繼電保護的發(fā)展和展望課件

1、2010年9月 繼電保護的發(fā)展和展望一.繼電保護回顧概述： 繼電保護與安全自動裝置是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、保護電氣設(shè)備的主要裝置，是組成電力系統(tǒng)整體的不可缺少的重要部分。繼電保護能否發(fā)揮應(yīng)有的作用，與保護裝置本身的技術(shù)性能和制造工藝密切相關(guān)，50年代至80年代，中國工業(yè)落后，電網(wǎng)使用的繼電保護裝置是由單個的電磁型、整流型或晶體管型的繼電器組成，繼電器原理落后，制造工藝差，誤動、拒動的情況較多，影響了電網(wǎng)的安全運行。按繼電保護不同的發(fā)展階段簡述如下：1.整流型、晶體管型的繼電保護裝置 這一類保護裝置的動作原理是利用被保護設(shè)備的二次電流電壓，通過DKB(電抗變壓器）、YB(電壓變壓器）按照動作方程

2、形成動作力臂和制動力臂，當動作力臂的力矩大于制動力臂的力矩時繼電器動作，類似于微機保護裝置比幅式動作方程。1984年，由水利電力部、機械工業(yè)部牽頭、設(shè)計院、研究院、制造廠組成的“高壓線路繼電保護裝置統(tǒng)一設(shè)計工作組”對整流型、晶體管型的線路繼電保護裝置在“技術(shù)標準、原理接線、符號和端子排的布置”方面進行了統(tǒng)一，簡稱“四統(tǒng)一”設(shè)計， “四統(tǒng)一”設(shè)計提高了整流型（晶體管）繼電保護裝置的安全性和可靠性，對繼電保護專業(yè)的發(fā)展起了重要作用。 當時典型的220kV線路保護配置是： 以相差高頻保護、高頻閉鎖距離零序保護雙套縱聯(lián)保護作為主保護，以I、II段切換的三段式的相間距離保護作為相間故障的后備保護，四段式

3、零序電流保護為接地故障的后備保護，以上保護裝置均無選相功能，由綜合重合閘裝置承擔各類保護的選相跳閘和重合閘功能。 存在的主要問題是： 主保護判據(jù)簡單，在復(fù)雜故障中容易誤動和拒動；I、II段切換的的相間距離保護，在I段退出運行后，與相鄰II段距離保護可能失去配合；四段式零序電流保護整定計算困難，對復(fù)雜故障的適應(yīng)性差；選相元件為單一的阻抗選相，選相能力差，單相故障容易跳三相；運行維護困難。2.集成電路的繼電保護裝置： 在“四統(tǒng)一”整流型保護占據(jù)主導(dǎo)地位時，單CPU的微機保護裝置開始出現(xiàn)了，而部分廠家推出了集成電路保護，曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣的爭論：從整流型保護一步跨到微機保護好？還是整流型保護必須先經(jīng)過集

4、成電路保護的過程才能過渡到微機保護？在爭論聲尚未消失的時候，中國微機保護的迅猛發(fā)展讓爭論有了明確的答案。 3.微機繼電保護裝置： 1987年，由華北電力學(xué)院楊奇迅教授主研的WXB01型微機保護在220千伏線路投運，這是我國研制的第一代微機保護，標志著電網(wǎng)的繼電保護裝置從模擬式保護開始轉(zhuǎn)向數(shù)字式保護。1991年以后，相繼推出了11型微機保護、CSL-100系列等微機保護，在全國電網(wǎng)得到廣泛采用。同時，南京電力自動化研究院繼電保護所在總結(jié)CKJ、CKF系列集成電路保護的運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)的LFP900系列微機保護也于1991年通過鑒定，很快在全國電網(wǎng)220千伏電網(wǎng)得到推廣，2001年，南京

5、電力自動化研究院繼電保護所推出了LFP系列微機保護的升級換代RCS系列產(chǎn)品， CSL-100系列推出升級換代CSC-100系列產(chǎn)品，同時，600系列、800系列、700系列的微機線路保護裝置也相繼問世，各類微機主變、母線等元件保護也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 以線路保護為例，這一代微機保護的主要特點是: 主后一體，在同一套線路微機保護裝置中配置有縱聯(lián)距離（方向）保護，三段式的相間、接地距離保護，零序電流保護，具有選相和重合閘功能，比起整流型保護裝置，微機保護具有強大的計算能力，更能實現(xiàn)全方位，多判據(jù)的協(xié)調(diào)，安全性和可靠性都有較大的提高。 存在的問題：開發(fā)微機保護的廠家多，缺乏必要的規(guī)范，保護裝置

6、的技術(shù)性能難以保證，給微機保護的運行維護和管理帶來困難，制約了微機保護的進一步發(fā)展?？v聯(lián)距離（方向）保護對輕微故障的識別能力、復(fù)雜故障的選相能力、互感、弱饋等特殊運行方式的適應(yīng)能力等，需要進一步完善和提高，以滿足不斷發(fā)展的電網(wǎng)的需求。 二.繼電保護現(xiàn)狀 2007年，由國家電網(wǎng)公司調(diào)度中心組織，設(shè)計院、運行單位、制造廠參加的微機線路、母線、變壓器保護等裝置的標準化規(guī)范制定工作起動，該規(guī)范總結(jié)了20年來微機保護的運行管理經(jīng)驗，從微機保護的功能配置、回路設(shè)計、端子排布置、接口規(guī)范、報告輸出、定值格式的 6個方面進行了統(tǒng)一和規(guī)范，2008年初，線路保護及輔助裝置標準化設(shè)計規(guī)范、變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和

7、母線保護及輔助裝置標準化設(shè)計規(guī)范正式發(fā)布實施，2009年3月各制造廠完成保護裝置的標準化改造并通過國調(diào)中心組織的檢測和試驗。 “六統(tǒng)一”保護裝置的主要特點是： 1）技術(shù)標準更高，對電網(wǎng)的適應(yīng)性更強。 2）近年來，由于電網(wǎng)發(fā)展帶來的一些熱點問題，如弱電強磁、零序方向無電壓死區(qū)、弱饋線路等問題在線路保護裝置的規(guī)范中均有具體要求，基本實現(xiàn)了國家標準繼電保護及安全制動裝置技術(shù)規(guī)程的目標：對220kV線路，“每一套全線速動保護的功能完整，對全線路內(nèi)發(fā)生的各種類型故障，均能快速動作切除故障。對于要求實現(xiàn)單相重合閘的線路，每套全線速動保護應(yīng)具有選相功能。當線路在正常運行中發(fā)生不大于100電阻的單相接地故障時

8、，全線速動保護應(yīng)有盡可能強的選相能力，并能正確動作跳閘。” 三.繼電保護展望1、數(shù)字化變電站： 21世紀是信息化的時代，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，改變了人們的生產(chǎn)和生活，數(shù)字化電網(wǎng)就是電力產(chǎn)業(yè)信息化的具體體現(xiàn)，它必將為電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來重大的變革。 國家電網(wǎng)公司十一五科技發(fā)展規(guī)劃中，明確提出了對數(shù)字化電網(wǎng)研究的展望，而數(shù)字化電網(wǎng)的基礎(chǔ)是數(shù)字化變電站。 到目前為止，我國的數(shù)字化變電站已經(jīng)由個別試點向逐步推廣的方向發(fā)展，110kV數(shù)字化變電站投入系統(tǒng)運行的相對較多，大約有數(shù)十個以上的包括有電子式互感器應(yīng)用的110kV數(shù)字化變電站在系統(tǒng)中運行，有10個以上220kV的數(shù)字化變電站投入系統(tǒng)運

9、行或即將投入系統(tǒng)運行 ，500kV的數(shù)字化變電站處于起步階段，浙江500kV蘭溪變電站目前還沒有使用電子式互感器，其數(shù)字化的重點是智能斷路器，GOOSE系統(tǒng)，以及狀態(tài)監(jiān)視等，但已經(jīng)有了江西500kV文山變電站電子式互感器掛網(wǎng)的運行經(jīng)驗。 由于各個廠家對于間隔層理解的不同，電子式互感器與間隔層傳輸協(xié)議可以分為IEC6004-8FT3 ，IEC 61850-9-1點對點傳輸和IEC 61850-9-1協(xié)議組網(wǎng)和IEC61850-9-2協(xié)議組網(wǎng)等四種模式。且均有實現(xiàn)的案例。其中，9-2方式用于網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，應(yīng)用靈活，符合發(fā)展方向，河南電網(wǎng)110kV金谷園變電站采用了9-2方式，并實現(xiàn)了簡單的網(wǎng)絡(luò)化母

10、線保護； 數(shù)字化變電站的核心就是繼電保護和其他測控裝置所需信息的獲取方式實現(xiàn)了數(shù)字化，并完成智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作功能。 數(shù)字化變電站三個主要的特征就是“智能化的一次設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備，IEC61850標準的構(gòu)建”。即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，信息傳遞實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達到標準化，使各種智能電子設(shè)備(IED)能夠共享統(tǒng)一的信息交互平臺。 根據(jù)IEC61850的劃分，按照變電站自動化系統(tǒng)所要完成的控制、監(jiān)視和保護三大功能提出了變電站內(nèi)功能分層的概念:無論從邏輯概念上還是從物理概念上都將數(shù)字化變電站的功能分為三層，即變電站層、間隔層和過程層。一般的劃分為：值班人員可操作的

11、“站控設(shè)備”稱為“變電站層”；完成保護及測控功能的繼電保護和其他測控裝置”稱為 “間隔層”；對電力設(shè)備具有斷合功能的智能斷路器及相關(guān)設(shè)備、獲取交流電壓電流的電子式互感器ECT、EPT稱為 “過程層”。GOOSE系統(tǒng)， （Generic Object Oriented Substation Event、通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?，是IEC61850的特色之一,提供了網(wǎng)絡(luò)通訊條件下，當發(fā)生任何狀態(tài)變化時，“二進制對象”快速信息傳輸和交換的手段。理想的數(shù)字化變電站 過程層采用無源EPT、ECT，頻率響應(yīng)寬，動態(tài)范圍大，精度高，體積小，抗干擾能力強，維護簡單；采用高智能化的斷路器，具有受控分合閘等功能

12、，對斷路器的各關(guān)鍵部位、開關(guān)動作次數(shù)、切斷電流累積，觸頭接觸部位的溫度等，具有的數(shù)字化監(jiān)測功能。 間隔層采用網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備：變電站所需的各項保護功能（例如線路保護，母線保護、變壓器保護等）可以共用可靠性高、計算能力強的計算機，通過多重化配置來進一步滿足可靠性的要求，這些計算機均通過合并單元（MU）、GOOSE系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)交換機，在網(wǎng)絡(luò)上獲取所需的交流電流電壓量和各類開關(guān)量，并向智能斷路器及其輔助機構(gòu)送出跳合閘命令和操作要求。除特殊要求外，所有的開關(guān)量信息均采用靜態(tài)傳輸方式。 站控層具有強大的監(jiān)視和控制功能，標準化的信息模型實現(xiàn)了變電站信息共享，設(shè)備提供了更豐富的狀態(tài)監(jiān)測信息，使得電力設(shè)備、特別

13、是一次設(shè)備的維護更簡便。可以實現(xiàn)在線監(jiān)測和狀態(tài)檢修。 理想的數(shù)字化變電站是建筑在嚴格的標準化通信協(xié)議基礎(chǔ)上，IEC61850標準的構(gòu)建，實現(xiàn)了信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化，通信模型標準化，今后的數(shù)字化變電站，保護裝置的概念可能與現(xiàn)在有差別，繼電保護裝置可能已經(jīng)體現(xiàn)為一種保護功能。通過站控層的工程師站，可以方便的進行操作，實時監(jiān)控信息，可以上送到需要的各管理機構(gòu)。 智能斷路器：目前使用的智能化斷路器就是傳統(tǒng)的斷路器加信息就地數(shù)字化，是智能斷路器的初級階段，而斷路器的智能終端工作在電磁干擾強，環(huán)境惡劣的場所，目前，抗干擾能力還達不到理想水平。理想的智能化斷路器(包括斷路器和刀閘)是指配有完全滿足室外工作條件的電

14、子設(shè)備、數(shù)字通訊接口、傳感器和執(zhí)行器，不但具有分合閘基本功能，還具有斷路器本體的控制功能：包括控制聯(lián)鎖、儲能電機和機構(gòu)電機的保護、順序控制、受控分合閘；并具有監(jiān)測和診斷功能的開關(guān)設(shè)備。需要斷路器廠家和相關(guān)部門密切配合，經(jīng)過較長時間，才能達到較高水平。 網(wǎng)絡(luò)化的保護裝置：目前的數(shù)字化變電站，一般采用現(xiàn)有的保護裝置，將交流電流電壓量的輸入方式改為與合并器（MU)接口的數(shù)字方式，將接點傳輸方式改為通過GOOSE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，是數(shù)字式保護的初級階段，要完全實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的保護，就必須要構(gòu)建高度統(tǒng)一的 IEC61850 標準，該標準的宗旨就是要消除“互操作”障礙，從現(xiàn)階段各廠家貫徹標準的執(zhí)行情況來看，

15、即使雙方都滿足標準，也存在不能互操作的問題，同時，對GOOSE系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋O(jiān)視回路目前還很不完善。所以要實現(xiàn)完全的網(wǎng)絡(luò)化的保護裝置，還需要較長時間。 數(shù)字化變電站的各類設(shè)備的測試、試驗，運行維護規(guī)程規(guī)范的建立才剛剛開始。 我們需要做的工作 數(shù)字化變電站和智能化電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，是國家電網(wǎng)公司建設(shè)“一強三優(yōu)”的現(xiàn)代化電網(wǎng)、集約化生產(chǎn)和標準化管理的需要，對于智能化電網(wǎng)建設(shè)的戰(zhàn)略目標，我們應(yīng)該積極參與，加強管理，制定規(guī)范，促進發(fā)展。需要做的主要工作：1）當前，是數(shù)字式變電站典型試驗轉(zhuǎn)為逐步推廣的階段，需要科研、制造、設(shè)計、運行、試驗單位密切配合，研發(fā)數(shù)字化變電站的相關(guān)產(chǎn)品，在運行中不斷總結(jié)和

16、完善，特別是對無源EPT、ECT，IEC61850 標準的網(wǎng)絡(luò)化保護裝置，智能化斷路器等關(guān)鍵設(shè)備的研制和使用要加大力度。2）在經(jīng)歷了百花齊放的過程以后，適時制定設(shè)計、試驗、運行相關(guān)規(guī)程規(guī)范，避免和減少彎路。是一項重要工作，要數(shù)字化就必須網(wǎng)絡(luò)化，要網(wǎng)絡(luò)化就必須要高度的標準化，所以，制定不同廠家、不同設(shè)備的完全透明的“互操作”標準是最重要的，而高層管理部門的牽頭組織是完成制定標準的前提條件。3）有了數(shù)量眾多的數(shù)字化變電站以后，出于管理的需要，變電站更豐富的監(jiān)控信息需要通過網(wǎng)絡(luò)上傳到變電站的各級管理單位，所以，網(wǎng)絡(luò)的“安全防護”將成為重要問題，除了可能出現(xiàn)的各種故障和電磁干擾以外，人為的惡意攻擊也應(yīng)

17、適當考慮，同時，數(shù)字化變電站經(jīng)過較長時間大面積的運行以后，對于暴露出的問題進行整改和完善的“反措”將會陸續(xù)出現(xiàn)，原有的規(guī)程規(guī)范也會適時修編，以適應(yīng)數(shù)字化變電站的不斷發(fā)展。 2）800kV特高壓直流系統(tǒng) 我國的特高壓直流輸電工程主要有：“云廣”特高壓直流工程，計劃于2010年建成雙極，額定直流電壓為800kV、額定直流電流3125A、額定輸送直流功率5000MW。直流線路西起云南楚雄、東至廣東增城，全長約1438km?！跋蛏稀碧馗邏褐绷鞴こ蹋媱澯?012年建成雙極，額定直流電壓為800kV、額定直流電流4000A、額定輸送直流功率6400 MW。直流線路西起四川宜賓、東至上海，全長約2071

18、km。 直流系統(tǒng)保護主要有：極保護（含直流場保護、直流線路保護、接地極引線保護）、換流變保護、直流濾波器保護、交流濾波器保護等。交流保護主要有：斷路器保護、交流線路保護和母線保護。完全雙重化配置，任意一套動作可出口，保證可靠性，每一套保護獨立，自身采取措施保證單一元件損壞本套保護不誤動，保證安全性。800kV與500kV直流系統(tǒng)的區(qū)別與500kV相比運行方式更復(fù)雜：雙極模式下運行方式有25種，單極模式下，運行方式有20種。控制保護功能更加復(fù)雜，例如：12脈動換流器設(shè)計上必須相互獨立。串聯(lián)單閥組具備退出與投入功能，可以實現(xiàn)某個閥組的正常投入和退出，不中斷其余閥組的正常運行。 閉鎖方式更加復(fù)雜，除

19、了500kV常規(guī)的X，Y，Z三種閉鎖方式，還有專門為故障閥組的退出而設(shè)計的退出故障閥組閉鎖邏輯。硬件的配置更強：500kV直流系統(tǒng)一臺主機實現(xiàn)所有控制功能（單極單重）；另一臺主機實現(xiàn)所有區(qū)域保護功能（單極單重）。 為提高可靠性， 800kV直流需要設(shè)置三臺主機實現(xiàn)所有控制功能（單極單重）；另外三臺主機實現(xiàn)所有保護功能（單極單重）。交直流混合電網(wǎng)的相互影響交流系統(tǒng)對直流系統(tǒng)的影響：交直流混合運行時，交直流的保護可能存在配合問題，例如，2006-6-23 南方電網(wǎng)500kV羅馬線區(qū)外故障，500kV羅馬線的后備保護距離二段動作,同時直流系統(tǒng)100Hz諧波保護動作，導(dǎo)致天廣直流雙極閉鎖. 屬于交直流保護定值配合不當引起。逆變站附件的交流線路發(fā)生接地故障,可能造成