继电保护的新进展董新洲

电力系统安全保护技术的发展董新洲清华大学电机系电力系统研究所2009国网特高压研讨班董新洲136013958686278289462796182xzdong@清华大学电机系北京海淀100084讲座内容概述输电线路行波测距理论和技术基于行波的小电流接地系统单相接地选线理论和技术高压输电线路行波保护理论和技术输配电线路无通道保护理论和技术电力系统安全保护系统结论概述故障信息是继电保护的基础1.故障信息的分类概述2.现代电力系统对继电保护的新要求

满足可靠性、选择性、快速性、灵敏性前提下，还要

1）适应特高压输变电技术的发展

2）适应大（巨）机组保护需要

3）适应带串补和可控串补电容线路保护的需要

4）适应SVC、STATCOM和超导限流器技术发展的需要

5）在复杂故障或连锁故障出现时要求保护快速正确动作概述3.传统保护的局限性

1）高阻故障时保护灵敏度不足；

2）互感器特性导致的保护动作速度低下；

3）复杂故障情况下保护动作可靠性低；

4）使用在中低压配网中的电流速断保护没有选择性；

5）以保护具体设备为目的。

概述4.可能的解决措施

——采用新技术并挖掘新的故障信息

1）暂态行波故障信息在保护中的应用

2）快速单端电气量保护

3）基于网络技术的保护，像广域保护、网络保护等概述5.五个专题

1）输电线路行波测距理论和技术

2）基于行波的小电流接地系统单相接地选线理论和技术

3）高压输电线路行波保护理论和技术

4）输配电线路无通道保护理论和技术

5）系统平衡保护一、高压输电线路行波测距理论和技术输电线路行波测距理论和技术1.行波测距的定义

利用行波在故障点和测量点之间传播的时间差来测量故障距离2.行波测距简史

1948年提出；

50年代末期出现了三种行波测距仪A、B、C三种型号

95年西安交大和淄博科汇公司开发出利用电流行波的输电线路故障测距装置XC-11，同年底投入试运行；英国CSD公司F.Gale博士开始了类似的工作，也研制出产品。

00年电科院也研制出行波测距装置。输电线路行波测距理论和技术3.利用电流行波的输电线路故障测距技术特点

1）仅使用电流行波

2）采用高速数据采集技术

3）采用单片机技术

4）采用GPS技术

5）采用小波变换技术输电线路行波测距理论和技术4.利用电流行波的输电线路故障测距原理

1）单端行波测距原理

2）两端电气量行波测距原理

3）利用重合闸信号的行波测距原理输电线路行波测距理论和技术Ts1Ts2tSR单端电气量（A）测距法故障点距S变电站距离：V--波速度TsTR

SR双端测距法故障点距S变电站距离：故障点距R变电站距离：L--线路全长输电线路行波测距理论和技术输电线路行波测距理论和技术Ts1Ts2tSR利用重合闸的测距原理说明图故障点距S变电站距离：V--波速度输电线路行波测距理论和技术5.利用电流行波的输电线路故障测距装置

1）采样频率800kHz2)误差小于1公里

3)最多监视8条线路输电线路行波测距理论和技术6.利用电流行波的输电线路故障测距装置现场运行结果双端法可靠；已广泛应用于各种电压等级的交直流输电线路。湖北双河变电站500Kv双玉线故障波形及测距结果甘肃天水·陇西变电站330kv陇秦线于98-03-18/09:59:42C相接地故障采集的故障电流行波数据故障点反射四川乐山·九里变电站220kv龚九Ⅰ线于98-04-28/20:35:48，C相接地故障采集的故障电流行波数据故障点反射97年6月30日上午，董辽线C相129Km处故障线路对端反射其他线路末端反射故障点反射

柳州洛埠变电站110Kv屯秋线故障波形及测距结果输电线路行波测距理论和技术6.小结

1）行波故障信息是可用的；

2）利用行波测距是可行的；

3）单端行波法尚不完善；

4）该技术获得2007年国家发明奖二等奖，9月5日公示二、基于行波和小波的小电流接地系统单相接地选线理论和技术行波选线1.小电流接地系统单相接地选线中性点不接地或经消弧线圈接地的系统发生单相接地后，由于未形成短路通路，接地电流非常微弱，无法确定是那一条线路发生接地，给接地查找和修复带来困难。2.问题的症结由于中性点不接地或经消弧线圈接地，接地线路和非接地线路仅仅流过微弱的电容电流。迄今所提出的方法－基于基波零序电流大小、方向等方法效果都不好。行波选线3.解决问题的思路

采用高频分量电流4.配电线路电流行波的产生和传播1）叠加原理

接地后网络可以等效为正常运行网络和故障附加网络的叠加。行波在故障附加网络中传播。行波选线2）行波的传播行波选线5.配电线路行波的特点接地线路的初始行波非接地线路的初始行波

1）接地线路初始行波远远大于非接地线路的初始行波，极性相反；

2）非接地线路的初始行波数值相等，极性相同

3）与中性点接地方式几乎无关，只影响等效阻抗行波选线6.仿真证明

C相接地故障发生在一个四回线路的第四条线

接地线非接地线零模行波和它的小波变换行波选线7.电流行波选线装置SL-01行波选线8.现场结果9.小结电流行波包含接地线信息行波法克服传统方法不足与中性点接地方式无关可靠、准确获国家发明专利授权，已通过国家检测和鉴定行波选线三、高压输电线路行波保护理论和技术1.行波保护概述

根据输电线路发生故障后所产生的暂态行波构成的继电保护称为行波保护

1)行波保护的特点快速动作性能不受过渡电阻影响不受CT饱和影响不受系统振荡影响不受长线分布电容影响

行波保护2)行波保护简史二次大战后，受雷达发明的启发，人们开始了行波测距的研究；行波保护的概念研究始于20世纪60年代；1976年第一套行波保护装置由瑞典BBC公司研制成功并投入美国Bonneville电力局500KV输电线路试运行国内西安交通大学葛耀中教授于1978年开始了行波保护的研究工作80年代初期从瑞典引进了RALDA型行波保护装置70年代末80年代初期是行波保护研究的一个高潮。

2)行波保护简史1983年，P.A.Crossly[11]

等人提出了行波距离保护1984年山东工业大学马长贵教授等人开始了特征鉴别式行波距离保护的研究工作1987年，南自院沈国荣提出了基于工频变化量的方向保护和快速距离保护1994年，A.T.Johns[12]等人提出了利用噪声的保护，它利用80KHZ左右行波分量

3)

行波保护存在的问题行波保护的主要问题是可靠性差-原因有四行波信号的不确定性缺乏合适的行波分析手段行波保护原理的缺陷技术条件的限制。行波信号的不确定性

故障发生时刻（故障电压初相角）的不确定性母线结构的不确定性行波分析缺乏合适的数学手段纯粹的时间分析方法和频率分析方法不能完整刻划行波的故障特征。行波保护原理的缺陷

行波差动保护行波判别式方向保护 行波极性比较式方向保护行波幅值比较式方向保护行波电流极性比较式方向保护行波距离保护利用噪声的保护

技术条件的限制CVT不能传变这样的高频暂态高速模/数转换技术和芯片快速处理（运算速度要求在纳秒级）4)解决行波保护存在问题的措施行波信号的不确定性正变成确定性小波变换应用于行波分析光互感器应用于行波保护应用高速数据采集技术采用数字信号处理技术-DSP应用行波保护新原理的研究

2.波阻抗方向继电器定义：

基于行波的方向继电器—波阻抗方向继电器，它根据初始电压和电流行波的比值来判别故障方向。波阻抗方向继电器动作判据正向故障时（F1、F2）

初始电压和电流行波中既有前行波又有反行波继电点R正向故障时（F1、F2），初始电压和电流行波中既有前行波又有反行波，分别对应于uf1、if1，uf2、if2；波阻抗方向继电器动作判据反向故障时（F3）

初始电压和电流行波中只有前行波而无反行波继电点R反向故障时（F3）对应于uf3、if3。波阻抗方向继电器动作判据若定义Z∑为复合波阻抗、S为函数表达式：波阻抗方向继电器动作判据波阻抗继电器的正向动作判据正向动作判据可以写成：式中

Zc—线路波阻抗，单位：欧姆；

Z∑—复合波阻抗，单位：欧姆；

S∑—复合波导纳，单位：西门子；0≤S≤1反向动作判据可以写成

S=－1

或者│S+1│<ε上述条件满足时判为反向故障（与逻辑），ε为定值。波阻抗继电器的反向动作判据三相线路中的波阻抗继电器问题：存在相间耦合各相电压和电流并不独立，上述继电器动作判据不能分别应用于各相。为了去耦，可以采用相模转换技术，把相量电压和电流转换为模量，而各模之间是相互独立的，进而把继电器判据应用于三相系统。

把单相线路中的复合波阻抗推广于三相系统，可以写成式中Z∑m

—各模复合波阻抗；

ρm—各模反射系数；

Zmc

—各模波阻抗。

三相线路中的波阻抗继电器三相线路中的波阻抗继电器正向判据为反向判据为上式的符号意义同前。三相系统波阻抗继电器动作逻辑正向故障仿真计算例ModalsS│S+1│ForwardReverse220.501.50OperatingNotoperating230.511.51240.511.51220.501.50230.501.50240.501.50反向故障仿真计算例ModalsS│S+1│ForwardReverse22-0.990.01NotoperatingOperating23-0.990.0124-0.980.0222-1.000.0023-0.990.0124-0.990.01波阻抗继电器的特点快速动作性能，只反映初始行波；构成简单，直接使用测量到的电压行波和电流行波判别故障方向，不需要构造方向行波，这是该继电器的一个突出优点。与行波电压和电流的具体数值无关，这是该继电器的另一个突出特点。

行波保护输电线路行波保护装置PSL-611行波保护小结波阻抗继电器是一种新型行波方向继电器，原理简单、方向性强、动作迅速、构成简单；反映电压和电流的比值而动作，与具体电压和电流行波的大小无关，差别愈大，正向动作愈明快；只反映初始电压和电流行波，不受二次通道传播时延的影响。四、输配电线路无通道保护与新型配电自动化系统无通道保护传统继电保护分类

基于单端故障信息的继电保护电流保护、距离保护优点：构成简单缺点：不能瞬时切除输电线路全长故障

基于两端或多端故障信息的继电保护方向保护、差动保护优点：能够构成“全线速动”缺点：增加通道，构成复杂，投资很大定义利用对侧开关动作信息判断故障发生在保护区内或区外，从而决定是否加速本端保护动作的继电保护方式。依靠单端量取得纵联保护的效果。无通道保护仅使用单端电气量构成的继电保护能够保护被保护线路全长以带有定时限的方向过电流保护或者低电压低电流保护为基础构成根据对端断路器动作之后造成的非故障相电流变化为动作依据类似于79年南自所、80年代初华中陈德树刘沛教授等提出的相继速动，这样的加速保护理念已经被现场普遍接受。无通道保护无通道保护分类配电线路无通道保护AOPAOP1:

双电源无分支线AOP2:

双电源带分支线AOP3:

辐射状线路DAP:单电源单断路器结构的配电线路输电线路无通道保护BOPBOP1:

基于距离保护的输电线路无通道保护BOP2:

双回线无通道保护无分支负荷relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3有分支负荷relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3LOADB1LLOADB2LLOADB3LLOADB4LLOADB1LLOADB2LLOADB3LLOADB4LrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3LOAD辐射状配电线路LOADB1LLOADB2LLOADB3LLOADB4LrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3LOAD单断路器辐射状配电线路单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。无通道保护原理说明－AOP1为例iaibic单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。无通道保护原理说明－AOP1为例iaibic单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。无通道保护原理说明－AOP1为例iaibic单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。无通道保护原理说明－AOP1为例ia=0ib

=0ic单相故障发生，故障相电流增大，非故障相电流不变一端保护首先动作切除本端三相电路，但当对端断路器动作后，健全相被切断，负荷电流变为零，加速本端保护动作。无通道保护原理说明－AOP1为例iaibicrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3无通道保护的动作方案－AOP1relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3无通道保护的动作方案－AOP1relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3无通道保护的动作方案－AOP1relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3无通道保护的动作方案－AOP1relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3无通道保护的动作方案－AOP1relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1FB1RB2FB2RB3FB3RB4FB4RR1FR1RR2FR2RR3FR3RR4FR4R1.3继电器的动作时间1.3relay0.9无通道保护的动作方案－AOP1relayrelayrelayrelayrelayrelayrelayrelayLOADLOADLOADLINE1LINE2LINE3LINE4B1F