继电保护的发展和思考硕士.ppt

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1、1,继电保护技术的发展与思考,华北电力大学黄少锋20082,2,回顾 在2007年1月底，召开了“国家电网公司继电保护工作会议”，会议中明确指出：国产微机线路保护在原理、技术方面处于世界领先水平，全面超越进口保护；与进口保护相比，国产保护在设计理念方面更符合国内电网的发展和运行要求，对于复杂运行方式下的特殊故障及防止系统振荡下保护误动等方面，考虑得更加充分。到2006年末，220千伏及以上系统保护国产化率达到88.51，线路保护的国产化率达到89.13。,3,1、微型机的功能越来越强，计算速度越来越快，容量越来越大。包括专用的DSP器件。为复杂的计算提供了技术条件。2、通信网络（包括光纤通信）

2、广泛应用，传输 速度和可靠性、安全性都得到了极大地提高。3、光学和电子互感器的应用。4、分析工具的完善。,一、技术条件基础,4,1、暂态电气量（包括行波）保护的研究与应用。行波测距在750kV系统中得到了验证。迄今在广泛应用的保护原理，基本上都属于反映工 频量的保护原理。反映暂态量的保护原理，虽早有人提出，但一直未成气候，近年来在许多高校和科研单位引起了研发热潮。背景是：1）微机处理速度越来越高，可以采用很高的采样率，可以做相当复杂的运算处理。2）信号分析工具有了许多发展。例如小波分析方法。3）电子式TA、TV的应用，可以更真实地反映故障时的暂态量。,二、发展动态,5,750kV行波测距的录波

3、图,行波在特征阻抗变化处折反射的情况比较复杂。此图：故障相没有反射波,6,2、进一步研究变压器和发电机的内部机理，提 出性能优良的保护原理，从而提高元件保护 的正确动作率。2001年以来，在220kV及以上系统中，微机线 路保护的正确动作率保持在99以上，但是，变压器保护的正确动作率只有76.21。3、进一步简化定值。4、内部逻辑节点和信息的公开化，最好能够图 形化，以便于工程技术人员参与分析、研究。工程技术人员特别需要：简便性和少维护。,二、发展动态,7,将保护内部的测量元件、动作行为和逻辑过程完整地记录下来，使动作过程“透明化”，十分有利于事故的分析，克服了原有微机保护只能知道模拟量和最终

4、动作结果的弊端。并且，要求记录更全面、更详细。任何的操作都应当有记录和对应的时间，避免“原因不明”的事故。,二、发展动态内部逻辑,实际上，继电保护的事故（误动或拒动）是不可避免的，但是，“原因不明”却无法让人踏实。有了内部逻辑过程的分析，还有利于防止事故的发生，每一次的系统故障，都是继电保护的一次校验过程）。,8,二、发展动态内部逻辑,9,二、发展动态内部逻辑,10,二、发展动态内部逻辑,11,5、研究电力电子技术的应用对继电保护的影响，研究交直流混合系统对继电保护的影响。如：1）限流器投入使用后，电流减小、测量阻抗不再 与故障点的距离成正比；投入的时间差别。（有一部分限流器是判别短路后再投入

5、）2）某省电力系统在一年半的时间内，出现过十几 次的直流换相失败。在这十几次换相失败中，大部分又与“故障期间”、“重合成功后”相对 应。属于复故障范畴。,二、发展动态,12,有时会出现类似于“功率倒向”的情况，导致继电保护设备的不正确工作。原有的“功率倒向”对策是考虑断路器跳闸后引起的，在这种情况下已经不适用。,二、发展动态,13,6、自适应理论、模糊数学、神经元网络、小波分 析、智能方法和形态学方法等各种理论在继电 保护中的应用研究。7、高速通信网络的应用。信息的快速性和广泛性8、研究超导器件应用于电力系统后对继电保护的 影响。一旦推广应用后，继电保护的技术和原理将 受到冲击。9、过程总线和

6、IEC61850。方便设备的互联。,二、发展动态,14,10、PMU及其应用。1）电网稳定性监测与分析（暂态、稳态）。2）电压检测。,二、发展动态,15,3）在线扰动识别。4）低频振荡的在线监测与分析。5）负荷参数辨识。6）仿真和计算的校核。为最终解决离线仿真的保守性奠定基础。04年3月25日东北大扰动（三相短路）试验。据透露：可以提高传输功率（1条线路的传输功率可以由80万提高到100多万，2条线路可以当作3条使用），。取得效益后，05年3月29日又做了一次三相短路试验，进一步验证了效果。,二、发展动态,16,7）闭环控制、逐步控制和紧急控制相结合。三道防线相互结合。实时测量与控制相结合，比

7、如切负荷：第一步先切除预计（估算）的7090，随后再实时跟踪，逐步调整、逐步控制，达到“边看边调”的效果。8）广域保护系统。04年国际大电网会议指出：对于避免大停电来说，缜密、可靠的广域控制是极为关键的。,二、发展动态,17,11、光学、电子互感器应用后的继电保护。信号的通信连接代替了A/D电路。已经提到日程上来。12、操作机构智能化。电缆长度的增加（如大于200米）,导致压降 增大、可靠性降低，增加导线的截面积也不一 定能解决问题。采用智能化操作机构之后，可以克服上述问 题，同时，还可以实现自动检测和报警，有利 于提高可靠性。,二、发展动态数字化、智能化,18,现在方式,光学、电子互感器方式

8、,二、发展动态数字化、智能化,19,二、发展动态数字化、智能化,合并单元（Merging Unit）,20,传统方式,自动化方式,正在实现的方式,节省电缆、占地，提高自动化水平和抗干扰能力，,二、发展动态数字化、智能化,21,电子传感器典型方案,ABB的PASS系统：PASS（Plug And Switch System）可称为智能插接式开关，是将断路器、隔离开关、接地开关、电流和电压传感器、以及套管等都放置在一个公共气罐里，组成一个气体绝缘金属密闭的组合体。其电子TA采用了Rogowski线圈、TV采用电容分压的有源方案，目前已在澳大利亚某电力公司运行。现在，不少网、省局也在开展电子互感器的

9、应用工作。,22,PASS示意图,23,Blackwall Substation,Queensland昆士兰,Australia,PASS应用实例,24,PASS应用实例,PASS二次部分的光纤接口,25,13、串补电容、同杆并架、并联电抗器。对光纤差动保护的影响并不大（需要考虑分 流的影响），主要是对后备保护的影响。14、已出台同杆并架双回线继电保护和重合闸技 术导则(草稿)。要求：永久性故障的判别、顺 序重合闸等。,二、发展动态,26,15、应用微机后，应该引入这样的观点：1）有特征、有区别，基本上就可以实现；2）跳出“单个继电器”的范畴，综合应用各种信 息（时间工况、空间信息）；3）结合

10、使用多种判据，仅投入条件最充分的判 据。当然，最后一段的保护不允许采取任何的闭锁措施。,二、发展动态,27,1）改进接线方式 原接地阻抗的接线方式：在接地故障中，故障相能够准确测量短路点到保护安装处的阻抗。但是，非故障相有可能会误动，需要选相。,例1,28,按相补偿接线：,综合考虑引入的电流信号和向量关系后，得到一种新的接地阻抗接线方式：,m,例1,29,例1,30,对于两相接地，也可以得到类似的结果。,对于三相短路和两相相间短路，无3I0，没有影响。,例1,31,2）综合使用多种判据 每种判据均在充分条件下才投入使用（多种判据应用：与，或，模糊原理，条件使用）。很难用一个判据贯彻始终(如：阻

11、抗接线方式)。对于选相：按相补偿；突变量选相 对称分量选相；阻抗选相；电压选相（弱馈）。,例2,32,例2,33,重新捡起电压选相,110、220kV的许多工程都提出这样的问题。,例2,34,16、继电保护与状态检测相结合。,二、发展动态,35,17、特高压系统的继电保护。国网公司已经就特高压试验示范系统的继电保护问题召开过几次会议。由国调和电科院共同建设模拟系统。主要模拟的特征：线路长、分布电容大、并联电抗器、阻抗角度约88.2（衰减时间常数约120ms）没有考虑：串补电容器、光学或电子互感 器、可控并联电抗器等措施。过电压比原先估计的情况要宽松（0.2秒）。,二、发展动态,36,2006年

12、3月7日发试验示范工程二次系统工作的通知，确定：1）06年3月底，编制统一的系统参数，确定边界 条件。2）4月底，发布二次系统技术条件(第一版),重点是功能规范。3）37月，模型建设，进一步的特性研究。4）8月，发布二次系统技术条件(第二版)。5）1012月，集中测试。6）12月，修订技术条件。,二、发展动态,37,350363km 282291kmTA：TPY/10VA，TPY/10VA，4000/1导线：8xLGJ-500/35mm2变压器：3000/3000/1000MVA最大短路电流：52kA最大过渡电阻：600欧（修改为短路点电流800A）,二、发展动态,38,（1）谐波分量增大。（

13、2）线路的时间常数大，故障时，非周期分量衰 减缓慢，过渡过程长。（3）线路分布电容产生较大的电容电流。贝瑞隆方法，分段计算等。（4）短路电流中的高次谐波成分将使得二次谐波 制动原理在变压器内部故障时，延迟了保护的 动作时间。（5）大型变压器在空投过程中，励磁涌流幅度有 所减小，涌流特征有所减弱，从而造成二次谐 波等原理的差动保护误动作。,二、发展动态特高压的特点,39,（6）直流分量较大后，造成变压器区外故障时，容易出现 TA 的暂态饱和问题，另外，区外故 障切除再恢复中，各侧 TA 暂态特性不一致等 情况下，可能引起差动保护误动作。（7）对继电保护设备，要求提高进一步可靠性、安全性、快速性和

14、电磁兼容的能力。（8）过电压的影响和抑制。,二、发展动态,40,1）继电保护最重要的还是要鲁棒性好，简单而 可靠。2）采用新原理而不得不大幅度提升对硬件复杂 性要求时，要很好地权衡得失。3）该快必须快，并且要有足够的裕度；可以慢 一些时，放慢一些大有好处。4）灵敏度必须保证，太灵敏大可不必。5）元器件可靠性的提高、完善的自检对可靠性 设计观念的变化。,三、关于可靠性的几点意见,41,三、关于可靠性的几点意见,关于可编程：有利于厂家和研究，但不应当由工程人员负责。对于高电压等级的继电保护，由于功能、逻辑比较固定，可编程的必要性较低。可编程比较适合于低电压和自动装置中，用一个装置可以构成多种逻辑功

15、能。,42,四、装置内部网络化示意图,实现：标准化、模块化、可配置、可扩展,43,原机箱背板的后视图,四、装置内部网络化示意图,44,新机箱背板的后视图,四、装置内部网络化示意图,连线简单、可靠，强电与弱电分离,45,结合了前插拔和后插拔的优点，强弱电分离，维护方便。,四、装置内部网络化示意图,46,五、整体测试方案,47,1、接线越简单越可靠。微机保护电路虽然复杂，但有很强的自检功 能，基本上可以做到：没问题不报警。在技术水平相同的情况下，依然是：接线越简单越可靠。2、零序保护简单、可靠。平常没有 3UO，很难验证极性，虽然提出过 很多方法，但事故仍然不断。在微机保护中，零序保护与距离保护相

16、比较，软硬件都一样（交流回路、A/D、CPU、程序、出口继电器等），仅公式不同。现在，零序保 护的后备段主要用于防高阻接地故障。,六、对继电保护几个观点的思考,48,3、第三段的近后备作用。已经弱化。一套装置内，、为非独立元件，且软硬件都一样，仅仅是比较不同的定值（I和Z），因此，段拒动后，、也几乎不会动作。故，主要起远后备的作用。,六、对继电保护几个观点的思考,49,4、关于距离段 1）可靠系数 取KK=0.80.85时，主要考虑了如下因素的相对 误差：1）TA的误差；2）参数测量误差；3）计算误差；4）零序分量误差（换位、地质、补偿系数等）；5）装置测量误差；6）裕度。当线路较短时，应当考

17、虑测量的绝对误差。,六、对继电保护几个观点的思考,50,六、对继电保护几个观点的思考,51,此时，可靠系数与线路长度有关，大致示意图如下。,实际上，华中电管局采用：,六、对继电保护几个观点的思考,52,2）动作速度 有了全线速动的保护配置后，从整套保护来看，距离段可以考虑退化为后备，因此，可以略带一点延时，躲过：暂态的影响；TA饱和的影响（相位变化超越）；甚至直流换相失败的影响。,六、对继电保护几个观点的思考,53,5、阻抗继电器的最大灵敏角 仅针对园特性，对于多边形阻抗特性，基本上 没有了最大灵敏角的概念。,六、对继电保护几个观点的思考,54,6、误动与拒动 针对具体情况，具体分析、具体处理

18、。对于大部分的线路，拒动必然导致损坏设备，导致系统稳定破坏；误动不会产生这两个必然的 结果，只是扩大了停电范围，并可能导致稳定破 坏，但是，还可以通过自动重合闸和手动合闸来 避免扩大停电范围。为此，220kV及以上线路中，均采用双重化（甚至三重化）配置。双重化的目的也是避免拒动。母线保护必须二者不可偏废。,六、对继电保护几个观点的思考,55,7、TA断线是否闭锁？1）双重化的线路保护，在电气上按照完全独立设置（TA、电缆、保护、跳闸线圈），宜闭锁。但是，TA断线不容易使线路保护误动，因此，TA断线时，可以不必闭锁线路保护，只要求发告警信号。2）变压器保护在TA断线时，允许跳闸。3）母线保护在T

19、A断线时，应闭锁保护。4）只有一套保护时（非母线），可以认为TA断线也是一种故障，宜跳闸，还可以避免烧坏二次回路。新的规程规定：除母线保护外，允许跳闸。,六、对继电保护几个观点的思考,56,8、基于基尔霍夫电流定律的差动保护 线路纵差保护考虑分布电容的影响，但是，还 应当考虑位移电流的影响。每100km，光速的延时为1/3ms，对应工频信号 的电气角度差为6。于是，两侧同时采样的话，最大的瞬时值误差：2Sin(6/2)=10.5。对于300km，2Sin(18/2)=31.3。9、微机保护采用跟踪频率 受振荡影响，甚至光纤差动都有问题，因为振 荡时，线路两侧电压的频率是不一样的。采用跟踪电流频

20、率的做法更是错误的，轻负荷 怎么办？,六、对继电保护几个观点的思考,57,10、振荡轨迹 教材中推导的振荡轨迹公式仅仅是近似的。振荡 时，系统各处电压的频率是不同的。电抗分量的大 小与频率有关，而公式中的阻抗都按照同一个频率 来考虑。,六、对继电保护几个观点的思考,58,假设电势表达式：,其中，,这样，2侧频率不同。近似有：,测量电压、测量电流的频率均不相同，因此，采用跟踪电压频率的办法，会造成两侧不同步。振荡越剧烈，影响越大。,六、对继电保护几个观点的思考,59,六、对继电保护几个观点的思考,60,11、关于振荡中心 双端系统的振荡中心约在Z/2处（近似分析）。三端系统的振荡中心？（设：EA

21、=EB=EC）,六、对继电保护几个观点的思考,61,1）B、C等效为一个电源,2）A、C等效为一个电源,六、对继电保护几个观点的思考,62,3）A、B等效为一个电源,六、对继电保护几个观点的思考,63,实际上，应当先说清楚：谁失步？未失步的多电源可以等值为一个电源。,2个以上的电源失步呢？多中心。可以采用叠加原理进行分析,六、对继电保护几个观点的思考,64,12、过渡电阻 500kV 300 220kV 100 110kV 75 短路点的电流为1000A，最严重的情况是两侧 均匀分配此1000A，得：500A。因此，接地保护（3I0)最后一段的启动值取300A（500A）。这里，仅要求的是启动

22、值，而不是接地距离 应该抵御的接地电阻值。也就是说，在这么大 接地电阻情况下，主要有零序保护来切除故障。考虑：设备损坏程度，热稳定，系统稳定等。1000kV的接地电阻？,(特高压按照Ik=800A）,六、对继电保护几个观点的思考,65,13、CVT过程对工频突变量阻抗继电器的影响 CVT暂态过程的包络线有两种情况：1）单调衰减；2）振荡衰减。标准要求：在20ms时，误差衰减到小于额定值的10。理论上，在此过程中，工作电压：是不真实的。会影响保护的动作范围。,六、对继电保护几个观点的思考,66,六、对继电保护几个观点的思考,67,14、关于采样频率 除非算法本身需要很高的采用频率以外（如：小波分

23、析等），作为工频电气量的保护（以基波、2次、3次为主），一般情况下，每周采样1236点就能够满足继电保护的要求和精度，并不需要很高的采样率。录波器的主要功能：1）记录系统事故和异常的发生和发展过程。2）分析继电保护装置的动作行为是否正确？3）谐波分析。理论上fs/2，实际上fs/(2.53)。200点计算出60次谐波的物理概念？（低谐波计费）主要说明：信号中有这个分量，保护有什么对策？很高采样率的作用行波要求每周约1万点。,六、对继电保护几个观点的思考,68,15、求非周期分量 一次系统中非周期分量的衰减时间常数，在经过TA传变后，已经严重地失真了，所以，从二次侧计算的 只能用于修正非周期分量

24、的影响。,六、对继电保护几个观点的思考,69,六、对继电保护几个观点的思考,70,16、影响差动保护正确工作的因素 共性问题：不平衡电流、TA饱和、TA断线，不识别电气直连元件的内部纵向短路（如发电机单相绕组的匝间短路）。特殊性问题：1）变压器励磁涌流、Y/d变换 2）线 路电容电流、位移电流 3）母 线倒闸过程及其识别 4）发电机小匝数短路,六、对继电保护几个观点的思考,71,七、同杆并架双回线的零序等值电路,在保持M、P、Q电压及I01、I02电流不便的情况下，可以得到下面的等值电路：,72,1、同杆并架双回线在外部短路时的零序等值电路,七、同杆并架双回线的零序等值电路,73,2、同杆并架

25、双回线在内部短路时的零序等值电路,七、同杆并架双回线的零序等值电路,74,3、一回线接地检修时，外部短路的零序等值电路方法一,七、同杆并架双回线的零序等值电路,75,3、一回线接地检修时，外部短路的零序等值电路,七、同杆并架双回线的零序等值电路,76,3、一回线接地检修时，外部短路的零序等值电路方法二：保证N点电压和所有电流不变，交换Z0S和 Z0MN（含互感）的位置，达到有公共点，便于去偶。,七、同杆并架双回线的零序等值电路,77,3、一回线接地检修时，外部短路的零序等值电路 于是，容易得到下面的等值电路,七、同杆并架双回线的零序等值电路,78,4、一回线接地检修时，内部短路的零序等值电路,

26、七、同杆并架双回线的零序等值电路,79,1）当a、b两点等电位时，I02=0，互感回路没有影响。2）当UaUb时，I02的实际方向是：由a流向b。在Uk不变的情况下，使I01 减小。在断开第二回线的情况下，容易分析a、b两点的电位，判断I01 是否增大。,七、同杆并架双回线的零序等值电路,80,假设Z01=Z02（一般情况下，双回线都成立），那么，可以得到任意点的UaUb条件：Z0R Z0S 如果将0.8代入，那么，0.2，可以得到：4Z0R Z0S时，3I01减小。在其余情况下，3I01均增大。,七、同杆并架双回线的零序等值电路,81,八、“中国电力发展论坛”，28在张家界召开,一、电源建设

27、发展速度1、00年04年，全国发电装机由3.2亿千瓦发展到 4.4亿千瓦，年均实际增加3000万千瓦。2、05年，预计新增装机容量7000万千瓦，全国总装 机容量将达5.1亿千瓦。3、06年10年，全国发电装机计划由5.1亿千瓦发 展到7.54亿千瓦，年均增加5000万千瓦。4、11年20年，全国发电装机规划由7.54亿千瓦发 展到11.6亿千瓦（或12.54亿千瓦）。年均增加 4000万千瓦5000万千瓦，人均1000瓦装机。,82,5、加大水电建设开发力度。十二大水电梯级开发，如：乌江、雅龙江、金沙江等。6、核电开发力度加大，到2020年装机可达4000万 千瓦，约占总装机4%。7、发展风

28、力发电。,八、“中国电力发展论坛”，28在张家界召开,83,二、电网建设方面1、适度超前发展。2、特高压建设。1）西北750kV输电，兰州东官亭（青海），05年9月投运；2）1000kV输电，晋东南南阳荆州（363 292kM，备选：淮南上海双回），05年底 建设，07年建成。3、提高现有网架输送能力。4、肯定了城、农网改造，还会进一步投入。,八、“中国电力发展论坛”，28在张家界召开,84,三、其它工作1、加强用户负荷管理，减少负荷的峰谷差。2、提高系统运行安全性。3、信息技术、自动化水平提高。四、总体战略1、节能社会、和谐社会。2、自主研发，提高国产化率。3、确保电力系统安全：缺电导致设备

29、带病运行较普遍。,八、“中国电力发展论坛”，28在张家界召开,85,引起8.14大停电的因素很多，现在仍然在研究、分析中。但是，有几点是共识的：1、计算机损坏后，无法及时知道。2、345与138kV电磁环网（规划、结构不合理）。3、距离段不能区分短时过负荷，定值未协调。4、稳定控制不完善。如预防性措施，过负荷控制、低压切负荷、低周减载、失步解列等配置不 足或根本没有。5、市场经济下的联合电网，缺乏统一调度。6、不重视稳定裕度。,九、2003年 8.14 美加大停电的思考,86,分析以往大面积停电的经验和教训，可以看出，主要原因为：1）电压崩溃切负荷；2）功角稳定破坏稳定裕度；3）频率下降减载；

30、4）多重故障（包括天灾、人祸，以及继电保护 不正确。紧急控制和恢复控制 控制中心的安全性（备用控制中心）,九、2003年 8.14 美加大停电的思考,87,面对非线性、高维数、时变、广域的复杂电力系统，我国老一辈电力工作者提出了三道防线的思想，为大电网安全防御体系作出了重大的贡献。多次避免了象美国 8.14这样的大停电事故（在美国，电源大、点多，电网结构强大）。在安全防御体系中，继电保护和自动装置起着关键的重要作用。提高系统稳定性，缩小故障波及范围。,十、提高系统稳定性、防止大停电的三道防线,88,状态检修，光谱、局放、红外监测,十、提高系统稳定性、防止大停电的三道防线,89,过去，对三道防线

31、的研究基本上处于分别、独立的研究状态。今后，除了继续研究原有的课题以外，还应加强研究：1）第一道和第二道防线间的协调、配合；2）第二道和第三道防线间的协调、配合。,十、提高系统稳定性、防止大停电的三道防线,90,Do You Want to Become an IEEE Author?,1+1=2 是很简单的表达式，几岁大的小孩都知道。,再将右边表达为：,还可以继续分解：,于是，1+1=2 可以表示为：,应该将左边表达为：,戏言,91,最后得：,这样，就将数学中的变量、对数、三角函数、级数、双曲函数以及极限等多种方法综合应用于分析之中，具备并体现了较高的理论水平。当然，还可以继续融入其它方法或进一步分解。,Do You Want to Become an IEEE Author?,戏言,92,后续课程再交流具体的内容,研究是无止境的，所介绍的内容难免挂一漏万，请包涵！,