電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)的發(fā)展歷程和前景展望
關(guān)鍵詞：繼電保護 運行現(xiàn)狀 發(fā)展前景
1、我國電力系統(tǒng)
繼電保護技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀繼電保護技術(shù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展的，它與電力系統(tǒng)對運行可靠性要求的不斷提高密切相關(guān)。熔斷器就是最初出現(xiàn)的簡單過電流保護，時至今日仍廣泛應(yīng)用于低壓線路和用電設(shè)備。由于電力系統(tǒng)的發(fā)展，用電設(shè)備的功率、發(fā)電機的容量不斷增大，發(fā)電廠、變電站和供電網(wǎng)的結(jié)線不斷復(fù)雜化，電力系統(tǒng)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(xiàn)了作用于專門的斷流裝置的過電流繼電器。本世紀初隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，繼電器才開始廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的保護。這個時期可認為是繼電保護技術(shù)發(fā)展的開端。
自本世紀初第一代機電型感應(yīng)式過流繼電器（1901年）在電力系統(tǒng)應(yīng)用以來，繼電保護已經(jīng)經(jīng)歷了一個世紀的發(fā)展。在最初的二十多年里，各種新的繼電保護原理相繼出現(xiàn)，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(fā)生后的穩(wěn)態(tài)工頻量來檢測故障的。盡管以后的研究工作不斷發(fā)展和完善了電力系統(tǒng)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(tǒng)繼電保護領(lǐng)域中起主導(dǎo)作用。
繼電保護裝置是保證電力系統(tǒng)安全運行的重要設(shè)備。滿足電力系統(tǒng)安全運行的要求是繼電保護發(fā)展的基本動力?？焖傩?、靈敏性、選擇性和可靠性是對繼電保護的四項基本要求。為達到這個目標，繼電保護專業(yè)技術(shù)人員借助各種先進科學(xué)技術(shù)手段作出不懈的努力。經(jīng)過近百年的發(fā)展，在繼電保護原理完善的同時，構(gòu)成繼電保護裝置的元件、材料等也發(fā)生了巨大的變革。繼電保護裝置經(jīng)歷了機電式、整流式、晶體管式、集成電路式、微處理機式等不同的發(fā)展階段。
50年代，我國工程技術(shù)人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設(shè)備性能和運行技術(shù)，建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經(jīng)驗的繼電保護技術(shù)隊伍，對全國繼電保護技術(shù)隊伍的建立和成長起了指導(dǎo)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(shù)，建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。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(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
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(fā)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、生產(chǎn)、應(yīng)用仍處于主導(dǎo)地位，這是集成電路保護時代。
國內(nèi)微機保護的研究開始于70年代末期，起步較晚，但發(fā)展很快。1984年我國第一套微機距離保護樣機在試運行后通過鑒定并批量生產(chǎn)，以后每年都有新產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)、各種主電氣設(shè)備都有相應(yīng)的微機保護裝置在系統(tǒng)中運行，特別是線路保護已形成系列產(chǎn)品，并得到廣泛應(yīng)用。我國在2000年220kV及以上系統(tǒng)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(tǒng)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，微機保護的正確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。國產(chǎn)微機保護經(jīng)過多年的實際運行，依靠先進的原理和技術(shù)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(tǒng)全部采用進口保護，到現(xiàn)在220KV系統(tǒng)繼電保護基本國產(chǎn)化，反映了繼電保護技術(shù)在我國的長足發(fā)展和國產(chǎn)繼電保護設(shè)備的明顯優(yōu)勢。
微機繼電保護技術(shù)的成熟與發(fā)展是近三十年來繼電保護領(lǐng)域最顯著的進展。經(jīng)過長期的研究和實踐，現(xiàn)在人們已普遍認可了微機保護在電網(wǎng)中無可替代的優(yōu)勢。微機保護具有自檢功能，有強大的邏輯處理能力、數(shù)值計算能力和記憶能力，并且具備很強的數(shù)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(shù)的進步，更高性能、更高精度的數(shù)字外圍器件的采用，一直是微機繼電保護不斷發(fā)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(shù)上的兩個顯著優(yōu)勢：高速的運算能力和完備的存貯記憶能力，以及采用大規(guī)模集成電路和成熟的數(shù)據(jù)采集，A/D模數(shù)變換、數(shù)字濾波和抗干擾措施等技術(shù)，使其在速動性、可靠性方面均優(yōu)于以往傳統(tǒng)的常規(guī)保護，而顯示了強大生命力，與傳統(tǒng)的繼電保護相比，微機保護有許多優(yōu)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，正確動作率高。主要表現(xiàn)在能得到常規(guī)保護不易獲得的特性；其很強的記憶力能更好地實現(xiàn)故障分量保護；可引進自動控制、新的數(shù)學(xué)理論和技術(shù)，如自適應(yīng)、狀態(tài)預(yù)測、模糊控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其運行正確率很高，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(jié)構(gòu)條件優(yōu)越。體現(xiàn)在硬件比較通用，制造容易統(tǒng)一標準；裝置體積小，減少了盤位數(shù)量；功耗低。
4）可靠性容易提高。體現(xiàn)在數(shù)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(diào)試也更方便，從而縮短維修時間；同時依據(jù)運行經(jīng)驗，在現(xiàn)場可通過軟件方法改變特性、結(jié)構(gòu)。
6）可以進行遠方監(jiān)控。微機保護裝置具有串行通信功能，與變電所微機監(jiān)控系統(tǒng)的通信聯(lián)絡(luò)使微機保護具有遠方監(jiān)控特性。
3、未來繼電保護技術(shù)的發(fā)展前景
微機保護經(jīng)過近20年的應(yīng)用、研究和發(fā)展，已經(jīng)在電力系統(tǒng)中取得了巨大的成功，并積累了豐富的運行經(jīng)驗，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，大大提高了電力系統(tǒng)運行管理水平。近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及計算機在電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用，新的控制原理和方法被不斷應(yīng)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(fā)展，其未來趨勢向計算機化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。
3.1 微計算機硬件的更新和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展在計算機領(lǐng)域，發(fā)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(jié)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(fā)展主要體現(xiàn)在單片化及相關(guān)功能的極大增強，片內(nèi)硬件資源得到很大擴充，單片機與DSP芯片二者技術(shù)上的融合，運算能力的顯著提高以及嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信芯片的出現(xiàn)及應(yīng)用等方面。這些發(fā)展使硬件設(shè)計更加方便，高性價比使冗余設(shè)計成為可能，為實現(xiàn)靈活化、高可靠性和模塊化的通用軟硬件平臺創(chuàng)造了條件。硬件技術(shù)的不斷更新，使微機保護對技術(shù)升級的開放性有了迫切要求。網(wǎng)絡(luò)特別是現(xiàn)場總線的發(fā)展及其在實時控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用充分說明，網(wǎng)絡(luò)是模塊化分布式系統(tǒng)中相互聯(lián)系和通信的理想方式。如基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集中式微機保護，大量的傳統(tǒng)導(dǎo)線將被光纖取代，傳統(tǒng)的繁瑣調(diào)試維護工作將轉(zhuǎn)變?yōu)闄z查網(wǎng)絡(luò)通信是否正常，這是繼電保護發(fā)展的必然趨勢。微機保護設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化，將為繼電保護的設(shè)計和發(fā)展帶來一種全新的理念和創(chuàng)新，它會大大簡化硬件設(shè)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。
繼電保護的作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍（這是首要任務(wù)），還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統(tǒng)的運行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個保護單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)微機保護裝置的網(wǎng)絡(luò)化。這樣，繼電保護裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，對故障性質(zhì)、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準確，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(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，電力系統(tǒng)保護領(lǐng)域內(nèi)的一些研究工作也轉(zhuǎn)向人工智能的研究。專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和模糊控制理論逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護中，為繼電保護的發(fā)展注入了活力。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）具有分布式存儲信息、并行處理、自組織、自學(xué)習(xí)等特點，其應(yīng)用研究發(fā)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(yōu)化等問題。近年來，電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）來實現(xiàn)故障類型的判別、故障距離的測定、方向保護、主設(shè)備保護等。例如在輸電線兩側(cè)系統(tǒng)電勢角度擺開情況下發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路就是一非線性問題，距離保護很難正確作出故障位置的判別，從而造成誤動或拒動；如果用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，經(jīng)過大量故障樣本的訓(xùn)練，只要樣本集中充分考慮了各種情況，則在發(fā)生任何故障時都可正確判別。其它如遺傳算法、進化規(guī)劃等也都有其獨特的求解復(fù)雜問題的能力。將這些人工智能方法適當結(jié)合可使求解速度更快?？梢灶A(yù)見，人工智能技術(shù)在繼電保護領(lǐng)域必會得到應(yīng)用，以解決用常規(guī)方法難以解決的問題。
3.3 自適應(yīng)控制技術(shù)在繼電保護中的應(yīng)用自適應(yīng)繼電保護的概念始于20世紀80年代，它可定義為能根據(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、特性或定值的新型繼電保護。自適應(yīng)繼電保護的基本思想是使保護能盡可能地適應(yīng)電力系統(tǒng)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(xiàn)引起了人們的極大關(guān)注和興趣，是微機保護具有生命力和不斷發(fā)展的重要內(nèi)容。自適應(yīng)繼電保護具有改善系統(tǒng)的響應(yīng)、增強可靠性和提高經(jīng)濟效益等優(yōu)點，在輸電線路的距離保護、變壓器保護、發(fā)電機保護、自動重合閘等領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景。針對電力系統(tǒng)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(tǒng)振蕩的影響以及故障發(fā)展問題，采用自適應(yīng)控制技術(shù)，從而提高保護的性能。對自適應(yīng)保護原理的研究已經(jīng)過很長的時間，也取得了一定的成果，但要真正實現(xiàn)保護對系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的自適應(yīng)，必須獲得更多的系統(tǒng)運行和故障信息，只有實現(xiàn)保護的計算機網(wǎng)絡(luò)化，才能做到這一點。
3.4 變電所綜合自動化技術(shù)現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為改變變電站目前監(jiān)視、控制、保護和計量裝置及系統(tǒng)分割的狀態(tài)提供了優(yōu)化組合和系統(tǒng)集成的技術(shù)基礎(chǔ)。高壓、超高壓變電站正面臨著一場技術(shù)創(chuàng)新。實現(xiàn)繼電保護和綜合自動化的緊密結(jié)合，它表現(xiàn)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，將變電所的控制、信號、測量、計費等回路納入計算機系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的控制保護屏，能夠降低變電所的占地面積和設(shè)備投資，提高二次系統(tǒng)的可靠性。
綜合自動化技術(shù)相對于常規(guī)變電所二次系統(tǒng)，主要有以下特點：
1）設(shè)備、操作、監(jiān)視微機化。綜合自動化系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)全部微機化，其內(nèi)涵中還包括系統(tǒng)的功能軟件化和信號數(shù)字化的內(nèi)容，完全摒棄了常規(guī)變電所中各種機電式、機械式、模擬式設(shè)備，大大提高了二次系統(tǒng)的可靠性和電氣性能。操作、監(jiān)視完全微機化，且方便地通過人機聯(lián)系系統(tǒng)（MMI）對變電所實施監(jiān)視和控制。
2）通信局域網(wǎng)絡(luò)化、光纜化。計算機局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和光纖通信技術(shù)在綜合自動化系統(tǒng)中得到普遍的應(yīng)用。因此，系統(tǒng)具有較高的抗電磁干擾的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，滿足實時性要求，組態(tài)更靈活，易于擴展，可靠性大大提高，而且大大簡化了常規(guī)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(xiàn)是多方面的，除了常規(guī)自動化功能以外，如自動報警、報表生成、電壓無功調(diào)節(jié)、小電流接地選線、故障錄波、事故判別與處理等方面，還具有強大的在線自診斷功能，并實時地將其送往調(diào)度（控制）中心，即以主動模式代替了常規(guī)變電所的被動模式，這一點是與常規(guī)二次系統(tǒng)最顯著的區(qū)別之一。
競爭的電力市場將促進新的自動化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，在經(jīng)濟效益的驅(qū)動下，變電站將向集成自動化方向發(fā)展。根據(jù)變電站自動化集成的程度，可將未來的自動化系統(tǒng)分為協(xié)調(diào)型自動化和集成型自動化。協(xié)調(diào)型自動化仍然保留間隔內(nèi)各自獨立的控制、保護等裝置，各自采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的輸出功能，通過統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)與站級相連，在站級建立一個統(tǒng)一的計算機系統(tǒng)，進行各個功能的協(xié)調(diào)。而集成型自動化既在間隔級，又在站級對各個功能進行優(yōu)化組合，是現(xiàn)代控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)在變電站自動化系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。所謂集成型自動化系統(tǒng)是將間隔的控制、保護、故障錄波、事件記錄和運行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能集成在一個統(tǒng)一的多功能數(shù)字裝置內(nèi)，間隔內(nèi)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(xiàn)，取消傳統(tǒng)的硬線連接?？傮w來說，綜合自動化系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)二次系統(tǒng)各專業(yè)界限和設(shè)備劃分原則，改變了常規(guī)保護裝置不能與調(diào)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內(nèi)容，代表了變電所自動化技術(shù)發(fā)展的一種潮流。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功能更全、智能化水平更高、系統(tǒng)更完善的超高壓變電所綜合自動化系統(tǒng)，必將在我國電網(wǎng)建設(shè)中不斷涌現(xiàn)，把電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行提高到一個新的水平。
4、結(jié)束語
我國電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計算機技術(shù)、通信技術(shù)的進步，繼電保護技術(shù)面臨著進一步發(fā)展的趨勢。其發(fā)展將出現(xiàn)原理突破和應(yīng)用革命，由數(shù)字時代跨入信息化時代，發(fā)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(wù)，也開辟了活動的廣闊天地。
參考文獻
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