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电力系统新技术讲座－－电力系统继电保护一、继电保护应用与现状（1）继电保护的根本任务：在尽可能短的时间内切除故障元件，没有改变也不会改变。继电保护的基本原理：依据被保护元件“故障、不正常、正常状态”间的“差别”，“甄别”出故障元件的保护原理，在持续完善和缓慢发展中。继电保护的实现技术－随着相关器件、技术的发展，快速变化。一、继电保护应用与现状（2）在中、低压电网中：反应工频相电流、电压幅值特征的保护占统治地位，在今后仍会占统治地位。三段式保护的工作配合，仍将是引导建立继电保护思想的“独门绝技”。数字式、电磁式、集成电路式等并存的局面，将会持续存在。一、继电保护应用与现状（3）在高压电网中：工频差动原理的纵联保护为主保护，距离和零序保为后备保护，今后仍为典型配置。工频故障分量的原理正在逐步应用中。数字式保护正在逐步取代模拟式保护，目前仍有部分模拟式保护在运行中。一、继电保护应用与现状（4）在超高压电网中：工频故障分量差动原理的纵联保护为主保护，距离和零序保护为后备保护，更加强调主保护双重配置。工频故障分量的原理得到发展和广泛应用。几乎全部采用数字式保护，推动着数字式保护技术的发展。一、继电保护应用与现状（5）特高压电网的出现将会：对保护的动作速度提出更快的要求（全线小于20毫秒），可靠性要求更高。利用故障暂态特征的保护原理会得到发展，“预保护”的思想显得更为重要。保护的硬件技术将会发展到采样和处理MHz/S的信息。分析和计算工具可能以小波、形态学等为主。二、继电保护与安全自动装置面临的问题（1）1、保证全国性互联电网的运行安全性是电力发展的头等大事我国电网今后发展的总方针：“西电东送、南北互供、全国联网”。西南部省份向东部地区输送电力将达到2000万千瓦，交直流输电线路超过20回，输电距离上千公里。西北部省份将采用750kV和330kV电磁环网东送电力。如何避免故障时的连锁反应，保证远距离和大功率的输电断面的运行安全性是电力发展迫切需要解决的现实问题。全国联网初期的交流弱联运行方式，使得两侧电网内部的某些重要输电断面稳定水平下降，如何保证较大干扰时运行的稳定性是电网运行的当务之急。二、继电保护与安全自动装置面临的问题（2）2、高效、可靠的继电保护和紧急控制系统是保障西电东送和全国联网安全运行的关键技术鉴于电力系统运行方式的多变性、电网功率的实时平衡特性，和故障发生的不可完全避免和随机性，高性能的继电保护是保障电网安全运行的第一道屏障。任意坚强的网络都必须快速、可靠地切除故障元件，任意坚强的网络在一系列的元件被切除后都有可能变为薄弱网络。保证故障元件被继电保护切除后剩余网络的安全性，高速有效的安全稳定紧急控制系统是安全运行的第二道屏障。有效、可靠的继电保护和安全稳定紧急控制系统是保证电网运行安全性的重要物质条件。二、继电保护与安全自动装置面临的问题（3）3、西电东送、全国联网给继电保护和紧急控制提出了新的挑战现有的继电保护能否满足更高一级电压（750kV）网络对动作速度、暂态性能的要求。大功率电力电子设备突然故障，其暂态过程对交流线路保护有何影响、如何克服？交流线路的故障与切除对直流系统、柔性输电系统的保护与控制有何影响、如何克服？现有的电力元件主保护相互独立，故障元件被突然切除后是否会产生连锁的元件运行不正常而被保护依次跳开，会否形成类似美、加的大停电事故？为了防止西电东送输电断面的运行安全性，如何构建元件保护与紧急控制一体化系统？全国联网初期的交流弱联方式，如何充分发挥互联效益又能保证系统的运行稳定性？万一互联系统稳定性被破坏，如何将系统解列才能缩小停电范围和停电时间？二、继电保护与安全自动装置面临的问题（4）4、现有的理论和技术难于解决上述理论和技术问题现有的保护反应工频电气量，动作速度难于再提高。高频和衰减直流分量对正确动作有害，但短窗、高效、快速的滤波方法尚未突破。保护以电力元件为对象，以切除故障元件为己任，整个电网主保护系统并不协同动作，可能会出现因为保护正确动作而造成系统的瓦解，缺乏输电断面或网络的保护。稳定性预测与紧急控制尚无不依赖系统模型和网络参数的理论方法，而系统的模型和参数又是不准确的，缺乏适应性强、预测速度快、控制高效、可靠的紧急控制系统。互联系统的解列（点）面是固定设置的，不能适应失稳模式的变化，缩小停电范围，避免事故扩大。二、继电保护与安全自动装置面临的问题（5）5、我国保护与紧急控制的研究、运行基础好，取得突破性进展是可能的继电保护的运行统计（2002年）表明，国产保护与进口保护相比，在动作速度和可靠性方面（动作时间10－30ms，正确率99.86％）具有国际先进水平。利用自适应重合闸（永久与瞬时故障判别、最佳重合时间、分相重合、自适应重合等）提高输电系统稳定性，我国具有领先水平。区域系统的暂态稳定性预测和紧急控制，我国极为重视，从上世纪80年代就开始研究和应用，尚未出现美、加那样的大停电。对联络线两侧系统失步的检测和解列，国内已研究了多种原理和装置在现场应用。继电保护和紧急控制领域的研究我国具有优势基础，结合“西电东送、全国联网”开展基础研究，取得原创性的成果，是可能的。三、研究的学术思路（1）1、电网运行安全性需要规划、运行、保护与紧急控制三个阶段的协同工作、共同保障。2、对于运行中的互联电力系统：局部系统内部元件的故障或扰动，由切除故障元件和在局部系统中采取措施来消除，不使它的影响扩散到局部系统外；区域系统之间输电断面上联络线的故障，首先切除故障元件并尽量保持输电断面的完整性；影响多个互联区域安全性的扰动在多个区域采取措施，共同来消除扰动产生的影响；互联系统失稳后，应按功率尽可能平衡的原则解列，避免大面积停电事故。三、研究的学术思路（2）3、基于上述学术思想，该项目的研究思路为：研究交、直流混联输电系统和750kV输电系统在电力元件保护方面产生的新问题，并采用元件保护的新原理加以解决；研究西电大功率东送在输电断面上可能出现的问题，构建网络保护和紧急控制一体化的保障体系来解决；研究全国联网初期的交流弱联可能产生的稳定水平下降问题，采取实时的稳定性预测与紧急控制系统阻止稳定的破坏；采取自适应的解列手段防止事故的扩大；研究电力市场化运营后保护和紧急控制的代价、赢得的效益及其分担，以及适应市场化体制的保护与紧急控制的配置原则，提高市场各参与方维护电力系统安全性的积极性。四、需要研究的问题（1）1、高性能新型继电保护原理研究（1）适应嵌入电力电子设备的输电系统容错式保护研究：分析超高压、交流直流混合系统的故障暂态过程特征，研究采用短窗、抗强谐波、滤除长暂态的动态容错数字算法，采用硬件容错、原理容错、信息容错技术提高数字保护的性能。（2）750kV输电系统新型保护的研究：研究基于波形系数﹑小波技术和小矢量算法等的自适应方法，加快保护动作速度，提高保护的整体性能。（3）反应故障暂态分量的保护新原理研究：不是滤除而是利用故障暂态分量，区分元件内、外部故障；利用单端暂态量实现线路保护全线速动等。四、需要研究的问题（2）2、不依赖于系统模型与参数的互联电网暂态稳定紧急控制理论与技术研究（1)基于同步相量测量的发电机摇摆轨迹的预测理论及方法：利用稳态和暂态下测得的功角、角速度和功率等，研究对各机组动态轨迹进行准确、快速的超长时预测算法。（2)全网稳定性实时预测理论与算法研究：研究故障中、故障后机组实测不平衡功率、功角相对角度中心之间的变化轨迹，及轨迹的变化特征与不稳定边界、控制量的关系，获得暂态不稳定的快速预测判据与实时控制的算法。（3)全网稳定性实时控制系统的实现技术研究：利用关键厂站和输电断面的同步相量测量设备、预测算法和超实时的不稳定边界判据，解决互联电力系统实时控制系统的技术。四、需要研究的问题（3）3、广域信息条件下的安全自动装置研究（1)线路保护与重合闸最佳配合的理论与方法：研究可靠的瞬时与永久故障的区分方法，最佳重合时间的捕捉技术，分相在故障不严重侧重合等保护与重合闸的配合等问题。（2)“输电断面”保护系统的研究：利用输电断面的广域运行信息，预测单元件故障被切除后断面其它元件的运行状态，动态改变保护定值，如短时允许过负荷、直流功率的短时增加等，以避免非故障元件被连锁切除。（3)研究分层分布式控制网络技术，预测“输电断面”保护方式仍不能维持互联系统的稳定时，快速计算控制对策并执行。四、需要研究的问题（4）4、自适应最小潮流断面的互联系统解列理论与方法研究（1)快速识别失步机组模式的理论：研究电力系统运动方程的流型变换理论，根据平衡点处变换矩阵和特征向量的性质，直接计算机组摇摆轨迹，快速获得系统的失步模式。（2）振荡中心的自动捕捉与解列面的自适应确定：研究系统的失步模式与失步断面中实测电气量间的关系，及由实测量确定失步及振荡断面；选择潮流较小失步断面的断路器跳闸。四、需要研究的问题（5）5、电力市场环境下保护及紧急控制配置与配合的原则的研究（1)市场条件下互联系统后备保护的配置原则与经济责任的承担：研究现有后备保护动作造成非故障元件被切除，进而使非故障元件所属公司产生损失的经济当量，提出科学可行的承担方式，并研究各公司更乐意采用的后备保护配置方式。（2)紧急控制的成本、效益及其承担：研究其造成的局部损失和换取的全局效益的经济当量，提出赢得的效益和造成损失的科学分摊方式，合理、积极的推动紧急控制系统应用。四、需要研究的问题（6）6、二次回路光纤数字化及其应用研究（1)基于光纤数字互感器的变电站二次回路的信息理论研究：对光纤二次回路网络结构、可靠性、容错性、信息表达、信息流控制及信息协调、分解理论等进行系统研究，解决信息合并、光电接口、信息共享、信息分配、信息同步等关键技术问题。（2)光纤数字式互感器的应用研究：以变电站数字式二次回路为基础，提升传统的母差保护、变压器纵差保护的性能，并研究变压器故障诊断与保护一体化的新原理。五、关于数字化保护(1)一、技术条件基础1、微型机的功能越来越强，计算速度越来越快，容量越来越大。包括专用的DSP器件。为复杂的计算提供了技术条件。2、通信网络（包括光纤通信）广泛应用，传输速度和可靠性、安全性都得到了极大地提高。3、光学和电子互感器的应用。4、分析工具的完善。五、关于数字化保护(2)数字式电流电压互感器分为有源电子式和无源磁光式互感器光学互感器是利用晶体的特定物理效应来敏感电压。它采用非金属晶体作为传感头，光纤作为传输介质，使电网与测量电路能有效隔离，从而避免了二次短路的危险，是数字式电流电压互感器的发展方向。五、关于数字化保护(3)数字式电流电压互感器的特点测量准确度高全数字化接口（IEC61850）工作频带宽，线性度高五、关于数字化保护(4)数字式继电保护工频量保护；行波保护；暂态量保护。五、关于数字化保护(5)工频量保护优点（1）理论完备；（2）可以定量整定计算。缺点工频量的获取从原理上受到非周期分量和谐波的影响，无法消除，需要滤波算法介入，动作速度慢。输电线路只能采用简单模型，距离保护无法消除对侧系统参数未知的影响。五、关于数字化保护(6)行波保护优点（1）理论完备；（2）可以定量整定计算；（3）动作速度快。缺点由于行波反射的复杂性，仅仅波头是准确的，不能重复验证，可靠性差，没有用于保护，但在离线的测距应用很成功。五、关于数字化保护(7)暂态量保护优点动作速度快。缺点理论不完备，只能定性分析不能定量计算，因而整定较困难；忽略了工频量的有效特征；随着新的传感技术的发展，边界也将变得不明确。五、关于数字化保护(8)参数识别保护的基本思想对于图1所示的一般的RLC网络，若其网络结构已知，则很容易得到其入口阻抗函数。1110111()()()1mmmmnnnnbsbsbsbUsZsIsasasasRLCNETWORKi+-u五、关于数字化保护(9)参数识别的基本思想由入端阻抗函数得到网络输入端电流、电压的时域表达式为：