电力系统微机继电保护

摘要：电力系统继电保护的发展经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。 1 微机继电保护的发展史 微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国

电力系统继电保护的发展经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。

1 微机继电保护的发展史

微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。

我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。从70年代开始，华中 理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机－变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，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。因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。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，并且应用于实际之中［1～3］。 2 微机保护的主要特点

研究和实践证明，与传统的继电保护相比较，微机保护有许多优点［4］，其主要特点如下：

a）改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。

b）可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。

c）工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。

d）可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。

e）使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。

f）可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。 3 继电保护新技术

继电保护技术发展趋势向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展［5］。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势。 3．1 自适应控制技术在继电保护中的应用

自适应继电保护的概念始于20世纪80年代，它可定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣［6］。自适应继电保护具有改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率变化的影响、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，文献［7］提出了自适应对策，从理论和实践两方面探讨了实现自适应式微机距离保护的可行性。文献［8］对自适应原理在输电线路继电保护的应用作了全面的分类描述，使自适应继电保护的原理得到了进一步的发展和完善。文献［9］研究了将自适应继电保护的原理应用于距离保护中，根据系统运行工况的变化，调整距离保护的动作特性，从而提高了距离保护的性能。 3．2 人工神经网络在继电保护中的应用

进入20世纪90年代以来，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，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究［10］。专家系统、人工神经网络（ANN）和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。

基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问题。近几年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。文献［11］提出用CPN（counter－propagation network）模型对交直流混合输电系统的故障类型进行识别；EMTDC（electro－magnetic transientsincluding DC）仿真计算结果表明，CPN模型能可靠地进行故障类型的判别，并依据判别结果对直流控制器的参数进行调整，从而优化交直流混合输电系统的动态运行特性。文献［12］提出了一种基于人工神经网络的电力系统故障诊断系统，该故障诊断系统利用电力系统中继电器和断路器的状态信息来进行故障范围的估计。这一系统可应用于电力系统控制中心，辅助调度员对故障范围进行判别，及时地采取措施对故障进行处理，以保证电力系统供电的安全性、经济性。文献［13］研究了用人工神经网络原理来实现高压输电线路的方向保护，提出用BP模型作为方向保护的方向判别元件。研究结果表明，该方向判别元件能准确、快速地判别出故障的方向。文献［14］阐述了基于神经网络的继电保护系统的优越性；

论证了由单层感知器网络或TH网络可以实现最小二乘算法，这两种网络都可以在极短的时间（数纳秒或几百纳秒）内完成全部运算；给出了电流继电器、圆特性以及四边型特性阻抗继电器的神经网络模型，并证明了三种模型都具有很强的自适应性。文献［15］介绍了一种基于人工神经网络的智能型自适应继电保护原理，利用了比传统保护多得多的信息量。它比传统保护能区分更多的故障类型，提高了继电保护的适用范围，从原理上解决了经高阻抗的短路故障保护问题。文献［16］提出一种利用人工神经网络实现自适应电流保护的方法。该方法充分利用了人工神经网络所具有的强大的自适应能力、学习能力和模式识别能力，实现对电力系统中的各种故障情况的识别，解决电流保护中的灵敏度补偿和故障方向识别问题，使电流保护对正方向各种故障都有足够的保护范围，而对反方向的各种故障实行闭锁，从而实现电流保护的自适应。

3．3 变电所综合自动化技术

现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分割的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。高压、超高压变电站正面临着一场技术创新［17］。继电保护和综合自动化的紧密结合已成为可能，它表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元（RTU）、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。随着微机性能价格比的不断提高，现代通信技术的迅速发展，以及标准化规约的陆续推出，变电站综合自动化成了热门话题。

目前，用于变电站的监视、控制、保护，包括故障录波、紧急控制装置，虽然已实现了微机数字化，但几乎都是功能单一的独立装置，各个装置缺乏整体协调和功能的调优，且功能交叉，输入信息不能共享，接线复杂，从整体上降低了可靠性，同时不能充分利用微机数据处理的强大功能和速度，经济上也是一种浪费。现在广泛应用的变电站自动化系统为常规自动化系统，它应用自动控制技术、计算机数据采集和处理技术、通信技术，代替人工对变电站进行正常运行的监视、操作、电压无功控制、量测记录和统计分析、故障运行的监视、报警和事件顺序记录与运行操作，大多不涉及继电保护、紧急控制、故障录波、RTU、维修状态信息处理等功能，功能相对比较简单。

竞争的电力市场将促进新的自动化技术的开发和应用，在经济效益的驱动下，变电站将向集成自动化方向发展。根据变电站自动化集成的程度，可将未来的自动化系统分为协调型自动化和集成型自动化。协调型自动化仍然保留间隔内各自独立的控制、保护等装置，各自采集数据并执行相应的输出功能，通过统一的通信网络与站级相连，在站级建立一个统一的计算机系统，进行各个功能的协调。而集成型自动化既在间隔级，又在站级对各个功能进行优化组合，是现代控制技术、计算机技术和通信技术在变电站自动化系统的综合应用。所谓集成型自动化系统是将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能集成在一个统一的多功能数字装置内，间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信用少量的光纤总线实现，取消传统的硬线连接［18］。 总之，微机保护必将随着各种技术的进步和发展呈现更新的特征，也将获得更广泛的应用。 参考文献

［1］杨奇逊．微型机继电保护基础［M］．北京：水利电力出版社，1988． ［2］张宇辉．电力系统微型计算机继电保护［M］．北京：中国电力出版社，2000． ［3］王梅义．电网继电保护应用［M］．北京：中国电力出版社，1999． ［4］陈德树，张哲，尹项根．微机继电保护［M］．北京：中国电力出版社，2000．

［5］贺家李．电力系统继电保护技术的现状与发展［J］．中国电力，1999，32（10）：38—40． ［6］葛耀中．新型继电保护与故障测距原理与技术［M］．西安：西安交通大学出版社，1996． ［7］张之哲，陈德树．微型计算机距离保护的自适应对策［J］．中国电机工程学报，1988，8（3）：12—23．

［8］ROCKEFELLERGD，WAGNERCL，LINDERSJR，etal．Adaptive transmission relaying concept for improved perfor－mance［J］．IEEETrans．on Power Delivery，1988，3（4）． ［9］XIAY Q，LIKK，DAVIDA K．Adaptiverelay setting forstand－alone digital distance protection［J］．IEEETrans．on ower Delivery，1994，9（1）：480—491． ［10］吴斌，刘沛，陈德树．继电保护中的人工智能及其应用［J］．电力系统自动化，1995，19（5）：5—11．

［11］KANDILN，SOOD VK，KHORASANIK，et al．Faulti－dentificationin an AC－DCtransmission systemusing neuralnetworks［J］．IEEETrans．on Power Systems，1992，7（2）：812—819．

［12］YANG H T，CHANG W Y，HUANG CL．A newneuralnetworksapproach to on－linefaultsectionestimationusingin－formation ofprotectiverelaysand circuitbreakers［J］．IEEE rans．on Power Delivery，1994，9（1）：220—230． ［13］SIDHUTS，SINGHH，SACHDEV MS．Designimplemen－tationand testing of an artificial neural network based faultdirection discriminator for protecting transmissionlines［J］．IEEETrans．on Power Systems，1995，10（2）：1002—1009． ［14］张秀峰．神经网络在继电保护中的应用［J］．西南交通大学学报，1995，30（6）：694—700． ［15］陈允平，龚庆武，马宁，等．基于人工神经网络的智能型自适应保护（Ⅰ）原理［J］．武汉水利电力大学学报，1998，31（2）：28—31．

［16］房鑫炎，钟聪，沈芳良．基于人工神经网络自适应电流保护［J］．继电器，2000，28（5）：16—19． ［17］曾庆禹．变电站自动化技术的未来发展（一）———电力市场与协调型自动化［J］．电力系统自动化，2000，24（18）：1—4． ［18］曾庆禹．变电站自动化技术的未来发展（二）———集成自动化、寿命周期成本［J］．电力系统自动化，2000，24（20）：1-5.