新型繼電保護和故障測距

新型繼電保護和故障測距

電力工程學院第一講緒論一、繼電保護的發(fā)展二、輸電線路故障測距的意義三、本課程的主要內(nèi)容與特點四、參考書目與考核要求一、繼電保護的發(fā)展

引言：電力生產(chǎn)發(fā)展的需要和新技術的陸續(xù)出現(xiàn)是電力系統(tǒng)繼電保護原理和技術發(fā)展的源泉。繼電保護工作者總是在不斷地根據(jù)需要和可能：1）改進和完善已有的繼電保護裝置；2）努力探求實現(xiàn)繼電保護的新原理；3）開發(fā)新型的繼電保護裝置。

1、繼電保護的發(fā)展歷史

（1）繼電保護原理（軟件方面）的發(fā)展過程：過電流保護（1901年，最早熔斷器）——電流差動保護（1908年）—方向性電流保護（1910年）—距離保護（1920年）—高頻保護（1927年）—微波保護（50年代）——行波保護、光纖保護（70年代）（2）繼電保護裝置結構（硬件方面）的發(fā)展過程：機電型(50年代以前，由電磁型、感應型或電動型繼電器構成)——電子型（50年代～80年代后期，晶體管、集成電路）——微機型（90年代）

（3）根據(jù)其扮演角色的不同，繼電保護的發(fā)展歷史可分為以下三個階段：第一階段：以保護設備安全為目的，區(qū)分內(nèi)部和外部故障，切除故障元件，限制事故影響范圍（這是首要任務）；在被保護對象內(nèi)部發(fā)生故障時及時切除故障，保證被保護電氣元件（電機、變壓器、線路等）的安全。第二階段：在保證設備安全的基礎上，考慮了繼電保護對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；主要表現(xiàn)為進一步提高了繼電保護裝置的動作速度，與自動重合閘配合，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。第三個階段：廣域保護。隨著我國“西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展目標的提出，對繼電保護的發(fā)展提出了更高的要求，在保證電氣設備運行安全和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的基礎上，還應考慮電網(wǎng)互聯(lián)時各保護裝置動作的協(xié)調(diào)和配合，保證故障切除后不發(fā)生大規(guī)模的連鎖跳閘和系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象。

發(fā)展方向：（1）對故障信息的研究和充分利用是發(fā)掘繼電保護新原理的基礎：

繼電保護的任務就是檢測故障信息、識別故障信號,進而作出保護是否出口跳閘的決定。因此故障信息的識別、處理和利用是繼電保護技術發(fā)展的基礎,不斷發(fā)掘和利用故障信息對繼電保護技術的進一步發(fā)展有十分重要的意義。故障信息可分為以工頻信息及諧波為主的穩(wěn)態(tài)故障信息和暫態(tài)故障信息。2、繼電保護的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢（2）盡量避免測量元件對繼電保護裝置的影響：光電互感器——解決電流互感器的飽和問題（3）計算機在繼電保護中的應用為充分利用故障信息提供了技術手段：

自適應保護——實現(xiàn)保護的智能化廣域保護

高速化——行波保護、暫態(tài)量超高速保護智能化——自適應保護一體化——保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化（OCT、OPT作為基礎）網(wǎng)絡化——廣域保護（全球定位系統(tǒng)GPS、同步相量測量PMU為基礎）

新型繼電保護的發(fā)展趨勢是：二、輸電線路故障測距的意義

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的命脈，它擔負著輸送電能的重任。輸電線路運行的可靠性影響著整個電力系統(tǒng)的供電可靠性，而輸電線路工作環(huán)境又極為惡劣，暴露于風雨，穿行于山野，是電力系統(tǒng)中發(fā)生故障最多的地方，而且極難查找。因此，在線路發(fā)生故障后迅速準確地找到故障點，不僅對及時修復線路和快速恢復供電，而且對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行都有十分重要的作用。三、本課程主要內(nèi)容微機保護輸電線路故障測距輸電線路行波保護自適應繼電保護

廣域保護系統(tǒng)WAPS

光電互感器OCT、OPT運用實例

高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的命脈，它擔負著輸送電能的重任。快速切除故障，可以縮小故障范圍，減輕短路引起的電網(wǎng)破壞程度，減小對用戶工作的影響；在220kV及以上電壓等級的電網(wǎng)中，快速切除故障還對提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性具有決定性作用。隨著超高壓、大容量、遠距離輸電和互聯(lián)電網(wǎng)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題越來越突出，因而，希望繼電保護裝置能夠具有超高速動作特性（動作時間在1個工頻周期以內(nèi)）。行波保護的意義

近年來微機保護發(fā)展特別快，我國生產(chǎn)的微機線路保護裝置在原理、性能、主要技術指標的等方面均達到國際先進水平，代表著當前繼電保護發(fā)展的前沿。輸電線路微機保護運行的情況較好，正確動作率逐年提高。這些保護裝置的原理大都建立在反應工頻電壓、電流或由其組合的功率方向、阻抗等基礎上。

行波保護研究的必要性表現(xiàn)在兩個方面：（1）具有快速動作性能。

繼電保護的快速動作性能是增大輸電線路傳輸容量、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性簡單而有效的措施，而行波保護最突出的優(yōu)點就是它動作的快速性，因為行波保護根據(jù)線路故障后所產(chǎn)生的暫態(tài)行波而動作，并且行波的傳播速度接近光速，現(xiàn)有的行波保護原理的動作時間一般不會超過10毫秒，正是因為這個原因，行波保護被稱作超高速保護。（2）行波保護可以從原理上解決傳統(tǒng)的工頻量保護所不能解決的理論和技術問題。除了快速性以外，行波保護還有以下優(yōu)點：不受電流互感器飽和的影響；不受過渡電阻的影響；不反映電力系統(tǒng)振蕩；不受高壓長輸電線路分布電容的影響等。行波的基本概念

故障行波的產(chǎn)生輸電線路上某點f發(fā)生故障后的網(wǎng)絡可以等效為正常運行網(wǎng)絡和故障附加網(wǎng)絡的疊加。而故障附加網(wǎng)絡相當于把電壓源短接、電流源開路，然后在故障點疊加一個與故障前電壓幅值相等、方向相反的電壓源。在這一電壓的作用下，將產(chǎn)生由故障點f向線路兩端傳播的行波。根據(jù)行波發(fā)生的時間先后，故障行波可分為初始行波、故障點反射波、對端母線反射行波以及相鄰線路反射行波行波的折、反射

輸電線路故障行波的一個重要特性是波的折射和反射。當行波沿導線運動時，在波阻抗不連續(xù)的地方（故障點、母線、線路阻波器等等），將發(fā)生折、反射。線路任一點的電壓就是這些初始行波及折、反射波的疊加，根據(jù)線路結構和故障形式的不同呈現(xiàn)不同的特征。

u1f——入射電壓

u1b——反射電壓

u2f——折射電壓

自適應繼電保護

20世紀80年代提出的一個較新的研究課題

可定義為：能根據(jù)電力系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的變化而實時改變保護性能特性或定值的保護基本思想：使保護盡可能地適應電力系統(tǒng)的各種變化進一步改善保護的性能。電力系統(tǒng)由為數(shù)眾多的電源設備、送變電設備、線路和各種用戶組成，其運行狀態(tài)(其中包括用戶負荷的變化、設備的投切、發(fā)電機的出力變化等)，處于頻繁的變化之中。除上述正常運行情況外電力系統(tǒng)中還可能發(fā)生各種類型的故障，故障可能是瞬時性或永久性的，又可能是金屬性短路或經(jīng)過渡電阻短路。因此，要適應電力系統(tǒng)的變化的確是一項十分困難的工作。廣域保護系統(tǒng)

可定義為：依賴電力系統(tǒng)多點的信息，對故障進行快速、可靠、精確的切除，同時分析故障切除對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的影響，并采取相應的控制措施，這種同時實現(xiàn)繼電保護和自動控制功能的系統(tǒng)稱為廣域保護系統(tǒng)。廣域保護提出的背景

——電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1)電力市場的出現(xiàn)將競爭引入了電力行業(yè)，打破了長久以來的壟斷，有利于電力行業(yè)的健康發(fā)展和降低電價；但同時電力市場又使得電網(wǎng)被人為分成了許多由不同公司控制的部分，各公司為了自身的經(jīng)濟利益有盡可能減少投資、充分利用現(xiàn)有電力設備的傾向，因而隨著用電負荷的快速增長，使得電網(wǎng)的運行狀態(tài)越來越接近于穩(wěn)定極限，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度減小，受到擾動時容易失去穩(wěn)定。2）電網(wǎng)規(guī)模越來越大，各大區(qū)域電網(wǎng)逐漸互聯(lián)，互聯(lián)電網(wǎng)一方面可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大；另一方面，一旦電網(wǎng)受到嚴重擾動而失去穩(wěn)定，往往會引起連鎖跳閘最終導致系統(tǒng)崩潰。3）現(xiàn)有的保護及安全自動裝置不適應電力系統(tǒng)發(fā)展的要求。目前的安全自動裝置都是在檢測到系統(tǒng)產(chǎn)生不正常運行狀態(tài)以后再采取控制措施，屬于事故后控制措施。在特殊情況下如果頻率或電壓下降速度過快，可能安全自動裝置來不及動作，系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生嚴重的崩潰事故。目前使用的安全自動控制判據(jù)大都是基于本地量構成，其工作方式是采集裝置安裝處的系統(tǒng)電流、電壓量，經(jīng)過計算后得到一些反映系統(tǒng)狀況的參數(shù)值，然后與預先整定的門檻值進行比較，若超過門檻值則執(zhí)行某種動作。這些裝置的動作原理和動作時間都不相同，互相之間又缺乏有效的協(xié)調(diào)，因此在某些情況下(如發(fā)生連鎖故障時)會惡化系統(tǒng)的運行狀況。4）恐怖分子的蓄意破壞對電網(wǎng)安全也構成了威脅。“9．11”事件以來，恐怖分子可能對社會基礎設施的破壞開始得到越來越多的關注。在各種基礎設施中，電力設施是維持正常社會生活的重要支撐，電力供應一旦中斷，將造成巨大損失，因此，電力設施很容易成為恐怖分子的襲擊目標。這就要求保護系統(tǒng)盡可能靈活，同時還要考慮通信等其它系統(tǒng)的影響，從而將破壞造成的損失減少到最小。

綜上所述：電力系統(tǒng)在本質上是一個廣域系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有的電氣量是互相關聯(lián)的一個整體，這在根本上決定了系統(tǒng)保護是一個全局問題，應該將系統(tǒng)作為一個整體考慮。此外，電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)是不斷變化的，不同運行狀態(tài)下的相同事件對電網(wǎng)的影響也不同。因此，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行問題實際上是系統(tǒng)在當前運行狀態(tài)下的穩(wěn)定運行問題，需要通過不斷獲得的實時數(shù)據(jù)來實時確定保護控制策略。廣域保護是在電網(wǎng)互聯(lián)趨勢下提出的對繼電保護系統(tǒng)更高的要求，這是一個新的研究方向，國外早在1997年開展了相關研究探討；國內(nèi)在這一領域的研究起步較晚，直到最近五年才陸續(xù)有相關的論文發(fā)表。光電式電流互感器

利用光電子技術和光纖傳感技術來實現(xiàn)電流測量的新型測量裝置

本課程的特點新——了解繼電保護領域最新發(fā)展概況普及基本概念盡量實用四、參考書與考核要求

參考書《微型機繼電保護原理》

張舉編中國水利水電出版社《新型繼電保護和故障測距的原理與技術》

葛耀中著西安交通大學出版社近年相關論文考核要求出勤——抽查每次課的課堂筆記——抽查期末大作業(yè)——全體本節(jié)結束點此進入下一節(jié)第二講微機保護基礎一、微機保護的基本組成二、微機保護的發(fā)展過程三、微機保護的特點四、微機保護硬件構成五、微機保護軟件原理六、微機保護的發(fā)展趨勢繼電保護裝置原理圖整定值測量部分邏輯部分執(zhí)行部分輸入信號輸出信號輸入信號——電壓電流模擬量、開關量、通訊數(shù)據(jù)測量部分——預處理、采樣計算邏輯部分——信息的綜合、分析、決斷：用數(shù)字技術進行數(shù)值/邏輯運算來完成一、微機保護的基本組成硬件——實現(xiàn)繼電保護功能的基礎軟件——用計算機程序實現(xiàn)繼電保護原理“模塊化設計”微機保護結構框圖二、微機保護的發(fā)展過程從硬件結構發(fā)展的角度：1984年微機距離保護楊奇遜

采用單CPU及多路轉換的ADC模數(shù)變換模式90年代多單片機VFC式模數(shù)變換超大規(guī)模集成多路網(wǎng)絡通信達到當時國際先進水平DSP＋MCUGPS網(wǎng)絡化光電互感器更高運算速度、可靠性，拓寬變電站自動化的發(fā)展從軟件角度進入綜合智能化階段：自適應行波原理模糊控制ANN運用現(xiàn)狀目前我國220kV以上系統(tǒng)的線路微機保護占有率達97.7%220~500kV變電所基于不同原理的雙套微機主保護系列裝置微機保護成為變電所綜合自動化的一個子系統(tǒng)三、微機保護的特點（1）靈活性強（2）綜合判斷能力強（3）性能穩(wěn)定，可靠性高（4）維護調(diào)試使用方便（5）易于獲得各種附加功能例如線路保護：低頻減載自動重合閘故障錄波故障測距打印等（6）利用微機的智能特點可采用新原理例如波形對稱法識別勵磁涌流四、微機保護硬件構成1、微處理器系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3、信號輸入輸出系統(tǒng)4、通訊網(wǎng)絡5、人機接口6、電源系統(tǒng)微機保護硬件結構圖1、微處理器系統(tǒng)任務：進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)各種繼電保護算法和邏輯功能構成（1）微處理器芯片