電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向

韓殿龍 程志武 周曉東

（黑龍江省蘭西縣電業(yè)局，黑龍江 蘭西 151500）

微機(jī)保護(hù)經(jīng)過(guò)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，大大提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行管理水平。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)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(jì)算機(jī)繼電保護(hù)中，以期取得更好的效果，從而使微機(jī)繼電保護(hù)的研究向更高的層次發(fā)展，其未來(lái)趨勢(shì)向計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。

1 微計(jì)算機(jī)硬件的更新和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，發(fā)展速度最快的當(dāng)屬計(jì)算機(jī)硬件，按照著名的摩爾定律，芯片上的集成度每隔18～24個(gè)月翻一番。其結(jié)果是不僅計(jì)算機(jī)硬件的性能成倍增加，價(jià)格也在迅速降低。微處理機(jī)的發(fā)展主要體現(xiàn)在單片化及相關(guān)功能的極大增強(qiáng)，片內(nèi)硬件資源得到很大擴(kuò)充，單片機(jī)與DSP芯片二者技術(shù)上的融合，運(yùn)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(jì)更加方便，高性價(jià)比使冗余設(shè)計(jì)成為可能，為實(shí)現(xiàn)靈活化、高可靠性和模塊化的通用軟硬件平臺(tái)創(chuàng)造了條件。硬件技術(shù)的不斷更新，使微機(jī)保護(hù)對(duì)技術(shù)升級(jí)的開(kāi)放性有了迫切要求。網(wǎng)絡(luò)特別是現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展及其在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用充分說(shuō)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(jī)保護(hù)，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(hù)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(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。微機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化，將為繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)和發(fā)展帶來(lái)一種全新的理念和創(chuàng)新，它會(huì)大大簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、增強(qiáng)硬件的可靠性，使裝置真正具有了局部或整體升級(jí)的可能。

繼電保護(hù)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(yùn)行。這就要求每個(gè)保護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個(gè)保護(hù)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(dòng)作，實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)化。這樣，繼電保護(hù)裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，對(duì)故障性質(zhì)、故障位置的判斷和故障距離的檢測(cè)愈準(zhǔn)確，大大提高保護(hù)性能和可靠性。

2 智能化

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，人工智能技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，電力系統(tǒng)保護(hù)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(hù)中，為繼電保護(hù)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(chǔ)信息、并行處理、自組織、自學(xué)習(xí)等特點(diǎn)，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(dòng)控制和非線性優(yōu)化等問(wèn)題。近年來(lái)，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）來(lái)實(shí)現(xiàn)故障類型的判別、故障距離的測(cè)定、方向保護(hù)、主設(shè)備保護(hù)等。例如在輸電線兩側(cè)系統(tǒng)電勢(shì)角度擺開(kāi)情況下發(fā)生經(jīng)過(guò)渡電阻的短路就是一非線性問(wèn)題，距離保護(hù)很難正確作出故障位置的判別，從而造成誤動(dòng)或拒動(dòng)；如果用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，經(jīng)過(guò)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(shí)都可正確判別。其它如遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃等也都有其獨(dú)特的求解復(fù)雜問(wèn)題的能力。將這些人工智能方法適當(dāng)結(jié)合可使求解速度更快。可以預(yù)見(jiàn)，人工智能技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域必會(huì)得到應(yīng)用，以解決用常規(guī)方法難以解決的問(wèn)題。

3 自適應(yīng)控制技術(shù)在繼電保護(hù)中的應(yīng)用

自適應(yīng)繼電保護(hù)的概念始于20世紀(jì)80年代，它可定義為能根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)改變保護(hù)性能、特性或定值的新型繼電保護(hù)。自適應(yīng)繼電保護(hù)的基本思想是使保護(hù)能盡可能地適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種變化，進(jìn)一步改善保護(hù)的性能。這種新型保護(hù)原理的出現(xiàn)引起了人們的極大關(guān)注和興趣，是微機(jī)保護(hù)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(hù)具有改善系統(tǒng)的響應(yīng)、增強(qiáng)可靠性和提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，在輸電線路的距離保護(hù)、變壓器保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、自動(dòng)重合閘等領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景。針對(duì)電力系統(tǒng)頻率變化的影響、單相接地短路時(shí)過(guò)渡電阻的影響、電力系統(tǒng)振蕩的影響以及故障發(fā)展問(wèn)題，采用自適應(yīng)控制技術(shù)，從而提高保護(hù)的性能。對(duì)自適應(yīng)保護(hù)原理的研究已經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間，也取得了一定的成果，但要真正實(shí)現(xiàn)保護(hù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行和故障信息，只有實(shí)現(xiàn)保護(hù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化，才能做到這一點(diǎn)。

4 變電所綜合自動(dòng)化技術(shù)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(hù)和計(jì)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(chǎng)技術(shù)創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化的緊密結(jié)合，它表現(xiàn)在集成與資源共享、遠(yuǎn)方控制與信息共享。以遠(yuǎn)方終端單元（RTU）、微機(jī)保護(hù)裝置為核心，將變電所的控制、信號(hào)、測(cè)量、計(jì)費(fèi)等回路納入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的控制保護(hù)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(dòng)化技術(shù)相對(duì)于常規(guī)變電所二次系統(tǒng)，主要有以下特點(diǎn)：

4.1 設(shè)備、操作、監(jiān)視微機(jī)化

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)全部微機(jī)化，其內(nèi)涵中還包括系統(tǒng)的功能軟件化和信號(hào)數(shù)字化的內(nèi)容，完全摒棄了常規(guī)變電所中各種機(jī)電式、機(jī)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(jī)化，且方便地通過(guò)人機(jī)聯(lián)系系統(tǒng)（MMI）對(duì)變電所實(shí)施監(jiān)視和控制。

4.2 通信局域網(wǎng)絡(luò)化、光纜化

計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和光纖通信技術(shù)在綜合自動(dòng)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(shí)時(shí)性要求，組態(tài)更靈活，易于擴(kuò)展，可靠性大大提高，而且大大簡(jiǎn)化了常規(guī)變電所繁雜量大的各種電纜，方便施工。

4.3 運(yùn)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(dòng)化功能以外，如自動(dòng)報(bào)警、報(bào)表生成、電壓無(wú)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(qiáng)大的在線自診斷功能，并實(shí)時(shí)地將其送往調(diào)度（控制）中心，即以主動(dòng)模式代替了常規(guī)變電所的被動(dòng)模式，這一點(diǎn)是與常規(guī)二次系統(tǒng)最顯著的區(qū)別之一。

競(jìng)爭(zhēng)的電力市場(chǎng)將促進(jìn)新的自動(dòng)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)下，變電站將向集成自動(dòng)化方向發(fā)展。根據(jù)變電站自動(dòng)化集成的程度，可將未來(lái)的自動(dòng)化系統(tǒng)分為協(xié)調(diào)型自動(dòng)化和集成型自動(dòng)化。協(xié)調(diào)型自動(dòng)化仍然保留間隔內(nèi)各自獨(dú)立的控制、保護(hù)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(guò)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)與站級(jí)相連，在站級(jí)建立一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行各個(gè)功能的協(xié)調(diào)。而集成型自動(dòng)化既在間隔級(jí)，又在站級(jí)對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行優(yōu)化組合，是現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。所謂集成型自動(dòng)化系統(tǒng)是將間隔的控制、保護(hù)、故障錄波、事件記錄和運(yùn)行支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理等功能集成在一個(gè)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(jí)間的通信用少量的光纖總線實(shí)現(xiàn)，取消傳統(tǒng)的硬線連接。總體來(lái)說(shuō)，綜合自動(dòng)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(hù)裝置不能與調(diào)度（控制）中心通信的缺陷，給變電所自動(dòng)化賦予了更新的含義和內(nèi)容，代表了變電所自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)，必將在我國(guó)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(jì)運(yùn)行提高到一個(gè)新的水平。

[1]楊奇遜，微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)，北京：水利電力出版社，1988.

[2]張宇輝，電力系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)，北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[3]葛耀中，自適應(yīng)繼電保護(hù)及其前景展望，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997，21（9）：42～46.