继电保护的柔性动作特性

传统的模拟式继电保护利用继电器识别和清除电力系统故障。继电器的动作特性为继电特性，它具有独特的优势：开关性能好，闭合时阻抗小、断开时阻抗大；抗雷击性能强；无噪声；受周围环境温度影响小等。数字技术的进步，颠覆了许多传统观念和做法，出现了许多模拟时代想得出而做不到的新技术。继电保护逐渐演化，历经多代，发生了巨大的变化，但时至今日，仍遗留有模拟时代的“基因”，其动作特性仍然具有过量欠量特性，即简单的“是”“非”划分。对于一些简单的问题，继电保护的处理原则一直是坚持反对复杂化，因而仍延用过量欠量特性。但是，继电保护面临的许多问题，存在着可靠性与灵敏性、快速性与选择性的矛盾。利用简单的过量欠量特性和反时限特性仍不能很好的解决这类问题和矛盾。近些年，数字式/微机型继电保护的应用，为更好的解决此类问题提供了技术条件和物质基础。因此，我们跳出传统继电器“过量欠量特性”的束缚，充分利用数字式保护灵活、智能的优势，提出柔性继电保护的概念，希望能藉此更好的解决现有保护的问题，促进保护的原理、动作特性、动作行为更科学、更合理。1传统继电保护的刚性1过量欠量特性继电器的过量欠量特性就是其输出只处于开或关两个状态中的一个，当输入量达到一定值时，输出量发生突变，从一个状态变为另一个状态。以常开触点为例，如图1所示，设继电器接点S的开、关的状态分别为0和1，初始状态为0。在继电器线圈L回路输入电流I，当I从零增加到某一定值I2时，继电器接点闭合，状态改变并保持为1；直到线圈L中电流减小到I1时，继电器接点打开，状态由1变为0，并保持。继电器这种根据输入量值不同，输出在“0”和“1”两个状态之间转换的特性就是过量欠量特性，也是传统继电保护的动作特性。它非常干脆——不“是”则“非”，是刚性的，适用于解决过流这种简单、明确的问题。但是电力系统的故障特征一般不是非常明确的，经常会受到不平衡电流、负荷等各种因素的影响，导致刚性的过量欠量特性不能准确识别故障。为此，继电保护的学者和专家们进行了各种探索性研究，提出了继电保护的自适应特性。继电保护的自适应特性继电保护自适应特性的内涵是：根据预定的动作方程，其动作行为随某些因素变化而变化。以变压器差动保护为例，比率制动的差动保护就具有自适应的继电特性，其比率制动部分的动作量与制动量关系如式(1)所示。Id=KIr(1)式中，Id为动作量，Ir为制动量，K为制动系数。Id按照K随Ir的变化而变化，制动量增大、动作量也随之增大，动作特性如图2所示。自适应特性的另一个典型例子是浮动门槛，输入的不平衡增大，动作定值也随之增大，如图3所示。另一个自适应特性的经典例子是阻抗保护的零序电抗，如图4所示。零序电抗线与水平线的夹角β是变数，会随着过渡电阻产生的附加阻抗的角度变化，也就是零序电抗线有了一定的自适应能力。由上述例子可以看到，具有自适应特性的继电器仍然是过量欠量特性，只不过动作的定值——划分“是”与“非”的界线随条件变化。这一界线一旦定下来，它的动作特性仍然是刚性的。这样，对于某些更复杂的如变压器励磁涌流、系统振荡、电流互感器饱和等情况下的故障，它们的故障特征趋于模糊，很难找到一条明确区分故障与非故障的界线，也就无法利用自适应特性处理。对于这种情况，就需要对保护特性进行“柔性化”处理，以更准确的判别故障。2柔性动作特性的概念继电保护的柔性动作特性完全不同于过量欠量特性和自适应特性，其动作特性根据保护对象的故障特征确定，而不是由简单的“是”与“非”来划分。继电保护的判据就是找故障与非故障、区内故障与区外故障的差异。若差异鲜明则采用“刚”性动作特性；若差异不明确，存在一个混沌区则采用“柔”性动作特性。具体来说，对于过流等简单故障，其特征很明确，因而适用于刚性的继电特性；对于存在不平衡电流等复杂情况，可以通过自适应特性调节门槛来躲过不平衡电流；而对于更复杂的难以识别的故障特征情况，无法找到明确的故障与非故障的界线，继电特性不能保证准确识别故障，则需要采用柔性的动作特性。相对于传统继电保护采用单一判据的刚性特性或自适应特性，我们将继电保护多种判据的复杂组合视为其柔性特性。3动作特性的柔性化方法一般地，将尽可能获取系统的状态，如果故障特征与非故障特征不存在交集，理论上就能明确区分，就可以直接区分出是故障特征，还是非故障特征，这是刚性的继电特性。然而，当两个特征越来越接近，越来越分不清楚时，就不能简单处理了。我们将特征不明确的区域单独划分出来，称为混沌区。这样由原来界线明确的故障和非故障两个区变成三个区：故障区域、非故障区域和混沌区。故障区域和非故障区域就是明确处于故障特征或非故障特征的区域，而在故障特征不明确的混沌区域，需要进行柔性化处理，根据具体的故障特征决定其动作特性。在处理混沌区域之前，在寻找、研究主判据时，尽可能地缩小混沌区，让它鲜明起来，对确实难以区分的混沌区迫不得已才进行柔性化处理。处理混沌区时，首先权衡利弊，针对混沌区制定原则性的指导建议——倾向故障或倾向非故障，或者说，倾向可靠或倾向灵敏，倾向开放或倾向闭锁，倾向误动或倾向拒动。其次，应考虑付出的代价，包括资源代价、时间代价、程序复杂程度代价及补救措施。最后，根据技术水平，从根本上、原理上制定技术路线和解决问题的方法。4动作特性的柔性化案例分析系统中存在很多混沌的、不明确的故障特征，譬如变压器空充时的励磁涌流与变压器匝间短路、外部短路的电流互感器饱和与内部短路、系统振荡与短路故障、外部短路初始阶段的暂态超越与内部短路等等。如何处理这些混沌区，将继电特性柔性化，这在模拟保护时代非常困难，但对数字式保护就相对容易得多。事实上，数字式保护经过多年的进化，采用的许多技术正在逐步对刚性的动作特性柔性化。只是还没有提出这样一个概念，并系统地论述。案例一：以变压器励磁涌流为例。空充变压器，变压器差动保护要区分是变压器励磁涌流，还是变压器内部故障。整定导则给出了15%~20%二次谐波闭锁的指导建议。事实上，这个建议没有起到指导性作用，相反地约束了合理的定值。因为几乎所有的整定都按照15%，说明指导性定值定得太高。运行和实验中都出现了不少二次谐波低于15%的涌流。更麻烦的是，系统中不但有二次谐波较小的涌流，还出现了二次谐波较大的故障，这是典型的混沌事件，单靠二次谐波条件判别涌流并不充分。针对这个混沌事件，可以做这样的柔性化处理：二次谐波低于5%直接判定故障，高于20%直接判定为涌流，如图6所示，Idφ2是二次谐波电流，Idφ是基波励磁电流。在5%~20%的混沌区，引入其他量（如直流量）参与判断，增加很多相关性的运算，二次谐波越大越倾向涌流判断，反之倾向短路，等等。因此，把这样的处理称之为柔性化处理。案例二：另一个更典型的例子是振荡闭锁逻辑中的静稳电流。启动前的负荷电流的大小直接影响振荡闭锁逻辑。当负荷电流大于静稳电流定值直接进入振荡闭锁，小于静稳电流定值经短时开放后进入振荡闭锁。如此重要、复杂的问题简单化、刚性化的处理很不恰当，用户反映这个定值很难确定，因此，存在很多不恰当、不合理的整定。下面来柔性化处理这个特性。如图7(a)所示，将原来大于或小于定值这两区变为三个区：大于1.5倍定值进入振荡闭锁，小于0.5倍定值短时开放后进入振荡闭锁，在0.5~1.5倍定值之间为混沌区。在混沌区引入电压计算Ucosφ，如图7(b)所示，纵轴tKF为开放时间，横轴为Ucosφ，根据Ucosφ的大小改变短时开放时间，在功角φ接近0时，Ucosφ接近1，系统不容易失稳，开放时间延长至160ms；在功角φ接近90°时，Ucosφ接近0.7左右，系统容易失稳，开放时间缩短至30ms，这一改进极大地简化了用户的整定。案例三：解决继电保护“快”与“准”之间的矛盾。先说快，导致正序电压迅速降低的故障必须快速切除。最需要快速切除的是出口三相短路，其次是两相短路接地，而单相接地故障快的要求有所降低。所幸的是，需要快速切除的故障，其故障特征十分明显，非常容易快速地检测到故障，如通过突变量距离保护切除。再说准，经高阻的单相接地故障与正常的负荷难以区分，就属于所谓混沌区。这样的故障其特征近似于负荷，切除时间稍长并不会造成稳定问题，不必过于强调快速动作。如果一定要强调这时快的好处，可勉强提出两条：一是为上一级后备保护提供配合的基础，二是提供重合闸的机会，此时这样的好处似乎微不足道了，不如求准，将“准”上升为首位，“快”退居到次位。另外，对于处于动作定值附近的故障，进入严重的混沌区，这时是不能轻易动作出口的，更为合理的做法是以时间换准确性，使用复杂算法，反复算，力求准确；而对于远离动作定值的故障，故障特征十分鲜明，这时应果断地快速动作出口。可见，时间是重要的资源，在遇到“快”与“准”的矛盾时，进入混沌区，柔性化处理动作时间和处理方式可化解很多矛盾。反时限特性的保护便是一个很好的例子。5结语本文阐述了传统继电保护的继电特性和自适应特性，它们是刚性的，适用于故障特征比较明确的情况。但对于某些难以判断的故障，存在安全与灵敏、快与准的矛盾，为解决此类问题，充分利用数字式保护灵活、智能的优势，提出继电保护柔性动作特性的概念。其应用前景体现在：1）改进现有保护利用柔性动作特性，对如励磁涌流、振荡、CT饱和等条件下故障特征不明确的情况，进行专门的柔性化处理，可以更准确的识别故障，减少误动。2）定值自动整定根据继电保护柔性动作特性理论，对于难以确定准确动作定值的情况，由保护程序根据既定策略和被保护对象的原始参数、运行参数和故障特征自动设定定值。本文旨在提出继电保护柔性动作特性的概念。后续将详细分析继电保护的柔性动作特性在不同场景的应用，包括振荡闭锁混沌区的处理、励磁涌流识别等。总之，希望这个概念能够得到广泛接受，在标准制定、试验检测、装置开发、运行维护等方方面面能够形成共识，促进继电保护原理、动作特性、动作行为更科学、更合理。