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電力系統繼電保護技術的發展曆程和前景展望

2017-6-19 15:18:20

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詳細介紹

  1、我國電力系統
  繼電保護技術的發展現狀繼電保護技術是随着電力系統的發展而發展的,它與電力系統對運行可靠性要求的不斷提高密切相關。熔斷器就是最初出現的簡單過電流保護,時至今日仍廣泛應用于低壓線路和用電設備。由于電力系統的發展,用電設備的功率、發電機的容量不斷增大,發電廠、變電站和供電網的結線不斷複雜化,電力系統中正常工作電流和短路電流都不斷增大,熔斷器已不能滿足選擇性和快速性的要求,于是出現了作用于專門的斷流裝置的過電流繼電器。本世紀初随着電力系統的發展,繼電器才開始廣泛應用于電力系統的保護。這個時期可認為是繼電保護技術發展的開端。
  自本世紀初第一代機電型感應式過流繼電器(1901年)在電力系統應用以來,繼電保護已經經曆了一個世紀的發展。在最初的二十多年裡,各種新的繼電保護原理相繼出現,如差動保護(1908年)、電流方向保護(1910年)、距離保護(1923年)、高頻保護(1927年),這些保護原理都是通過測量故障發生後的穩态工頻量來檢測故障的。盡管以後的研究工作不斷發展和完善了電力系統的保護,但是這些保護的基本原理并沒有變,至今仍然在電力系統繼電保護領域中起主導作用。
  繼電保護裝置是保證電力系統安全運行的重要設備。滿足電力系統安全運行的要求是繼電保護發展的基本動力。快速性、靈敏性、選擇性和可靠性是對繼電保護的四項基本要求。為達到這個目标,繼電保護專業技術人員借助各種先進科學技術手段作出不懈的努力。經過近百年的發展,在繼電保護原理完善的同時,構成繼電保護裝置的元件、材料等也發生了巨大的變革。繼電保護裝置經曆了機電式、整流式、晶體管式、集成電路式、微處理機式等不同的發展階段。
  50年代,我國工程技術人員創造性地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設備性能和運行技術,建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗的繼電保護技術隊伍,對全國繼電保護技術隊伍的建立和成長起了指導作用。阿城繼電器廠引進消化了當時國外先進的繼電器制造技術,建立了我國自己的繼電器制造業。因而60年代是我國機電式繼電保護繁榮的時代,為我國繼電保護技術的發展奠定了堅實基礎。
  自50年代末,晶體管繼電保護已在開始研究。60年代中到80年代中是晶體管繼電保護蓬勃發展和廣泛采用的時代。在此期間,從70年代中,基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列,逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生産、應用仍處于主導地位,這是集成電路保護時代。
  國内微機保護的研究開始于70年代末期,起步較晚,但發展很快。1984年我國第一套微機距離保護樣機在試運行後通過鑒定并批量生産,以後每年都有新産品問世;1990年第二代微機線路保護裝置正式投入運行。目前,高壓線路、低壓網絡、各種主電氣設備都有相應的微機保護裝置在系統中運行,特别是線路保護已形成系列産品,并得到廣泛應用。我國在2000年220kV及以上系統的微機保護率為43.99%,線路微機保護占86%,到2003年底,220kV以上系統的微機保護已占到70.29%,線路的微機化率達到97.6%。實際運行中,微機保護的正确動作率要明顯高于其他保護,一般比平均正常動作率高0.2~0.3個百分點。國産微機保護經過多年的實際運行,依靠先進的原理和技術及良好的工藝已全面超越進口保護。從80年代220KV及以上電壓等級的電力系統全部采用進口保護,到現在220KV系統繼電保護基本國産化,反映了繼電保護技術在我國的長足發展和國産繼電保護設備的明顯優勢。
  微機繼電保護技術的成熟與發展是近三十年來繼電保護領域最顯著的進展。經過長期的研究和實踐,現在人們已普遍認可了微機保護在電網中無可替代的優勢。微機保護具有自檢功能,有強大的邏輯處理能力、數值計算能力和記憶能力,并且具備很強的數字通信能力,這一切都是電磁繼電器、晶體管繼電器所難以匹敵的。計算機技術的進步,更高性能、更高精度的數字外圍器件的采用,一直是微機繼電保護不斷發展的強大動力。
  2、微機繼電保護的主要特點
  微機保護充分利用了計算機技術上的兩個顯著優勢:高速的運算能力和完備的存貯記憶能力,以及采用大規模集成電路和成熟的數據采集,A/D模數變換、數字濾波和抗幹擾措施等技術,使其在速動性、可靠性方面均優于以往傳統的常規保護,而顯示了強大生命力,與傳統的繼電保護相比,微機保護有許多優點,其主要特點如下:
  1)改善和提高繼電保護的動作特征和性能,正确動作率高。主要表現在能得到常規保護不易獲得的特性;其很強的記憶力能更好地實現故障分量保護;可引進自動控制、新的數學理論和技術,如自适應、狀态預測、模糊控制及人工神經網絡等,其運行正确率很高,已在運行實踐中得到證明。
  2)可以方便地擴充其他輔助功能。如故障錄波、波形分析等,可以方便地附加低頻減載、自動重合閘、故障錄波、故障測距等功能。
  3)工藝結構條件優越。體現在硬件比較通用,制造容易統一标準;裝置體積小,減少了盤位數量;功耗低。
  4)可靠性容易提高。體現在數字元件的特性不易受溫度變化、電源波動、使用年限的影響,不易受元件更換的影響;且自檢和巡檢能力強,可用軟件方法檢測主要元件、部件的工況以及功能軟件本身。
  5)使用靈活方便,人機界面越來越友好。其維護調試也更方便,從而縮短維修時間;同時依據運行經驗,在現場可通過軟件方法改變特性、結構。
  6)可以進行遠方監控。微機保護裝置具有串行通信功能,與變電所微機監控系統的通信聯絡使微機保護具有遠方監控特性。
  3、未來繼電保護技術的發展前景
  微機保護經過近20年的應用、研究和發展,已經在電力系統中取得了巨大的成功,并積累了豐富的運行經驗,産生了顯著的經濟效益,大大提高了電力系統運行管理水平。近年來,随着計算機技術的飛速發展以及計算機在電力系統繼電保護領域中的普遍應用,新的控制原理和方法被不斷應用于計算機繼電保護中,以期取得更好的效果,從而使微機繼電保護的研究向更高的層次發展,其未來趨勢向計算機化,網絡化,智能化,保護、控制、測量和數據通信一體化發展。

  3.1 微計算機硬件的更新和網絡化發展在計算機領域,發展速度最快的當屬計算機硬件,按照著名的摩爾定律,芯片上的集成度每隔18~24個月翻一番。其結果是不僅計算機硬件的性能成倍增加,價格也在迅速降低。微處理機的發展主要體現在單片化及相關功能的極大增強,片内硬件資源得到很大擴充,單片機與DSP芯片二者技術上的融合,運算能力的顯著提高以及嵌入式網絡通信芯片的出現及應用等方面。這些發展使硬件設計更加方便,高性價比使冗餘設計成為可能,為實現靈活化、高可靠性和模塊化的通用軟硬件平台創造了條件。硬件技術的不斷更新,使微機保護對技術升級的開放性有了迫切要求。網絡特别是現場總線的發展及其在實時控制系統中的成功應用充分說明,網絡是模塊化分布式系統中相互聯系和通信的理想方式。如基于網絡技術的集中式微機保護,大量的傳統導線将被光纖取代,傳統的繁瑣調試維護工作将轉變為檢查網絡通信是否正常,這是繼電保護發展的必然趨勢。微機保護設計網絡化,将為繼電保護的設計和發展帶來一種全新的理念和創新,它會大大簡化硬件設計、增強硬件的可靠性,使裝置真正具有了局部或整體升級的可能。
  繼電保護的作用不隻限于切除故障元件和限制事故影響範圍(這是首要任務),還要保證全系統的安全穩定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統的運行和故障信息的數據,各個保護單元與重合閘裝置在分析這些信息和數據的基礎上協調動作,實現微機保護裝置的網絡化。這樣,繼電保護裝置能夠得到的系統故障信息愈多,對故障性質、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準确,大大提高保護性能和可靠性。
  3.2 智能化進入20世紀90年代以來,人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規劃、模糊邏輯等在電力系統各個領域都得到了應用,電力系統保護領域内的一些研究工作也轉向人工智能的研究。專家系統、人工神經網絡(ANN)和模糊控制理論逐步應用于電力系統繼電保護中,為繼電保護的發展注入了活力。
  人工神經網絡(ANN)具有分布式存儲信息、并行處理、自組織、自學習等特點,其應用研究發展十分迅速,目前主要集中在人工智能、信息處理、自動控制和非線性優化等問題。近年來,電力系統繼電保護領域内出現了用人工神經網絡(ANN)來實現故障類型的判别、故障距離的測定、方向保護、主設備保護等。例如在輸電線兩側系統電勢角度擺開情況下發生經過渡電阻的短路就是一非線性問題,距離保護很難正确作出故障位置的判别,從而造成誤動或拒動;如果用神經網絡方法,經過大量故障樣本的訓練,隻要樣本集中充分考慮了各種情況,則在發生任何故障時都可正确判别。其它如遺傳算法、進化規劃等也都有其獨特的求解複雜問題的能力。将這些人工智能方法适當結合可使求解速度更快。可以預見,人工智能技術在繼電保護領域必會得到應用,以解決用常規方法難以解決的問題。
  3.3 自适應控制技術在繼電保護中的應用自适應繼電保護的概念始于20世紀80年代,它可定義為能根據電力系統運行方式和故障狀态的變化而實時改變保護性能、特性或定值的新型繼電保護。自适應繼電保護的基本思想是使保護能盡可能地适應電力系統的各種變化,進一步改善保護的性能。這種新型保護原理的出現引起了人們的極大關注和興趣,是微機保護具有生命力和不斷發展的重要内容。自适應繼電保護具有改善系統的響應、增強可靠性和提高經濟效益等優點,在輸電線路的距離保護、變壓器保護、發電機保護、自動重合閘等領域内有着廣泛的應用前景。針對電力系統頻率變化的影響、單相接地短路時過渡電阻的影響、電力系統振蕩的影響以及故障發展問題,采用自适應控制技術,從而提高保護的性能。對自适應保護原理的研究已經過很長的時間,也取得了一定的成果,但要真正實現保護對系統運行方式和故障狀态的自适應,必須獲得更多的系統運行和故障信息,隻有實現保護的計算機網絡化,才能做到這一點。
  3.4 變電所綜合自動化技術現代計算機技術、通信技術和網絡技術為改變變電站目前監視、控制、保護和計量裝置及系統分割的狀态提供了優化組合和系統集成的技術基礎。高壓、超高壓變電站正面臨着一場技術創新。實現繼電保護和綜合自動化的緊密結合,它表現在集成與資源共享、遠方控制與信息共享。以遠方終端單元(RTU)、微機保護裝置為核心,将變電所的控制、信号、測量、計費等回路納入計算機系統,取代傳統的控制保護屏,能夠降低變電所的占地面積和設備投資,提高二次系統的可靠性。
  綜合自動化技術相對于常規變電所二次系統,主要有以下特點:
  1)設備、操作、監視微機化。綜合自動化系統的各個子系統全部微機化,其内涵中還包括系統的功能軟件化和信号數字化的内容,完全摒棄了常規變電所中各種機電式、機械式、模拟式設備,大大提高了二次系統的可靠性和電氣性能。操作、監視完全微機化,且方便地通過人機聯系系統(MMI)對變電所實施監視和控制。
  2)通信局域網絡化、光纜化。計算機局域網絡技術和光纖通信技術在綜合自動化系統中得到普遍的應用。因此,系統具有較高的抗電磁幹擾的能力,能夠實現高速數據傳輸,滿足實時性要求,組态更靈活,易于擴展,可靠性大大提高,而且大大簡化了常規變電所繁雜量大的各種電纜,方便施工。
  3)運行管理智能化。智能化的表現是多方面的,除了常規自動化功能以外,如自動報警、報表生成、電壓無功調節、小電流接地選線、故障錄波、事故判别與處理等方面,還具有強大的在線自診斷功能,并實時地将其送往調度(控制)中心,即以主動模式代替了常規變電所的被動模式,這一點是與常規二次系統最顯著的區别之一。
  競争的電力市場将促進新的自動化技術的開發和應用,在經濟效益的驅動下,變電站将向集成自動化方向發展。根據變電站自動化集成的程度,可将未來的自動化系統分為協調型自動化和集成型自動化。協調型自動化仍然保留間隔内各自獨立的控制、保護等裝置,各自采集數據并執行相應的輸出功能,通過統一的通信網絡與站級相連,在站級建立一個統一的計算機系統,進行各個功能的協調。而集成型自動化既在間隔級,又在站級對各個功能進行優化組合,是現代控制技術、計算機技術和通信技術在變電站自動化系統的綜合應用。所謂集成型自動化系統是将間隔的控制、保護、故障錄波、事件記錄和運行支持系統的數據處理等功能集成在一個統一的多功能數字裝置内,間隔内部和間隔間以及間隔同站級間的通信用少量的光纖總線實現,取消傳統的硬線連接。總體來說,綜合自動化系統打破了傳統二次系統各專業界限和設備劃分原則,改變了常規保護裝置不能與調度(控制)中心通信的缺陷,給變電所自動化賦予了更新的含義和内容,代表了變電所自動化技術發展的一種潮流。随着科學技術的發展,功能更全、智能化水平更高、系統更完善的超高壓變電所綜合自動化系統,必将在我國電網建設中不斷湧現,把電網的安全、穩定和經濟運行提高到一個新的水平。
  4、結束語
  我國電力系統繼電保護技術的發展經曆了4個階段。随着電力系統的高速發展和計算機技術、通信技術的進步,繼電保護技術面臨着進一步發展的趨勢。其發展将出現原理突破和應用革命,由數字時代跨入信息化時代,發展到一個新的水平。這對繼電保護工作者提出了艱巨的任務,也開辟了活動的廣闊天地。