（电气工程专业论文）基于故障录波数据的保护特性分析方法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = 。= = = = = = ；= = # = = = = = = ；= = = ；= ； 摘要 继电保护的实际动作行为除取决于所采用的保护原理外，同时也与保护装置所 采用的具体实现技术密切相关：因此实际保护动作特性和动作行为需根据实际故障状 况，结合保护的具体情况来进行分析。 而微机故障录波装置实时记录了故障过程中相关电气量的变化过程，这为继电 保护的动作特性分析提供了有力的依据。由于目前使用的微机故障录波装置本身所能 提供的故障检测方法、故障分析精度、故障分析功能、故障分析对象的适应性等方面 尚难以完全满足继电保护特性分析的特殊要求，因此论文讨论了如何利用微机故障录 波装置所记录的故障数据进行保护特性分析，对保护的动作情况进行检测判断。 论文首先对继电保护的应用现状和发展动向进行了综合性介绍；根据现场实际 的应用情况，重点对几种典型线路保护装置的基本原理和动作特性进行了分析和讨论； 介绍了一种保护特性分析数据的采集方法，对数据采集系统的硬件系统结构、软件系 统结构、功能进行了分析，在分柝故障录波信息的记录格式和记录方法的基础上，分 析了一种用于故障录波信息传送的有损压缩算法，该算法可以定量控制还原误差，压 缩效果有了较大的提高。 论文提出了一种采用微机故障录波数据的保护特性分析方法，并系统介绍了软 件的设计原则、主要功能及软件的基本程序流程等；重点介绍了主要的分析和计算方 法：录波数据预处理的主要算法、基频分量算法、谐波分析算法、相量突变量检测算 法、测频算法、负序分量算法，对故障类型与相别判断进行了分析，对软件的使用方 法和应用示例进行了简要说明；本软件能使分析人员在良好的人机交互界面下，实现 数据输入、计算分析和结果显示，具备了对继电保护动作行为分析的基本分析功能； 该分析方法有助于进一步深化对保护实际运行特性的认识和保护特性的改进和完善， 也为运行现场进行事故分析，提供了有益的分析工具，亦可用于新型保护原理的测试 和现场继电器的校验。 关键词：微机保护故障录波 保护特性分析 华中科技大学硕士学位论文 ! ：= = = = ；= = ；= = = = = = = # = = ；= = = ；= = ；= = = = = = j = = _ a b s t r a c t t h ea c t u a lo p e r a t i v eb e h a v i o ro f r e l a yp r o t e c t i o nd e p e n dn o to n l yo nt h ep r o t e c t i v e 两n c i p l e t h a ti ta d o p t s ，b u ta l s oo nt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yt h a tp r o t e c t i v e d e v i c e sa d o p t t h e r e f o r e ，t h ea c t u a lp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i v eb e h a v i o rh a v e t 0b e a n a l y z e da c c o r d i n g t oa c t u a lf a u d tc o n d i t i o na n d s p e c i a lp r o t e c t i o nc o n d i t i o n d i g i t a lf a u l tr e c o r d e rd e v i c er e a l t i m er e c o r d s t h ec h a n g eo fr e l a t i v ee l e c t r i c a lv a r i a b l e s ， w h i c h p r o v i d e ss t r o n g a c c o r d a n c ef o r o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o f r e l a y p r o t e c t i o n - f a u l ta n a l y s i ss o r w a r ew h i c hi s p r e s e n t e db yd i g i t a l f a u l t r e c o r d i n gd e v i c eu s e d n o w a d a y si sv e r yd i f f i c u l tt oc o m p l e t e l ys a t i s f i e dw i t hs p e c i a lr e q u i r e m e n to fc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o fr e l a y p r o t e c t i o n ，s o t h ea r t i c l ed i s c u s s e sh o wt o c a l t y o n p r o t e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sb yu s i n gf a u l td a t at h a td i g i t a lf a u l tr e c o r d i n gd e v i c er e c o r d s ，a n dt o e n g a g e i nc h e c ka n d j u d g m e n t t op r o t e c t i o no p e r a t i o nc o n d i t i o n f i r s t l yt h et h e s i ss u m m a r i l yi n t r o d u c e st h ea p p l i e dp r e s e n tc o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n t d i r e c t i o n a c c o r d i n gt ot h es p o t se f f e c t i v ea p p l i e dc o n d i t i o n ，i te m p h a t i c a l l ya n a l y z e sa n d d i s c u s s e st h e e l e m e n t a r yp r i n c i p l ea n do p e r a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so faf e wt y p i c a ll i n e p r o t e c t i o nd e v i c e s i ta l s oi n t r o d u c e sd a t a sa c q u i s i t i o nm e t h o d so f p r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i sa n da n a l y z e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h e i rf u n c t i o n so fd a m a c q u i s i t i o ns y s t e m a tt h es a n 3 , et i m e ，i tp r e s e n t sam e t h o do f p r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa d o p t i n g d i g i t a lf a u l tr e c o r d i n gd a t a , a n ds y s t e m a t i c a l l yi n e d u c e ss o f t w a r e sd e s i g nt h e o r y , p r i m a r y f u n c t i o na n df l o wp r o c e s so fs o f t w a r e sb a s i c p r o g r a ma n ds oo n ，a n de m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e sm a i na n a l y s i sa n dc o u n t i n gm e t h o da n dp r i m a r y a l g o r i t h mo fr e c o r d i n gd a t a p r e p r o c e s s i n g t h ea r t i c l eb r i e f l yi l l u s t r a t e ss o r w a r e so p e r a t i o nm e t h o da n d a p p l i e de x a m p l e s t h i s s o f t w a r ec a nm a k e a n a l y s t sr e a l i z ed a t ai n p u t c o u n t i n ga n a l y s i sa n dr e s u l ts h o w i n gi nt h e b e t t e rm a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，a n dh a v et h eb a s i ca n a l y s i sf u n c t i o no no p e r a t i o n a n a l y s i so f r e l a yp r o t e c t i o n - t h i sa n a l y s i sm e t h o dc o n t r i b u t e s t o 如曲耵r e c o g n i t i o n o f p r o t e c t i n g8 c 电l a i i i 华中科技大学硕士学位论文 o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n di m p r o v e m e n to fp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d p r o v i d e s p o w e r f u l t o o l st o a n a l y z er u n n i n gs p o t s a c c i d e n t s 。a n da l s oc a nb e a p p l i e d t on e w p r o t e c t i o np r i n c i p l et e s t i n ga n dr e l a yc h e c k o u t i n s p o t k e y w o r d s ：d i g i t a lp r o t e c t i o n p o w e r s y s t e m f a u l tr e c o r d e r p r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期；年 月日 指导教师签名： 日期：年 月日 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = ；= = = 目= t = = = = = = = ；= = = = 目 1 1 引言 1 绪论 随着我国电力体制改革的深入和电力建设的快速发展，对继电保护运行、事故分 析和电网运行的管理水平和决策能力提出了越来越高的要求。尤其在发生严重故障或 复杂故障的情况下，如何能使调度值班人员和继电保护运行管理人员及时准确地了解 故障情况，快速地判断故障发生的地点、故障性质及严重程度，科学地分析故障原因， 并采取及时正确的措施缩小故障范围、避免事故扩大、减少故障损失，是摆在各级电 网调度部门面前的重大课题。计算机技术、通讯技术和网络信息技术的发展，使电网 的运行管理、保护、控制等各方面都发生了很大的变化。系统和设备的信息采集、加 工、传送、共享和综合利用，在当今的网络和软件技术推动下已变得目益普及。 作为电网安全稳定运行的卫士，各类微机保护装置、自动装跫、故障录波器以及 综合自动化系统被普遍采用。但由于电力系统的运行方式日趋复杂，保护设备数量和 类型都大大增加，对继电保护及各类自动装置的要求更高、反应更快、管理更复杂， 要在更高的水平上满足速动性、灵敏性、选择性、可靠性的“四性”要求以及无人值 班和减人增效的要求；因此对电力系统主要电气设备的运行状态进行全面可靠检测和 记录，分析继电保护装置的实际动作行为，提高保护装置准确动作率，对提高电网的 安全运行水平具有十分重要的作用和意义。 微型计算机技术的飞速发展，广泛深入地影响着社会生活的各个领域。在电力系 统中，不仅传统的继电保护原理得以数字化实现，同时，微机技术也为新的保护原理 的应用提供了有力的技术支持。纵观计算机继电保护发展的历史，输电线路保护的研 究和开发一直受到人们的广泛关注，其实用化进度和取得的应用成果也最为突出。微 机保护运行情况较好，正确动作率逐年提高，已从1 9 9 1 年的9 0 6 提高到1 9 9 9 年的 9 9 7 8 ”“a 随着我国电力工业的发展，2 0 1 0 2 0 2 0 年期间将逐步实现全国主要电力 系统之间的互联，形成全国联合电力系统【3 】。湖南省长沙市电业局己基本形成双环网 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= 日= = ；= = = = = = = = j _ 口z = = = ；= = = = = = = = = ； 供电格局，网络布局上提高了供电可靠性，而安全供电的关键则是继电保护能正确动 作。目前，各基层单位面临的突出问题是，各种微机保护产品种类众多，原理和实现 方式各异，而运行人员对保护原理和动作特性缺乏深入的了解，难以根据现场的实际 需要对继电保护的运行特点进行深入的理解。因此，对各种原理的继电保护特性进行 深入的分析和研究，结合工程设计需要，开发相应的分析计算软件，合理进行设备选 型，提高工程设计、运行水平，深化对保护实际运行特性的认识，改进和完善保护特 性，保证电力系统的安全运行和提高供电可靠性具有重要的理论和实际意义。 1 2 继电保护的研究与应用现状 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通 信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此，继电保护 技术得天独厚，在4 0 余年的时间里完成了发展的4 个历史阶段。 建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器伟造工业和继电保护技术队 伍从无到有，在大约1 0 年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。5 0 年代， 我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行 技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍， 对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时 国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。因而在6 0 年代中我国 已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护 繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。 自5 0 年代末，晶体管继电保护已在开始研究。6 0 年代中到8 0 年代中是晶体管继电 保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的5 0 0 k v 晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行 于葛洲坝5 0 0 k v 线路上，结束了5 0 0 k v 线路保护完全依靠从国外进口的时代。 在此期间，从7 0 年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护己开始研究。到 8 0 年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到9 0 年代初集成电 2 华中科技大学硕士学位论文 p r - , = 目_ = = = = # j ；= _ = = _ 口目= = = 目； = = = = = # 路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代a 在这方面南京 电力自动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用，天津大学 与南京电力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条 2 2 0 k v 和5 0 0 k v 线路上运行。 我国从7 0 年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先 导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上 海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的 微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定， 并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开 辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发 电机保护和发电机、变压器组保护也相继于1 9 8 9 、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。南京 电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电 力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继 电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 、1 9 9 6 年通过鉴定。至此， 不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一 代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微 机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代开始我国继电保护 技术已进入了微机保护的时代。 电力系统最早的保护装置是本世纪初的第一代机电型感应式过流继电器，随后各 种原理的保护相继出现并应用，如差动保护、电流方向保护、距离保护、高频保护， 这些保护都是通过测量故障后的稳态工频量来检测故障。随着现代科学技术和工业的 不断发展，基于上述原理的保护装置也经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路 式、微处理机式等不同发展阶段，这些较成熟的原理如今仍在继电保护领域中起主导 作用。长沙局主网、城网、农网的各变电站线路保护也经历了这些阶段，现已基本更 换为微机型保护。 应用于线路的保护方式主要有两种：阶段式线路保护( 如零序保护的距离保护) 及线路纵联保护( 如高频、光纤纵差保护) 。阶段式线路保护仅利用单端电气量来确怠 华中科技大学硕士学位论文 故障发生的范围，为保证保护动作的选择性及考虑各种误差因素的影响，这类保护原 理通常采用阶段式特性，因此不能满足无延时切除被保护线路全线任何点故障的要求， 可作为1 l o k v 线路主保护。对2 2 0 k v 及以上电压等级的高压线路，为满足系统稳定的 要求，一般配置不同原理的两套主保护和一套完整的后备保护。为实现全线故障的快 速切除，一般采用线路纵联保护作为主保护，当线路发生故障时借助于通道使两侧开 关同时快速跳闸来实现全线速动。由于导引线电流纵差保护需用与输电线路同样长的 辅助导线来传送电流信号，对于长线路，保护实现成本高，在技术上有一定难度，一 般较少采用，主要只应用于1 0 公里以下的输电线路。近年来，随着光纤通讯技术的发 展和应用，线路电流纵差保护己逐步由光纤差动保护所取代。目前，国内广泛采用的 利用载波通道实现纵联的保护，可分为方向比较式和相位比较式纵联保护，以方向比 较式应用比较普及。高压线路保护配置一套完整的后备保护必不可少，其中以阶段式 距离保护和零序保护配合方案应用的比较普遍，研究和改善反映接地故障继电器的动 作特性对提高后备保护的性能具有积极意义。 始于七十年代末的基于行波理论的输电线路的高速保护是利用故障暂态分量来实 现保护工作的开端。随着超高压电网的日益增长，传统的保护方式已不能满足系统稳 定性对线路故障的快速切除的要求。研究工作者在寻求提高保护响应速度的研究中发 现，故障暂态产生的行波和增量能够被用来快速检测故障。国外一些著名继电器生产 厂家先后推出产品，例如“a s e a 的r a l d a 4 1 ，g e c 的l f d c 5 1 ，a b b 的l r 9 1 6 1 ，这些保 护方案都具有响应速度快，方向性好，不受系统振荡及电流互感器饱和的影响等优点。 其主要缺点是缺乏故障选相分类功能，对系统参数敏感，不能检测电压过零点故障， 故障位置测定不准确等a 然而，这些继电器都没有能够达到理想的准确度和可靠性， 其主要原因是受传感器的频宽的限制。 从1 9 8 3 年起，行波保护研究出现了新动向。主要有：p a c r o s s l y 等人提出了 行波距离保护订；a t j o h n s 等人提出了利用噪声的保护网，利用8 0 k h z 左右行波 分量：国内学者提出基于工频变化量的方向保护和快速距离保护 9 】o 其中前2 种只 使用单端电气量，保护速度更快；国内学者结合我国电网保护的实际情况，吸收常规 继电器和行波继电器的一些主要特点，更倾向于工频保护，仅利用故障分量中的工频 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = 4 = ；= = = = ；= = = = ；= # ；= = ；= = j = # = = 一 成分构成方向继电器。 自适应保护的概念始于八十年代，经过多年的研究和开发【m 1 2 1 ，自适应保护原理 己在线路保护、变压器保护、发电机保护、母线保护以及自动重合闸等领域得到了广 泛的应用，并取得了良好的应用成果。文献【1 3 】对自适应距离保护的原理，即系统结构、 数学模型、构成原则及自适应方法作了系统和全面的探讨，试图为自适应式微机距离 保护建立必要的理论基础。文献f 1 4 】从理论和实践两个方面探讨了微机距离保护的自适 应对策，涉及的问愿有电力系统的频率变化、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力 系统纯振荡的影响和故障发展等问题。文献介绍了九十年代后期研制成功的自适应 式电流保护，它能自动适应系统运行方式的变化及故障状态，使保护在线自动整定计 算和性能最佳化。 进入九十年代以来，随着人工智能理论和技术取得的突破性进展，如何将人工智 能应用于电力系统保护受到了人们的高度关注，相继提出了采用人工神经网络与模糊 控制理论来实现故障类型的判别、故障距离的定位、故障方向识别、主设备保护等。 借助人工智能技术，故障产生的各种特征信息可以综合运用于进行故障判断，为进一 步提高保护的综合性能提供了新的途径。文献( 1 6 】提出了一种基于多层前馈神经网络 ( m f n n ) 实现的输电线路保护方向元件，文献【1 7 】重点对人工神经元网络在距离保护 中的应用进行了研究分析。 小波理论在继电保护的应用开始于近几年，文献【1 哪提出了基于小波分析法求解阻 抗的一种新算法，文献【1 明就小波变换理论在行波方向保护和行波距离保护中的应用问 题进行了有益的探讨。 从六十年代至今的时间里，采用新原理和新方法以提高接地距离保护承受过渡电阻 的能力是一个重要的研究方向。尤其在长沙地区，多为丘陵及山区地带，接地短路时过 渡电阻很大，因此距离保护装置的选择必须考虑具备足够的反应经过渡电阻短路的能 力a 传统的方向阻抗继电器，在正向两相和单相经过渡电阻外部接地短路时，都可能出 现超范围的动作现象，且允许过渡电阻也小，因而方向阻抗继电器作为接地故障的测量 元件也不够理想的。文献鲫分析了按比较三相补偿电压和零序电流相位原理构成的多向 补偿接地距离继电器的静态运行特性，指出该继电器具有容许较大过渡电阻的优点，在 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= 目= = = ；= = ；自= 目= = ；= = = = = ；_ = = = j j - - 5 0 0 型距离保护装置中采用了这一继电器作为接地故障的测量元件1 ，但区外不对 称故障伴随振荡时或当本侧电源超前对侧电源的相角增大时，该继电器可能拒动。文 献提出了综合比相式新型接地距离继电器，该继电器综合了电抗元件，姆欧元件， 选相元件和方向元件的性能，具有优良的选相功能，同时，在防止继电器区外稳态超 越和提高保护耐受过渡电阻能力方面其性能都有所提高。文献】中对几种类型的突变 量距离继电器的性能进行了分析和比较。其中，反应于补偿电压相位突变量的距离继 电器的动作特性与传统的多相补偿距离继电器相同，且能保护三相短路。反应于补偿 电压突变量的幅值的距离继电器在正方向的动作特性圆比反应于补偿电压相位突变的 距离继电器大，能允许更大的过渡电阻凹。文献曙5 1 介绍了故障分量电抗继电器，并探 讨了提高突变量距离继电器对过渡电阻反应能力的途径。文献1 2 6 】中提出用自适应对策 来克服输电线路单相接地短路时过渡电阻对接地距离继电器的影响，但由于短路时流 过故障点的故障电流无法测量，使自适应方法和实现遇到了困难。 文献阱】提出了基于微分方程算法接地电抗继电器方案，在该方案中，建议用正序 和负序电流的故障分量的和近似代替流过故障点的故障电流，通过解微分方程求解故 障距离，来判定故障是否在保护区内，实验结果表明，这种接地电抗继电器反应高阻 接地故障的能力明显提高，但继电器耐受过渡电阻的能力受正序和负序运行参数变化 的影响较大。实际电力系统中，系统的零序网络相对比较稳定，因此文献【2 8 l 推荐用流 过继电器的零序电流代替流过故障点的故障电流。由于解微分方程算法是以瞬时值计 算为基础的，数学模型简单，计算速度快，保护耐受过渡电阻能力强，因而成为微机 接地距离保护的优选算法【2 9 1 。但基于微分方程算法接地电抗继电器在电力系统某些运 行方式下存在区外稳态超越问题。针对这一问题，文献 3 0 提出了相位补偿原理视在距 离新算法，用该算法实现的接地距离继电器能根据系统运行工况的变化选择不同的零 序电流的相位补偿值，保证区外故障时，保护不超范围误动。但相位补偿原理视在距 离新算法接地距离继电器的性能受角度整定值的影响较大。 i 。极化接地距离继电器在反应高阻接地故障7 3 n n n 出良好性能，并已在线路保 护装置中得到了应用口”a 常规的i 。极化接地距离继电器在正方向单相经过渡电阻外部 接她短路时可能会超越误动，同时当继电器安装在受电端时，保护耐受过渡电阻能力 6 华中科技大学硕士学位论文 较差p 2 ，文献【3 3 】中作者采用计算机辅助分析方法时，对io 极化接地距离继电器的静态 运行特性进行了研究，着重讨论了继电器安装侧处于受电端时存在的“受端超越”问 题，从理论上阐明了产生这一现象的主要原因。文献口4 】中提出了种能克服io 极化接 地距离继电器区外稳态超越问题的新方案，即双下偏i 0 极化接地距离保护方案，单相 接地故障时，该方案能在保证整定点以外的故障保护不误动的前提下，对于区内故障 有尽可能高的耐受过渡电阻能力。 长沙电业局2 2 0 k v 输电线路目前主要选用的是国内南京南瑞公司和北京四方公 司的保护产品。南瑞公司l f p 一9 0 1 、l f p 一9 0 2 保护采用工频变化量来判别故障，并 作为高压输电线路高频方向保护的方向判别元件【3 6 】；四方公司的1 1 型高频距离的阻抗 元件的动作特性为多边形特性，用相电流差突变量作为启动元件及选相元件，利用负 序电流与零序的比相作为振荡闭锁中切除各种故障的选相元件 3 鄂。 建国以来，我国电力系统继电保护技术经历了4 个时代。随着电力系统的高速发 展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。国内外 继电保护技术发展的趋势为：计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体 化和人工智能化，这对继电保护工作者提出了艰巨的任务，也开辟了活动的广阔天地。 1 3 1 9 9 8 年全国继电保护与安全自动装置运行概况 我国2 2 0 k v 及以上系统各种类型保护装置共1 3 6 7 2 6 台。其中整流型保护装置 1 4 5 9 0 台，半导体保护装置4 2 0 9 6 台，集成电路型保护装置1 6 4 8 1 台，微机型保护装置 2 8 6 6 4 台，其他保护装置3 4 8 9 5 台。2 2 0 k v 及以上电力系统继电保护装置正确动作率为 9 7 7 5 a 其中1 1 0k v 及以下系统继电保护装置正确动作率为9 9 8 6 ；2 2 0 k v 系统继 电保护装置正确动作率为9 7 9 7 ；3 3 0 k v 系统继电保护装置正确动作率为9 6 5 0 ； 5 0 0k v 系统继电保护装置正确动作率为9 5 5 4 。 元件保护装置( 包括1 0 0m w 及以上发电机，含发电机变压器组、5 0 m v a r 及以上 调相机，2 2 0 k v 及以上电压的变压器、高压电抗器和母线的继电保护装置，不含厂用 华中科技大学硕士学位论文 = 一；# ；= = = # 自= = = ；# ；= 自= = = = 变压器) 正确动作率为8 3 1 5 。全国故障录波器应评价次数为4 8 5 4 次，录波完好次数 为4 7 1 7 次，录波完好率为9 7 1 7 。 可见，为确保电力系统安全稳定的运行，继电保护和安全自动装置的正确动作是 一个相当重要的方面。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但 对如何更好地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大 的经济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。微机保护经过多年的研究和开发， 无论是在保护原理、实现技术和具体应用等方面均取得了很大进展，新的保护产品不 断推出。如何深入了解和掌握不同保护装置的工作原理和运行特点，对保护的动作情 况进行检测判断，改进和完善保护特性，是电力生产部门亟待解决的现实问题，也是 本论文的研究重点。 1 4 论文的主要工作和章节安排 本文从高压电网安全稳定运行对继电保护的实际要求出发，结合长沙电业局线路保 护的应用现状，对高压输电线保护的动作特性进行了研究和分析，其中，根据长沙电业 局天顶2 2 0 k v 变电站微机保护的应用情况，重点对几种典型线路保护装置的基本原理 和动作特性进行了分析和讨论。由于保护的动作行为与系统运行方式、故障类型、故障 点位置、接地电阻大小以及系统的网络结构等诸多因素有关，且鉴于继电保护在实际运 行过程中，其动作行为除取决于所采用的保护原理外，还受到故障暂态噪声、电气量的 测量与传输特性、微机保护的硬件构成以及所选用的保护算法等诸多因素有关，因此， 论文工作的重点是如何利用微机故障录波装置所记录的故障数据对保护的动作情况进 行检测判断，研究满足分析需要的“基于故障录波数据的保护特性分析方法”。 本文对课题研究工作进行了系统介绍，具体章节安排如下： 第一章对继电保护的发展历程和研究与应用现状进行了回顾和总结，结合实际工 程应用的需要，阐述了论文工作的主要研究内容和研究方向。 第二章结合长沙电业局天顶2 2 0 k v 变电站微机保护的应用情况，对几种典型线路 保护的动作特性进行了分析了和讨论。 华中科技大学硕士学位论文 第三章简要介绍了保护特性分析数据采集系统的基本功能和特点，根据保护特性 分析的要求，重点对数据的标准化处理、数据传送的有损压缩算法与解压等问题进行 了探讨。 第四章介绍了一种基于故障录波数据的保护特性分析方法，介绍了分析系统的主 要功能、主要算法、软件基本结构及保护动作特性分析的实现方法、结果显示。 第五章对课题工作和取得的主要研究和分析结果进行了总结，阐述了有待解决的 问题和进一步的研究方向。 9 华中科技大学硕士学位论文 ：= ；t = = = = = # ；= = = 目= = = ；= 日目# = = ；= = 2 继电保护动作特性分析 根据国内各保护装置的应用情况，结合长沙电业局天顶2 2 0 k v 变电站微机保护的 应用情况，本章重点对北京四方公司c s l 一1 0 1 、1 0 2 保护装置。引、南瑞l f p - - 9 0 1 、 9 0 2 型保护装置、南自w x b 1 1 型微机线路保护。7 的基本原理和动作特性进行 分析、讨论。 2 1 四方公司保护装置动作特性分析 2 1 1c s l 一1 0 1 、1 0 2 保护装置基本原理 ( 1 ) 启动元件 数字式保护的保护功能在正常运行情况下是不投入的，只有在保护装置启动元件 动作之作后，才投入有关的保护功能。c s l l 0 1 ( 1 0 2 ) 系列保护装置中，三种保护均 配置了相同的启动元件，利用三种保护的启动元件接成“三取二”回路，开放保护出 口的负电源。对防止由于硬件的损坏可能导致的保护误动可起到很好的防止作用。在 c s l1 0 1 ( 1 0 2 ) 系列保护装置中，采用了以下的启动元件。 采用相电流差突变量元件作为保护的主启动元件，在采样中断程序中进行判断， 以保证启动元件的快速性。在突交量启动元件动作后，立即终止正常程序的运行，而 转入故障处理程序。 突变量启动元件的动作判据是： i m 2 l ( i 。m ( k ) 一i m m ( k n ) ) 一( i m m ( k - n ) - - i 。( k 一2 n ) p i o d ( n = 1 2 ) ； 为保证灵敏度，设置某些辅助启动元件，动作带1 5 0 m s 左右的延时。辅助启动元件 包括零序辅助启动元件( 1 0 ) 、过电流元件( 仅装于a 相) 、阻抗元件( 仅装设于b c 相间) 。 ( 2 ) 选相元件 选相元件的正确性保证测量元件的准确性和快速性。数字式保护具有选相功能， 重合闸不再装设选相元件，彻底消除了常规保护对重合闸选相的依赖。选相元件的种 类很多，在c s l l 0 1 ( 1 0 2 ) 系列保护中，三种保护( 高频、距离、霉序) 均设有两种 1 0 e - 中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = ；= # # = = = = = = ；= 目_ = = = = = ；= ；目= # 选相元件：利用相电流差突变量元件作为保护启动后第一次选相的选相元件；利用故 障时负序电流与零序电流的比相作为振荡闭锁中切除各种故障的选相元件。 1 ) 相电流差突变量选相元件：首先计算l 蛆、m c 、a i c a 的有效值，按照 三个突变量电流的有效值大小排序，分为“大”、“中”、“小”，然后根据一定的方法， 选出故障相别。 2 ) 负序电流零序电流的选相元件( w r o ) ：在振荡闭锁中，突变量选相的结果不 可靠，保护的出口跳闸均需经过该稳态量选相元件的把关而选相跳闸。比较1 2 。与i o 的相应关系，位于不同的区间时，表示不同的故障类型。根据理论的分析，1 2 d i o 可以 划分出故障的相区。 故障划分的区间如下： a ) 一3 0 。+ 3 0 。a ，b c b ) + 3 0 0 + 9 0 。a b c ) + 9 0 。+ 1 5 0 。c a b d ) - - 2 1 0 0 1 5 0 。c a e ) 一1 5 0 0 9 0 0b ，c a f ) - - 9 0 。- - 3 0 。b c 可见： 对于区间a ) 、c ) 、e ) ，可以直接判为相间故障。 对于区间b ) 、d ) 、f ) ，有单相故障和相间故障两种可能，由于这两种故障的相别 总是不相关的，简单的判别方法是采用相间阻抗排除法，计算相关的相阅阻抗，若相 间阻抗在区内，则判为相间故障，否则，判为单相故障， 当然，如果是相间不接地故障，由于无i o , 可通过直接计算三个相电流差i a b 、i b c 、 i c b ，选择最大的电流的相别，作为故障相别。 ( 3 ) 方向元件 在该装置的三种保护中，设置了众多的方向元件，具体如下所述： 零序、负序、突变量方向元件，均为故障分量的方向元件，其动作特性是完全相 同的。 华中科技大学硕士学位论文 ：t = ；= = = = = = = = = = = = = 自= = = ；= 目= 目日= = = = 方向阻抗元件，阻抗动作特性为四边形特性，阻抗的计算采用解微分方程结合傅 氏滤波的算法，计算的阻抗值同阻抗特性区比较，以确定区内外。不对称故障的方向 性，由负序方向元件来把关；对称短路的方向性，由记忆电压结合突变量方向来把关。 ( 4 ) 高频保护 1 0 1 方式：为高频相间和接地距离，加装高频零序方向保护，作为离阻接地的补 充保护，在单相接地故障而接地阻抗方向元件不动作时投入。高频距离的阻抗元件的 动作特性仍同1 1 型保护装置一样，为多边形特性。 1 0 2 方式：为突变量高频方向保护。相别选用三种相间突变量电流i a b ，a i b c 和i c a 中的最大者的相别，保证任一种故障类型突变量方向元件都有最高的灵敏度。 无论1 0 1 还是1 0 2 方式，第一次故障跳闸由突变量选相元件选相，转换性故障靠 反映二个健全相相电流差突变量的元件起动，辅以阻抗确认加通道条件。 2 1 2 距离保护特性 保护装置设有三段式相间和三段式接地距离保护。 距离保护各阻抗元件动作特性均为多边形特性，如图2 ，l ，仅r d z 及x d z 两个值 可以整定，为保证出口短路的明确方向性，采用电压记忆，即用故障前的电压顺移两 个周波后，同故障后电流比耜。在重合或手合到故障线时，阻抗动作特性在原多边形 特性的基础上加上一个包括原点的小矩形特性，以保证p t 在线路侧也能可靠切除出 口故障，矩形的x 、r 取值如下： 当x d z l n 时，x 取0 5 q r 取8 倍上述x 取值与r d z 4 两者中小者。 图2 1 阻抗元件动作特性 1 2 华中科技大学硕士学位论文 一= # = = = = = = = = ；= 目= = ；目目；= = = = j = # 装置配有四段零序方向保护，采用相电流差突变量启动元件和辅助启动元件，启 动后第一次选相采用相电流差突变量元件。 2 1 3c l s l 0 1 ( 1 0 2 ) 保护装置特点 ( 1 ) 弱馈保护 在该装置的高频保护( c p u l ) 中，专设有弱馈保护，作为线路的弱馈端或无电源 端的保护，并且有自适应于系统运行方式改变的能力，也即可长期投入可能出现弱馈 的一端的此功能。方法简称为“d 1 2 + z + 通道确认”，对于1 0 1 ( 1 0 2 ) 系列保护，收发 信机的位景停信需采用三跳位置停信( 即三个分相t w j 接点串联) ，而取消单跳位置 停信( 郎三个分相t w j 接点并联) 。 ( 2 ) 振荡闭锁状态( 5 0 m s 以后) 突变量起动元件起动后，方向元件判断为反方向故障或虽判断为正方向但经过 5 0 m s 不出口，程序即转入振荡闭锁状态。此外，还设有零序辅助起动元件及静稳破坏 检测元件带延时进入振荡闭锁状态。振荡闭锁状态配置了高频零序方向和高频负序方 向，保护所有不对称故障，另设一个专用于保护三相短路的，能区别振荡和短路的方 向阻抗元件( 仅装设在b c 相间) 。 2 2 南瑞保护装置动作特性分析 八十年代，提出了工频变化量方向继电器用作超高压输电线路高频方向保护的方 向判别元件，后借鉴和吸收了国内外各种继电器的成功经验，结合数字技术的特点完 成了一套具有完整的后备保护功能、具有高可靠、高安全性能的快速保护装置。l f p 一9 0 1 装置由工频变化量方向继电器和零序方向继电器经通道配合构成快速跳闸主保护，也 可选用二段阻抗元件作为方向比较元件。由i 段工频变化量距离继电器构成快速独立 跳闸段，由二个延时零序方向过流段构成接地后各保护，后各保护为三段式相间和接 地距离保护al f p - - 9 0 2 以复合式距离方向元件和零序方向元件的快速主保护，由工频 变化量距离元件构成的快速i 段保护，由三段式相间和接地距离及二个延时段零序方 向过流为后备该装置采用继电器并行工作，早期由于计算机速度的原园，采用先选 华中科技大学硕士学位论文 相，然后进入相应的故障相计算，现在选用了增强型1 6 位单片机8 0 1 9 6 ，计算速度大 幅提高，可使得先对各相、各相闻的阻抗元件全部进行测量计算，判为区内故障时再 进入选相程序，这样对任何复杂的故障，都保证其固有的安全性，可靠性。 2 2 1 工频变化量距离继电器动作特性 电力系统暂态稳定最严重的是母线附近故障，经通道控制的主保护受通道传输时 间的限制，无法实现超高速跳闸。工频变化量距离继电器原理上保证了在高安全性前 提下的超高速跳闸特性。 电力系统发生短路故障时，其短路电流、电压可分解为两部分进行计算，一部分 为故障前负荷状态的电流电压，另一部分为故障产生的故障分量( a e f ) ，反应工频 变化量的继电器不受负荷状态的影响，仅考虑故障点的附加电势a e f 。 该继电器的动作判据为i a o o p i u ：，式中0 0 p 为工作电压，u z 为整