继电保护技术的发展与应用

1 概述

电力系统的安全可靠运行直接关系各行各业的生产、千家万户的生活甚至于人们的生命安全。因此电力系统对继电保护提出了更高的要求。电力系统继电保护技术的发展，历经了电磁型、晶体管型、集成电路型、微机型的发展过程。至今，不同形式的保护还在电力系统中广泛存在并发挥作用。对于微机型继电保护装置由于其性能的优越运行可靠，越来越得到用户的认可从而在配电系统中大量使用。继电保护技术在配网中得到很大的发展，并且超越原有的行业范围，走向多功能智能化，而传统意义上的独立的继电保护装置正在消失。今后的发展方向是高智能化的综合自动化。

总之，不管发展速度如何，未来的电力保护必定是组装灵活、功能完善、维护简单、人机界面友好的高度智能化的综合自动化保护。随着市场、标准的逐步规范，随着更多的厂家加入这一技术领域，电力保护也必将会以更快的速度向前迈进。

90年代初，随着变电站综合自动化的推广和应用，使得面向变电站综合自动化的应用成为当时新型数字式保护设计的主流，这也为拓展更深层次意义上的面向对象即面向被保护对象的设计思想打下了良好的基础。面向对象的保护系统因而具有分散布置、模块化、系列化、多功能化等特点，并确保其系统的开放性、灵活性与兼容性。

2 继电保护发展现状

我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业，在建国后其发展历经了4个历史阶段，50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。

自50年代末，晶体管继电保护已在开始研究。60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。

我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所相继研制了不同原理、不同形式的微机保护装置。并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。

微机型继电保护装置的普遍特点可归纳为：维护调试方便，具有自动检测功能;可靠性高，具有极强的综合分析和判断能力可实现常规模拟保护很难做到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止出于干扰而造成的误动作，并具有自诊断能力，可自动检测出保护装置本身硬件系统的异常部分，配合多重化设计可有效地防止拒动;保护装置自身的经济性;可扩展性强，易于获得附加功能;保护装置本身的灵活性大，可灵活地适应于电力系统运行方式的变化：保护装置的性能得到很好地改善，具有较高的运算和大容量的存储能力等等。这些特点在很大程度上反映了保护软件设计的重要性、灵活性特征。但在实践中，数字保护的元件和保护逻辑大多预先由保护生产厂商设置，这给工程人员的实用化分析和判别带来较多不便。于是国内外保护界均有意将以用户应用作为微机保护的软件设计中的重要部分而加以充分考虑，用户可配置的保护或“透明化设计”。这样一来，一方面，在保护软件方面，新型保护软件的设计强调保护系统多重原理的实现以及保护数据处理流程的透明性(即在一定条件下，配合相应的保护测试软件，继电保护对于用户是开放的)。另一方面，保护将具有多功能特性，增强的网络功能、用户界面的友好等等。新型数字保护应用智能型保护原理(如小波分析原理等)，以高级语言编程为主体构架，采用实时多任务操作系统，实现软件标准化、可编程并具有继承件，避免在不同编程语言环境下重复开发，减少开发工作量，提高开发效率，便于维护;而将汇编语言编程作为辅助编程手段，完成对系统初始化和底层硬件的实时操作，以提高系统的运行效率。

对新型数字保护的构想是在现有微机保护的设计和应用实践的基础上提出的，其主要任务是解决现有保护系统中的处理瓶颈环节，完备保护功能。光传感器、快速数据采集、数字信号处理、计算机通信等技术的应用使未来微机保护系统更具模块化、更具灵活性、即插即用式、更能满足用户要求的整体设计以强大的技术支持。同样，结合现有国产化条件，为新世纪的电力系统提供各种新型保护也必将成为我们今后为之而不懈努力的动力源泉和方向。

3 综合测控装置

出于微机继电保护在高压电网推广成功，其优良的性能、方便的操作和简单的维护在电力系统中深得人心，而近年来微电子技术的高速发展，高性能、低价值的CPU及外围器件的出现，加之成熟的制造工艺，就有可能制造出性能优越而价格适宜的用于配电网的继电保护产品。当然，CPU强大的计算能力在完成继电保护功能之外，还有较多的能力去处理传统上由另外一些装置完成的功能或者去实现过去没有实现的功能。因此，首先把RTU中的遥信及遥测加入、再后来加入遥控等功能，再把低周减载等功能加入，形成了一个融合保护、测量、控制、通讯等功能在一起的综合装置。在这个装置里，传统的分界消失了，只剩下功能的组合，而在实际上就保护功能而言，也得到较大的发展。因为有测量的要求，就需加入电压测量，有了电压测量值，继电保护的实现方法就有了更多的发展余地。必然会发展并研究出更适用于配电网的保护方法。

有了这样的综合装置，人们完全有理由要求就地安装以节省电缆，简化控制室，甚至实现无人值班、远方操作等要求，以最终达到节约场地，节约资金、节约人力的目的。这种要求反过来也对装置的制造提出了很高的要求。例如，装置要适应较宽的温度范围，耐受较强的电磁幅射和干扰水平，要求装置有更强的自检和互检能力。由于用户的这些要求，装置制造商在器件选用、印刷板设计、EMC技术机箱结构工艺等下了很多的工夫，逐步满足了现场的需要。因此在新建的变电站中，中低压开关设备采用就地安装的挂柜式装置，配用现场总线构成自动化系统已成为一个潮流。

3.1柱上开关及配电开关智能化

除上述变电站中采用就地安装的综合测控装置外，原来为手动操作的柱上开关及配电开关，由于微机保护装置的介入，出现了全新的变化。在很长一段时间里，中压配网中采用自动设备很少，有可能是可供选择的设备不多，也可能是需求不足。但是随着用户对用电可靠性要求的提高，对配网设备的自动化也提出了较高的要求。目前已有开发并使用的两大类装置一类是FTU(现场远方终端)和柱上开关分离，各自独立工作，完成自身功能。另一类是将FTU(现场远方终端)与柱上开关组合在一起，成为一个设备，一个机电一体化的设备，实现保护、测量、控制、通讯、开合等功能的智能化组合。由于使用这些智能化设备，加上良好的通讯功能与集控装置相连接，可以完成许多在以前无法完成或者要有很多装置才能完成的任务。当然FTU实际上是一个集合保护、测量、控制、通讯的微机型装置，也同样需要提高功能、扩大功能、发展改进，满足配电网中的各种功能要求，实现配电网的自动化。

3.2户外型测控装置的发展

除了上述FTU等装于户外的测控装置外，在电压等级较高的配电设备中也逐渐采用户外型装置或是就地安装的装置。采用户外型的目的是为了简化主控制室，减少电缆连结。在户外开关附近，采用就地安装的结构，例如双层屏敝的金属箱体，里边安装保护测控设备，也可能是独立的，也可能是综合的，通过通讯线(光纤)同主控室联络、交换信息，接收命令。由于就地安装，CT的负担减轻，控制电缆缩短，间隔在视野上更清晰，因而操作也更可靠。由于这些优点，这样一种方案会逐步发展，特别在新建站中会有较大的发展。

就地就近布置保护设备及测量装置的设想由来已久、但是由当时的技术条件很难满足要求，且户外设备要耐受较为恶劣的环境，包括气象环境及电磁干扰，化学腐蚀及其它条件，因此在技术上难度较大。直到最近几年，受FTU的启发，户外就地安装逐渐得到发展，而适应恶劣环境的各种技术也相应发展起来，并且正在不断发展提高中。可以预见，就地安装在电压较高的系统甚至是很高的系统将成为热点，而继电保护技术也在这种发展中得到深化和提高。

综上所述，配电网中的继电保护正在同别的功能相互渗透，相互融合成一个新型的综合测控装置，而继电保护的功能在其中得到深化和发展。配合微机技术的发展，通讯技术的发现，以及适应各种环境的硬件的发展。配电网中的综合测控装置的功能愈来愈强，应用范围愈来愈大，继电保护技术会不断向智能化方向发展。

4 继电保护的未来发展

电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。为此继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

4.1计算机化

随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。微机保护的应用和发展在当前条件下已取得丰富的运行经验，在高可靠性的基础上，实现着良好的性能价格比。但随着电力系统自身体系的日益成熟与完善、计算机技术的不断发展以及用户对微机保护装置综合性能要求的进一步提高，现有微机保护尚存在一定的差距。基于这一因素，一种新型数字保护的构想模式，力求为新型微机保护的实践开辟道路。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。

单片化、高精度模数转换器(A/D)如何实现高精度的模数转换是所有数字式保护所要解决的首要环节，国内第一代微机保护即采用了当时较普遍的模数转换器实观A/D转换，这种处理系统的薄弱环节体现在以单一模数转换芯片所构成的数据采集系统的处理能力上;第一代保护中完成不同保护原理的分CPU均采用其专用的数据采集系统，其结构复杂，灵活性较差;第二代微机保护采用VFC构成其数据采集系统，既有效地解决了上述问题(用光电隔离实现信号隔离、脉冲计数实现多CPU数据共享)，又避免了多CPU系统中所经常出现复杂的总线操作。但与A/D转换相比，在某些应用场合。VFC式模数转换器较后者逊色，例如就高速高精度的数据采集而言，对应于模数转换精度的提高，VFC式模数转换器是以增大积分面积，延长转换时间为代价的(其分辨率受系统采样率的影响)。现代电子技术的成就足以促成现有保护系统的数据采集及转换部分的更新，更为重要的是，保护系统的性能也将因此而有所改观(便于实现多种保护原理及保护多功能化)。单片化、高精度模数转换器与专用光纤网络相配合的方式，即由专用单片智能型的模数转换器完成高精度、高速数据采集及处理的任务，利用光纤网络实现数据的同步处理及高速传输、多CPU间的数据共享以及信号流程间所需的隔离等，从而综合地解决了上述问题。

4.2数据采集

当今，利用光传感器对电力系统中的电流和电压进行测量已非技术上的难题。其发展趋势是在一个组件上即可将传统电压电流互感器的功能结合在一起，该传感器组件可在整个有关的动态范围内，以高分辨率、高精度和良好的线性度来满足控制、测量、保护以及计量工作的需要，如利用光电式电流互感器(OECT)或磁光式电流互感器(MOCT)进行电流测量。采用光电式互感器避免了传统电磁式互感器所带来的绝缘结构复杂、测量准确度无法满足(测量与保护无法兼顾)、安装检修不方便等缺点，取而代之的是，光电压电流传感器所特有的体积小巧、安装方便、无电磁感应性(抗饱和特性好)、良好的绝缘特性及其优良的隔离性能(指对一次大电流、高电压信号与一次小电流、低电压信号间的信号隔离)。光CT、PT的使用为简化电力系统一、二次设备的配置，将与一次系统有关的信息安全、可靠、实时地转变至二次侧的计算机处理系统创造了良好的应用条件，更便于与计算机处理系统的接口以及保护装置的就地下放，并节省了大量的电缆及相应的敷设工作。

4.3数据处理系统

保护系统所需的信息一经数据采集系统处理后，整个系统的实现将在很大程度上取决于该系统的数据处理能力。近年来的应用实践使我们相信多CPU(或数字信号处理器DSP)的单片化配置将有利于满足各种保护的特殊要求。所谓多CPU或DSP的单片化设置就是利用多个功能强大的CPU(单片模式)通过特定的内部联接来完成系统的多功能，而其中的每个CPU则被用于实现某一保护原理或特定的功能。这种保护系统的配置方式既满足了系统对抗干扰能力的需求，又充分发挥了多CPU配置的资源优势，便于采用高级语言编程、用户使用与维护以及系统整体性能的优化。

4.4网络化

计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围(这是首要任务)，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。

对于一般的非系统保护，实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。对自适应保护原理的研究已很长的时间，也取得了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点。

对于某些保护装置实现计算机联网，也能提高保护的可靠性。天津大学1993年针对未来三峡水电站500kV超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的原理，初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若干个(与被保护母线的回路数相同)母线保护单元，分散装设在各回路保护屏上，各保护单元用计算机网络联接起来，每个保护单元只输入本回路的电流量，将其转换成数字量后，通过计算机网络传送给其它所有回路的保护单元，各保护单元根据本回路的电流量和从计算机网络上获得的其它所有回路的电流量，进行母线差动保护的计算，如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器，将故障的母线隔离。在母线区外故障时，各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络实现的分布式母线保护原理，比传统的集中式母线保护原理有较高的可靠性。因为如果一个保护单元受到干扰或计算错误而误动时，只能错误地跳开本回路，不会造成使母线整个被切除的恶性事故，这对于象三峡电站具有超高压母线的系统枢纽非常重要。

当今电力系统的高速发展迫切要求现代电力系统具有更高的安全、优质、可靠和经济运行的性能。从电力系统综合自动化的角度来看，网络方面，系统要求其控制网络与信息网络间相互借鉴、相互融合。对控制网络而言，微机保护系统可以实现完全的分散分布式控制、处理和运行，相当于一个智能化的节点，可就地上送有关信息而无需考虑其他条件的网络节点，可就地上送有关信息而无需考虑其他条件的约束。正是这一点，使得我们在进行新型数字保护的设计时，将保护系统的网络部分(尤其是其中具有高可靠性、高速、大容量的数据传输)作为系统设计的关键环节之一，使其更具灵活性，具备多种网络接口。

4.5信息化管理

伴随着计算机技术、通信技术的发展，电网管理机制的转变，电网调度自动化技术正不断地更新换代。具有多种功能并能方便集成的各类现有系统的内联网、因特网技术已完全能够覆盖电力行业管理和营运的多种应用。因此，在本系统设计的初期，考虑到集电网运行和电力营销于一体的信息化管理系统--按信息的“分层、分类、分布”原则进行系统设计的主导思想，在该保护系统中采用了更为通用的、支持多种内部及外部联接的接口，从而保证最大限度地实现保护及其它相关信息的有效使用和高度共享。

4.6保护、控制、测量、数据通信一体化

在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。

目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。现在光电流互感器(OTA)和光电压互感器(OTV)已在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应用。在采用OTA和OTV的情况下，保护装置应放在距OTA和OTV最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。OTA和OTV的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断;另一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。

4.7智能化

近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确作出故障位置的判别，从而造成误动或拒动;如果用神经网络方法，经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。

5 结束语

随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。国内外继电保护技术发展的趋势为：计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化，这对继电保护工作者提出了艰巨的任务，也开辟了活动的广阔天地。