数字保护·第八章.讲义.ppt

1、第八章 数字保护技术的新发展及发展趋势,自适应控制原理在继电保护中的应用 智能控制理论在微机继电保护中的应用 综合自动化的发展趋势与微机保护,自从微型计算机引入继电保护以后，继电保护技术在一些方面得到了明显的进步。正如本书第1章所指出的那样，微机保护在利用故障分量(或称作突变量)方面得到了长足的进步。在另一方面，自适应控制理论与继电保护结合而产生的自适应式计算机保护也得到了比较大的发展。这些技术在不同方面，不同程度地完善了常规集成电路保护的性能和指标，计算机通信和网络技术的飞速发展及其在电力系统中得到推广应用，使得变电站和发电厂的集成控制和综合自动化得以比较容易实现并简化了保护和控制系统的结构

2、。 近10余年来，人工智能(AI)技术在电力系统中逐步得到应用。这些发展不可避免地会影响到继电保护技术。首先，这些技术中如专家系统(ES)和人工神经网络(ANN)，最早是应用于离线的故障分析和继电保护的整定计算。随着研究、开发工作的深入开展、己逐渐引入到在线的实时应用中去，特别是模糊控制。虽然这些工作尚属初步，但已显示出它强大的生命力和吸引力。,第一节 自适应控制原理在继电保护中的应用,自从计算机继电保护出现以后，人们很快地联想到自动控制原理可以直接引入到继电保护中去。自动控制技术是需要用到很多数学运算的。数字式电子计算机的数学处理是通过程序实现的，使用起来较模拟计算机简单和易用，即使是比较复

3、杂的运算也不会使硬件复杂化。模拟式电子计算机则不同，其硬件规模和运算的复杂程度直接相关，所以不易为继电保护所接受。 自数字式电子计算机继电保护出现后不久，在70年代中期，人们即已提出计算机保护具有能实现自适应原理这一优点，在各种自动控制原理中，人们之所以首先想到自适应原理，是由于自适应原理的各种概念、方法与继电保护原理比较接近，最易于在继电保护中实现。但尽管如此，直到80年代初、中期，自适应式继电保护才真正进入实践性探讨阶段。此后则陆续将其应用于实际的微机型继电保护装置（产品）中。,一、定义问题,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

4、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，才决定本侧跳闸信号是否允许发出。检查同期自动重合闸要有对侧重合成功信号才允许重合等等，这一类的例子是很多很多的。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等。所有这些，都说明从开始有继电保护起，其本身就须要有适应电力系统故障情况的能力。即使最简单的定时限过电流保护，也要识别短路电流是否越过一定限度，越过不同的限度(整定值)就用不同的时延跳间。这就是继电保护固有的特性。,70年代，有人提出计算机继电保护可以实现自适应功能。这时候所指的自适应功能的含义不同于上述的常规继电保护所具有的功能，而

5、是更高层次的自适应功能，即如右图所示的功能。上述的逻辑控制型和相关特性型的适应能力统统归于常规保护范围内。现代的自适应保护应该在此基础上有意识、有目的地增加自适应模块，以得出更优越的特性。,自适应式继电保护示意图,随着继电保护技术的发展，也可能出现一些新的逻辑控制型或相关特性型的保护原理，如果其基本性质与常规保护的适应相似，则仍不属于上面所述的自适应保护一类。,二、自适应式继电保护的分类,为了更好地发挥自适应原理的作用，对这种保护进行适当的分类是必要的。分类方法有多种，但比较恰当的方法是按照自适应模块的构成进行分类。即 1)按照自适应对策进行分类； 2)按照识别的情况进行分类。,按照自适应对策

6、进行分类，可区分为 1)整定值自调整式自适应保护； 2)系数自调整式自适应保护， 3)变结构自适应保护； 4)环境的自适应调节。 按照识别的情况进行分类时 1)故障前识别； 2)故障后识别。 除了上述两种分类方法外，还可以按目的来区分。例如，有些自适应策略是为了提高保护的灵敏度的，有些自适应策略是为了提高保护动作速度的等等。此外，还可以以信息来源进行区分，如就地信息和远方信息等。,三、自适应控制原理在继电保护中的实际应用,首先应该明白，自适应原理在继电保护中的应用不同于在自动控制系统中。在自动控制中，如果自适应控制占主导地位，那么，这一系统称为自适应控制系统。但在继电保护中，一个保护系统包含有

7、多种功能。可能在其中某一功能采用自适应原理，甚至这一功能在整个保护系统中不占主导地位，也可以采用自适应原理，另一方面，在一个保护系统中，也可能在“个以上的功能方面采用不同的白适应策略。所以，很难说某一保护系统是自适应式继电保护，而更多情况可以说某一保护系统中采用了自适应控制原理。,下面列举一些已得到实际应用的实例,1.配电网络的自适应保护系统 配电网络的继电保护一殷以过电流保护为主，而过电流保护的灵敏度和保护范围，动作速度等受电源情况的影响很大。在计算机网络技术发展的支持下，将自适应原理用于配电网的保护系统后，这种不利的影响可得到比较大的改进。,如图是一种实现方法之一。整个系统分为3层：中央控

8、制层、变电站控制层和继电器层。变电站的控制计算机将该变电站的各开关负荷状态上传给中央计算机。中央计算机根据电力系统电源及上层网络状态以及各变电站上传的状态信息综合分析计算出影响各保护继电器的主要因素，以至具体整定值，再通过网络下传至各继电器。各继电器就能以适合当前电力系统状态的整定值(包括方向继电器的投切)，在保证选择性的前提下获得最高的灵敏度和最快的动作速度。,配电网自适应保护系统,配电网的自适应继电保护系统在一些国家受到比较大的关注。由于这些国家的配电网络较多地使用反时限过电流继电器，整定计算较复杂一些。当系统网络状态变化时，改变定值比较复杂和麻烦。因此，往往是不太大的改变时，就不去改变。

9、这导致动作性能不能及时地加以改善，使保护的灵敏度及动作速度受到影响。采用自适应保护系统以后，情况就得到改善。,2.自适应式电抗继电器,理论上，电抗继电器仅反映测量阻抗中的电抗分量，不受过渡电阻的影响，但事实上在两端电源输电线路上，由于对端助增电流的影响。过渡电阻上的电压降，不与电流在输电线的电阻分量上的压降同相位。换句话说，测量阻抗ZM中过渡电阻ZR的那一部分是复数，在区外ZK处短路(如图)时，测量阻抗ZM的虚部XM会短于整定电抗XY，判为内部短路，成为区外短路超越误动。,自适应式电抗继电器原理,自适应原理如下： 由于 较水平线下偏了一个角度 ，如果使继电器的动作电抗线X也下偏一个角度 ，则测

10、量阻抗 仍在动作区外而不会误动。但 角不能直接测量到。因为 而 不可测， 与 有一相位差 ，但 随短路点而异。用整定点短路时的 值(可预先计算)代替变化的 值，即 作为已知的 值，求得电抗线的下偏角 这里， 是预先根据零序网络参数计算得到。下偏角 由当时的 、 随时算出。换句话说， 值自动适应电力系统的实际状态而得，从而改善了保护的动作性能。,3、自适应式发电机定子接地3次谐波电压保护,发电机定子绕组一点接地时大容量电机都要求有100的保护，即在发电机定子绕组的中性点则接地故障时，继电保护也能动作，而且要有较高的灵敏度。 常用的保护原理之一是利用定子电压的3次谐波分量 和 的比较。这里 是发电

11、机个性点处的3次谐波电压，在正常运行时，这两个电压相对比较稳定，因此通常按下面原则构成保护，即 在此处 。正常运行时，调节 值（补偿系数)，左侧接近于零，保护不动作。接地时，等式左侧增大，右侧下降，到一定程度时保护动作。 但实际运行时 和 以及 不完全恒定，而是随发电机的负荷变化而变化，如图8.4所示。因此， 值的选取通常按某一适中的发电机运行工况下求得最好的平衡，在其他运行方式时，等式左侧增大，这时，靠右侧的 值适当选取稍大一些，以保证在各种运行方式下都不误动作。但这样一来，便限制了保护的灵敏度，常规的保护仅能达到 的接地电阻的灵敏度(对大型汽轮发电机)和 (对大型水轮发电机)。这样的灵敏度

12、尚不能满足发电机对保护的要求。,为提高定子接地保护的灵敏度，用自适应原理来提高其灵敏度。 上面判据中影响灵敏度的关键是 值进一步降低。而 的降低受到等号左侧在不同运行方式下的最大平衡值的限制，自适应的方法就是使补偿系数 自动变化以使在任何运行情况下实现最优补偿，即在任何情况下(时刻k)。 由于在时刻k测量出 值不太可能，现在实用的办法是用时刻 值代替时刻k的 值。上述判据变为 只要 值取得足够短，正常运行情况下 与 相差便越小， 值便可选得越小从而使灵敏度得到显著的提高。实际的微机保护装置(图8.5)发电机中点接地短路时的灵敏度达到50 以上(对大型汽轮发电机)和6 以上(对大型水轮发电机)，

13、可以满足目前的大型发电机接地保护对灵敏度的要求。,P的 运行 变化 范围,自适应 100%定子 接地保护,4、自适应导纳型转子一点接地保护,发电机转子回路一点接地保护可分为两大类 外加直流电源测量转子回路的对地电导 外加交流电源测量转子回路的对地导纳 两种原理都得到比较广泛的应用。,导纳型转子一点接地保护原理接线图,导纳型转子一点接地保护工作特性,在电源端口可测得电压 和电流 ，由此得出其测量导纳 测量导纳 决定于整个回路的R、hj、ej以及各处的对地电容C相对地电阻Rg的大小。hj及ej选取得接近工频谐振状态,呈电阻性。当Rg=0，即发生金同性接地时，测量导纳为 。当Rg从 时，测量导纳 沿

14、弧线l的轨迹变化。l是一个等电容圆的一段弧线，即令C固定不变而让Rg变化时的轨迹。R1是一个等电阻圆的一段弧线，即今Rg不变时，电容C从 变化时测量导纳的变化轨迹。常规导纳保护追求的是等电阻特性，追求整定一个固定的接地电阻值，即继电器的动作电阻 是一个固定值，与转子系统电容值无关。因此，其动作特性为R1圆。 运行经验说明，导纳型转子一点接地保护动作不容易稳定。分析说明，由于Yo点在R1圆上，即使金属接地，继电器也处于临界动作状态，表现出动作的不明确性。当Rg增加时，测量导纳 按l轨迹 向作非线性改变。Rg从零值增加一小电阻值时，在l弧线上变化一大截。但Y值靠近 时，Rg变化很大，但在l弧线上却

15、变化很小。运行分析还表明，随发电机运行工况变化而变化。当 改变时，l弧线也随之改变，造成继电器动作不稳定。为避免误动作不得不降低整定值。,为了克服上述缺点，用自适应原理并且将动作特性R1改为动作特性R2(见图8.7)。这一新原理将动作判据的出发点改至 处，设置的特性圆R2的动作区是在圆外，而非圆内。即当测量导纳 时保护不动作，仅当 改变到圆外时才动。由于 会随发电机工况变化，R2圆应该覆盖 全部可能大的面积。这样，保护不会误动作，但灵敏度仍然不够高。 为了提高灵敏度，采用了自适应原理。令 式中 时刻k的测量导纳； 时刻A前一个丛时刻的测量导纳； 根据各种运行状态中选定的一个适中的无接地故障(

16、)时的整定导纳，作为R2的圆心； R2的半径； 考虑正常性情况下，时间内最大的测量导纳变化量的整定值。,则保护跳闸(动作)信号为 考虑绝缘水平的逐渐下降，设置一个绝缘下降信号 此处 表示 置信号出现时间超过整定时间t后给出告警信号。A的意义是在 时间内，测量导纳变化超出定值。B的意义是突变前测量导纳 没有超出R2范围，亦即主系统没有发生大扰动。A、B同时满足，即可以跳闸。C表示扰动、突变后测量导纳落在R2之外。如果此前 是即 已越出R2，意味突变前发生过大扰动，但扰动后油量导纳落在R2之内。C=0则属于在大扰动中、如电力系统振荡、发电机开关切除或解列，使测量导纳突然回至R2之内，此时并非转子一

17、点接地，保护不应动作。 此种自适应式转子一点接地导纳保护已用于一些大型水轮发电机上，动作稳定，灵敏度达15 。,5、自适应式双母线保护,变结构自适应原理 采用所谓的“运行方式字”技术。母线I有一个“运行方式字I”，用以表达乔母线I有哪些断路器接入。同样，“运行方式字”表达在母线有哪些断路器接入。例如 字I101101 字010001 表示接入母线I的有第1、3、4、6号断路器，接入母线的有第2、6号断路器，其中第6号断路器接入两条母线，即为母线联络断路器。,双母线差动保护原理图,自适应模块的任务足识别母线运行方式，将识别结果写成“运行方式字”。差动保护根据运行方式字读入有关断路器的电流，构成母

18、线I的所谓“小差动保护I”和母线的“小差动保护”，这样就实现了差动回路和一次系统结构相适应。同样，跳闸回路也根据“运行方式字”构成。使“小差动保护I”动作时准确地跳开母线上的所有断路器。 至于运行方式识别的技术，也有全部用断路器的辅助触点位置组成。但需要考虑断路器的辅助触点易受影响而接触不良，使运行方式字出现错误，所以另外提出用电流识别法即用接索法找出什么样的运行方式字能使和。只有同时满足此条件的，才为正确的运行方式字。当双母线系统所连接的断路器存在等电流元件例如平行双回线时，电流无法区分是哪一条进行切换。此时仍需利用断路器辅助触点协助。因此，较完善的识别方法是同时利用断路器辅助触点和电流识别

19、两种，互相校核。 采用上述自适应原理的微机母线差动保护己在我国一些变电站和发电厂的双母线系统中得到应用。,6、自适应原理在变压器差动保护中的应用,变压器差动保护的一个特点是各电压侧的电流互感器的二次电流不一定得到匹配，要求电流在数值上有一个变换系数实现平衡。这个变换系数与变压器的变压比有关。对带负荷调压的变压器，变压比是经常变化的，所以变换系数如果不跟着改变，则差动保护的不平衡电流将会增加。为保证差动保护不误动，需要加大动作电流的整定、这就会降低灵敏度。 将自适应原理应用于变压器差动保护时，可令自适应模块对变压比进行跟踪，对变压比的状态进行识别，根据识别的结果对变换系数的修改作出决策，这会使变

20、压器差动保护的不平衡电流降至最低限，从而提高差动保护的灵敏度。 这种自适应原理已在一些微机变压器保护中得到应用。,7、微机保护的采样频率自动跟踪,采样频率的自动跟踪本身并不是一种独立的保护原理，但是它可以改善很多种保护原理的性能，所以它是属于改善保护性能的工作条件一类自适应工作原理。 微机继电保护的很多算法是建立在采样频率与电力系统工频频率成整倍数的基础上的。如每工频周期采样8点、12点、16点、20点等等。当二者的比值与原来设定的比值不符时，将会出现误差。常规模拟式保护也有这种情况，如负序滤过器是由电阻、电容、电感等元件构成，而容抗、感抗等都与频率有关。当系统频率改变时，负序滤过器用以建立的

21、参数关系遭到破坏，从而出现由于频率改变而出现的不平衡输出。同样，当系统频率改变而采样频率不变时，滤序算法的基础遭到破坏，因而也会出现不平衡输出。 自适应原理在这方面的作用就是进行采样频率自动跟踪调整。采样频率的自动跟踪调整的方法很多，最基本的方法是测量工颁的实时频率，然后除以要求的采样频率对工频的比值。这种方法使硬件、软件结构校为复杂。,下面介绍两种简易的方法 （1）如图8.9，对正弦电流采样，每工频周期采12点。 和 都是电流瞬时值过零后的第一个采样点，如果采样频率恰好是工频频率的12倍，则 大小应和 相同。如果 意味着原来的采样周期过长，应予 适当缩短。下一个周期再判，如仍过长，则再缩短，

22、如此类推。如 小于 ,则意味着采样周期过短，可予适当加长。这里存在一个调节强度问题，如调节强度太弱则需要多次调节才能达到需要值，往往跟不上系统频率变化(如振荡)。但如调节强度过大，则可能超调节，会引起调节系统的不稳定。也有采用分级调节，如采样频率偏差太大，则用强调节；如偏差较小，则用弱调节。 可以在一些不要求很快地跟踪工频变化的场合采用此方法。,采样频率跟踪方法之二,采样频率跟踪方法之一,（2）要求很快实现跟踪时，可用下面的方法。 如图8.10所示，在正弦函数过零点前后取采佯点i1、i2和下一个周波过零点前后的 、 。在过零点前后，正弦函数很接近直线，作线性处理时，有下列关系 在il之前，采样

23、周期为Ts1，在i2之后一个工频周期，采样周期为Ts2。当一个工频周期内恰好采样12次，即 时，应有 若 ，意味着采样周期过长，应该减小，其减小量为 即 这种方法每一工频周期调节一次一般已能满足微机保护的需要，所以这种方法在一些微保护中得到应用。目前，仍在努力继续加速调节过程，做到每采佯一次调节一次，但要在调节稳定性问题处理好之后才能实际应用。,第二节 智能控制理论在微机继电保护中的应用,对继电保护领域来说，智能控制较常指的是专家系统(ES)、模糊集合(FS)、人工神经网络(ANN)等，亦有把自适应控制也归入智能控制范围的。 关于自适应式继电保护，在上一节已作了较多的介绍。 专家系统在继电保护

24、中的应用较多地应用在离线的场合，如整定值处理、故障分析、故障测距等方面。 现在的新动向是将模糊集合理论、人工神经网络理论和技术用于在线的实时控制的计算机保护中去。,模糊控制技术在继电保护中的应用 人对客观事物的量化认识可以分为3大类： 传统的精确数学 以概率为基础的统计数学 所谓的模糊数学 如果说某人身高176m，那是一种精确的描述，如果说某学校的学生身高1.70m以上的占35%，那是一种统计性的描述，相当于你任意找一个学生时，他身高在1.70m以上的概率是35，但如果说某某人身材比较高，那就是一种模糊的描述了，这种描述只说明他在你了解的人群中的相对的身高状态。如果你了解的人群都比较矮，则17

25、6m是很高了；但如果你了解的人群的身高却很高，则176m只算中等身材，可见，模糊描述有相对性。 在模糊控制中，经常的目的是通过模糊识别来正确地判别对象的模式。为此，往往需要从若干个模糊状态变量来综合判别，才能排除其相对性，得到比较可靠的结果。但每一个模糊状态量对判别其对应的模式时所起的作用是不一样的，因此需要对每个模糊状态变量施加一定的权重，以反映真正的模式对该变量的依赖程度。在这里，需要用到模糊理论中的运算处理，这些就是模糊数学和模糊逻辑等所要讨论的范围。,模糊控制理论用到继电保护中的一个应用实例 要识别的模式是电力系统在当前时刻之前是否处于振荡状态以便判别是否要对相应的保护实现闭锁。 采用

26、4个模糊状态变量： ， ， ， 。这里， 为一个时间段内测量电阻的变化量； 为这一间隔期间值 的变化量。同样 ， 为下一间隔期间的变化量。 和 是过去的振荡闭锁原理中应用得比较好的判据。这里同时采用4个量，目的在于克服原有判据中尚存在的不足，即在个别特殊情况下不能及时和准确判别。同时，采用4个变量可以增加信息量，可以更及时地、迅速地、准确地反映系统是否处于振荡状态。 利用上述4个模糊状态变量由模糊积分构造的振荡综合识别方程为 式中：i为上述4个模糊状态变量的序号； 为相应变量的隶属度； 为相应变量在识别方程中的权重； 为反应相应的变量值的模糊测度。 最后的模式识别的结果变为,第三节综合自动化(

27、集成化)的发展趋势与微机保护,90年代以来，国际上继电保护、操作控制和监测出现了集成化趋向，在我国则称之为变电所等的综合自动化。到90年代中以后，这种趋向愈来愈强劲。 从传统来说，继电保护是强调独立的，主要是因为继电保护对可靠性的要求很高。但是，随着计算机技术的飞速进步，使继电保护与综台自动化系统的紧密结合成为可能。其中最主要的有以下方面： 1）功能集成与资源共享 2）远方控制与信息共享,一、功能集成与资源共享,在中、低压网络，继电保护相对比较简单，其独立的要求也相对较低一些。在这种情况下，继电保护的硬件资源较为富裕。因此，有可能将监测、控制操作的一些任务交由继电保护装置的硬件平台同时承担。此

28、时，可能要求硬件作小量的修改，而在软件上则扩充一些功能。 当然，在这种情况下，优先保证的首先是继电保护的任务。然后，根据保护装置具体情况下的需要与可能，根据保护独立性要求的高低来安排其他任务。 目前，集成程度最高的要算低压配电网络的保护。例如配电线路的保护、大型电动机的保护、电容器的保护等等。这些设备通常只用低电压过电流保护，比较简单，其独立性的要求也不太高。因此，实现高程度的集成不会有太大问题。,这种集成度较高的装置，除继电保护功能外，可以同时实现电流、电压及其沼波、有功功率、无功功率、功率因数、频率等的监视相测量。此外还可以实现电能计量记录，定时形成报表，甚至形成负荷变化曲线、电压变化曲线

29、、谐波或频率变化曲线等正常运行数据记录等功能。 除上述一般止常的测量记录之外，还可以将一些有利于“状态检修”的功能集成在内。例如断路器正常断开和合闸的次数、开断电流的大小和燃弧状况、事故开断相重合的次数及其电流、电压数据，据此可以将断路器的计划检修改进为状态检修。 对一些重要的保护和高压、超高压设备的保护，目前仍难于作其他功能的集成。一方面是由于这些设备对其保护的可靠性要求比较高，因面对独立性的要求就比较高。另一方面，这些保护比较复杂，其硬件相软件的复杂性也不允许这些装置加入更多的其他功能。,二、远方控制与信息共享,由于计算机与网络技术的飞速发展，网络的通信速率与计算机保护的信息容量、通信的可靠性都大大提高。这就