继电保护的发展和展望

2010年9月

继电保护的发展和展望一.继电保护回顾概述：继电保护与安全自动装置是保证电网安全稳定运行、保护电气设备的主要装置，是组成电力系统整体的不可缺少的重要部分。继电保护能否发挥应有的作用，与保护装置本身的技术性能和制造工艺密切相关，50年代至80年代，中国工业落后，电网使用的继电保护装置是由单个的电磁型、整流型或晶体管型的继电器组成，继电器原理落后，制造工艺差，误动、拒动的情况较多，影响了电网的安全运行。按继电保护不同的发展阶段简述如下：1.整流型、晶体管型的继电保护装置这一类保护装置的动作原理是利用被保护设备的二次电流电压，通过DKB(电抗变压器）、YB(电压变压器）按照动作方程形成动作力臂和制动力臂，当动作力臂的力矩大于制动力臂的力矩时继电器动作，类似于微机保护装置比幅式动作方程。1984年，由水利电力部、机械工业部牵头、设计院、研究院、制造厂组成的“高压线路继电保护装置统一设计工作组”对整流型、晶体管型的线路继电保护装置在“技术标准、原理接线、符号和端子排的布置”方面进行了统一，简称“四统一”设计，“四统一”设计提高了整流型（晶体管）继电保护装置的安全性和可靠性，对继电保护专业的发展起了重要作用。

当时典型的220kV线路保护配置是：以相差高频保护、高频闭锁距离零序保护双套纵联保护作为主保护，以I、II段切换的三段式的相间距离保护作为相间故障的后备保护，四段式零序电流保护为接地故障的后备保护，以上保护装置均无选相功能，由综合重合闸装置承担各类保护的选相跳闸和重合闸功能。

存在的主要问题是：主保护判据简单，在复杂故障中容易误动和拒动；I、II段切换的的相间距离保护，在I段退出运行后，与相邻II段距离保护可能失去配合；四段式零序电流保护整定计算困难，对复杂故障的适应性差；选相元件为单一的阻抗选相，选相能力差，单相故障容易跳三相；运行维护困难。2.集成电路的继电保护装置：在“四统一”整流型保护占据主导地位时，单CPU的微机保护装置开始出现了，而部分厂家推出了集成电路保护，曾经出现过这样的争论：从整流型保护一步跨到微机保护好？还是整流型保护必须先经过集成电路保护的过程才能过渡到微机保护？在争论声尚未消失的时候，中国微机保护的迅猛发展让争论有了明确的答案。3.微机继电保护装置：

1987年，由华北电力学院杨奇迅教授主研的WXB－01型微机保护在220千伏线路投运，这是我国研制的第一代微机保护，标志着电网的继电保护装置从模拟式保护开始转向数字式保护。1991年以后，相继推出了11型微机保护、CSL-100系列等微机保护，在全国电网得到广泛采用。同时，南京电力自动化研究院继电保护所在总结CKJ、CKF系列集成电路保护的运行经验的基础上，研制开发的LFP－900系列微机保护也于1991年通过鉴定，很快在全国电网220千伏电网得到推广，2001年，南京电力自动化研究院继电保护所推出了LFP系列微机保护的升级换代RCS系列产品，CSL-100系列推出升级换代CSC-100系列产品，同时，600系列、800系列、700系列的微机线路保护装置也相继问世，各类微机主变、母线等元件保护也得到了越来越广泛的应用。以线路保护为例，这一代微机保护的主要特点是:主后一体，在同一套线路微机保护装置中配置有纵联距离（方向）保护，三段式的相间、接地距离保护，零序电流保护，具有选相和重合闸功能，比起整流型保护装置，微机保护具有强大的计算能力，更能实现全方位，多判据的协调，安全性和可靠性都有较大的提高。存在的问题：开发微机保护的厂家多，缺乏必要的规范，保护装置的技术性能难以保证，给微机保护的运行维护和管理带来困难，制约了微机保护的进一步发展。纵联距离（方向）保护对轻微故障的识别能力、复杂故障的选相能力、互感、弱馈等特殊运行方式的适应能力等，需要进一步完善和提高，以满足不断发展的电网的需求。

二.继电保护现状2007年，由国家电网公司调度中心组织，设计院、运行单位、制造厂参加的微机线路、母线、变压器保护等装置的标准化规范制定工作起动，该规范总结了20年来微机保护的运行管理经验，从微机保护的功能配置、回路设计、端子排布置、接口规范、报告输出、定值格式的

6个方面进行了统一和规范，2008年初，《线路保护及辅助装置标准化设计规范》、《变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范》正式发布实施，2009年3月各制造厂完成保护装置的标准化改造并通过国调中心组织的检测和试验。

“六统一”保护装置的主要特点是：

1）技术标准更高，对电网的适应性更强。

2）近年来，由于电网发展带来的一些热点问题，如弱电强磁、零序方向无电压死区、弱馈线路等问题在线路保护装置的规范中均有具体要求，基本实现了国家标准《继电保护及安全制动装置技术规程》的目标：对220kV线路，“每一套全线速动保护的功能完整，对全线路内发生的各种类型故障，均能快速动作切除故障。对于要求实现单相重合闸的线路，每套全线速动保护应具有选相功能。当线路在正常运行中发生不大于100Ω电阻的单相接地故障时，全线速动保护应有尽可能强的选相能力，并能正确动作跳闸。”

3）规范了变压器、母线、电抗器保护装置的主保护、后备保护的配置、具体实施方法和技术要求。4）失灵保护的起动逻辑采用了防误设计，同时简化了整定计算。5）直跳开入增设了软件防误功能，提高了保护装置的安全性。6）定值清单优化，原有部分定值由保护装置内部自适应，降低了误整定的可能性。7）完全独立的双重化设计，优化了二次回路，提高了保护装置的可靠性。8）动作报告规范化，提高了调度的事故处理能力。9）保护装置的“六统一”规范为二次回路的典型设计、设备的标准化管理和继电保护的运行管理，建设智能化电网的战略目标打下良好的基础。“六统一”保护装置的诞生在我国微机保护装置发展史上有着重要意义，标志着我国微机保护迈向新的起点。三.继电保护展望

1、数字化变电站：

21世纪是信息化的时代，以互联网为代表的信息产业的飞速发展，改变了人们的生产和生活，数字化电网就是电力产业信息化的具体体现，它必将为电力产业的发展带来重大的变革。《国家电网公司十一五科技发展规划》中，明确提出了对数字化电网研究的展望，而数字化电网的基础是数字化变电站。到目前为止，我国的数字化变电站已经由个别试点向逐步推广的方向发展，110kV数字化变电站投入系统运行的相对较多，大约有数十个以上的包括有电子式互感器应用的110kV数字化变电站在系统中运行，有10个以上220kV的数字化变电站投入系统运行或即将投入系统运行，500kV的数字化变电站处于起步阶段，浙江500kV兰溪变电站目前还没有使用电子式互感器，其数字化的重点是智能断路器，GOOSE系统，以及状态监视等，但已经有了江西500kV文山变电站电子式互感器挂网的运行经验。由于各个厂家对于间隔层理解的不同，电子式互感器与间隔层传输协议可以分为IEC6004-8FT3，IEC61850-9-1点对点传输和IEC61850-9-1协议组网和IEC61850-9-2协议组网等四种模式。且均有实现的案例。其中，9-2方式用于网络方式传输，应用灵活，符合发展方向，河南电网110kV金谷园变电站采用了9-2方式，并实现了简单的网络化母线保护；

数字化变电站的核心就是继电保护和其他测控装置所需信息的获取方式实现了数字化，并完成智能电气设备间的信息共享和互操作功能。数字化变电站三个主要的特征就是“智能化的一次设备，网络化的二次设备，IEC61850标准的构建”。即数字化变电站内的信息全部做到数字化，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种智能电子设备(IED)能够共享统一的信息交互平台。根据IEC61850的划分，按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和保护三大功能提出了变电站内功能分层的概念:无论从逻辑概念上还是从物理概念上都将数字化变电站的功能分为三层，即变电站层、间隔层和过程层。一般的划分为：值班人员可操作的“站控设备”称为“变电站层”；完成保护及测控功能的继电保护和其他测控装置”称为“间隔层”；对电力设备具有断合功能的智能断路器及相关设备、获取交流电压电流的电子式互感器ECT、EPT称为“过程层”。GOOSE系统，（GenericObjectOrientedSubstationEvent、通用面向对象的变电站事件），是IEC61850的特色之一,提供了网络通讯条件下，当发生任何状态变化时，“二进制对象”快速信息传输和交换的手段。传统的监控系统和数字式变电站的区别●传统变电站自动化系统特征：◆站控层与间隔层以太网通信，IEC60870-5-104（103）通信协议间隔层与一次设备采用电缆连接硬连线数据采集电磁式CT、电容（电磁）式PT非智能开关●数字化变电站自动化系统特征：分层分布式结构（三层式）IEC61850通信协议，标准化建模智能化一次设备－电子式CP/PT、智能开关网络化的二次设备：保护、测控单元（IED），使用合并单元（MU），合并单元的应用使综合自动化系统出现了一种全新的数字通信装置；具有更强的对运行设备的监控信息收集和使用的功能理想的数字化变电站过程层采用无源EPT、ECT，频率响应宽，动态范围大，精度高，体积小，抗干扰能力强，维护简单；采用高智能化的断路器，具有受控分合闸等功能，对断路器的各关键部位、开关动作次数、切断电流累积，触头接触部位的温度等，具有的数字化监测功能。间隔层采用网络化的二次设备：变电站所需的各项保护功能（例如线路保护，母线保护、变压器保护等）可以共用可靠性高、计算能力强的计算机，通过多重化配置来进一步满足可靠性的要求，这些计算机均通过合并单元（MU）、GOOSE系统和网络交换机，在网络上获取所需的交流电流电压量和各类开关量，并向智能断路器及其辅助机构送出跳合闸命令和操作要求。除特殊要求外，所有的开关量信息均采用静态传输方式。站控层具有强大的监视