電力系統(tǒng)繼電保護自動化策略及技術研究

南京遠能電力工程有限公司 馬 迎 裴有慧

為確保電力系統(tǒng)長時間穩(wěn)定在正常運行狀態(tài)下，必須對電力系統(tǒng)實施繼電保護。在科學技術水平不斷提升背景下，推動繼電保護自動化、智能化是必然趨勢，即要積極在電力系統(tǒng)內引入繼電保護自動化策略及技術，并結合現(xiàn)實情況展開持續(xù)性的優(yōu)化調整，實現(xiàn)與時俱進。

1 電力系統(tǒng)繼電保護自動化技術主要內容

1.1 電力系統(tǒng)自動化繼電保護裝置應用原理

應用于電力系統(tǒng)內的繼電保護裝置可細化為邏輯模塊、測量模塊及執(zhí)行模塊三部分，在實際運行中輸入信號傳遞至測量模塊內，結合整定值形成“是”、“非”、“大于”等邏輯信號，由此確定出是否需對保護裝置進行啟動；信號傳遞至邏輯模塊，形成“或”、“與”、“否”、“延時啟動”等邏輯回路，由此判斷出是否要進行斷路器跳閘或發(fā)出信號；信號傳遞至執(zhí)行模塊后能根據(jù)之前形成的指令做出行動，并向電力系統(tǒng)其他功能單元發(fā)出控制指令。實踐中，一旦電力系統(tǒng)中發(fā)生故障所有異常物理量會轉變?yōu)樾畔⒘浚绻惓Ｎ锢砹砍鲈试S范圍，繼電保護裝置動作，迅速對故障元件、故障線路實施隔離，防止對電力系統(tǒng)中其他正常運行的元件或線路產生負面影響。

1.2 電力系統(tǒng)繼電保護自動化技術應用要求

為確保繼電保護自動化技術的作用可在電力系統(tǒng)中得到最大程度發(fā)揮，需重點控制繼電保護裝置安裝質量，為繼電保護自動化技術的作用發(fā)揮創(chuàng)造良好條件。在選定繼電保護裝置時應著重關注兩項性能：速動性。所選用的繼電保護裝置可在故障問題發(fā)生后第一時間做出反應，迅速、準確定位故障線路或元件并落實切斷合理處理，促使故障問題被控制在較小范圍內，避免對電力系統(tǒng)引發(fā)更大負面影響。通常要確保繼電保護裝置一般快速保護時間在60～120毫秒的范圍內，最快保護時間可達到1～40毫秒；選擇性。所使用的繼電保護裝置僅能對故障線路、元件做出切斷與隔離處理，而不會對正常運行的線路與元件進行干預，有效避免故障問題大范圍擴展的同時維護電力系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行。

1.3 電力系統(tǒng)繼電保護自動化技術應用價值

為自適應技術的發(fā)展提供支持。通過在電力系統(tǒng)中引入繼電保護自動化技術，能達到優(yōu)化電力系統(tǒng)工作狀態(tài)與流程的效果，促使企業(yè)經濟效益增長的同時推動自適應技術的創(chuàng)新。此時電力系統(tǒng)在運行中發(fā)生的故障問題能得到更為迅速、精準的處理，促使電力系統(tǒng)長時間保持在穩(wěn)定運行狀態(tài)下；推動網絡化發(fā)展空間的拓展。對繼電保護自動化技術而言，其基礎為信息技術，因此將繼電保護自動化技術應用于電力系統(tǒng)中可達到促進電力系統(tǒng)信息化、網絡化、智能化的效果，促進對電力系統(tǒng)的遠程控制功能升級，也賦予電力控制系統(tǒng)以更多可能性；實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。結合當前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，自動化、智能化是電力系統(tǒng)甚至整個電力行業(yè)的主流發(fā)展趨勢。通過在電力系統(tǒng)中引入繼電保護自動化技術，就能達到促進電力系統(tǒng)向著智能化與自動化方向發(fā)展的效果，自動完成電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)信息的提取、分析，準確、迅速定位風險問題及故障，并實施第一時間的報警、保護與處理，保證電力系統(tǒng)能長時間保持在穩(wěn)定運行的狀態(tài)下。

2 電力系統(tǒng)繼電保護自動化技術具體應用探究

2.1 常見應用方式

接地保護技術。在電力系統(tǒng)實際運行過程中發(fā)生接地故障問題相對常見，通過引入繼電保護自動化技術，能參考不同接地故障類型實施針對性處理與保護的效果。如，在電力系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常情況且產生零電壓背景下極易引發(fā)大面積斷電問題。而通過應用繼電保護自動化技術就能實現(xiàn)零序電壓的預警保護，即便發(fā)生上述故障也能讓電力系統(tǒng)在短時間內保持在穩(wěn)定運行下，同時完成故障區(qū)域的迅速定位、故障區(qū)及其附近區(qū)域的電壓檢測，第一時間向管理人員、控制中心發(fā)送故障信息及警報，為迅速形成有效的故障處理方案提供支持，以此達到維護電力系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定水平的效果。

差動保護。主要參考“電路中流入節(jié)點電流的總和等于零”原理形成，將受到保護的設備元件視為一個節(jié)點，在電力系統(tǒng)正常運行條件下，流入被保護設備元件中的電流及流出的電流始終穩(wěn)定在相等水平，此時差動電流為零；而一旦被保護設備元件發(fā)生故障或出現(xiàn)運行異常情況，則流入被保護設備元件中的電流及流出電流間存在差異，此時差動電流高于零。一旦差動電流的大小超出差動保護裝置的整定值時，上位機會立即發(fā)出動作信號，控制被保護設備元件的配套斷路器斷開，達到切斷隔離故障設備元件的效果。此時能將故障問題穩(wěn)定在較小范圍內，避免對電力系統(tǒng)造成更大負面影響。對于差動保護來說，其電路結構相對簡單且具有更強的靈敏性、選擇性，實現(xiàn)更為精準的故障切斷隔離，整個保護啟動過程的獨立性也相對較更高，確保相關工作人員可在故障問題大范圍傳播擴散前完成有效、針對性處理。

熔斷器保護。通過在電力系統(tǒng)中加設熔斷器，能在電流超出預設規(guī)定條件下產生大量熱量促使熔體熔斷，以此達到斷開相應故障電路的效果，完成對電力系統(tǒng)的保護。在當前電路系統(tǒng)中，常用熔斷器類型包括插入式熔斷器、螺旋式熔斷器及封閉式熔斷器等，根據(jù)電流與電壓等級的不同所應用的熔斷器類型也存在較大差異：對380V及以下電壓等級的線路末端，在進行配電支線或電氣設備短路保護中更適合選用插入式熔斷器，方便后續(xù)維護以及更換；對電壓等級500V及其以下、電流等級200A以下的電路，在進行短路保護過程中更加適合選用封閉式熔斷器，以此獲取更大的分斷電流；對電壓等級500V以下、電流等級600A以下的電力網或配電設備，不需更高分斷能力，更適用于使用無填料封閉式熔斷器；對電壓等級500V以下、電流等級1kA以下的電路，需較高分斷能力，更適用于使用有填料封閉式熔斷器。

2.2 電力系統(tǒng)中的實際應用情況

變壓器繼電自動保護。在繼電保護自動化技術的支持下，電力系統(tǒng)中的變壓器能得到更為理想、全面的保護，并實現(xiàn)變壓器保護的自動化。在電力系統(tǒng)實際運行過程中，繼電保護自動化技術的應用對變壓器的保護作用主要體現(xiàn)：變壓器接地保護。通過在電力系統(tǒng)中應用繼電保護自動化技術可完成對短路故障的實時性監(jiān)測，并結合對變壓器兩側電流與電壓數(shù)據(jù)的實時獲取及分析，達到落實零序電壓接地保護的效果；變壓器線路的短路保護。充分發(fā)揮出阻抗元件的保護功能實現(xiàn)自動斷電，或是在變壓器配套時間元件、電流保護裝置的支持下推動變壓器的正常運行時間長度增加，同時實現(xiàn)自動化斷電，有效規(guī)避短路故障時電流過高問題所帶來的負面影響；變壓器油箱的故障監(jiān)控。繼電自動化保護裝置可對變壓器運行過程中油箱中的油、絕緣材質分解后所生成的氣體成分實施分析，在此基礎上確定出變壓器油箱是否存在異常現(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)故障問題或是運行異常情況，則能立即落實線路的自動化切斷，防止故障影響擴大。

發(fā)電機自動化保護。對于發(fā)電機來說，一旦其發(fā)生故障，所產生的異常現(xiàn)象更加明顯，也會對電力系統(tǒng)產生較大的負面影響，容易發(fā)生電量輸出平衡穩(wěn)定性大幅下降問題。基于這樣的情況，必須重點落實對發(fā)電機的繼電保護，特別是要對發(fā)電機中的定子組匝實施保護。實踐中需將繼電自動化保護裝置加設于定子繞組內，也可在電動機單相接地的條件下結合電流與相位的中心點完成對發(fā)電機的繼電保護操作。在繼電保護自動化技術的支持下，對發(fā)電機的動態(tài)性、遠程實時性監(jiān)測成為現(xiàn)實，一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)電機在實際運行過程中發(fā)生溫度異常變化等問題時能第一時間展開異常現(xiàn)象的分析及診斷，在判定發(fā)電機存在短路故障后繼電自動化保護裝置可迅速完成跳閘，防止由于發(fā)電機溫度持續(xù)上升而引發(fā)的更大負面影響，降低絕緣層被破壞的問題發(fā)生概率，由此達到保護電力系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定性的效果。

網絡母線保護。基于繼電保護自動化技術的母線保護可細化為兩種保護形式，即差動保護與相位比較保護。其中差動保護在前文已有說明不再贅述。對于相位比較保護，其主要利用母聯(lián)開關流過的電流與差動回路中的總差電流進行比較，將所有支路的二次電流回路固定連接在一起，這一總的電流與母聯(lián)的二次電流方向進行比較，也就是差動回路的電流是反應母線故障（Ⅰ或Ⅱ）的總電流，如果存在Ⅰ母故障則通過母聯(lián)電流方向是由Ⅱ母流向Ⅰ母；如果存在Ⅱ母故障則通過母聯(lián)電流方向是由Ⅰ母流向Ⅱ母，相位變化180°，而差動回路中的電流相位不變，因此可選擇出故障母線[1]。

電網運行維護。輸變電電網是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其運行安全穩(wěn)定性直接關系著電力系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定水平，因此須對其落實重點保護。實踐中，通過在輸變電電網構建及運行中應用繼電保護自動化技術，能達到規(guī)避電氣故障產生的效果，促使電網、整個電力系統(tǒng)長時間維持在穩(wěn)定運行水平下。在選用繼電自動化保護裝置過程中，須重點參考電網所在區(qū)域的現(xiàn)實條件、氣候條件、電磁干擾情況等，確保繼電保護自動化技術的優(yōu)勢得到最大程度發(fā)揮。

3 電力系統(tǒng)繼電保護自動化的優(yōu)化策略分析

3.1 測量、保護、控制、數(shù)據(jù)信息的一體化

出于對提升繼電保護自動化技術應用成效的考量，應積極融合計算機技術，在互聯(lián)網的支持下推動測量、保護、控制、數(shù)據(jù)信息在電力系統(tǒng)內集成，由此轉入一體化的狀態(tài)，促使電力系統(tǒng)內所有信息與裝置均保持統(tǒng)一。依托測量、保護、控制、數(shù)據(jù)信息一體化的實現(xiàn)，電力系統(tǒng)中所有保護裝置的保護功能可得到進一步完善，由此賦予電力系統(tǒng)更多樣的性能。實踐中，須及時完成對電力系統(tǒng)運行中各種測量數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、保護數(shù)據(jù)、控制參數(shù)等的提取與分析，保證在發(fā)生故障后實現(xiàn)第一時間的故障識別、分析以及定位，提升繼電保護的展開速度。同時，通過融合計算機技術與繼電保護自動化技術，不僅所有電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)能得到統(tǒng)一性管理，故障識別與分析處理過程中所產生的數(shù)據(jù)信息也能直接保存至數(shù)據(jù)庫內，為后續(xù)繼電保護動作的展開提供參考。

3.2 持續(xù)優(yōu)化電力系統(tǒng)繼電保護網絡化模式的搭建

為更好滿足用電需求，電力系統(tǒng)建設規(guī)模呈現(xiàn)不斷增長趨勢，線路、設備的配置數(shù)量及種類增加，原有繼電保護裝置配置已無法滿足電力系統(tǒng)現(xiàn)實需求，難以保證對電力系統(tǒng)運行安全性的維護達到理想水平。基于此需在電力系統(tǒng)中配置多個繼電保護裝置，并持續(xù)強化各個保護裝置間的數(shù)據(jù)交換及聯(lián)系，而這需網絡的支持。換言之，要搭建起電力系統(tǒng)繼電保護網絡，促使電力系統(tǒng)中所配置的所有繼電保護設備構成一個整體，共同完成對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行狀態(tài)的維護[2]。

同時，網絡化連接也是構建自動化繼電保護系統(tǒng)的重要內容，促使本地電站中的保護客戶機與遠端主站實現(xiàn)連接。在網絡化建設的支持下信息共享成為現(xiàn)實，能在整個繼電保護系統(tǒng)中分享電站、線路的運行數(shù)據(jù)。此時即使一臺機電保護裝置發(fā)生故障或無法應用，繼電保護系統(tǒng)中的其他裝置也能達到替代故障繼電保護裝置運行的效果，及時切斷隔離電力系統(tǒng)中發(fā)生故障或運行異常的元件、線路，提升了繼電保護功能的可靠性。

3.3 繼電保護策略的優(yōu)化改進

為確保電力系統(tǒng)繼電保護自動化性能得到最大程度發(fā)揮，降低繼電保護故障問題發(fā)生概率，須對繼電保護策略實施著重的優(yōu)化改進，維護繼電保護設備的可靠性、靈敏性、速動性以及選擇性。

對現(xiàn)行繼電保護原理進行改進與完善，重點提升其保護性能及適應能力。針對差動保護可使用“制動量優(yōu)化+高阻故障精準選相”方式完成優(yōu)化改進，針對距離保護可使用控制過負荷誤動發(fā)生概率的方式完成優(yōu)化改進，針對啟動速度可通過設置“一點啟動”功能模塊達到優(yōu)化改進的效果：差動保護制動量化。在調整制動電流過程中，參考線路兩側電流增幅關系實現(xiàn)自適應的、自動化的調節(jié)，推動短路電流識別能力的最小值由原有1000安培提升至300安培，促使在短路電流受限條件下線路保護的故障識別能力呈現(xiàn)出增強趨勢；線路單向高阻故障精準選相方法。充分發(fā)揮負荷序差動電流幅值作用，結合相位特征達到迅速使被單向接地故障相的效果，促使故障相的識別準確率提升至100%。此時故障隔離時長由原有5個周波縮減至2個周波，有效降低了因單向故障而引發(fā)的線路三相跳閘問題發(fā)生概率；故障一點啟動算法。對現(xiàn)有一相多點啟動算法進行優(yōu)化調整，充分應用三相電流所具備的對稱性特征，依托三相同一時刻電流采樣值達到提取故障突變量特征的提取，實現(xiàn)在發(fā)生故障后第一點采樣值保護迅速進入啟動狀態(tài)，促使故障后的一點啟動成為現(xiàn)實。

積極展開原理及技術的創(chuàng)新研究，逐步形成全新的、性能優(yōu)良的保護算法：基于電壓平面的距離保護應對過負荷的技術。在電壓余弦分量的支持下達到對過負荷、相間故障準確識別的效果，結合相-序補償電壓相位關系對過負荷、相間故障進行準確的識別，通過這樣的方式能更為精準的區(qū)別過負荷與線路故障問題，有效解決距離保護誤動問題；基于線路固有參數(shù)交流的線路低容抗保護。低容抗保護的動作性能穩(wěn)定性更強，可精準識別1000歐姆的過渡電阻，能準確完成故障相的識別。金屬性故障動作時間穩(wěn)定在1.67毫秒，相比與現(xiàn)有輸電線路保護的不低于10毫秒有著更明顯的應用優(yōu)勢。

綜上，在當前的電力系統(tǒng)運行及保護工作中，推動繼電保護自動化、智能化是必然趨勢，要積極在電力系統(tǒng)內引入繼電保護自動化策略及技術。通過在發(fā)電機、變壓器、母線等的保護中應用接地保護技術、差動保護、熔斷器保護等繼電自動化保護技術，提升了電力系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。