繼電保護(hù)的發(fā)展和展望

2010年9月

繼電保護(hù)的發(fā)展和展望一.繼電保護(hù)回顧概述：繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、保護(hù)電氣設(shè)備的主要裝置，是組成電力系統(tǒng)整體的不可缺少的重要部分。繼電保護(hù)能否發(fā)揮應(yīng)有的作用，與保護(hù)裝置本身的技術(shù)性能和制造工藝密切相關(guān)，50年代至80年代，中國(guó)工業(yè)落后，電網(wǎng)使用的繼電保護(hù)裝置是由單個(gè)的電磁型、整流型或晶體管型的繼電器組成，繼電器原理落后，制造工藝差，誤動(dòng)、拒動(dòng)的情況較多，影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。按繼電保護(hù)不同的發(fā)展階段簡(jiǎn)述如下：1.整流型、晶體管型的繼電保護(hù)裝置這一類(lèi)保護(hù)裝置的動(dòng)作原理是利用被保護(hù)設(shè)備的二次電流電壓，通過(guò)DKB(電抗變壓器）、YB(電壓變壓器）按照動(dòng)作方程形成動(dòng)作力臂和制動(dòng)力臂，當(dāng)動(dòng)作力臂的力矩大于制動(dòng)力臂的力矩時(shí)繼電器動(dòng)作，類(lèi)似于微機(jī)保護(hù)裝置比幅式動(dòng)作方程。1984年，由水利電力部、機(jī)械工業(yè)部牽頭、設(shè)計(jì)院、研究院、制造廠組成的“高壓線路繼電保護(hù)裝置統(tǒng)一設(shè)計(jì)工作組”對(duì)整流型、晶體管型的線路繼電保護(hù)裝置在“技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、原理接線、符號(hào)和端子排的布置”方面進(jìn)行了統(tǒng)一，簡(jiǎn)稱(chēng)“四統(tǒng)一”設(shè)計(jì)，“四統(tǒng)一”設(shè)計(jì)提高了整流型（晶體管）繼電保護(hù)裝置的安全性和可靠性，對(duì)繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展起了重要作用。

當(dāng)時(shí)典型的220kV線路保護(hù)配置是：以相差高頻保護(hù)、高頻閉鎖距離零序保護(hù)雙套縱聯(lián)保護(hù)作為主保護(hù)，以I、II段切換的三段式的相間距離保護(hù)作為相間故障的后備保護(hù)，四段式零序電流保護(hù)為接地故障的后備保護(hù)，以上保護(hù)裝置均無(wú)選相功能，由綜合重合閘裝置承擔(dān)各類(lèi)保護(hù)的選相跳閘和重合閘功能。

存在的主要問(wèn)題是：主保護(hù)判據(jù)簡(jiǎn)單，在復(fù)雜故障中容易誤動(dòng)和拒動(dòng)；I、II段切換的的相間距離保護(hù)，在I段退出運(yùn)行后，與相鄰II段距離保護(hù)可能失去配合；四段式零序電流保護(hù)整定計(jì)算困難，對(duì)復(fù)雜故障的適應(yīng)性差；選相元件為單一的阻抗選相，選相能力差，單相故障容易跳三相；運(yùn)行維護(hù)困難。2.集成電路的繼電保護(hù)裝置：在“四統(tǒng)一”整流型保護(hù)占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，單CPU的微機(jī)保護(hù)裝置開(kāi)始出現(xiàn)了，而部分廠家推出了集成電路保護(hù)，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)這樣的爭(zhēng)論：從整流型保護(hù)一步跨到微機(jī)保護(hù)好？還是整流型保護(hù)必須先經(jīng)過(guò)集成電路保護(hù)的過(guò)程才能過(guò)渡到微機(jī)保護(hù)？在爭(zhēng)論聲尚未消失的時(shí)候，中國(guó)微機(jī)保護(hù)的迅猛發(fā)展讓爭(zhēng)論有了明確的答案。3.微機(jī)繼電保護(hù)裝置：

1987年，由華北電力學(xué)院楊奇迅教授主研的WXB－01型微機(jī)保護(hù)在220千伏線路投運(yùn)，這是我國(guó)研制的第一代微機(jī)保護(hù)，標(biāo)志著電網(wǎng)的繼電保護(hù)裝置從模擬式保護(hù)開(kāi)始轉(zhuǎn)向數(shù)字式保護(hù)。1991年以后，相繼推出了11型微機(jī)保護(hù)、CSL-100系列等微機(jī)保護(hù)，在全國(guó)電網(wǎng)得到廣泛采用。同時(shí)，南京電力自動(dòng)化研究院繼電保護(hù)所在總結(jié)CKJ、CKF系列集成電路保護(hù)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)的LFP－900系列微機(jī)保護(hù)也于1991年通過(guò)鑒定，很快在全國(guó)電網(wǎng)220千伏電網(wǎng)得到推廣，2001年，南京電力自動(dòng)化研究院繼電保護(hù)所推出了LFP系列微機(jī)保護(hù)的升級(jí)換代RCS系列產(chǎn)品，CSL-100系列推出升級(jí)換代CSC-100系列產(chǎn)品，同時(shí)，600系列、800系列、700系列的微機(jī)線路保護(hù)裝置也相繼問(wèn)世，各類(lèi)微機(jī)主變、母線等元件保護(hù)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。以線路保護(hù)為例，這一代微機(jī)保護(hù)的主要特點(diǎn)是:主后一體，在同一套線路微機(jī)保護(hù)裝置中配置有縱聯(lián)距離（方向）保護(hù)，三段式的相間、接地距離保護(hù)，零序電流保護(hù)，具有選相和重合閘功能，比起整流型保護(hù)裝置，微機(jī)保護(hù)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，更能實(shí)現(xiàn)全方位，多判據(jù)的協(xié)調(diào)，安全性和可靠性都有較大的提高。存在的問(wèn)題：開(kāi)發(fā)微機(jī)保護(hù)的廠家多，缺乏必要的規(guī)范，保護(hù)裝置的技術(shù)性能難以保證，給微機(jī)保護(hù)的運(yùn)行維護(hù)和管理帶來(lái)困難，制約了微機(jī)保護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展。縱聯(lián)距離（方向）保護(hù)對(duì)輕微故障的識(shí)別能力、復(fù)雜故障的選相能力、互感、弱饋等特殊運(yùn)行方式的適應(yīng)能力等，需要進(jìn)一步完善和提高，以滿足不斷發(fā)展的電網(wǎng)的需求。

二.繼電保護(hù)現(xiàn)狀2007年，由國(guó)家電網(wǎng)公司調(diào)度中心組織，設(shè)計(jì)院、運(yùn)行單位、制造廠參加的微機(jī)線路、母線、變壓器保護(hù)等裝置的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范制定工作起動(dòng)，該規(guī)范總結(jié)了20年來(lái)微機(jī)保護(hù)的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，從微機(jī)保護(hù)的功能配置、回路設(shè)計(jì)、端子排布置、接口規(guī)范、報(bào)告輸出、定值格式的

6個(gè)方面進(jìn)行了統(tǒng)一和規(guī)范，2008年初，《線路保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》、《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》正式發(fā)布實(shí)施，2009年3月各制造廠完成保護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化改造并通過(guò)國(guó)調(diào)中心組織的檢測(cè)和試驗(yàn)。

“六統(tǒng)一”保護(hù)裝置的主要特點(diǎn)是：

1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更高，對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。

2）近年來(lái)，由于電網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)的一些熱點(diǎn)問(wèn)題，如弱電強(qiáng)磁、零序方向無(wú)電壓死區(qū)、弱饋線路等問(wèn)題在線路保護(hù)裝置的規(guī)范中均有具體要求，基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《繼電保護(hù)及安全制動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》的目標(biāo)：對(duì)220kV線路，“每一套全線速動(dòng)保護(hù)的功能完整，對(duì)全線路內(nèi)發(fā)生的各種類(lèi)型故障，均能快速動(dòng)作切除故障。對(duì)于要求實(shí)現(xiàn)單相重合閘的線路，每套全線速動(dòng)保護(hù)應(yīng)具有選相功能。當(dāng)線路在正常運(yùn)行中發(fā)生不大于100Ω電阻的單相接地故障時(shí)，全線速動(dòng)保護(hù)應(yīng)有盡可能強(qiáng)的選相能力，并能正確動(dòng)作跳閘?！?/p>

3）規(guī)范了變壓器、母線、電抗器保護(hù)裝置的主保護(hù)、后備保護(hù)的配置、具體實(shí)施方法和技術(shù)要求。4）失靈保護(hù)的起動(dòng)邏輯采用了防誤設(shè)計(jì)，同時(shí)簡(jiǎn)化了整定計(jì)算。5）直跳開(kāi)入增設(shè)了軟件防誤功能，提高了保護(hù)裝置的安全性。6）定值清單優(yōu)化，原有部分定值由保護(hù)裝置內(nèi)部自適應(yīng)，降低了誤整定的可能性。7）完全獨(dú)立的雙重化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了二次回路，提高了保護(hù)裝置的可靠性。8）動(dòng)作報(bào)告規(guī)范化，提高了調(diào)度的事故處理能力。9）保護(hù)裝置的“六統(tǒng)一”規(guī)范為二次回路的典型設(shè)計(jì)、設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化管理和繼電保護(hù)的運(yùn)行管理，建設(shè)智能化電網(wǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)打下良好的基礎(chǔ)?！傲y(tǒng)一”保護(hù)裝置的誕生在我國(guó)微機(jī)保護(hù)裝置發(fā)展史上有著重要意義，標(biāo)志著我國(guó)微機(jī)保護(hù)邁向新的起點(diǎn)。三.繼電保護(hù)展望

1、數(shù)字化變電站：

21世紀(jì)是信息化的時(shí)代，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，改變了人們的生產(chǎn)和生活，數(shù)字化電網(wǎng)就是電力產(chǎn)業(yè)信息化的具體體現(xiàn)，它必將為電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)重大的變革?！秶?guó)家電網(wǎng)公司十一五科技發(fā)展規(guī)劃》中，明確提出了對(duì)數(shù)字化電網(wǎng)研究的展望，而數(shù)字化電網(wǎng)的基礎(chǔ)是數(shù)字化變電站。到目前為止，我國(guó)的數(shù)字化變電站已經(jīng)由個(gè)別試點(diǎn)向逐步推廣的方向發(fā)展，110kV數(shù)字化變電站投入系統(tǒng)運(yùn)行的相對(duì)較多，大約有數(shù)十個(gè)以上的包括有電子式互感器應(yīng)用的110kV數(shù)字化變電站在系統(tǒng)中運(yùn)行，有10個(gè)以上220kV的數(shù)字化變電站投入系統(tǒng)運(yùn)行或即將投入系統(tǒng)運(yùn)行，500kV的數(shù)字化變電站處于起步階段，浙江500kV蘭溪變電站目前還沒(méi)有使用電子式互感器，其數(shù)字化的重點(diǎn)是智能斷路器，GOOSE系統(tǒng)，以及狀態(tài)監(jiān)視等，但已經(jīng)有了江西500kV文山變電站電子式互感器掛網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。由于各個(gè)廠家對(duì)于間隔層理解的不同，電子式互感器與間隔層傳輸協(xié)議可以分為IEC6004-8FT3，IEC61850-9-1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和IEC61850-9-1協(xié)議組網(wǎng)和IEC61850-9-2協(xié)議組網(wǎng)等四種模式。且均有實(shí)現(xiàn)的案例。其中，9-2方式用于網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，應(yīng)用靈活，符合發(fā)展方向，河南電網(wǎng)110kV金谷園變電站采用了9-2方式，并實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)化母線保護(hù)；

數(shù)字化變電站的核心就是繼電保護(hù)和其他測(cè)控裝置所需信息的獲取方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并完成智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作功能。數(shù)字化變電站三個(gè)主要的特征就是“智能化的一次設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建”。即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，使各種智能電子設(shè)備(IED)能夠共享統(tǒng)一的信息交互平臺(tái)。根據(jù)IEC61850的劃分，按照變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所要完成的控制、監(jiān)視和保護(hù)三大功能提出了變電站內(nèi)功能分層的概念:無(wú)論從邏輯概念上還是從物理概念上都將數(shù)字化變電站的功能分為三層，即變電站層、間隔層和過(guò)程層。一般的劃分為：值班人員可操作的“站控設(shè)備”稱(chēng)為“變電站層”；完成保護(hù)及測(cè)控功能的繼電保護(hù)和其他測(cè)控裝置”稱(chēng)為“間隔層”；對(duì)電力設(shè)備具有斷合功能的智能斷路器及相關(guān)設(shè)備、獲取交流電壓電流的電子式互感器ECT、EPT稱(chēng)為“過(guò)程層”。GOOSE系統(tǒng)，（GenericObjectOrientedSubstationEvent、通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?，是IEC61850的特色之一,提供了網(wǎng)絡(luò)通訊條件下，當(dāng)發(fā)生任何狀態(tài)變化時(shí)，“二進(jìn)制對(duì)象”快速信息傳輸和交換的手段。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字式變電站的區(qū)別●傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)特征：◆站控層與間隔層以太網(wǎng)通信，IEC60870-5-104（103）通信協(xié)議間隔層與一次設(shè)備采用電纜連接硬連線數(shù)據(jù)采集電磁式CT、電容（電磁）式PT非智能開(kāi)關(guān)●數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)特征：分層分布式結(jié)構(gòu)（三層式）IEC61850通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)化建模智能化一次設(shè)備－電子式CP/PT、智能開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備：保護(hù)、測(cè)控單元（IED），使用合并單元（MU），合并單元的應(yīng)用使綜合自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)了一種全新的數(shù)字通信裝置；具有更強(qiáng)的對(duì)運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)控信息收集和使用的功能理想的數(shù)字化變電站過(guò)程層采用無(wú)源EPT、ECT，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大，精度高，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單；采用高智能化的斷路器，具有受控分合閘等功能，對(duì)斷路器的各關(guān)鍵部位、開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)、切斷電流累積，觸頭接觸部位的溫度等，具有的數(shù)字化監(jiān)測(cè)功能。間隔層采用網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備：變電站所需的各項(xiàng)保護(hù)功能（例如線路保護(hù)，母線保護(hù)、變壓器保護(hù)等）可以共用可靠性高、計(jì)算能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，通過(guò)多重化配置來(lái)進(jìn)一步滿足可靠性的要求，這些計(jì)算機(jī)均通過(guò)合并單元（MU）、GOOSE系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，在網(wǎng)絡(luò)上獲取所需的交流電流電壓量和各類(lèi)開(kāi)關(guān)量，并向智能斷路器及其輔助機(jī)構(gòu)送出跳合閘命令和操作要求。除特殊要求外，所有的開(kāi)關(guān)量信息均采用靜態(tài)傳輸方式。站控層具有強(qiáng)大的監(jiān)視