（电力系统及其自动化专业论文）超高压线路高性能保护原理和技术的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化， 进一步改善保护的性能。本文对不断发展的自适应继电保护的概念和技术基础， 总结了高压线路自适应保护技术的应用情况，讨论了保护系统中自适应技术的应 用，其中包括高压线路保护系统中自适应技术的应用和高压电网保护系统中自适 应技术的应用。由于电网保护天然的自适应性，自适应继电保护技术的迅速发展 为电网保护奠定了必要的基础，继电保护相关技术的成熟为电网保护研究提供了 可能性，高压电网对继电保护不断提高的要求为电网保护研究提供了必要性圹一 本文简要讨论了超高压线路高性能保护装置的保护配置、软件设计、硬件设 计等方面的有关问题，同时给出了对部分原理算法、保护方案的动态模拟实验方 法与结果，也介绍了用于实验的样机的研制与构成，在一定程度上证实了超高压 线路高性能保护装置研制的可行性。 关键词；超高压线路继电保护高性能保护装置电流差动保护纵联方向保护 * 高等学校博士学科点专项科研基金资助课题 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t u h vt r a n s m i s s i o nl i n ec a r r i e sh e a v yp o w e r u s u a l l y i ta c t so na ni m p o r t a n tr o l et o t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i z a t i o no fp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n t h er e q u i r e m e n t sf o rt h e i r p r o t e c t i v er e l a y i n ga r es t r i c t e rt h a ne v e r t h es y s t e m a t i cr e s e a r c h e sa b o u tt h ep r i n c i p l e s a n dt e c h n i q u e so nt h ea d v a n c e dp r o t e c t i o ns y s t e mf o ri l i n ea r ed i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o nt h es i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w ： t h e c o m p u t e ra p p l i c a t i o n s a tl a r g et op o w e r s y s t e mp r o v i d eg o o dc h a n c et oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lf e l a 撕n ga n dd e v e l o pan e w t y p ep r o t e c t i o nl o o k i n g b a c kt h eh i s t o r yo ft r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n tv e n d sa n da p p f i c a t i o n f o r e g r o u n d sa b o u tt h er e s e a r c hw o r ka r es u m m a r i z e di n t of o u ra s p e c t s ：s t u d yo nn e w p r o t e c t i o np r i n c i p l e , d e s i g na n dm a n u f a c t u r e s 】( i l l sf o ra d v a n c e d p r o t e c t i o ns y s t e m , n e w t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s ，p r o b e f o rt h e i n t e l l i g e n t p r o t e c t i o n a c c o r d i n g t ot h e s u m m a r i z a t i o n , t h er e s e a r c hw a y a n dm a i nc o n t e n t sa r ed e c i d e d t h ec o m p l e t ea n di n - d e p t h s t u d y o nt h e p r i n c i p l e a n dt e c h n i q u e sf o rc u r r e n t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n8 f i ef u l f i l l e di nt h i sd i s s e r t a t i o n an e wt y p ec u r r e n td i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o nb a s e do n t h ec o r r e l 撕o na n a l y s i si s p r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m ea th o m ea n d a b r o a d i t sp r i n c i p l e , c h a r a c t e r i s t i ca n da p # c a t i o nt ou h vl i n ea r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t so f d i g i t a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dd y n a m i c s i m u l a t i o nt e s tv e r i f yt h ec o l t e 吐n e s s o f p r o p o s e dp r i n c i p l ea n d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ef o i ls c h e m e t h e p e r f o r m a n c eo f c u r r e n t d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nb y s a m p l e d v a l u e si sa l s oa n a l y z e d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nt e s tf o r t h i sp r o t e c t i o ni sf i n i s h e d t h er e s e a r c hw o r kh a sb e e nt h ep r e p a r a t o r yg r o u n d w o r kt o d e v e l o p t h ea d v a n c e dp r o t e c t i o ns y s t e mf o ru i i v l i n e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed i r e c t i o n a lc o m p a r i s o nd 丑o tp r o t e c t i o nf o ru h vl i n ei s i n v e s t i g a t e d t h eg e n e r a l i z e dp h a s o ri sa p p l i e dt op r o t e c t i v er e l a y i n go r i g i n a u y an e w d i r e c t i o n a lp r o t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do ng e n e r a l i z e dp h a s o ri sd e s i g n e di n i t i a l l y t h e p r i n c i p l ei sa n a l y z e di nd e t a i l t h er e a l i z a t i o nm e t h o da n dd i g i t a ls i 】m u l a f i o nr e s u l t sa r e a l s o g i v e n i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e d i r e c t i o n a lc o m p a r i s o np i l o t p r o t e c t i o nf o r 唧l i n e ，s o m es c h e m e sa r ep r o p o s e d ，s u c ha sc o m b i n i n gp r o t e c t i o n s c h e m e sw i t hd i f f e r e n tp r i n c i p l e st o g e t h e rb ya d a p t i v ep r o t e c t i o nt e c h n i q u e s ，e t c t h e s e a r et h et h e o r e t i c a lg r o u n d w o r kf o rt h ed e v e l o p m e n t o f t h ea d v a n c e dp r o t e c t i o ns y s t e m t h ep r o t e c t i o nu s i n gf a u kc o m p o n e n tm a k e su s eo f t h ei n f o r m a t i o nw h i c h i n d u c e s b y 华中理工大学博士学位论文 p o w e rs y s t e m f a u l ta p p e n ds t a t e t h es t a t ei sd e c i d e d b y t h es t r u c t u r e sa n d p a r a m e t e r so f e l e c t r i cn e t w o r ka n dt h ef a u l tp r o p e r t y , n o tt h e o p e r a t i o np a r a m e t e r s ，s u c ha st h el o a de t c t 1 1 i si sv e r yu s e f u lt oi m p r o v et h ep r o t e c t i o np e r f o r m a n c e t h e p r i n c i p l ea n dt e c h n i q u eo f t h ep r o t e c t i o nu s i n gf a u l tc o m p o n e n ta r ei n v e s t i g a t e dt h ei n f o r m a t i o nt h e o r yi sg r o u n d s t o n eo ft h ep r o t e c t i o nu s i n gf a u l tc o m p o n e n ti ti s v e r yi m p o r t a n tt os t u d yo nt h e p r o t e c t i o nt h a tu s i n g f o rr e f e r e n c ew i t ht h ee l e m e n t sa n ds k i l l so f t h ei n f o r m a t i o n t h e o r y t h ec o m p u t a t i o nt e c h n i q u ea b o u tt h ef a u l t c o m p o n e n ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pt h e p r o t e c t i o nb a s e d 0 nt h ef a u l t c o m p o n e n tp r i n c i p l e an e wc o m p u t a t i o nm e t h o di s d e s i g n e d t h em e t h o du t i l i z e sb o t ho ft h eh i s t o r yd a t aa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i ti s b e t t e rt h a nt h em e t h o dt h a tu t i l i z e so n eo ra n o t h e r t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n r e s u l t sv e r i f yi t sa d v a n t a g et h es l ( i l lt oi n c r e a s et h ec o m p u t a t i o n s p e e dh a sm o r er e s e a r c h w o r k t od o t h ef u n d a r n e n t a li d e af o ra d a p t i v ep r o t e c t i o ni st oa d a p tt h em u l t i f o r mc h a n g e so f p o w e rs y s t e mw i t h i nt h el i m i t so fp o s s i b i l i t yt oi m p r o v et h ep r o t e c t i o np e r f o r m a n c e i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec o n c e p ta n dt e c h n i q u eb e d r o c kt od e v e l o pa d a p t i v ep r o t e c t i o ni s d i s c u s s e dt h es k i l l so fa d a p t i v ep r o t e c t i o nf o rh v l i n ea r es u m m a r i z e dt h ea d a p t i v e s k i l l so fp r o t e c t i o ns y s t e ma r ea l s od i s c u s s e d w h i c hi n c l u d et h a tf o rh v l i n ea n df o rh v n e t w o r kf o ri t sn a t u r a la d a p t a b i l i t y , t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fa d a p t i v ep r o t e c t i o n p r o v i d e san e c e s s a r yg r o u n d w o r kf o re l e c t r i cn e t w o r kp r o t e c t i o n t h er e s e a r c hc a nb e g o n e o nw h e e l ss i n c et h ea c h i e v e m e n t so f t h er e l a t e ds u b j e c t so f p r o t e c t i v er d a y i n gi ti s n e c e s s a r yt os t u d y o f fn e t w o r kp r o t e c t i o nf o rt h ee l e v a t e dr e q u i r e m e n t so fh ve l e c t r i c n e t w o r kt op r o t e c t i v er e l a y i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s o m er e l a t e dp r o b l e m so nt h ep r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o n , h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n so f t h ea d v a n c e dp r o t e c t i o ns y s t e mf o ru h v l i n ea r ed i s c u s s e dt h e m e t h o da n dr e s u l t sf o rd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ta r ea l s od e s c r i b e d t h es k i l l sa n ds t r u c t u r e o f t h ep r o t o t y p ef o rt e s ta r ee x p l a i n e d t h er e s u l t sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yi ns o m ee x t e n tt o d e v e l o pt h ea d v a n c e dp r o t e c t i o ns y s t e m f o ru h vt r a n s m i s s i o nl i n e ， k e y w o r d s ：u h v t r a n s m i s s i o nl i n e p r o t e c t i v er e l a y i n g a d v a n c e dp r o t e c t i o ns y s t e m c u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n d i r e c t i o n a lc o m p a r i s o n p i l o tp r o t e c t i o n + t h er e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o n ( r f d p ) 1 v 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 本章在简述了超高压线路继电保护的特点、基本要求、现状及研制 超高压线路高性能保护装置的可能性、必要性后，陈述了本论文的主要 研究工作。 1 1 引言 面对即将来临的新世纪，我国广大电力事业工作者面临的首要任务是全国联 网。为了增强整个电网的安全稳定运行水平、提高联网效益，大量的超高压线路 将陆续投入运行，特高压线路亦呈呼之欲出之势。在输送同样功率的情况下，线 路电压等级越高，则功率损耗、电能损耗越少。因此，超高压长距离线路往往担 负着传送巨大功率的任务，它在电力系统中占有举足轻重的地位，对整个电力系 统的安全稳定运行影响极大，对超高压线路的继电保护亦提出了更高的要求，即 快速切除故障、高度的可靠性、选择性和足够的灵敏度。本论文针对超高压线路 继电保护的特点，从原理与技术上进行多方面探索，以期研制超高压线路高性能 保护装置。 1 2 趣高压线路的特点 超高压线路继电保护与中低压线路保护相比存在一些特殊性，以下几方面的特 点均将影响继电保护的动作性能：由于高压电网线路参数的分布性及某些线路中 装设的串联补偿电容和并联电抗器的影响，在短路故障的暂态过程中将出现无穷 多频率的自由分量，同时在高压线路中电感与电阻的比值大，非周期分量和自由 分量的衰减都较缓慢；在单相接地故障时可能有较大的接地过渡电阻；分布电容 所产生的电容电流不可忽略；高压线路上配置的单相自动重合闸或综合自动重合 闸在单相跳闸后可能出现非全相运行状态或复故障状态；串联补偿电容的存在； 某些电网中可能出现多端线路或同杆并架线路；电容式电压互感器和电流互感器 的暂态过程；高压线路常为重负荷线路，在长距离输电线路末端的短路电流可能 低于负荷电流，且使线路两端功角摆开较大，并容易诱发系统振荡等。 1 3 超高压线路继电保护的基本要求 由于超高压线路的重要性，尽管有以上诸多因素在不同方面影响超高压线路继 电保护的性能，但对这些线路继电保护性能的要求不但没有降低，反而更高。对 华中理工大学博士学位论文 超高压线路继电保护的要求常表现在快速切除故障、高度的可靠性、选择性和足 够的灵敏度。具体地说，对超高压线路保护的快速性般要求在5 0 1 0 0 m s 内切除 故障，即保护出口时间约在2 0 m s 左右；灵敏性要求在发生经3 0 0q 过渡电阻的单 相接地故障时保护能够正确选相动作跳闸；可靠性则是指保护可靠不拒动和可靠 不误动：选择性则是指在保证可靠性的前提下做到以下基本要求：( 1 ) 在系统所 有运行方式下，不论发生何种类型故障，保护均可靠动作；( 2 ) 在下述情况下保 护应可靠动作：( a ) 在系统振荡和可能的非全相运行状态下发生故障，( b ) 手 动合闸到故障线路或自动重合闸时线路有故障；( 3 ) 在下述情况下保护应可靠不 动作：( a ) 系统稳定破坏发生振荡；( b ) 外部故障，其中还应考虑到在单相自 动重合闸过程中可能出现的非全相运行状态伴随系统发生振荡的情况；( c ) 外部 故障切除或外部故障类型转换；( d ) 长期或短时两相运行；( e ) 线路自端合 闸；( f ) 电压回路断线；( g ) 保护装置本身故障( 直流电源中断、元件损坏等) ； ( h ) 保护使用的通讯系统故障。 1 4 我国超高压线路继电保护的现状 自1 9 8 2 年平武线在华中电网的投运，标志着我国采用5 0 0 k v 系统输电的开 始，从此5 0 0 k v 线路在全国迅速增长，至9 6 年底，全国有5 0 0 k v 线路9 3 条，全 长1 2 8 4 4 公里，各大网局基本形成以5 0 0 k v 为骨干网架的超高压电网，即将进行 的全国联网亦很可能以5 0 0 k v 为骨干网架。因此，对超高压线路配置完善的继电 保护系统具有特别重要的意义。 在5 0 0 k v 系统建设初期，由于我国科学技术( 特别是制造、材料、工艺、管 理等) 的落后及缺乏经验，由于5 0 0 k v 线路的重要性及其继电保护的复杂性，只 能完全依靠进e 1 保护。下面简单介绍拥有5 0 0 k v 线路最早的华中电网的保护情况 n s n w ，除了国产微机型继电保护装置在超高压线路的应用外，它基本代表了我国 5 0 0 k v 线路继电保护的发展历史。 华中电网至今已先后投运1 6 条5 0 0 k v 线路，总长2 2 0 8 公里( 不含直流输电 线路) ，5 0 0 k v 变电站1 2 座。这些线路的双重主保护中除玉风线、双玉线有一套 选用国产的c k f i 型保护外，其余均是进口产品，它们为a s e a 公司的r a l d a 行波保护、r a z f e 距离保护，b b c 公司的l z 9 6 距离保护、d l 9 1 纵差保护、l r 9 1 方向高频保护，g e 公司的s l y p - s l c n 方向高频保护、p l s 1 b 方向高频保护、 t l s 1 b 距离保护，今后还将引进世界各大公司更先进的保护装置。 由表1 - 1 可知，总的来说，华中电网5 0 0 k v 系统保护不比全国平均水平差， 但同全国一样，5 0 0 k v 系统保护正确动作率比2 2 0 k v 系统正确动作率低，比全部 保护的正确动作率更低。造成这种情形的原因是多方面的，但对进口保护的消化、 吸收、改进工作做得不够和管理水平较低是主要原因，华中电网5 0 0 k v 系统保护 正确动作率稳步上升，正好说明了这个问题。随着计算机继电保护的普及，超高 华中理工大学博士学位论文 压线路采用数字式保护已是必然趋势( 华中电网5 0 0 k v 系统目前还没有数字式保 护投运) ，而由于数字式保护的复杂性及知识产权等的关系，对进口数字式保护 的消化、吸收、改进工作与进口模拟式保护相比将更加困难，如果继续依赖进口 保护，要保证5 0 0 k v 系统保护正确动作率的稳步上升困难更大，甚至是维持现有 正确动作率都将有相当难度，而且广大用户对国外公司的技术资料、备品备件、 售后服务等方面的问题早有微词，因此，对我国超高压线路继电保护的策略与方 法进行改革，研究具有自主知识产权的具体针对超高压线路的高性能保护装置， 势在必行。 表1 - 1 ：华中电网继电保护动作情况统计表( 注：9 8 年为部分数据) 全部保护2 2 0 k v 以5 0 0 k v 总5 0 0 k v 正5 0 0 k v 正5 0 0 k v 进5 0 0 k v 进5 0 0 k v 进全蕾 正确动作上象统正动作孜数确动作欢确动作率口保护动口保护正口保护正5 0 0 “正 确动作率数怍次教确动作数确动作率确动作率 8 29 8 4 67 7 9 12 01 05 0 0 02 01 05 0 0 02 3 5 3 8 39 8 5 68 1 3 01 585 3 3 31 585 3 3 34 1 6 7 8 49 8 7 19 6 0955 5 + s 5955 5 5 52 0 2 0 8 59 8 9 08 9 6 3646 6 6 7646 6 6 75 0 0 0 8 69 9 0 48 5 2 31 27 5 8 3 3 1 27 5 8 3 37 7 3 8 8 79 9 2 0 9 0 3 32 31 25 2 1 7 2 3t 2 5 2 、t 79 3 4 5 8 89 9 4 08 8 9 63 42 36 7 6 52 51 97 2 0 08 1 9 7 8 99 9 3 18 9 3 63 92 76 9 2 32 51 87 2 0 09 5 2 3 9 09 9 4 79 4 3 14 33 47 9 0 71 61 16 8 7 59 4 0 0 9 19 9 6 39 3 0 64 73 67 6 6 03 42 67 6 ，4 79 4 2 3 9 29 9 7 3 9 3 2 1 3 63 5 9 7 ，2 23 02 99 6 6 79 7 9 7 9 39 9 7 59 5 6 46 l5 79 3 4 44 54 29 3 3 38 9 1 s 9 4 9 9 8 29 6 0 2 l s l1 4 5 9 6 0 3 1 3 41 2 8 9 5 s 29 1 9 9 9 59 9 8 89 7 2 51 1 21 0 49 2 8 61 0 79 99 2 5 29 0 0 2 9 69 9 8 19 7 0 l1 6 11 4 9 9 2 5 5 1 2 91 2 29 4 5 79 7 4 6 9 7 9 9 7 99 7 5 3 1 2 3 1 1 59 3 5 01 1 41 0 79 3 8 69 7 0 1 9 95 65 49 6 4 24 74 5 9 5 ，7 4 1 5 研究超高压线路高性能保护装置的可能性 计算机继电保护的巨大优势不言自明， 不长，但发展迅速，并取得了很大的成功， 我国开展计算机继电保护研究的历史 特别是微机线路保护，其中有代表性 华中理工大学博士学位论文 的产品有：华北电力学院北京研究生部与电力工业部南京电力自动化设备总厂、 机械工业部许昌继电器厂等厂家合作研制的w 一1 1 型微机高压线路保护装黄 p - 4 1 ，电力工业部电力自动化研究院继电保护研究所、南瑞继电保护公司研制的u 平 9 0 0 系列微机成套保护装置护。l ，北京哈德威四方保护与控制设备有限公司研制 的c s l 一2 0 0 系列数字式线路保护 p - 2 1 等，它们在高压线路保护中得到了广泛的应 用，并表现出良好的性能。 然而对超高压线路保护的研究则有些欠缺，至今还未见报道研究专门针对超高 压线路的数字式保护装置，华中电网在超高压线路中也还没有数字式保护运行。 但是，成功研究超高压线路高性能保护装置的时机已经成熟，这是因为高压线路 数字式保护的成功研究为超高压线路保护装置的研究提供了丰富、宝贵的经验， 计算机软、硬件技术的进一步发展，通讯技术、自动控制技术、信号处理技术等 的发展与成熟，亦为超高压线路高性能保护装置的研究奠定了坚实的基础。从表 1 1 中可以看出，最近投运的国产5 0 0 k v 线路保护c k f 1 型高频方向保护的性能 并不差，因此，最终解决超高压线路继电保护的方案可以、也只能是研究、生产 我国拥有自主知识产权的超高压线路高性能保护装置。 1 6 研究超高压线路高性能保护装置的必要性 随着三峡电厂的发电，超高压电网将不断发展，大功率远距离超高压线路是系 统内部和各系统之间联系的枢纽，其运行的可靠性必将极大地影响整个电力系统 的安全稳定运行，因而对超高压线路继电保护将提出更加严格的要求。全国联网、 甚至跨国联网的实施，则使得解决超高压线路继电保护的任务更加紧迫。 本论文选择超高压线路高性能保护的原理和技术的研究作为课题，以期为提高 我国超高压线路继电保护性能、保证电力系统的安全、稳定、经济、可靠的运行 贡献自己应有的力量。超高压线路高性能保护装置的成功研制将使计算机继电保 护的研究迈上新台阶，在我国电力系统建设中产生良好的经济效益和社会效益。 1 7 论文的主要工作 继电保护装置的研制通常分为这样三个步骤：( 1 ) 分析保护功能要求，设计 保护原理和算法；( 2 ) 设计硬件、软件，实施保护功能；( 3 ) 通过实验检测保 护功能的原理算法和实旋方案的正确性。继电保护的发展水平主要体现在以下几 个方面：保护的原理和性能，保护的分析研究方法，保护装置的硬件及工艺，运 行管理及实验维护。这几方面是相互联系、相辅相成的，而保护新原理的开发带 有根本性的意义。超高压线路继电保护的研究范围十分广泛，涉及学科众多，许 多方面的研究均相当活跃，本论文不可能、也无必要面面俱到。考虑到目前保护 装置可实施的技术水平、原理研究的重要性及应适当超前的原则、超高压线路保 4 华中理工大学博士学位论文 护的研究现状、科学研究应遵循的市场经济的有关规律等，按照保护装置研制的 步骤，首先选择纵联方向保护原理、电流差动纵联保护原理、自适应保护原理、 故障分量保护原理四个方面作为本论文理论研究的重点，探讨超高压线路保护的 原理、算法和性能，后面两个问题的研究还兼顾到保护研究思想、方法的讨论， 然后在此基t i i t i a r _ 讨论超高压线路高性能保护装置的具体设计思想、方案，再通过 数字仿真和模拟实验证实原理的正确性、保护方案的可行性。具体安排如下： 第二章在简要地综述了超高压线路保护发展历史后，从新型保护原理的应用、 高性能保护装置的研制、新技术的应用、智能技术应用于保护的探索四个方面简 单地概括了超高压线路保护的发展趋势。计算机在电力系统中的广泛应用为改善 传统的继电保护和开发新型保护提供了前所未有的良机，故障分量原理和自适应 技术在继电保护中的广泛应用是计算机继电保护技术发展的重要标志，为继电保 护性能提高和原理创新提供了万能方法。 基于故障分量原理的保护是建立在故障附加状态所产生的故障信息的基础上 的，而故障附加状态是由电网结构参数和故障性质所决定的，与负荷等运行参数 无关，这为进一步提高保护性能奠定了基础。第三章主要讨论了故障分量原理继 电保护的理论基础、应用技术和故障分薰求取的新方法，理论基础的研究是试图 从最基本的信息论角度为故障分量原理保护奠定更坚实的根基；应用技术则是概 括目前应用故障分量原理保护的特点，为更广泛地应用不同的故障分景原理于不 同的保护之中来提高保护性能提供借鉴；求取故障分量的新方法探索则是为故障 分量原理保护更好地在实际中应用拓宽思路与方法。 自适应继电保护的基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，进一 步改善保护的性能。自适应继电保护实质是继电保护智能化的一个重要组成部 分，计算机在电力系统中的应用为自适应继电保护的发展提供了广阔的前景，保 护、测量、控制、通信、故障录波与再现等方面一体化的综合自动化系统将有力 地促进自适应继电保护原理与技术发展到更高水平、更深层次。第四章对超高压 线路自适应继电保护研究进行了总结，其中明确了自适应保护的概念和技术基 础，总结了高压线路自适应保护技术的应用情况，讨论了保护系统中自适应技术 的应用，其中包括高压线路保护系统中自适应技术的应用和高压电网保护系统中 自适应技术的应用。对于线路保护系统的自适应技术研究已经取得一定效果，并 在实践中得到检验。电网保护本身就是自适应的，对它的研究还刚起步，仅是在 保护定值的自适应整定方面进行了某些研究，也未提至电网保护的高度，本文也 只是初步提出电网保护的概念，以便为对电网保护的深入研究抛砖引玉。 超高压线路继电保护中主保护占据无可比拟的地位，主保护性能的优劣不仅影 响被保护线路，而且与整个电网的安全稳定运行息息相关。但在继电保护领域， 对超高压线路继电保护的专门研究重视不够，对其主保护原理研究更是薄弱环 节。当然，从事这方面研究有相当难度是原因之一，电力系统的迅速发展则使超 高压线路主保护原理研究势在必行。利用计算机技术研究新原理，大幅度提高超 华中理工大学博士学位论文 高压线路保护性能是十分追切的任务。本文第五、六两章分别介绍对超高压线路 纵联方向保护、电流差动保护原理研究的新成果。 超高压线路纵联方向保护中的方向元件是其核心，是提高保护性能的关键，第 五章首先简要评述了已广泛应用的方向元件的特点，然后提出了基于综合相量的 方向元件新算法，并对该算法进行了较详细的原理分析和仿真计算，最后对超高 压线路高性能保护装置中的纵联方向保护方案的初步设计进行了讨论。 光纤通信技术的成熟，使得高可靠性、大容量、高速度的通信成为现实，这也 是超高压线路电流差动保护发展的重要技术基础，第六章则是讨论对超高压线路 电流差动保护原理研究的成果。在该章中，简单概述了线路电流差动保护的研究 现状，并对在数字式电流差动保护中开始应用的采样值电流差动保护的若干问题 进行了讨论，然后提出了基于相关分析的新型电流差动保护方案，分析了新型电 流差动保护的原理和整定计算方法，并给出了仿真计算结果，最后初步讨论了高 性能超高压线路保护装置中的电流差动保护的设计方案。 理论与实践并重是继电保护学科的最重要特点，也是继电保护技术兴旺发达、 不断前进的根本原因。本文第七章简要讨论了超高压线路高性能保护装置设计中 的有关问题，涉及保护配置、软件设计、硬件设计等方面。第八章介绍对电流差 动保护的原理算法、保护方案的动态模拟实验结果，同时也介绍了用于实验的样 机研制方法及对超高压线路暂态过程的实验研究工作。 第九章对全文进行了简单总结。 1 8 本章小结 本章介绍了超高压线路继电保护的特点和基本要求及我国超高压线路继电保 护的现状和不足之处，说明了选择“超高压线路高性能保护原理与技术的研究” 为论文题目的理由和意义，对论文的主要工作进行了简要概括。 华中理工大学博士学位论文 第二章超高压线路继电保护发展综述 本章在简单回顾输电线路继电保护的历史后，以新型保护原理的应 用、高性能保护装置的研制、新技术的应用、智能技术应用于保护的探 索四个方面初步概述高压线路继电保护的发展现状与趋势。 2 1 引言 电力系统继电保护与当代新兴科学技术相比，是相当古老的学科了，然而它 作为综合性学科又总是充满活力，一直处于蓬勃发展之中。之所以如此，是因为 它具有理论与实践并重，与基础理论、新理论、新技术的紧密结合，与电力系统 的运行、发展息息相关等特点，电力系统本身的发展和相关新理论、新技术、新 材料的发展是促进继电保护发展的内因与外因，前者是发展的源泉，后者则是发 展的客观条件。没有电力系统的发展，则谈不上继电保护的发展，继电保护不能 得到良好的发展则会妨碍电力系统的进一步发展，相关学科的发展则为继电保护 的发展提供了技术基础。本章简要地回忆继电保护，特别是线路保护的发展历史， 并粗略概括与评述超高压线路继电保护的发展现状及趋势。 2 2 超高压线路继电保护的发展历史 随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。在十九世纪末已开始利用熔 断器防止在发生短路时损坏设备，建立了过电流保护原理，1 9 0 1 年第一台感应式 过电流继电器问世，1 9 0 8 年研制出电流差动保护，自1 9 1 0 年起开始采用方向性电 流保护，1 9 2 0 年初制成了距离保护，1 9 2 7 年开始了快速动作的高频保护的研究。 由此可见，从继电保护的基本原理看，到本世纪2 0 年代末现在普遍应用的继电保 护原理基本上都已建立，迄今在保护原理方面没有出现突破性进展。保护装置硬 件的发展，从1 9 0 1 年的感应式过电流继电器至今大体经历了机电型、整流型、晶 体管型、集成电路型和数字计算机型五个阶段。虽然继电保护的原理早己提出， 但它总是在根据电力系统发展的需要，不断从相关学科取得的最新成果中吸收营 养，发展和完善自身。继电保护的发展史实际是一部不断适应新器件的历史，最 早使用的是机电型继电器；随着半导体器件的生产，人们将其用于保护装鼍，构 成了整流型保护继电器，使维修工作大为减轻；晶体管的出现，带动了静态型继 电器的研制，微电子学的飞速发展，大规模集成电路的生产，使分立元件的晶体 华中理工大学博士学位论文 管保护逐渐为集成电路保护所取代，成为第二代静态型继电器；数字计算机和微 处理器的出现则为继电保护数字化开辟了美好的前景，微机型继电保护产品逐渐 成为无可置疑的首选产品。近百年来继电保护发展的飞跃亦是随着构成保护器件 的升级而出现的，第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小 型化、低功耗；第二次飞跃是由半导体式到微机型，主要体现在数字化、智能化。 显然，第一次飞跃只是在提高保护装置的硬件可靠性和经济性、方便性等方面有 质变，而第二次飞跃则具有更为重要的意义，因为它不仅是全面提高了保护装置 的性能，更重要的是为保护的原理和功能产生质的变化提供了可能性。 由于利用单端量保护无法快速切除线路上任一点的故障，故高压线路主保护一 般采用利用双端量的纵联保护，即方向纵联保护、电流差动保护和相位差动保护。 在原理构成上看，纵联保护是继电保护中变化最小的保护，除了最近在数字式保 护中使用采样值电流差动保护、故障分量原理的电流差动保护外，几乎没有什么 变化。纵联保护的发展历史除了前面所说的飞跃外，更为主要的是通道构成的发 展历史。最初是采用导引线构成纵联保护，这种方式对于中长距离的线路无能为 力，故迅速由高频通道构成的保护占据了输电线路保护的主导地位，1 9 2 7 年构成 相差高频保护，1 9 3 1 年提出方向高频保护，现在的许多线路仍然是采用这两类保 护作为高压线路的主保护，只是西方国家喜欢用距离方向高频保护，苏联等国家 则用负序方向高频保护，相位差动保护则仅在构成相位比较量的复式滤序器的序 分量及其比例稍有不同。在5 0 年代初期，美国开始利用微波技术实现快速动作的 微波保护，这是保护通道构成的次飞跃，使得简单可靠的电流差动保护在长距 离高压线路上应用成为现实，并在北美超高压电网中得到广泛应用。从8 0 年起， 日、美等国开始研究利用光导纤维作为纵联保护的通道，成为纵联保护通道的第 二次飞跃。现在国外各大公司均生产了各种利用光纤的纵联保护装置，国内起步 稍晚，现也有不少厂家和大专院校、科研院所已合作成功研制利用光纤的各种纵 联保护装置。不久，光纤纵联保护将在输电线路主保护中占据主导地位。文献c 一 1 、c 8 、c 1 5 、c - 1 9 、c - 2 2 、c 一4 5 、c 一4 7 、e - 6 、e - 7 、e - 1 2 、e - 1 4 、e 一1 5 、e 一1 6 、 e 一2 3 、e 一4 5 、e 一4 6 、e 6 3 、e 6 4 、t 一4 、t 7 、t 1 0 等对纵联保护的原理和实践的研 究进行了良好的尝试，得出了一些有益的结果。但总的来说，对纵联保护原理的 研究，相对来说还远远不够，不仅是研究人员少、发表文献少，而且文献中提出 的一些新原理或方案，有的需要附加设备、很难说服用户赞同，有的是对原来方 案的改进，在原理上鲜有实质性改变。因此，本人选择纵联保护( 包括纵联方向 和纵联差动保护) 新原理作为本论文理论研究的重点方向，以期使十分重要的超 高压线路主保护性能得到较大提高，从而保证高性能保护装置的成功研制。 输电线路后备保护主要是不利用通道的阶段式距离保护和阶段式零序保护，由 于零序保护相对简单，故对后备保护研究主要集中在距离保护上，输电线路距离 华中理工大学博士学位论文 保护是继电保护原理研究中最活跃的部分。现在距离保护研究的焦点有振荡中再 故障的动作，高阻接地选相跳闸，故障位置的精确测量和防止保护范围的超越等。 文献c - 3 、c - 4 、c 一5 、c 一1 6 、c 3 9 、e 2 7 、e 2 8 、e 6 2 、e 。7 0 、t 1 、t 2 、t 3 、 b 3 等的研究结论基本反映了当前距离保护的研究成果。 2 3 新型保护原理的应用 超高压线路继电保护