（电力系统及其自动化专业论文）电力系统集成保护技术研究.pdf

北京交通大学博士学位论文 a b g l l t a c t a b s t r a c t t h et h e s i ss t u d i e st h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o na n di t sa s s o c i a t e di s s u e s “i n t e g r a t e d p r o t e c t i o n m e a l 1 si n t e g r a t i n gm u l t i p l ep r o t e c t i o nd e v i c e sw i t h i nas u b s t a t i o ni n t o o n ed i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c et of o r mar e l i a b l e 、f l e x i b l ea n dc o m p l e m e n t a r y i n t e g r a t e dp r o t e c t i o ns y s t e m t h et h e s i sf i r s tp r e s e n t st h ec o n c e p to f i n t e g r a t e dp r o t e c t i o na n dt h ed e s i g no f a n u m b e ro fi n t e g r a t e dp r o t e c t i o ns c h e m e s t h et h e s i sd o e sa ni n t e n s i v es t u d ya b o u t p r o t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o n ，w h i c hu t i l i z e st h ev o l t a g ea n d c u r r e n tm e a s u r e m e n t sf r o mb o t he n d so ft h ep r o t e c t e dl i n es e c t i o n b yt h e c a l c u l a t i o no ft h ec h a n g eo fg r o u n da d m i t t a n c ei nt h ee q u i v a l e n t n e t w o r k , t h e i n t e r n a la n de x t e r n a lf a u l t sa l ec l e a r l yd i s t i n g u i s h e d t h i sh a ss o l v e dt h ep r o b l e m t h a ta f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ；i na d d i t i o n ，i th a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs e n s i t i v i t yo ft h ea l g o r i t h m ，i m p r e g n a b i l i t yo f d i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ea n ds y s t e mo s c i l l a t i o n , ad i r e c t i o n a lp r o t e c t i o na l g o r i t h mi s t h e np r e s e n t e dw h i c hi sb a s e do nt h ec h a n g eo fc u r r e n t s u s i n gs i n g l e e n d m e a s u r e m e n to n l y t h ea l g o r i t h mu t i l i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n g eo ff a u l t c u r r e n t , w i t l lr e s p e c tt ot h el o a do a r r e n td u r i n gt h ef a u l tp e r i o d t od e t e r m i n et h ef a u l t d i r e c t i o n 。t h eu e w a l g o r i t h mb r i n g sab r e a k t h r o u g hw h i c hs o l v e st h ep r o b l e mi nt h e s i t u a t i o nw h e r ec o n v e n t i o n a la l g o r i t h m sd on o tw o r kw h e nt h ev o l t a g em e a s u r e m e n t i sn o ta v a i l a b l e t h et h e s i sp r e s e n t st h ea p p l i c a t i o no ft h ef u r t h e ri m p r o v e d a d m i t t a n c ep r o t e c t i o na l g o r i t h mt ot h ep r o t e c t i o no ft r a n s f o r m e r s a c c o r d i n gt ot h e c o n c e p to ft h em a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o no ft h er e l a t i v es t a n d a r df u n d a m e n t a ls i n e f u n c t i o n ，t h et h e s i sp r e s e n t san e wi d e n t i f i c a t i o nm e t h o df o rt r a n s f o r m e ri n r u s h b a s e do nt h es i n u o u sd e g r e e so f t h ec u r r e n tw a v e f o r m s t h ep a p e rf u r t h e rs t u d yt h ea d v a n t a g e sb r o u g h tb yt h ei n t e g r a t i o no ft h e p r o t e c t i o nf u n c t i o n sa n dp r o p o s e sas o l u t i o nf o rn e wc ts a t u r a t i o nd e t e c t i o nb a s e d o nk c la n dn e t w o r kt o p o l o g y t h r o u g he l t o ra n a l y s i st ot h es i m u l a t i o ns t u d i e s ，i ti s f o u n dt h a tt h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o nh a ss p e c i a lc a p a b i l i t yt os o l v et h ep r o b l e mo f c t s a t u r a t i o na n dp ts u p e r v i s i o n ( s e c o n d a r yb r o k e n c o n n e c t i o n ) t h r o u g h t h e i n f o r m a t i o no b t a i n e df r o mv a r i o u sl o c a t i o n s t h et h e s i sa l s oo u t l i n e sm a n y a d v a n t a g e sb r o u g h tb yt h ei n t e g r a t e dp r o t e c t i o n , s u c ha s ，t h ea p p l i c a t i o no fa g e n t t e c h n i q u ei ni n t e g r a t e dp r o t e c t i o nt os o l v e t h ec o o r d i n a t i o ni s s u eo fv a r i o u s p r o t e c t i o nf u n c t i o n s ；t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h es y n c h r o n i z e ds a m p l i n ga n dr e a l 北京交通大学博士学位论文a b s l l i a c t t i m ec o m m u n i c a t i o n , t h ec o m m u n i c a t i o ns c h e m eb a s e di e c 6 1 8 5 0f o ri n t e g r a t e d p r o t e c t i o ni sp r e s e n t e d ；t h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o ri n t e g r a t e dp r o t e c t i o ns y s t e m si s d e s i g n e d w i t ht h ed e v e l o p m e n t si ns u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o u p l e d w i t hn e w o p t i c a li i l s t r u m e n tt r a n s d u c e r s ，t h es c o p ef o rt h ea p p l i c a t i o no fi m e f a t e d p r o t e c t i o nl o o k se n c o u r a g i n g k e y w o r d s ：i n t e g r a t e dp r o t e c t i o n ，p r o t e c t i o na l g o r i t h ma n dc h a r a c t e r i s t i c ， c ts a t u r a t i o nc r i t e r i o no ng r a p h t h e o r y , m u l t i - a g e n t ，h a r d w a r ep l a t f o r m c l a s s n 0 ：t m 7 7 3 致谢 五年的博士研究生学习生活即将结束，在此向所有关心和帮助我的良师益友 和亲人们致以最由衷的感谢! 本论文的工作是在我的博士生导师范瑜教授悉心指导下完成的，范瑜教授开 阔的学识视野、求实的工作作风、做人做事的精神给了我极大的帮助和影响，将 对我以后的教育工作产生深远的影响。论文工作一直得到英国a r e v a 公司输配电 部、北京交通大学顾问教授薄志谦先生的指导和支持。在此对他们表示衷心的感 谢。 感谢我的硕士导师一天津大学贺家李教授对论文的指导和细心审阅，感谢贺 先生多年来学术上的教导，先生渊博的知识、在专业领域孜孜不倦的追求永远是 我学习的榜样。感谢清华大学董新洲教授、优特电力公司李静正技术总监对论文 工作的帮助与支持。感谢山西省电力公司调度中心继电保护专责王俊奇高工、雁 同电力公司继电保护专责扈观义高工、山西临汾电力分公司科技处张滨生处长对 论文工作的帮助与支持。 感谢李国国副教授的积极鼓励和热情帮助，感谢实验室杨少兵、倪平浩老师， 张飚、任颖莉、欧灶军、张浩、喻乐、焦姣、王军等同学对论文工作的帮助，衷 心的感谢所有鼓励和帮助我的领导、老师和同学。 感谢我的父母家人。感谢父母替我承担了许多家务，解除了我的后顾之忧； 感谢女儿的理解与支持，她以优异成绩完成小学学业是我心中莫大的安慰。 1 1 引言 第一章绪论 电力系统已发展为跨区、跨国联网、高度自动化运行的现代化系统，目前我 国的全国性联网已逐步实现。大电网互联将对电力系统运行带来一系列新问题。 尽管现代电网的设计运行技术近些年取得了长足发展，但仍不能完全避免大电网 瓦解事故的发生。美国西部电网1 9 9 6 年7 8 月连续两次发生连锁反应式大电网 稳定破坏和大面积停电事故，2 0 0 3 年美国东部电网大停电事故，最初也是从几条 线路相继断开开始的，2 0 0 5 年的莫斯科大停电、我国的海南省大停电等等，充分 表明连锁反应型事故是当前及未来电网运行安全的最大威胁。因此寻求电网更为 有效的保护及控制措施，确保互联电力系统的安全稳定运行是我们面临的又一重 要课题。 电力系统高速发展和新技术的应用，也给电力系统保护与控制带来了新的挑 战。分布式发电技术的发展和应用，使得电源结构和分布发生改变，电力系统将 因电源原动机特性和电源分布的不同而影响其性能，要求我们进一步研究相应的 系统控制策略，开发新的继电保护与控制装置，从而改善系统运行特性，避免电 力系统事故的发生。 电力市场机制的建立，使电网变得更加开放和灵活。在促进市场竞争，提高 效率的同时，也给电力系统运行和控制带来一系列的新问题，根据电力市场运作 的要求，电网首先必须提供能灵活控制潮流的能力，还应最大限度地满足电源与 用户之间输送能力的要求。在发电、输电和供电分别独立经营的条件下，保持电 网的安全稳定运行水平也是需要解决的问题。 电力电子技术和现代控制理论在电力系统中的大量应用导致电力系统的重大 变革，促进了电网新技术的发展。其中灵活交流输电( f a c t s ) 技术是电力电子 技术在电力系统中应用的重要方面，作为在交流输电系统中引入的可控制的一次 设备，f a c t s 装置的应用可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电 力系统的稳定水平。f a c t s 等新技术的应用使得电网参数在运行中发生变化，使 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 得系统的潮流和运行方式变化，从而也对在动态情况下保证电力系统的安全稳定 运行提出了更高的要求。 综上所述，现代电网的特征可以概括为“高电压、大电网、远距离互联”和“高 效、灵活、开放、可靠”。电力系统的发展，电网结构日益复杂，对继电保护提出 了更大的挑战。目前电力系统中运行的保护及安全自动装置大多采用独立元件的 保护，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 反映系统状态的参数值，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。按该方法整定的保护定值对系统其他运行方式来说不是最佳整定值， 甚至可能发生拒动，同时这些装置的动作原理和动作时间不同，互相之间又缺乏 有效的协调，在某些情况下( 如发生联锁故障时) 可能会恶化系统的运行状况。 以上分析可见：传统的保护及安全自动装置及其完全独立的整定原则，已经不能 更好的适应系统发展的要求，在很多情况下甚至是造成系统崩溃的助力 4 - 9 1 。因此， 需要研究保护电网的新方法来满足系统稳定运行的要求。 本论文提出电力系统集成保护的概念，并研究了集成保护的组成及相关技术。 “集成保护”是指将变电站全部信息集中于一个计算机系统中，形成可靠、灵活、 多样互补的集中式保护系统。 1 2 课题研究的现状及技术基础 1 2 1 继电保护的发展 1 2 1 1 保护装置原理及技术的发展 自过电流继电器在电力系统第一次问世以来，至今已过了一个世纪。如图1 1 所示，随着现代技术的进步，保护装置技术从机电式、晶体管式、集成电路式发展 到了微机式。目前，在电力系统保护领域里，以微处理机为基础的微机保护已逐 步取代传统继电保护。 计算机的应用在电力系统保护的发展过程中是一个重要单程碑。上个世纪六 十年代后期，开始了计算机继电保护的研究，美国的洛克菲勒【1 0 】提出了一种基 2 于中央计算机系统的集中式变电站保护系统。这种保护方案提供了一个理想的环 境来进行全面的集成保护，保护装置不仅监视变电站的独立装置，而且监视整个 网络。尽管用于电力系统保护的数字技术 1 1 - 1 3 1 已经得到了快速发展，但由于计算 机硬件、软件以及通信技术还不足以支持这样的想法，一直未能投入实用。 大部分的保护原理，如图1 1 所示的过电流保护、方向保护、距离保护以及 差动保护，都是在上个世纪三十年代以前研究出来的。 1 0 0 01 0 3 0-1 9 ，uu1 9 9 0 年 图1 1 继电保护发展简图 f i g 1 1h i s t o r yo f r e l a yd e v e l o p m e n t s 上个世纪八十年代和九十年代，科学技术的不断发展为电力系统继电保护原 理的研究提供了很多新的手段，保护装置中引入了微处理器后，保护技术得以快 速发展，变电站实现了分布式处理平台，微机技术推动了八九十年代的自适应保 护和基于人工智能( a i ) 1 1 4 - 1 6 1 的保护技术的发展，使继电保护的性能得到了极大提 高，然而，这些发展主要集中于传统继电保护原理的改进上，一直没有产生新的 有重要意义的应用自适应技术和人工智能技术的继电保护原理。 现代信号处理技术及通信技术的不断发展，为发展新的保护技术开辟了新的 道路。继电器通用硬件技术的发展，以及多种通信技术及方案的可利用性，使人 们再次想起了集中式保护的概念。同时从变电站的多个电力设备所获得的信息中， 有更多的信息可以用于推导新的保护原理和方案，相对于现有的针对单独电设备 的独立保护技术，这些保护原理和方案具有明显的优势。 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 1 2 继电保护网络化的发展 计算机网络技术和通讯技术在电力系统中的应用发展，使网络化硬件设计思 想开始深入到保护装嚣内部。变电站内分层分布式网络结构的设计，网络可靠性 和性能的不断提高，方便灵活扩展性强的网络特点，使微机保护内部网络化的潜 在优势日益明显，实际上，在2 0 世纪9 0 年代中后期，国外著名继电保护制造商 g e 、a b b 等公司已经在向保护测控装置网络化设计的方向发展，开始将网络设 计思想引入到装置内部硬件设计中。国内的一些继电保护生产厂家也有网络化的 微机保护产品出台。新推出的保护全面实现网络硬件平台设计。不仅对外通信具 有不同通信接口，装置内部不同模块问互联也采用了网络总线 1 8 1 。 1 2 1 3 基于集成性质继电保护的发展 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，这主要是由于过去一段时间缺乏强有力的数据通信手段。在网络通信技术 和微机保护技术发展的今天，可以为继电保护的作用赋予新的含义，即它不应只 限于切除故障元件和限制事故影响范围( 这是首要任务) ，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 装置用计算机网络连接起来，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 监测愈准确。 对此，近年来国内外学者进行了大量的研究，从不同角度探索继电保护方案 的改进。近年来有许多带有集成性质的新保护方案的研究1 蛆”，例如；双回线的保 护，包括横差及方向比较等方案；基于全球卫星定位系统( g p s ) i 拘超高压线路保护， 该保护通过记录和比较故障暂态行波到达网络各电厂站的时间来确定故障的位置 瞄彩】；配网自动化保护，该保护由一个继电器负责保护相邻的两条线路并具有配网 4 自动化功能 2 4 l ；母线与线路的集成保护，该保护由一个继电器负责与变电站相连 的所有线路的故障方向保护和母线的保护 2 5 1 。 此外，受到国内外广泛关注的广域测量系统( w i d e - a r e a m e a s u r e m e n t s y s t e m 。 w a m s ) 可以在同一参考时问框架下捕捉到大规模互联电力系统各地点的实时稳 态动态信息，这些信息给大规模互联电力系统的运行和控制提供了新的视角和解 决方法；文献1 2 6 】提出开发广域后备保护专家系统，通过人工智能技术计算动作因 子，以此来确定故障位置和消除故障；文献1 2 7 1 讨论了广域保护系统及其在电力系 统中的应用；文献【2 s 】在讨论预防大面积停电措施中提出了系统终端保护思想；文 献【2 9 1 提出了区域电网的功率平衡保护方案；文献【3 0 1 通过提高电网自适应整定，以 提高保护适应电网运行方式的变化能力；文献【3 1 】提出输电线路集合保护的概念。 虽然以上研究的角度不同，但有一些共同之处，最明显的是都要利用网络技术获 得更多的电网信息，并采取智能技术、现代故障监测技术对信息进行处理，使得 保护的作用和功能得以拓展。 1 2 2 变电站综合自动化技术的发展 我国变电站自动化发展经历了面向功能设计的集中式r t u 加常规保护模式， 面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式，目前已发展并广泛采用面向间 隔、面向对象( o b j e x t - o r i e n t e d ) 设计的分层分布式结构模式，应用计算机技术、网 络及通信技术，采用按间隔为对象设计保护测控单元，采用分层分布式的系统结 构，形成真正意义上的分层分布式自动化系统。1 1 0 k v 以下电压等级变电站，保 护测控装置要求一体化、1 1 0 k v 及以上电压等级保护测控大多按间隔分别设计， 对超高压变电站的规模比较大的系统，为减少中间环节，避免通信瓶颈，要求装 置直接通过以太网与监控后台机通信，甚至要求保护和监控网络独立组网，由于 采用了先进的网络通信技术和面向对象设计，系统配置灵活、扩展方便口2 1 。 变电站综合自动化技术的发展为保护在间隔层的集中提供了发展空间。 1 2 3 变电站通信系统的发展 随着大电网互联的运行控制技术及变电站综合自动化技术的发展，变电站网 5 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 络通信技术不断发展，从现场总线到嵌入式以太网的应用，网络通信技术的发展 已经跨越了几个阶段。 现场总线具有使用方便、简单、经济的特点，以太网具有网络标准、开放性 好、高速率、传输容量大的特点。c a n 以及l o nw o r k s 两种现场总线在变电站自 动化通信系统中正在得到广泛运用。然而基于组网的实用性，现场总线是专为小 数据量工业控制领域通信设计的廉价网络，当作为变电站自动化的主干网时，总 体性能随节点数的增长迅速下降且由于强调专用性而牺牲了通用性，并且缺乏统 一的国际标准，使不同厂家生产的设备很难互连，给用户带来不便。所以在通信 节点多，通信数据量大的变电站中，现场总线存在一些局限性。 随着互联网技术的发展与普及，基于以太网的i n t e r n e t 技术应用日益广泛， 以太网的带宽高达1 0 0 m b p s 以上，即使用于超大规模的变电站也游刃有余。基于 t c p i p 技术改造后的工业以太网技术具有的实时性、稳定性、通用性和开放性 的特点和高传输率、大容量的优势，是i o nw o r k s 现场总线和c a n 总线技术无 法比拟的。由于以太网的一个冲突域中可支持1 0 2 4 个节点，并且用交换式集线器 能把一个以太网分成多个冲突域，可以把节点数大于1 0 0 的变电站，分成若干个 节点数小于1 0 0 的子网来保证响应速率，使得以太网以其通信速率高、成本低廉、 可持续发展潜力大等优势得以广泛应用。以太网技术正被引入变电站自动化系统 过程层的采集、测量单元和间隔层保护、控制单元中，构成基于网络控制的分布 式变电站自动化系统，实践证明以太网完全能满足变电站自动化系统实时性的要 求。 光纤传感技术和光纤网的快速发展，使得光纤技术在电力系统中的应用越来 越广泛。将光纤传感、光纤监控以及光纤保护连接在一起，形成分布控制系统， 并与上一层的光纤局域网和电力部门的局内网相联，基于光纤传感、光纤监控、 光纤通信及光纤继电保护的光纤局域网正在电力系统逐步形成。用光纤系统取代 电气系统是未来变电站改造的必然趋势。 1 2 4 光电互感器及其对继电保护发展的影响 在电力系统中，互感器是一次系统和二次系统间的联络元件。随着电力系统 6 电压等级的升高和传输容量的不断增大，以及智能化一次、二次设备的发展，传 统的电磁式互感器暴露出一系列的缺点：电压等级越高，绝缘结构越复杂、造价 越高；在故障电流下铁芯易饱和；动态范围小；频带窄；易受电磁干扰：二次侧开 路会产生高电压：会产生铁磁谐振；易燃易爆，占地面积大等等。 电磁式电流互感器饱和是影响继电保护正确动作的主要因素之一，随着现代 电网的发展，即使在中低压( 1 1 0 k v 以下) 系统中，由于系统短路容量的增大， 电流互感器的饱和问题也日益突出，在高压超高压系统中，电流互感器的饱和问 题将更加明显。电流互感器饱和，将造成反应工频量的继电保护拒动，同时会造 成三相电流不平衡，使微机保护误认为是电流互感器断线或数据采集模块故障， 也会使保护拒动。而传统电压互感器特别是电容分压式电压互感器c v t ，由于传 交暂态信号性能差而对保护原理的发展造成影响。 针对传统电磁式互感器的问题，自2 0 世纪6 0 年代以来，发达国家就开始光 电式互感器的研究。目前，已有许多不同类型和具有不同功能的光互感器分别在 美国、日本、德国的变电站现场挂网运行。我国从2 0 世纪8 0 年代，一些科研单 位和高等院校己开始了有源光电式互感器的研究，如清华大学，华中理工大学， 华北电力大学等，现在国内已有多个厂家有产品推出，并在电网中挂网运行5 5 1 。 与传统的电流互感器相比，光电式电流电压互感器有如下优点： ( 1 ) 数字化输出，易于与计算机、数字式保护或测量仪表接口，避免了信号 在传输、储存和处理中的附加误差，提高了系统可靠性。这个特性在强电磁环境 中保证信号的精确性和可靠性很重要。数字式信号应是光互感器与微机保护接口 的主要形式及发展趋势。 ( 2 ) 信号光纤传输，光信号对电磁噪声不敏感，采用光纤大大减小了噪声对 有效信号的干扰，一次设备与二次设备通过光纤传递信号，提高了互感器的可靠 性对于光电流互感器( o c t ) ，无二次开路产生高压的危险。 ( 3 ) 不含铁芯，光电流互感器没有磁饱和及磁滞现象，并且数字式光电电流 e g 压互感器绝缘系统简单，体积小、重量轻。 ( 4 ) 在数字式光电电流电压互感器中没有绝缘油，这就消除了因为油的泄 漏或变质对互感器检修的不便，更为重要的是从根本上消除了爆炸的危险。因为 7 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 无铁芯，所以没有磁饱和、铁磁震荡等问题。 ( 5 ) 测量带宽、精度高；频率响应范围宽，可从直流到几万赫。 光互感器具有许多传统互感器无法比拟的优点，它的应用必将对未来的保护 产生重要的影响。除了上面提到的对保护硬件，如使接口简单之外，还将对保护 装置产生下列影响 3 5 - 3 9 1 ： ( 1 ) 促进保护新原理的研究。目前的保护算法多采用电流的工频分量，但需 要经过滤波，这样不可避免地会产生延时。为了提高保护动作速度，人们采用故 障后的暂态分量构成高速保护。传统的c t 由于频响范围较窄而不能完全再现一 次电流波形，然而o c t 测量的频响范围宽，能够真实地反映一些高频信号，可以 为暂态量保护提供可靠的数据，从而促进它的发展。 ( 2 ) 提高继电保护的可靠性。c t 饱和一直是影响保护正确动作的重要因素， 由于o c t 不含铁芯，它在一次大电流下不会饱和在大的动态范围内能保持良好的 线性，因而其二次侧能正确地反映一次电流的值。因此，采用o c t 可以提高继电 保护的可靠性。 ( 3 ) 为保护提供新的功能。由于o c t 的动态范围大，正常和故障时均可较准 确反映一次大电流的值，因此许多测量的功能可在保护中实现。另外，由于o c t 频率特性好，可以记录故障初瞬间和断路器预分合时刻的波形，从而具有录波和 开关状态监视的功能。 ( 4 ) 提高现场的安全性。进出o c t 的都是弱光信号，因此二次侧开路时不会 产生危险的高电压，保证了现场人员的安全和设备的可靠性。 在大规模采用光电互感器以后，微机保护装置可以直接接收互感器传送的数 字信号，可以省去复杂的模数( a d ) 转换器回路，可大大节省二次投资。更为 重要的是，保护系统的性能也能大为提高。图1 2 反映了变电站传感设备、保护 及通信系统的发展演变，可见基于光传感器及光纤通信系统的应用将给变电站自 动化及继电保护的发展带来重要的变革。 1 2 5g p s 等其他新兴科技在继电保护中的应用 电力光纤通信网络为全网的信息共享提供了基础。而g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 系统在电力系统中的应用，解决了电力系统迫切需要的时间统一和不同 厂站间的同步测量问题。利用g p s 系统进行全网时钟的同步，其实现手段简单、精 度高、范围大，是迄今为止最为理想的同步方法 4 ”。g p s 系统可以提供以秒计时 的国际标准时间，以及精度达1 微秒的秒脉冲信号。因而可以为电力系统提供统一 的时间并作为同步采样的同步信号，可以给同步采样获得的数据加以时标，而使 全网共享的数据具有实际意义。将g p s 系统应用于电力系统中，使得继电保护装置、 故障测距系统以及s c a d a e m s 系统的性能更加完善，并且使得继电保护装置的性 能测试更加方便快捷。 图1 2 变电站发展演变 f i g 1 2h i s t o r y o f t h es u b s t a t i o n 1 2 6 集成保护系统的优势 随着微电子技术的发展，微机继电保护装置的c p u 已经由8 位、1 6 位发展 到现在的采用3 2 位c p u 和专用的高速d s p 芯片，并且正在朝着“位c p u 和 更先进的d s p 技术发展。一套微机保护的计算能力已经远远超过了一套电力设 备保护所需的计算能力，但受采样回路和保护装置安全性所限，无法用一套微机 保护来保护多套电力设备。用一个大型的计算机系统来对多个设备实现集中式的 保护是一种方案，可以用保护双重化来解决安全性问题。如果保护接收的是数字 信号，就更容易在一套计算机保护中实现多种保护原理及保护多功能化，因此， 继电保护的发展，光互感器的发展应用，以及变电站光纤以太网通信系统的建立 和广泛应用等，为集成保护的发展奠定了技术基础。 9 北京交通大学博士学位论文 第一章绪论 集成保护作为广域保护的基层组成单元，属于变电站级或区域系统级保护。 由于集成带来的信息共享、资源丰富和多种保护功能的协调配合，可馊集成保护 在电力系统中既可以起到保护设备的作用，也将具有一定的安全控制功能。集成 保护与现有独立设备的保护相比，将有如下优点： 1 、有利于提高保护的运行管理水平 由于集成保护将变电站所有的保护功能集于一体，统一协调配合，有利于继 电保护报文的标准化、定值管理集中，易于实现定值的及时切换，防误操作；保 护功能投退可实现集中管理，不必去各设备间隔操作，降低工作量及操作出错机 会。有利于提高保护的运行管理水平。 2 、装置易于标准化，试验工作量大大减少 现在保护厂家众多，软件版本层出不穷，比如每个装置都有m m i ，不仅成本 高，给操作和管理也带来很大困难，集成之后，采集、控制装置易于实现标准化， 可降低管理费用，简化维护，减少由于配置错误而引起的系统停机时间。而且保 护功能集中在大型计算机上，易于实现保护软件的自动测试、故障再现、控制方 案模拟等功能，采集和操作单元仅需要校验其精度、速度等几个简单的指标即可， 装置试验的工作量大大减少。标准化和集成，减少了工程量、现场验收、运行、 监视、诊断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化水平。 3 、在线修改保护逻辑，可增强保护的适应性 可以根据运行情况，在线修改保护逻辑，保证系统运行在可靠的前提下的最 大利用。如：根据发电机、变压器等设备的动稳定、热稳定能力可科学地延长重 要用户在病态系统情况下的供电时间，而在此时间内集成保护根据故障的恢复情 况实时变化保护方案如投入或退出某些保护功能、调整保护定值。根据变压器中 性点运行方式自动投入间隙电流或间隙电压保护等。 4 、保护采用大型计算机带来一系列优点 保护功能在大型机上实现，运行环境好，湿度、温度、电磁干扰强度等易控 制，抗干扰能力大大增强；计算精度高，能研究更复杂有效的算法，可采用标准 函数充分实现软件标准化、模块化，大大增加了软件的可维护性；集成保护实现 高冗余度不需要增加成本，可使用的后续处理手段丰富，自诊断功能更强；可集 1 0 中录波，容量大，便于事故追溯、分析，不必每台装置都设录波功能可降低总成 本等等。 5 、使得变电站实现i e c 6 1 8 5 0 的成本降低 原来独立装设的保护，由于各个制造厂生产的继电保护设备差异很大，因而 从变电站综合自动化的要求来看，要将各个厂生产的继电保护设备连接起来非常 困难。随着变电站i e c 6 1 8 5 0 标准协议的应用，每个单元都要考虑支持6 1 8 5 0 的 很多规约，定值、报文等，需要很强的处理能力。而对于集成保护，因各保护模 块在一个集中的系统内，相互之间的协调配合通过软件调用来实现，省略了相互 间自我描述的过程，同时也减少了由于软件错误升级造成的损失。只需要整个集 成保护系统对变电站层的自我描述，统一于采集及执行单元的接口，不需太复杂 的处理。 6 、有利于无缝通信系统协议的实现 由于网络技术的迅猛发展，提供了通过网络交换数据的可能性。随着电力市 场的兴起和电力系统的扩大，信息量越来越大，要求在各种自动化系统内快速、 准确的集成、合并和传播从发电厂( 站) 到用户接口的实时信息。各电力公司花 费大量资金用于实时信息交换，数据集成和维护，而且费用还在剧增。集成保护 将集成的保护及监测的所有信息通过满足i e c 6 1 8 5 0 标准的以太网通信送至变电 站层，改善信息技术和自动化技术的设备数据集成。并且由于规约简单，只是传 送采样、开关量数据，没有定值修改、报文等麻烦的通讯约定，通讯的可靠性会 大大增加。 1 3 本论文研究拟解决的问题和主要工作 本论文依托国家自然科学基金项目开展集成保护相关问题的研究。提出集成 保护的概念，设计集成保护的方案，分析方案运行，研究相关保护的算法，研究 集成共享多处信息后保护功能和性能的提高，研究集成保护的协调统筹问题，结 合集成保护的通信系统及可靠性问题，配合光互感器、光纤通信系统、g p s 等新技 术，研究集成保护系统硬件平台及其实现。本论文主要工作有如下方面： 集成保护方案研究。根据集成保护的概念，以及电力系统现有保护系统的运 北京交通大学博士学位论文第一章绪论 行经验，设计集成保护的方案，并分析集成保护方案的运行，提出集成保护方案 中各保护功能的组成。 研究集成保护中一些保护功能的算法并进行仿真实验验证。研究基于变电站 多处信息的保护算法，研究变电站主要设备变压器保护的新算法，研究具有集成 性质的基于故障暂态量的保护算法，研究基于同侧电流变化量的方向保护算法， 通过研究，表明集成保护中可以集成现有的保护算法，也可以根据更多的信息开 发新的保护算法，测控单元硬件条件允许特别是光互感器的应用，还可以实现具 有集成性质的暂态量保护。 集成对提高保护性能和应用水平的研究。由于集成保护可同时与变电站母线 所有进出线的电流互感器相连，可同时获得变电站各处的电流电压信息，可用来 研究新型的电流互感器饱和问题、电压互感器断线解决方案；研究集成保护中利 用集成信息提高低周减载的性能，使集成保护不仅具有电力系统的保护功能，还 能起到对系统安全稳定控制的作用。 基于a g e n t 技术的集成保护协调与统筹的研究，研究分析a g e n t 技术的特点， a g e n t 技术在继电保护中的应用，设计基于a g e n t 技术的集成保护方案并举例分析其 优越性。 集成保护硬件平台设计及其功能的实现研究，研究集成保护通信系统及方案 设计，分析集成保护的可靠性问题。 1 2 第二章集成保护与控制方案设计及运行 2 1 集成保护的概念及构成 “集成保护”是指将变电站全部信息集中于一个计算机系统中，形成可靠、 灵活、多样互补的集中式保护系统，保护变电站内多个独立设备的同时，集成保 护还可包括控制功能，是保护控制一体化装置。如图2 1 所示，变电站内的所有 设备、进线出线的保护集中由一个计算机保护系统实现，为保证系统的安全可靠 性，计算机保护系统采用完全的双冗余配置。 图2 1 集成保护示意图 f i g 2 1d i a g r a mo f i n t e g l a t e dp r o t e c t i o n 集成保护系统中，主要由三大部分构成： ( 1 ) 接口单元( i u ) ：测量控制单元，通过不同类型的传感器与各个设备相连， 比如传统的c t 和p t 、光互感器等；接口单元可按变电站内二次系统的集中情况 集中或分布设置，通过大容量的光纤网络将测量值实时传送至集成保护单元；接 口单元同时也可以通过控制回路接收和发送控制信号。结合i e c 6 1 8 5 0 的应用， 接口单元可以按后面提到的合并单元设计。 ( 2 ) 光纤网：应用光纤以太网作为集成保护的通信网络，为保证可靠性采用 环网或双冗余结构，使用标准的网络通讯协议如i e c 6 1 8 5 0 ，使接口单元或合并单 元、集成保护与系统间实现无缝通信。 ( 3 ) 集成计算机继电保护单元：集成继电保护的功能在大型机上实现，通过 网络接收到来自变电站各地的测量信息，并通过通信网与各相关变电站交换信息。 1 3 北京交通大学博士学位论文第二章集成保护与控制方案设计及运行 集成保护的各功能模块通过分析计算，确定在该变电站内或者与其相连的线路是 否有故障发生。如有故障，相应的功能模块通过判断分析将发出指令，驱动相应的控 制回路跳开故障相关的断路器。 集成保护与控制装置安装在变电站，对连接于变电站的每条线路和设备都能 起到保护作用，各变电站集成保护装置可通过大容量光纤网络进行通信；光纤通 信网络不仅与合并单元( 接口单元) 、集成继电保护单元通过通信网关相连，并接 于全球卫星定位系统g p s 时钟等实现站间准确对时。 集成保护的配置应符合变电站综合自动化分层分布式原则，符合保护“下放” 到室外开关站被保护设备旁的大方向。在1 1 0 k v 及以下变电站，可采用集成计算 机保护，而对于2 2 0 k v 及以上特别是5 0 0 k v 及以上系统，从安全性出发，主保护 愈独立愈好，可将后备保护集成。在2 2 0 k v 系统中，采取主保护双重化配置，可 考虑独立一套，集成一套。 集成保护通过各种传感设备，采用软硬件相结合的方法，同时获取变电站内 的多处信息，在实现各独立保护功能的基础上，各保护功能之间易于协调配合， 集成保护可以集成传统保护原理，也可产生新的保护功能，提高保护的整体性能。 随着变电站通信技术的发展，i e c 6 1 8 5 0 标准协议的应用、光互感器的发展应用等， 集成保护将有广阔的研究应用前景【槔4 5 】。以下介绍几种集成保护方案。 2 2 基于过电流原理的配电系统集成保护方案 2 2 1 保护方案的基本原理 图2 2 描述了基于过电流原理的配电系统集成保护方案，集成保护方案主要 以成熟的过电流保护技术为基础。该方案结合了传统过电流保护技术和配电系统 的最新发展状况，包括了瞬时跳闸单元，相继加速跳闸单元以及分别直接跳闸单元 等多个环节。 如图所示，集成过电流继电保护( i n t e r g r a t e do v e r c u r r e n tr a l a y , i o r ) 安装于变电 站，同时i o r 与该变电站所有母线的进出线上各c t 相连，该保护还与连接母线 的p t 相连接以便于进行方向的测量。i o r 装置以过电流原理为基础，既有传统 保护功能，又赋以新的保护功能特性，构成新型的三阶段保护，其中第一、二阶 1 4 段作主保护，第三阶段作后备保护： 图2 2 集成网络保护方案 f i g2 2i n t e g r a t e dn e t w o r kp r o t e c t i o ns c h e m e 第一阶段是方向过流瞬时跳闸阶段。每个集成保护装置设有多个电流整定值， 用以保护到与之相连的整个输电线路。集成保护可通过计算与整定值比较，当故 障发生在传统电流保护的i 段范围内时，相关保护模块瞬时启动与故障线路相连 的断路器跳闸。同时，如果通信通道可用，集成保护可发送方向信息给远端相关的集 成保护以及集成网络保护( r n p ) 单元。 如果基于电流整定值的集成继电保护装置没有瞬时动作，保护方案的第二阶 段可以按两种保护功能反应故障，其中之一取决于被保护线路的两端集成保护是 否有通信通道，当通信通道满足要求应用配电系统方向比较技术可实现线路两端 的纵联跳闸；否则，作为功能之二，应用配电系统的无通道技术可实现加速跳闸 4 6 - 4 9 。 第三阶段，集成网络保护单元( i n t e g r a t e dn e t w o r kp r o t e c t i o n ，r n p ) 会接收来自 网络中的所有i o r 继电器发出故障信息