b b 公司以及 国内的二次设备厂家相继推出了光纤电流纵差保护。目前，在通信条件允许的条件 下，光纤纵差保护正在成为我国超高压线路的首选主保护1 7 1 i 。纵联保护是线路保护 的主保护，它借助于通道交换线路两侧的故障信息，以判断故障是否位于保护范围 内。对于利用通道传送逻辑信息的命令式纵联保护，现在应用较广的通道类型是电 力线载波。载波通道抗干扰能力差，易受线路故障影响，是保护不正确动作的原因 之一。近几年，光纤通信在电力系统得以广泛应用。在数字通信发达的今天，可以 直接利用数字通道，采用异步通信的方式直接传送和接收保护逻辑命令i 鸵1 。这种通 信方式与传统的载波通信相比，具有可靠性高、数据量大、通信时间短等优点。由 此可见，通信技术的发展为线路保护性能的不断改善提供了条件。 继电保护是理论与实践并重的科学。保护原理和算法是保证高性能保护装置成 功研制的基本要求，但是要做到真正的高性能，仅重视原理和算法的研究是远远不 够的。伴随着保护原理的发展，微机保护的硬件也在快速发展。计算机硬件技术在 六、七十年代的飞跃才使得计算机继电保护成为现实；七、八十年代微机、单片机 技术的成熟使微机继电保护得以普及应用，从而促进保护的进一步发展：九十年代 微处理器、计算机网络的重大发展则不仅仅是在硬件上集成度更高、运算速度更快、 存储容量更大，而是通信、结构、可靠性等整体性能上发生了质的变化，保护硬件 设计思想也随之发生了根本性的改变。自9 0 年代中后期，国内外著名继电保护制 造商g e 、a b b 、四方等公司已经在保护测控装置的设计中，开始将网络设计思想 引入装置内部硬件设计中【5 i 。在网络化硬件平台中，由于将网络作为各模块间的连 接纽带，每个模块仅相当于网络中的一个节点，不仅可以很方便地实现模块的增加 第一章绪论 或减少，满足各种各样的功能配置要求，构成积木式结构，而且每个模块可以分别 升级。无论模块升级与否，对于网络来说，模块仍然为网络的一个节点，唯一要遵 循的是要求采用同一个规约。因此具有模块之间连接简单、方便、可靠性高、抗干 扰能力强、扩展性好、升级方便等诸多优点。 作为变电站自动化系统的重要组成部分，变电站一次设备以及自动化系统的发 展对微机保护也产生了重要影响”i 。继电保护的性能在很大程度上受传感环节的影 响。常规的电磁式互感器由于存在饱和、铁磁谐振过电压、绝缘结构复杂等缺点， 已越来越难以适应电力系统的发展。在此背景下，电力系统的科研工作者开展了电 子式互感器的研究，并在最近几年取得重大进展1 7 4 1 1 7 5 1 1 7 甜。按照电子式互感器处于高 压的部分是否需要电源，可分为无源型和有源型两种【7 。无源型互感器基于f a r a d a y 效应磁光变换原理和p o c k e l s 效应电光变换原理，由于存在双折射和光学材料温度 稳定性问题，实用化进程比较缓慢。基于传统测量器件和光纤的有源型电子式互感 器，其传感单元性能稳定，是目前最接近实用的测量方案，比较典型的有无铁心的 空心线圈( r o g o w s k i ) 电流互感器、电阻分压或阻容分压的电压互感器等。有源型 电子式互感器具有体积小、重量轻、暂态响应和运行性能良好等优点，由于其输出 一般是微弱的电信号( 毫伏级) ，故将其用于高电压系统时，需就地数字化，并通 过光纤传输1 7 8 l 7 9 l ；高压断路器二次技术的发展趋势是用微机、电力电子技术和新型 传感器建立新的断路器二次系统，开发新型智能化断路器。其主要特点如由微机控 制、电力电子组成的执行单元，可按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合 闸过程的时间：新型传感器与微机相配合，独立采集运行数据，可早期检测设备缺 陷进行故障预报；紧凑型组合式开关设备是高压组合电器的发展方向之，它可以 大大节省占地面积，节省费用。比较典型的有瑞士a b b 公司推出的插接式开关系 统( p a s s ，p l u ga n ds w i t c hs y s t e m ) 。其最为突出的特点的是在一次设备中采用了 智能传感器和微处理器设备。它将一个间隔的全部设备，全部集成在一个内充配气 体的金属罩壳内。所有一次的信息量通过信息接口( p r o c e s si n t e r f a c ef o rs e n s o r sa n d a c t u a t o r s p i s a ) 与外部二次设备相连i 帅l 【8 。 目前，用于变电站的监视、控制、保护、故障录波、紧急控制等装置，虽然已 实现了数字化，但几乎都是功能单一的独立装置，各个装置缺乏整体协调和功能的 优化，且功能交叉；输入信息不能共享、接线复杂，微机装置固有的高可靠性被错 综复杂的二次线所抵消，同时不能充分利用微机数据处理的强大功能和速度，经济 上也是一种资源浪费 s z l f 8 3 j 。随着过程层一次设各的智能化、数字化和集成化，采用 数据和信息的集中采集模式，并基于i e c6 1 8 5 0 建设过程层通讯网络，实现数据在 过程总线上统一传送，不同功能信息共享，这已经成为可能。在此基础上，随着光 纤通信技术的发展，可将过程总线和站级总线合而为一1 8 4 l ，采用扁平化的通信结构。 在站内形成强大的数字高速公路，将各个智能终端设备连接起来，实现所有一次、 s 华北电力大学博士学位论文 二次设备信息在光纤信息网上交换，并对目前监视、控制、保护和计量等功能进行 优化组合和系统集成，从而形成高度集成的变电站自动化系统。这是变电站自动化 系统的未来发展趋势，因此，线路保护装置本身也要能够适应整个变电站自动化系 统的发展需要。 1 3 本课题的意义 目前对于超高压线路保护的研究有两个主要方向，其一是从理论研究角度出 发，从过去的行波保护，到目前的无通道保护，对利用故障的暂态高频分量的时、 频域特征来区分区内外故障进行理论和实践上的探索，对保护进行革命性的改变 ”5 ” ”m ”3 ：其二是从实用角度出发，对传统的基于工频分量的保护进行进一步的探 索，结合具体保护装置的研制“”“2 7 “，针对保护在试验、运行中出现的问题，解决 现有的工频量保护存在的问题，进一步完善现有保护的性能。”。”。“。前者在理论上 目前已经有所突破，但真正构成能够实用化的保护装置，实现工程应用，还有一段 路要走。后者的动力来源于对超高压、特高压线路保护性能的实际要求，本文所做 的工作属于后者。 继电保护已经由过去的模拟保护发展到现在的数字式保护，这是继电保护发展 上的一次巨大飞跃。微机保护不但可以继承模拟保护的原理而且可以依靠计算机 系统强大的计算、推理能力实现许多模拟保护无法实现的功能。换言之，数字式保 护不仅可以实现模拟保护单一的保护功能，而且可以实现需要多种因素综合考虑的 保护功能，这也为新型保护原理的实现奠定了基础。但是，目前大部分微机保护在 实现原理上更多的是模拟保护的翻版，没有充分发挥微机保护的灵活性1 4 8 1 。微机保 护应当从自身的优势出发，从保护原理的构成到保护的配置，都能够更好地与电网 运行状态相适应。同时微机保护不仅具有精确的数字测量功能，更重要的是微机保 护的推理链力。保护设计中，如何跳出传统的“继电器”概念，如何发挥计算机的 优势将能够进一步改善保护的性能，尤其是对于传统继电保护原理中未能很好解决 的状态识别问题，如何进一步发展微机保护在功能上的优势，使保护识别复杂状态 的能力有所提高，这将是继电保护原理在微机保护阶段得以发展的重要方面is l 。本 文试图充分利用微机保护的天然优势，解决现有保护中未能很好解决的几个问题 本文的第二章与第四章基于上述思想对线路保护存在的两个问题进行了分析 与改进。距离保护的接线方式问题是距离保护最根本的问题。对于接地距离保护， 因为线路存在相间互感，为了准确实现阻抗测量，必须引入零序电流补偿。现有的 零序电流补偿采用的补偿方式对于故障相保证了距离测量的准确性，但对于非故障 相距离继电器可能会带来不利影响，可能会造成非故障相距离继电器误动。上述问 题对于快速动作的保护性能影响尤为突出。因为对于转换时间比较短的故障情况， 9 第一章绪论 数据窗很短的情况下，要求能够利用距离继电器本身的选相能力。针对上述问题， 本文中提出种新的按相补偿方法。采用按相补偿方法后，在保证故障相正确测量 以及防止非故障相误动两方面之间能够得以平衡和兼顾。 线路保护的选相问题一直是个受到广泛关注的问题。方面研究人员提出了大 量的解决方法；另外一方面，从实用角度出发，要保证在任何故障情况下，故障后 的任何时刻都保证正确选相仍然是一个很有挑战性的问题。以往阻抗选相方法在模 拟保护中得以广泛应用，早期的微机保护在选相原理上延续了原有的选相方案。但 阻抗选相因为存在一些问题，所以在早期微机保护中的应用并不是很成功。阻抗选 相存在问题并不意味着原理上的重大缺陷，早期模拟保护是因为实现手段的限制。 微机保护中应用阻抗选相，不应被原来的思路所局限，而应充分利用微机强大的计 算、推理能力，挖掘阻抗中所蕴含的故障信息，来实现故障相的准确识别。 保护的判断是建立在对故障特征的定量化基础之上，如何能够在一定程度上提 高保护