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1、高壓輸電線路繼電保護新進展,西安交通大學 索南加樂 教授,主要內容,繼電保護的作用和分類 傳統(tǒng)保護 微機保護 智能電網的保護 結論,1. 繼電保護的作用和分類,繼電保護的作用 自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行； 反應電力設備的不正常運行狀態(tài)，并根據運行維護條件，而動作于發(fā)出信號或跳閘。,1. 繼電保護的作用及分類,電力系統(tǒng)對繼電保護基本要求 選擇性、速動性、靈敏性、可靠性 主保護和后備保護 主保護：反映被保護元件（線路）故障，快速動作于跳閘的保護裝置 后備保護：主保護失效時作備用的保護裝置,1. 繼電保護的作用及分

2、類,繼電保護的分類 目前在系統(tǒng)中應用的保護原理 單端量保護：電流保護、零序電流保護、距離保護 雙端量保護：高頻方向、高頻距離、電流差動,1. 繼電保護的作用及分類,繼電保護的發(fā)展歷程,1. 繼電保護的作用及分類,國內外主要保護廠家,1. 繼電保護的作用及分類,國內外主要保護廠家,2. 傳統(tǒng)保護,高壓電網中傳統(tǒng)保護的配置 主保護 縱聯(lián)方向/縱聯(lián)距離 后備保護 三段式距離保護 四段式零序電流保護,2. 傳統(tǒng)保護,傳統(tǒng)保護的特點 采用電磁式、晶體管和集成電路構成保護平臺 以工頻量為主、諧波為輔 保護動作特性為直線和圓等簡單形式 保護原理與硬件平臺一體化 硬件的可靠性決定了保護的可靠性 保護原理越簡單

3、越可靠,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---階段式電流保護,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---距離保護 距離保護的定義 利用短路時電壓、電流同時變化的特征，測量電壓與電流的比值，反應故障點到保護安裝處的距離而工作的保護。,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---距離保護 接地距離計算公式 相間距離計算公式,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---距離保護 阻抗繼電器的動作特性---圓特性,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---距離保護 阻抗繼電器的動作特性---圓特性,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---距離保護 阻抗繼電器的動作特性---四邊形特性,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---距離保護 過渡電阻的影響,,,,轉化為電感分量，引起距離

4、保護的超越或拒動 距離保護受過渡電阻影響大！,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---縱聯(lián)方向保護 定義 兩側保護裝置將本側的功率方向、測量阻抗是否在規(guī)定的方向、區(qū)段內的判別結果傳送到對側，每側保護裝置根據兩側的判別結果，區(qū)分是區(qū)內故障還是區(qū)外故障 保護通道內傳輸的是邏輯信號，信息量小,區(qū)外故障時，兩側方向元件方向相反,區(qū)內故障時，兩側方向元件方向相同,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---縱聯(lián)方向保護,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---縱聯(lián)方向保護 閉鎖式：高頻信號在非故障線路上傳播 允許式：高頻信號在故障線路上傳播,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---縱聯(lián)方向保護 評價 功率方向元件受過渡電阻影響且存在電壓死區(qū) 負序

5、方向元件僅能反應不對稱故障；零序方向元件僅能反應接地故障 負序、零序方向元件在故障位置較遠或系統(tǒng)阻抗較小時存在靈敏度不足的問題,2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---零序電流保護 電網保護廣泛采用四段式零序電流保護作為后備保護，其優(yōu)點如下： 靈敏性高 僅與零序網絡相關，受系統(tǒng)運行方式影響小 不受振蕩等不正常工作狀態(tài)的影響 零序方向元件無電壓死區(qū),2. 傳統(tǒng)保護,主要原理---零序電流保護 缺點： 高壓電網的零序電流保護整定困難 非全相運行時需退出,2. 傳統(tǒng)保護,對傳統(tǒng)保護的評價 僅能滿足“四統(tǒng)一”時期，電力系統(tǒng)對保護的要求： 主保護近在故障發(fā)生后100ms內投入，100ms后僅有后備保護 振蕩以及非

6、全相運行過程中發(fā)生故障無法快速切除 保護靈敏度低，耐受過渡電阻能力差，動作時間長 發(fā)展性故障由后備保護切除，無法快速切除,3. 微機保護,計算機技術、通信技術、數字信號處理技術的發(fā)展，促進了微機保護的產生和發(fā)展 微機保護的特點 工頻量為主、諧波為輔（由互感器特性決定） 保護原理和保護硬件平臺獨立 動作特性由動作方程決定，可以實現復雜的保護原理 原理和軟件程序的可靠性決定著保護動作的可靠性,3. 微機保護,微機保護對傳統(tǒng)保護性能的提升 微機保護對傳統(tǒng)保護性能的提升是由于其能夠采用以下新技術改進傳統(tǒng)保護存在的問題： 故障分量的應用 選相元件及發(fā)展性故障識別元件的應用 自適應保護原理的應用 光纖通信

7、技術的應用,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量的概念,單相輸電線故障網絡圖及其分解,+,=,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量的提取,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量的特點 不受負荷的影響 通過計算系統(tǒng)阻抗識別系統(tǒng)運行方式的變化 保護安裝處故障分量電流與故障支路電流同相位,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量方向元件,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量方向元件,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量方向元件的評價 動作速度快 方向性明確，靈敏度高 不受負荷影響 不受過渡電阻影響 不受故障類型的影響,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量的距離保護 動作方程 相

8、間故障 接地故障,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量距離保護,反方向故障時，計算電壓和整定值的關系,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量距離保護,正方向區(qū)外故障時，計算電壓和整定值的關系,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量距離保護,區(qū)內故障時，計算電壓和整定值的關系,3. 微機保護,故障分量的應用 故障分量距離保護的評價 動作速度快 不受負荷電流影響 振蕩中不會誤動 保護范圍受系統(tǒng)運行方式影響 靈敏度低,3. 微機保護,故障分量的應用 高阻接地距離保護 利用保護安裝處的故障分量電流與故障支路電流同相位的特點，用保護安裝處的故障分量電流代替故障支路電流從而列些出考慮接地電阻的電壓

9、方程，求解該電壓方程，得到準確的電感數值，進而求得故障距離。,3. 微機保護,故障分量的應用 高阻接地距離保護---以單相系統(tǒng)為例,當 為實數時，方程計算得到的 是準確的,3. 微機保護,故障分量的應用 高阻接地距離保護的評價 保護算法中考慮了過渡電阻，距離保護耐受過渡電阻能力大大提高 測距公式僅在故障回路中成立，健全相的測距結果中電感數值是錯誤的，可能造成健全相保護的誤動,3. 微機保護,選相元件的應用 選相元件在故障發(fā)生后能夠正確選擇出故障相，從而保證高阻接地距離保護算法能夠應用于正確的故障相，不至于導致非故障相的誤動，從而提高了距離保護的耐受過渡電阻能力。,3. 微機保護,選相元件的

10、應用 相電流突變量差選相元件 選相元件,3. 微機保護,選相元件的應用 相電流突變量差選相元件 選相判據,3. 微機保護,選相元件的應用 相電流突變量差選相元件的評價 動作速度快 靈敏，選相正確 需與啟動元件配合 發(fā)展性故障時，有可能不能選出最終故障類型,3. 微機保護,發(fā)展性故障識別元件的應用 發(fā)展性故障判別元件能夠在故障發(fā)生后，利用兩次故障中零序電流和負序電流的相位差關系判斷是否發(fā)生了發(fā)展性故障，使得微機保護能夠在系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展性故障時快速動作，切除故障，保證系統(tǒng)安全。,3. 微機保護,發(fā)展性故障識別元件的應用 利用零序電流和負序電流的相位關系判斷是否發(fā)生了發(fā)展性故障，以及相應的故障相 發(fā)展

11、性故障判別元件,3. 微機保護,發(fā)展性故障識別元件的應用 發(fā)展性故障判別元件判據,3. 微機保護,自適應保護原理的應用 上世紀80年代提出 能根據電力系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的變化而實時改變保護性能、特性或定值的保護,3. 微機保護,自適應保護原理的應用 系統(tǒng)運行方式的自適應---系統(tǒng)阻抗的識別,3. 微機保護,自適應保護原理的應用 動作特性的自適應 距離保護中的超越問題,,送端系統(tǒng)的超越軌跡,,受端系統(tǒng)的超越軌跡,3. 微機保護,自適應保護原理的應用 動作特性的自適應 距離保護中的超越問題,送端系統(tǒng)動作軌跡的偏移,受端系統(tǒng)動作軌跡的偏移,3. 微機保護,自適應保護原理的應用 動作特性的自適應

12、自適應距離保護通過功率方向元件自動判斷電網聯(lián)絡線保護安裝處位于負荷的送出端還是符合的接收端，并根據判別結果自動地調整距離保護圓特性的偏移，從而提高保護的性能,3. 微機保護,自適應保護原理的應用 定值的自適應 階段式電流保護依據系統(tǒng)運行時的負荷水平，自動調整定時限過電流保護的定值，使得在輕負荷時保護靈敏性提高，同時在重負荷時保證保護的選擇性。,3. 微機保護,自適應保護原理的應用 故障類型的自適應 階段式電流保護受故障類型的影響，在最嚴重的故障情況下確定保護定值，在最輕微的故障情況下校驗保護靈敏性，導致電網階段式電流保護整定困難。 自適應保護原理通過計算，將所有故障情況下的短路電流折算成三相故

13、障時的短路電流，并根據等效的三相故障時的短路電流進行整定和校驗，提高了階段式電流保護的性能。,3. 微機保護,光纖通信技術的應用 光纖通道的敷設以及高速光纖通信技術的發(fā)展，使得光纖電流差動保護已取代高頻保護成為高壓輸電線路的主保護。,3. 微機保護,對微機保護的評價 故障全過程均有性能優(yōu)良的主保護投入，發(fā)展性故障也可以被快速切除，保證電力系統(tǒng)安全運行 能夠自適應于電網運行方式、故障類型調整保護定值和動作特性，使得保護始終處于最佳性能的狀態(tài)運行 整組保護由多種保護原理配合工作完成，使得保護始終處于最佳性能的狀態(tài)運行 耐受過渡電阻能力強，靈敏度高，動作速度快 不受負荷影響,4. 智能電網的保護,智

14、能電網給繼電保護帶來的挑戰(zhàn) 電壓等級高，送電距離長，城市供電電纜化以及海底電纜的廣泛應用 區(qū)域電網采用高壓直流互聯(lián)、電網中廣泛應用FACTS等靈活控制元件 清潔及可再生能源大規(guī)模接入電網,4. 智能電網的保護,智能電網對繼電保護的影響 工頻量保護原理利用單一工頻信號，需一個工頻周期的數據窗對采樣信號進行濾波處理，無法快速動作。 工頻量反映的故障信息有限，工頻量原理不得不對被保護元件模型進行簡化，由模型不精確導致的計算誤差影響保護的性能。,4. 智能電網的保護,智能電網中保護發(fā)展的三個層次 層次一 利用電子式互感器良好的傳變特性，繼電保護能夠取得一次系統(tǒng)的真實電氣量信息，從而能夠建立更加符合電力

15、系統(tǒng)實際的數學模型，構造性能更加優(yōu)良的判據，將電力系統(tǒng)繼電保護原理提升到一個新的層次 代表性原理：基于參數識別的繼電保護原理,4. 智能電網的保護,智能電網中保護發(fā)展的三個層次 層次二 利用智能變電站全站信息共享，繼電保護不僅取得更真實的電力系統(tǒng)一次信息，也能夠得到其他相關元件的電氣量信息，從而為提高保護性能和更加合理地配置保護創(chuàng)造了條件 代表性原理：同桿并架雙回線“弱電強磁”問題 故障分量電壓為“零”的問題 分布式母線保護及后備保護的配置及實現問題,4. 智能電網的保護,智能電網中保護發(fā)展的三個層次 層次三 利用智能電網廣域信息共享，繼電保護可以識別電網的運行狀態(tài)，故障類型

16、以及故障位置，從而為自適應保護，在線整定以及在線調整保護動作時間創(chuàng)造條件 代表性原理：自適應保護 階段式保護后備段的加速動作,4. 智能電網的保護,對智能電網保護的思考---以參數識別為例 參數識別的基本思路 參數識別的距離保護 參數識別的縱聯(lián)保護 對參數識別保護的評價,,,,由入端阻抗函數得到網絡輸入端電流、電壓的時域表達式為：,上式變形得到：,4. 智能電網的保護,參數識別的基本思路,,,,取k個測量數據對 （k=n+m+1)，可得到一系列的微分方程 ，寫成矩陣形式為,由最小二乘方法得到系數向量c的估計值，即,4. 智能電網的保護,參數識別的基本思路,,,

17、,系數向量c和網絡中各元件參數之間存在如下的一般關系,因此求解如下的最小二乘優(yōu)化問題可得到網絡中所有元件的參數，從而確定網絡的所有信息,上述過程說明網絡參數識別實際上是在網絡結構已知的前提下，由網絡暫態(tài)響應進行的網絡綜合過程,4. 智能電網的保護,參數識別的基本思路,R-L輸電線路模型與微分方程完全對應： 電壓電流為受模型約束的電氣量，是真實信號，利用其求解參數不需要濾波，快速、準確； 任意時間測得的電氣量均滿足微分方程，利用任意時間的數據計算的參數都是真實、正確的。,,RL串聯(lián)電路的參數識別：,4. 智能電網的保護,參數識別的基本思路,RLC串聯(lián)電路的參數識別：,RLC串聯(lián)網絡的工頻電路方程

18、如下所示，利用工頻電壓電流，僅僅能求出R和X，而不能進一步求出L和C,4. 智能電網的保護,參數識別的基本思路,RLC串聯(lián)電路的參數識別：,利用參數識別原理，列寫時域電路方程：,利用故障暫態(tài)信息，可以分別求出R、L和C三個參數。,4. 智能電網的保護,參數識別的基本思路,,,模型與方程對應，全頻帶信息均適用,模型與方程不完全對應，只有適用頻帶信息才可用，需要研究模型的適用頻帶,模型與頻帶的關系,4. 智能電網的保護,參數識別的基本思路,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 背景 長距離輸電線路分布電容大，分布參數效應不能忽略，考慮波過程后，其測量阻抗與故障距離的關系可表征為雙曲正切函數 距

19、離保護所采用的RL模型與實際線路的分布參數模型不一致導致距離保護的性能變差,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 背景,考慮波過程的長距離輸電線路模型,（a）電阻,（b）電抗,長距離輸電線路測量阻抗與故障距離的關系,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 背景,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 距離保護的本質 與故障測距不同，距離保護僅需要區(qū)分故障發(fā)生在區(qū)內還是區(qū)外，并不需要精確判斷故障位置 實際上，距離保護的本質在于：測量阻抗的誤差小于允許誤差,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 距離保護的本質,允許誤差與故障點位置的關系,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 長距離

20、輸電線路距離保護的基本思路,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 長距離輸電線路距離保護的基本思路,區(qū)外故障,區(qū)內故障,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 長距離輸電線路距離保護的基本思路,,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 時域算法,,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 時域算法,,,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 時域算法,,,,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 時域算法---誤差分析,,,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 時域算法 ---考慮高阻接地,4. 智能電網的保護,參數識別的距離保護 時域算法---考慮高阻接地,4. 智能電網的保

21、護,對參數識別距離保護的評價 采用更精確的輸電線路模型，將故障后的全量網絡與故障分量網絡相結合，通過多變量識別方法構成保護判據，不受分布電容的影響 耐受過渡電阻能力強，動作時間快 不依賴通信，距離保護的保護范圍可以達到輸電線路全長的90%,4. 智能電網的保護,參數識別的縱聯(lián)保護 ----基于模型識別的保護原理,區(qū)外故障時，輸電線路故障分量網絡,4. 智能電網的保護,基于模型識別的保護原理,,（1）,由式（1），區(qū)外故障時， 輸電線路可以等效為電容 模型，如右圖所示,區(qū)內故障時，輸電線路故障分量網絡,4. 智能電網的保護,基于模型識別的保護原理,4. 智能電網的保護,基于模型識別的保護原理,

22、（2）,由式（2），區(qū)內故障時， 輸電線路可以等效為電容 模型，如右圖所示,,為實數,4. 智能電網的保護,基于模型識別的保護原理,,,由式（1）知輸電線路電容模型誤差,由式（2）知輸電線路電感模型誤差,4. 智能電網的保護,基于模型識別的保護原理,實際應用中，利用采樣點，采用如下的方式計算模型誤差,由前面的分析，輸電線路內部故障判據可表示為,4. 智能電網的保護,對模型識別保護原理的評價 利用被保護元件區(qū)內、區(qū)外故障時其模型的差異構造保護判據，將內部故障的識別轉化為區(qū)內、區(qū)外故障的識別問題 能夠既快速又靈敏地識別內部故障,4. 智能電網的保護,對基于參數識別保護原理的評價 參數識別的保護原理

23、和模型識別的保護原理，不同于反應工頻量的保護原理，而反應的是故障時電力系統(tǒng)網架結構的變化，揭示了電力系統(tǒng)故障的本質特征,4. 智能電網的保護,對基于參數識別保護原理的評價 基于參數識別的保護原理優(yōu)勢如下 參數識別的保護原理解決了長距離輸電線路、串補線路以及FACTS等復雜模型元件的保護問題 全狀態(tài)網絡和故障分量網絡相結合的參數識別算法解決了基于單端電氣量的輸電線路準確測距問題，并能獲取過渡電阻、對側系統(tǒng)阻抗，極大地提高了距離保護的性能，拓展了參數識別算法的應用范圍,4. 智能電網的保護,對基于參數識別保護原理的評價 基于參數識別的保護原理優(yōu)勢如下 基于模型識別的保護原理，僅需判別模型的性質，無

24、需準確計算模型中各參數的數值，因此可以快速、靈敏地判別元件內部和外部故障，解決了復雜模型下保護的快速性和靈敏性統(tǒng)一的問題,4. 智能電網的保護,對基于參數識別保護原理的評價 基于模型適用頻帶的元件建模方法，揭示了元件物理模型和數學模型之間的內在聯(lián)系，由此建立了模型頻帶與模型階數的關系以及模型頻帶和保護算法的關系。提高了參數識別的準確性和穩(wěn)定性，進而提高了保護的性能,4. 智能電網的保護,對基于參數識別保護原理的評價 基于參數識別和模型識別的繼電保護原理具有優(yōu)良的性能： 在整個暫態(tài)過程中都可以進行參數識別和模型識別，可重復判別，保護的可靠性高 原理上無需濾波，動作速度快，不受非周期分量和暫態(tài)諧波

25、影響,4. 智能電網的保護,對基于參數識別保護原理的評價 保護動作速度越快，性能越好（暫態(tài)越豐富，保護性能越好） 與工頻量保護比較，可以構成超過兩個參數的復雜模型，解決現代電力系統(tǒng)參數隨機時變帶來的保護問題，可以實現故障距離，過渡電阻及對側系統(tǒng)阻抗的準確識別,參數識別的保護原理有望突破工頻量保護的瓶頸問題 隨著智能電網的不斷發(fā)展，參數識別的保護原理將顯現出強大的生命力,4. 智能電網的保護,基于站內信息共享的保護原理,過程層信息采用網絡傳輸方式 間隔層信息不宜采用網絡傳輸方式,4. 智能電網的保護,基于站內信息共享的保護原理,利用過程層信息共享可以實現分布式母線保護、改變斷路器失靈保護的實現

26、方式、同時可以解決同桿雙回線“弱電強磁”的問題,4. 智能電網的保護,基于站內信息共享的保護原理 故障分量電壓為“零”的問題 電網中，當故障點位置較遠或系統(tǒng)零序阻抗較小時，保護安裝處的故障分量電壓很小，某些情況下可能為“零”，從而造成故障分量方向元件出現“死區(qū)”，影響縱聯(lián)方向保護的正確動作,4. 智能電網的保護,基于站內信息共享的保護原理 利用變壓器中性點零序電流計算保護安裝處的零序電壓，解決故障分量電壓為“零”的問題,4. 智能電網的保護,基于廣域信息共享的保護原理 利用PMU組成的WARMS網絡，可以得到電網的運行狀態(tài)，包括故障發(fā)生之后的故障點位置、保護是否動作以及振蕩過程中的振蕩中心的位

27、置。 利用故障點位置以及相應斷路器的動作信息，可以改變電網后備保護動作時間階段式配合的現狀，提高整個電網后備保護的動作時間，,4. 智能電網的保護,基于廣域信息共享的保護原理 利用故障發(fā)生后電網振蕩中心位置識別技術，可以根據振蕩中心是否位于繼電保護的保護范圍內，自適應的投入振蕩閉鎖元件和相應地開放判據，提高震蕩中距離保護的性能。,5. 結論,高壓輸電線路繼電保護的發(fā)展趨勢 基于參數識別的保護原理 利用電子式互感器能真實傳變一次信號的特點，建立一次系統(tǒng)時域微分方程，構成無需濾波的快速保護算法,5. 結論,高壓輸電線路繼電保護的發(fā)展趨勢 基于參數識別的保護原理 利用參數識別算法中變量個數可超過兩個

28、的特點，通過構建高階復雜網絡模型的參數識別方程，解決智能電網中的長距離交直流輸電線路、帶串補及FACTS的輸電線路以及隨機能源接入電網帶來的保護問題。,5. 結論,高壓輸電線路繼電保護的發(fā)展趨勢 網絡化 利用站內和電網信息共享，實現站內主保護和后備保護的統(tǒng)一協(xié)調配置，解決單元保護由于信息不完備及電壓靈敏度不足帶來主保護誤動和拒動的問題，同時提高后備保護的動作性能。,5. 結論,高壓輸電線路繼電保護的發(fā)展趨勢 智能化 通過參數識別和電網信息共享，及時跟蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)，多種保護原理配合工作，通過保護原理自適應、保護動作特性自適應，使繼電保護始終工作在性能最佳的狀態(tài)。,5. 結論,高壓輸電線路繼電保護的發(fā)展趨勢 智能化 通過參數識別和電網信息共享，及時跟蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)，多種保護原理配合工作，通過保護原理自適應、保護動作特性自適應，使繼電保護始終工作在性能最佳的狀態(tài)。 取消后備保護的定值，實現后備保護的在線整定以及網絡化。,5. 結論,高壓輸電線路繼電保護的發(fā)展趨勢 保護、控制、測量、通信一體化 智能電網為繼電保護的發(fā)展提供良好的硬件環(huán)境，繼電保護將向著保護、控制、測量以及通信一體化方向發(fā)展。,謝 謝！,