电力系统继电保护与自动化技术的发展动向.ppt

1、报告内容一 电力系统继电保护与自动化技术的发展动向 湖南大学 周有庆,1、电子信息技术在保护和控制领域的应用进程,随着计算机技术、网络通信技术和自动控制技术的发展，电力系统保护和控制技术已经得到了迅速发展。电力系统保护与控制技术的发展，是以电子信息技术的发展为基础，以信息技术应用为核心，其发展历程也就是信息技术在保护和控制领域的应用过程。 电子信息技术包括了微电子技术、通信技术、计算机网络技术、计算机软件技术、计算机硬件技术、数据库技术、系统工程等内容。电子信息技术的蓬勃发展将为电力系统保护和控制技术提供非常广阔的未来发展空间。,1、电子信息技术在保护和控制领域的应用进程,1）分层分布式变电站

2、自动化系统网络的发展，为继电保护和控制技术带来了新的设计理念-基于网络化的硬件平台概念。 2）新型电子式互感器的研究开发为继电保护和控制等二次设备发展带来了新的变革，有助于促进变电站的数字化、网络化、集成化发展。 3）WAMS是以同步相量测量技术、现代通信技术和实时数据处理技术为基础，对电力系统进行动态监测和分析的系统，可以为电力系统安全稳定控制服务。,微机继电保护与变电站自动化控制技术密切相关，主要体现在：,2、网络化的保护控制装置硬件平台,1）装置硬件平台网络化是硬件发展的必然： 电力系统保护和控制日趋复杂性的要求 装置内部硬件平台的网络化才能更好的实现硬件的标准化、模块化 2）实现硬件平

3、台网络化的优势： 能增强装置应用的灵活性和可扩展性。 有助于继保控制专家和计算机应用专家充分发挥各自的专业特长，实现电力系统复杂问题最佳解决方案与最先进计算机硬件技术的完美结合。,2、网络化的保护控制装置硬件平台,微机保护控制装置内部的主要构成模块为： 1）模拟量及CPU处理模块（AI） 2）开关量输入模块（DI） 3）开关量输出模块（DO） 4）通信管理模块（MASTER） 装置内部采用计算机网络结构，所有主要的功能模块均作为网络节点连入计算机网络中，装置内部各模块间的信息传送，仅依赖于计算机网络，而无需任何其它电气连线。,装置内部网络结构图,优点： 网络连接代替原有的电气连接，强弱电回路分

4、离，提高了硬件的抗干扰能力； 实现了真正的硬件标准化、模块化； 硬件的平台化和可配置，增强了装置的灵活性和可扩展性。,3、技术发展回顾及传统CT、PT,技术发展回顾 传统的变电站，从控制室保护室开关设备，全部是由控制电缆一对一地完成；而现今的变电站的控制室与保护室已改用光纤通讯，仅剩保护与开关设备仍采用电缆连接，变电站的保护、测量控制、计量、远动等功能已合为一体。数字化信号采集的电子式CT、PT将取代传统的电磁式CT、PT设备。 传统CT、PT及其评价 传统的CT、PT采用电磁感应原理制成，基本部件包括铁心、铜导线、变压器油、绝缘材料等，其缺点如下：电压等级越高，短路电流越大，绝缘、体积、重量

5、也成比例增加；暂态特性差；CT二次侧输出对负载有严格要求；大电流下会造成铁心饱和；CT二次侧不能开路，PT二次侧不能短路。,变电站自动化的发展,电子式CT、PT出现的必然性 传感器、通信、计算机等信息技术的高速发展 计算机化的保护、测量、计量设备为电子式互感器提供了配套的数字化接口 光纤技术成为最好的抗干扰绝缘材料 电力技术的发展，高电压大容量输电要求控制保护设备响应速度更快，监测精度更高,4、电子式CT、PT及应用前景,目前研究开发的电子式CT、PT分类 基于Rogowski线圈的CT、电容分压式PT，先将高电压大电流变换成小电压信号，就近经A/D变换成数字信号后通过光纤送给低压侧接收端，因

6、高压端电子设备需要供电，称为有源式传感器； 利用光学材料的电光效应、磁光效应将电压、电流信号转变成光信号，经光纤送到低压区，解调成电信号或数字信号，用光纤送给二次设备。因高压区不需要电源，所以成为无源式互感器,4、电子式CT、PT及应用前景,电子式CT、PT的优点及国内外的研究情况 电子式互感器与传统互感器相比有如下优点：体积小、重量轻；便于和数字设备接口；绝缘性能好，造价低；不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振现象；暂态特性好，测量精度高；频率响应范围宽。 在国外，ABB的PASS系统已成功地应用于工程，三菱的MIST也可以进行工程供货，ALSTOM、SIEMENS公司也将其产品列入供货范围；在

7、国内，华南理工、清华等各大院校的电力和电子专业也在积极的开展这方面的研究，国内的大型互感器生产厂家也在积极参与，目前已有多家产品挂网试运行，但尚未形成真正的产品。,4、电子式CT、PT及应用前景,5、ABB公司的PASS系统,PASS可称为智能接插式开关，是装在一个公共气罐上的断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压传感器，以及套管组成一个气体绝缘金属密闭组合体。其电子CT采用Rogowski线圈，PT采用电容分压的有源方案，安装在PASS中的过程处理单元（PISA），将电流、电压、刀闸位置、气体密度信号等经星型耦合器连接送入PISA处理后送出。如下图所示。,6、过程总线与IEC61850,制定

8、IEC61850规约是以UCA2.0为基准开展的，目的主要支持多个厂家的IED具有互用性、互操作能力，在变电站局域网的范围内实现控制数据的无缝连接。 IEC61850的特点是：（1）分层：将变电站划分为变电站层、间隔层、过程层，各个物理设备由服务器和应用组成，他们的数据库也是分层的；（2）采用了抽象通信服务接口（ACSI）的概念，它与具体的网络独立；（3）采用了面向对象的信息自我描述方法。,6185091的系统结构,6185092的系统结构,全站范围同一总线系统结构,目前，国内外的WAMS应用包括事后分析、在线监测和在线预警等，主要有以下几类： （1）在线扰动识别； （2）系统振荡在线监测与离

9、线分析； （3）事件重演与仿真曲线校核； （4）静态功角稳定裕度监视； （5）暂态功角稳定监测与预报； （6）发电机组进相运行监测； （7）电压动态过程监测与动态稳定预报； （8）负荷特性与机组参数辨识。,7、基于WAMS的电网动态监测系统,在GPS统一授时的基础上，WAMS能够实现对广域电网运行状态的实时同步监测。在信息共享方面，由 PMU 将测量的电网运行信息贴上时间标签通过实时通信网络提供给监测中心，以便作全局性的分析和控制。,WAMS系统结构,1) 基于广域信息的电网保护 目前，国内对电网继电保护的理解一般还只是输电线故障时切除故障线路，随着PMU（相量测量单元）的出现和通信技术的发展

10、，基于广域电网信息的电网保护成为国际上的一个研究热点，它实际上包括了防止电网垮台、防止电网事故升级的多种保护措施，而这些保护措施都是基于广域信息基础上的系统保护。,8、继电保护研究的新发展,第一道防线：高速、快速切除故障元件的继电保护系统 第二道防线：分散安装的保障电网安全运行的安全自动装置 第三道防线：失步解列与频率、电压控制,电力系统“三道防线”要求,电网故障发生后，现场的快速主保护迅速切除故障，广域保护也同时启动。广域保护系统同时监视断路器的动作情况，在断路器失灵时根据当前网络的拓扑结构，迅速跳开相邻开关，加速后备保护动作，构筑第一道防线。 广域保护系统通过将继电保护和紧急控制的动作时序

11、进行配合，实现广域安全自动控制功能，主要包括广域切负荷、切机、发电机汽门控制、频率和电压异常控制等，构筑了第二道防线，即防止稳定破坏和参数越限的安全自动控制和紧急控制功能。 当系统受到严重扰动而失去稳定，导致异步振荡时，能够将失步的互联系统进行优化解列，形成若干个独立稳定的子系统，构筑了第三道防线，防止系统崩溃事故的发生。,满足“三道防线”要求的广域保护系统,1) 电力系统实时动态监测系统 由安装在各变电站的同步相量测量单元（PMU） 、安装在电力系统调度中心、变电站或发电厂的主站通讯系统，构成电网广域测量系统（WAMS），实现对地域广阔的电力系统运行状态的监测和分析。,广域保护系统的构成,2

12、) 广域继电保护算法和广域自动控制策略（基于广域信息切负荷、切机等） 3) 电力系统实时控制系统 由安装在各变电站的自动控制装置及安装在调度的控制中心联网，实现广域自动控制策略。,广域保护系统的构成,2) 暂态原理保护研究活跃 暂态保护 “基于检测故障所产生的高频暂态量的输电线路保护” 。 暂态保护包括暂态行波保护和利用暂态量频率特性的保护, 而后者才是严格意义上的暂态量保护。 暂态量的保护主要具有响应快和准确度高的优点, 而且不受工频现象(如过渡电阻、 系统摇摆和电流互感器(TA )饱和)的影响；新型暂态量保护还具有原理和滤波器设计简单、 保护容易设置和掌握等优点。,8、继电保护研究的新发展

13、,微机处理速度的越来越快，可以采用很高的采样率，做相当复杂的运算处理； 信号分析工具也有了许多发展，例如小波分析方法等； 电子式CT、PT的应用，可以更直接地反应故障时的暂态量。,暂态保护研究背景,A. 行波保护：最早的暂态保护，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。 优点：响应快、方向性好和不受系统摇摆和电流互感器(TA )饱和的影响。 行波保护分类：行波差动保护、 行波极性比较式纵联保护、 行波判别式方向保护、 行波幅值比较式方向保护和行波距离保护。 局限性：行波信号的不确定性；没有自适应的暂态信号识别方法；难以区分由于雷电、网络操作、谐波等影响

14、产生的行波与故障暂态行波。 前景：小波分析的应用,暂态保护研究现状,B. 基于暂态量频率特性的保护：通过探测故障时产生的高频电压和电流信号来检测故障的产生。 普遍存在问题：暂态信号的获取问题。 另外，对于有通信暂态保护，当前仍存在保护所使用的通信通道容量、质量及成本较高等问题；对于无通信暂态保护，还存在着由于雷击、刀闸操作所引起的暂态信号容易引起保护误动、难以实现故障选相、电压过零点故障时保护灵敏度不够等问题。 前景：小波变换技术、DSP 技术、高速采样芯片、GPS 技术、光纤通信技术、光电传感器技术等的发展和在电力系统中的应用将极大地促进基于暂态量的保护的发展。,暂态保护研究现状,小波变换可

15、用于在工频分量、暂态分量和行波中提取故障信息，因此广泛用于： 线路和元件保护 线路故障定位（暂态行波测距） 自动重合闸 接地故障检测 故障启动算法,小波变换技术在继电保护中的应用,3) 自适应继电保护： 针对电力系统频率变化的影响、 单相接地短路时过渡电阻的影响、 电力系统振荡的影响以及故障发展问题 ，采用自适应控制技术，从而提高保护的性能。 优点：改善系统的响应、 增强可靠性和提高经济效益 实现条件：保护的计算机网络化 应用：输电线路的距离保护、 变压器保护、 发电机保护、 自动重合闸等领域。,8、继电保护研究的新发展,报告内容二 新型电子式互感器及其应用 湖南大学 周有庆,新型电子式互感器

16、,PCB板型空心线圈电流传感器-用作智能电能表及微机保护装置的电流传感器 一次直导线PCB电流互感器-用作高中压电力系统的电流互感器 检测电容电流型电子式电压互感器-用作高中压电力系统的电压互感器,结构原理 有一层或多层PCB电路板，PCB所有或部分层中的每层上设有N个相同的平面螺旋线圈，N为4以上的偶数，N个螺旋线圈对称分布，每层相邻的螺旋线圈依次串接，层与层上的螺旋线圈通过过孔连接，首末两个端头作为输出端，构成二次线圈；一次线圈紧绕每层PCB上N/2个彼此不相邻的螺旋线圈，印制在PCB上或镶嵌在PCB上，构成一匝或多匝环路 。,一、 PCB板型空心线圈电流传感器,结构原理图,一、PCB板型

17、空心线圈电流传感器,1、2、3、4为PCB板上下层二次线圈的连接过孔 5、6、7、8为PCB板下层二次线圈（未示出） 9、10、11、12为PCB板上层二次线圈 13为二次线圈感应电压输出端口 14为一次电流导体 15为一次电流输入端口,一、PCB板型空心线圈电流传感器,抗外界干扰性能分析,A、B、C、D为空心线圈 i1、i2、i3为附近干扰电流，与印制板处于同一平面,一、PCB板型空心线圈电流传感器,(1)干扰电流i1产生的交变磁场通过螺旋线圈A、D时，两螺旋线圈感应的电动势大小相等，方向相反，串联而相互抵消，线圈B、C感应的电动势也相互抵消； (2)干扰电流i2产生的交变磁场通过螺旋线圈A

18、、B时，两螺旋线圈感应的电动势大小相等，方向相反，通过其它层线圈串联而相互抵消，线圈C、D感应的电动势也相互抵消; (3)干扰电流i3产生一个线性梯度磁场，线圈B、D感应的电动势方向相同，通过其它层的线圈而串联，设叠加后的电动势为e1，线圈A、C感应的电动势方向相同，设叠加后的电动势为e2，可以看出：e1与e2方向相反，大小近似相等，串联而相互抵消。 (4)垂直印制板的干扰电流产生的磁场与传感线圈的每一匝平行，则无影响。,抗外界干扰性能分析,一、PCB板型空心线圈电流传感器,抗外界干扰性能分析,远端干扰磁场穿过线圈时，螺旋线圈A、D感应的电动势大小相等、方向相反，串联而相互抵消，同样螺旋线圈B

19、、C感应的电动势也相互抵消，见图2。同理，其它层相邻的螺旋线圈因远端磁场感应的电动势均相互抵消。,综上所述：PCB板型空心线圈基本不受外磁场干扰的影响。,技术特色 1)本空心线圈电流传感器采用空心线圈，没有铁磁材料，不会因被测电流大而饱和，具有很高的线性度，且频带宽； 2)本空心线圈电流传感采用多个均匀分布的传感线圈串接组成，外界干扰磁场在相邻线圈之间所产生的感应电动势大小相等、方向相反，最终串接相互抵消，起到了对外界干扰磁场无响应的作用，不需另外加电磁屏蔽层，且保证了测量精度； 3)本空心线圈电流传感器可采用PCB制作，可显著降低成本、制作工艺精细、便于批量生产，且受温度影响小，还便于与电子

20、式电能表和微机保护装置中的电子电路集成。,一、PCB板型空心线圈电流传感器,一、PCB板型空心线圈电流传感器,PCB板型空心线圈电流传感器实物,PCB板型空心线圈,PCB线圈三相电流传感器,一、PCB板型空心线圈电流传感器,实验数据与波形,实验数据表明：在小电流测量时，幅值误差与相角误差均满足0.2级精度要求。,IN=100A下的实验数据,一、PCB板型空心线圈电流传感器,实验数据与波形,稳态波形,二、一次直导线PCB电流互感器,1为一次电流导体 2、3、4、5为PCB板上层二次线圈 6为模拟积分器 7、8、9、10为PCB板下层二次线圈（未示出） 11为PCB板 12为固定螺孔,结构原理图,

21、每层PCB上均有4个相同形状的平面螺旋线圈，可以将其设计成方形、圆形、椭圆形或其他形状，要对称摆放，将它们的磁中心连线后应为等边四边形(正方形或菱形)，每层相邻的螺旋线圈顺次串联，层与层之间的螺旋线圈通过过孔顺次串联，首未端头作为二次电压的输出端。同理PCB平面螺旋线圈可设计成偶数多层板，各层PCB的对应位置平面螺旋线圈要互相串联，然后四个多层平面螺旋线圈依次反极性串联输出二次电压，或设计成双层板叠装成多层PCB，采用多个双层PCB输出二次电压端互相串接输出二次电压。,二、一次直导线PCB电流互感器,结构原理,二、一次直导线PCB电流互感器,结构原理,一次直导线可以是一匝或多匝，截面为圆形、方

22、形或其它形状的导体，根据一次直导线截面积的大小或匝数多少，二次PCB平面螺旋线圈可以镶嵌在直导线的契槽中或线匝中，也可以紧贴一次直导线，一次直导线右侧边缘与平面螺旋线圈2右侧边缘对齐紧固可以获取最大的互感系数。互感系数的大小可根据要求通过改变一次直导线与螺旋线圈的位置来实现，也可以通过改变PCB板的层数来实现。,由电磁场理论可知：一次被测电流与二次线圈感应电压之间存在以下关系,二、一次直导线PCB电流互感器,结构原理,从上式可以看出，PCB空心线圈的输出电压与一次被测电流的导数成正比，它是一个微分环节，因此需要依赖后续积分环节将输出电压转换成与被测电流同相位的关系，以满足电流互感器对输入和输出

23、信号同相位的要求,当外界均匀或远端磁场与PCB螺旋型空心线圈平行时，穿过二次螺旋线圈的磁通为0，在测量线圈上所感应的电势也为0。因此该方向的干扰磁场对传感器的测量精度无影响 当外界均匀或远端磁场垂直作用于PCB上时，因所有二次螺旋线圈结构参数完全一致且依次串接，四个二次螺旋线圈的感应电动势大小相同，方向相反，通过依次串接最终抵消，使得外界干扰磁场在整个传感器中无响应输出 综上所述，可知该传感器对外界均匀或远端磁场具有很好的抗干扰能力,二、一次直导线PCB电流互感器,抗外界干扰性能分析,1、2、3、4顺次串联，组成PCB电流线圈，5、6、7分别为垂直、平行及呈一定角度的外界干扰源,二、一次直导线

24、PCB电流互感器,频率特性分析,PCB电流传感头接模拟积分器的频率响应仿真曲线,由仿真曲线知：当积分电容C=0.1uF时，互感器的工作频率范围为10106 rad/s (即1.61.6105 Hz)，超过测量标准规定的最高40次谐波测量的要求。 因此，互感器具有很好的频率特性。,二、一次直导线PCB电流互感器,暂态特性分析,仿真表明：互感器的输出电压信号，很好地跟随了故障电流的变化，具有实时性，且积分电容C越大，暂态跟随性越好。,PCB电流传感头接模拟积分器的暂态响应仿真曲线,二、一次直导线PCB电流互感器,PCB电流互感器传感头实物,二、一次直导线PCB电流互感器,实验数据与波形,稳态波形

25、（CH2为一次电流，CH1为二次电压）,示波器记录的暂态波形图,二、一次直导线PCB电流传感器,实验数据与波形,其中，ch2为一次电流波形图，ch1为二次输出电压波形图,实验数据与波形,二、一次直导线PCB电流传感器,线性度实验数据,电子式电流互感器总结,PCB板型空心线圈电流传感器与一次直导线PCB传感器均采用空心线圈PCB板绕制方法，此方法制作加工简单，便于批量生产，且可以多块板串联叠加，调整互感系数容易、方便。 由处理电路对二次线圈感应的电压信号做差分放大、积分等处理，从而使电流互感器输出的二次电压信号与一次电流信号在幅值与相位上满足互感器精度要求。其中PCB板型空心线圈电流传感器因体积

26、小、质量轻，适合于电能表计及微机保护设备的电流传感；一次直导线PCB传感器适合于大电流的检测。,结构原理图,三、检测电容电流型电子式电压互感器,三、检测电容电流型电子式电压互感器,微型电流互感器TA检测电容电流技术的优势,TA的二次负荷小，精度高； TA实现了一次电压与二次电流的电气隔离，保证了设备和人身的安全 利用铜导线传输二次电流，既保证了二次电流的精度，又利用差分原理极大地提高了抗干扰能力，与电容分压式EVT相比省去了复杂的数字信号光纤传输系统，消除了延时相角误差；与电容分压CVT比较消除二次导线传输电压信号引起的压降，提高了干扰能力； 采用TA作一次电压传感器省去了在恶劣工作环境下的一

27、次电源和二次电压信号数据采集及光电转换等装置，既简化了电路，又大大提高了电子式电压互感器工作的稳定性与可靠性。,基本原理 将被测电压经电容形成一次回路电流，微型电流传感器测量一次侧回路电流，从而输出一个与被测电压成比例变化的感应电压信号。检测电流与一次电压的关系式为：,i1(t)由电缆传输至电子信号处理装置，接电流电压变换放大电路，将电流信号转换成与之成正比的电压信号。由式可知，一次电流i1(t)相当于一次电压u1(t)求导后得到的，需要信号处理环节通过积分运算来获得与一次电压成正比的信号，故积分电路是必不可少的环节。,三、检测电容电流型电子式电压互感器,由于一次耦合电容器存在等值电阻，经过电

28、流电压变换电路和积分电路等环节，使EVT的输出电压和u1(t)存在微小相位差，因此在信号处理装置中加入了相位校正电路，使最终输出的二次电压us(t)与一次电压u1(t)的相位差在允许范围内。如果EVT二次输出电压信号是加在电子计量装置和微机保护装置上的，则从相位校正电路输出的电压信号即可作为二次电压信号；如果EVT二次输出电压信号加在常规的计量装置和继电保护装置上（用于替代CVT)，输出端需采用功率放大电路，以满足二次输出电压较高、输出功率较大的要求。,三、检测电容电流型电子式电压互感器,基本原理,三、检测电容电流型电子式电压互感器,数字输出的EVT原理接线图,三、检测电容电流型电子式电压互感

29、器,用于替代CVT的电子式电压互感器原理接线图,三、检测电容电流型电子式电压互感器,用于替代CVT的电子式电压互感器原理分析,（1）检测电容电流传感头,式中K1为精密电流传感器的变比。,若一次高电压,式中Um为一次电压幅值，为角频率，为初相位。 则通过电容器的一次电流,电流传感器的二次电流为,三、检测电容电流型电子式电压互感器,用于替代CVT的电子式电压互感器原理分析,（2）电流-电压变换电路,运算放大器输出电压,式中R为二次电流i2转化成电压信号u2时的取样电阻。,积分输出电压,三、检测电容电流型电子式电压互感器,用于替代CVT的电子式电压互感器原理分析,（3）积分电路,式中K2为积分放大倍

30、数。,由于高压电容器存在等值电阻，电流传感器线圈的有微小电感，经过电流-电压变换电路和积分放大器、功率放大器等环节，使电子式电压互感器的输出电压us(t)和u1(t)存在微小相位差.调节相位校准电路，可以使两者相位一致。相位校准电路输出电压为,三、检测电容电流型电子式电压互感器,用于替代CVT的电子式电压互感器原理分析,（4）相位校正电路,三、检测电容电流型电子式电压互感器,用于替代CVT的电子式电压互感器原理分析,（5）功率放大电路,记K3为功率放大倍数，则功率放大后输出电压,由式可知，二次输出电压的大小与一次侧高电压成正比。因此，通过测量流经一次侧高压电容器的电流可以方便的检测出一次侧高电

31、压；,三、检测电容电流型电子式电压互感器,技术特点,（1）结构简单、体小质轻 （2）测量精度高、暂态特性好 （3）无铁磁谐振、抗干扰能力强 （4）省去油箱节能环保 （5）绝缘性能好、工作稳定可靠,三、检测电容电流型电子式电压互感器,检测电容电流型电子式电压互感器样机,三、检测电容电流型电子式电压互感器,检测电容电流型电子式电压互感器的稳态性能分析,由仿真曲线知：电网频率在4555Hz很宽的范围内变化，其一次数值误差0.0006%，相位差0.45，因此电网频率对新型EVT一次侧误差的影响很小。,频率仿真曲线,三、检测电容电流型电子式电压互感器,稳态试验数据与波形,稳态实验数据 (一次额定电压110/3KV),三、检测电容电流型电子式电压互感器,稳态试验数据与波形,稳态输出波形,三、检测电容电流型电子式电压互感器,检测电容电流型电子式电压互感器的暂态性能分析,（1）一次电压在时刻突然短路暂态过程分析,图中R为电容C的等值电阻与TA二次电阻折算至一次侧电阻之和；L为TA一次绕组电感。,三、检测电容电流型电子式电压互感器,检测电容电流型电子式电压互感器的暂态性能分析,由于电路参数,，当发生一次短路时，电容C上的电压和TA一次回路,电流进入按指数规律衰减的振荡过程。,式中,为振幅的