摘要　论述了自适应继电保护的概念和实现基础,对输电线路继电保护的自适应功能分为保护继电器的自适应性和电网保护的自适应性两个方面进行了讨论。由于计算机、通讯、自动控制及人工智能等技术的迅速发展,使得自适应继电保护具有实现的可能和价值,也使开展电网保护的研究、促成保护、控制、监视、通讯的有机结合、极大地提高电力系统的安全稳定运行水平成为可能。
关键词　自适应　输电线路　继电保护
自上世纪60年代中后期计算机技术引入继电保护领域以来,自适应继电保护的想法就被提出。事实上,原来的机电型继电器或固态的模拟型继电器,在某种意义上就具有一定程度的自适应性能,但它们的自适应能力受到了器件有限的逻辑计算和记忆能力的限制。由于计算机的无限计算能力和永久记忆能力,计算机在电力系统继电保护与控制中的应用及其相关技术的不断发展使得扩展自适应技术、极大地提高继电保护性能成为可能。
1.自适应继电保护的概念
由于自适应继电保护没有标准的定义可用,为了论述方便起见,对各概念定义如下:自适应继电保护:指保护系统为响应电网状况的变化以保持最优功效而自动调整其运行参数的能力。
所谓最优功效指在新的电网状况下,保护系统中各继电器为保证所在电力系统的设备运行与电网稳定均为最佳时所应有的最优状态或特性,同时应计及该调整过程的实时性。自适应保护继电器:指继电器通过输入的信号或控制作用而实时地在线改变其整定值、动作特性或逻辑功能的能力。自适应电网保护:指保护系统中的各继电器在电网状况变化时为保证电网及其设备运行最优而相互协调、配合的能力。
为了便于自适应继电保护的深入研究与发展,在定义中将自适应继电保护在逻辑功能上分为两类,一类指主要通过就地信号及其它辅助信号的作用实时地使保护继电器的特性为局部最优的能力;另一类则是指为保证整个保护系统的全局最优而使各继电器处于的合理状态的能力。两者研究的思维方法与侧重对象有区别,研究的理论基础与实现的技术手段也不一致。前者侧重于单个继电器的行为,思维的基础是认为在输入继电器的信号中含有丰富的有关故障的信息与电网运行状态信息,理论基础是信息工程,技术手段为信号处理;后者侧重于系统的整体行为,思维基础是认为保护系统中各继电器是既相互制约又相互联系的有机结合体,理论基础是系统论、控制论和信息论,技术手段是在信息技术的基础上运用系统工程、通讯工程和控制工程中的方法。
2自适应继电保护技术基础
自适应继电保护并不是一个新概念,传统的某些保护也具有某种程度的自适应性,但自适应继电保护的真正发展是在20世纪70年代末开始,这主要是由于只有在此时才具有发展自适应继电保护的基础,概括起来,这些基础包括以下几个方面:
①计算机技术是自适应继电保护发展的基础。只有用计算机来构成保护装置,自适应保护才可能具有真正意义的自适应性能;只有在计算机技术得到巨大发展,使得计算机继电保护在电网中的普遍应用及计算机在电力系统其它领域的广泛使用,才可能研究真正具有实际应用价值的自适应电网保护。
②调度自动化、电厂自动化和自动装置等电力系统自动化技术既是自适应继电保护发展的基础,又为自适应继电保护发展提供了可能的途径。
③对于自适应继电保护的发展,或者说飞跃,特别是电网保护的研究,应该是建立在拥有安全可靠的、快速的、大容量的通讯通道的基础上。
④自适应继电保护的发展,还有赖于先进的信息理论、控制理论和系统理论在保护中的应用。
⑤辩证唯物主义理论中关于事物发展的论述是,在事物的发展过程中,内部矛盾起着决定性的作用,是发展的动力。自适应继电保护的发展,其源动力,亦即起决定作用的因素,应该是电力系统自身的发展。
3保护继电器的自适应性
在自适应继电保护的研究中,保护继电器的自适应性是继电保护工作者投入精力最多、获得成果最丰富的领域。对于输电线路保护继电器自适应性的研究,简单地说,就是自适应地改变保护继电器的动作特性(也可能是改变其整定值、或动作时间、或动作逻辑),以适应相应的系统运行条件(如负荷变化、系统振荡、非全相运行、网络结构变化、各种干扰与冲击等)与相应的故障性质、类型和位置等。常表现在以下各个方面:自适应地计算系统阻抗的模型,以改善系统结构变化时继电保护的可靠性和灵敏度;自适应地检测对端断路器的开断,以便瞬时纵续跳闸,加快后备保护和可能取消第二套纵联保护的要求;考虑故障时接地电阻的影响,自适应计算接地距离保护的视在阻抗,改善距离保护对高阻接地故障的灵敏度;考虑助增系数的变化,自适应调整保护的范围,以适应多端线路的保护及改善Ⅰ段、Ⅱ段的整定值;对继电保护的异常情况报警的自适应响应,可以减少使受影响的线路的退出运行,也可能减少对第二套纵联保护要求;自适应重合逻辑包括对于故障中误跳闸的高速响应和使不成功的重合闸减到最少;自适应改变断路器失灵保护的整定时间,以消除后备开关的不必要跳闸;对故障或干扰后可能出现的系统稳定破坏等二次事故监视和预测,使失步继电器或其它安全稳定控制装置的动作措施自适应于相应的可能事故,以提高使机组维持工作、易于恢复负荷的可能性;对保护继电器内部逻辑的自适应监视,以提高继电器的可靠性。对于输电线路保护继电器的自适应性,由于有大量文献论述,包括应用于输电线路中的各种保护原理的自适应性及许多新颖、独特的自适应方法与技术,在本文中不再进行更细致的讨论,详情见具体参考文献。
4电网保护的自适应性
对于通常所说的继电保护概念,实际只局限在组成电力系统各元件(如发电厂、变电所和输电线路等)的保护这个特定范畴内,而电力系统一经形成,就有不同于各组成元件的特殊性存在,为了处理电力系统发生故障或出现影响安全的异常情况,就必须有对整个电网进行保护的装置电网保护。对于电网保护,应该不是新事物,如有计划的解列、自动按频率减负荷、切机等在电网中已广泛应用的安全自动装置均可视为电网保护。但是电网保护的根本应该是从整个电网着眼来系统地研究电力系统的保护,国内外电网曾不断出现长期大面积停电的电网事故,说明对它的研究远不能适应实际需要,其主要原因可能是相应的技术与基础研究还不够成熟。由于电网保护的本质是自适应的,建立在计算机、通讯、自动化等技术迅速发展到一定水平基础上的自适应继电保护技术,为电网保护发展与功能扩展提供了可能性。电网保护与电力设备保护的研究有所不同,需要探求电网事故产生的因素,系统失去稳定时的各种特征,恢复系统正常运行的措施,以及系统与负荷的频率与电压特性等等。电网保护与安全稳定装置亦有区别,电网中采取的稳定措施是为了保持电力系统的正常运行,而电网保护则是当电网正常运行被破坏时如何尽可将影响的范围缩到最小,把可能影响负荷停电的时间缩到最短。
下面简单地叙述对自适应电网保护可能进行研究的某些方面,它可能是电网保护研究的一部分,和电力设备的自适应保护有所区别,但也不可将其区别绝对化,这是因为自适应电网保护是建立在系统中的各保护继电器均具有(或可以具有)自适应功能的基础上。同时,保护继电器的自适应性也包括具有一定的适应系统变化的能力的内容,也可能不仅仅是利用本地量,自适应电网保护只是更强调各继电器之间的关系。相对来说,利用远方信息更多,适应系统各种较大干扰或变化的能力更强,因此下面提到的某些方面习惯上常作为保护继电器应具有的自适应性。
4.1同一处各保护之间的自适应功能
对于输电线路同一处各保护之间的自适应功能,可能包括:①主保护、后备保护的自适应,即指当主保护故障退出运行时,自适应电网保护应能自动地改变后备保护的特性(包括时间和定值的整定),将后备保护暂且充任主保护,主保护正常后它又自动变回原来的角色;②重合闸自适应,指自适应电网保护能根据故障情形决定是否进行重合及重合的时延与顺序,以提高重合闸的成功率,减少故障的影响范围和电网恢复的时间;③故障诊断自适应,指自适应电网保护处理电网中单个(或几个)保护继电器或控制装置故障的能力,即整个系统的容错能力;④不同原理与性能保护的自适应,指自适应电网保护能充分利用系统中各保护继电器原理与性能的不同来提高整个保护系统的动作可靠性和快速性,如发生接地故障时,让有关反应接地故障的保护动作而闭锁其它保护,以提高动作可靠性。
4.2系统中各保护的自适应协调
系统中各保护的自适应协调,主要表现在以下几个方面:①电网的拓扑结构发生变化时,系统中各保护的整定值如何适应这种变化以保持合理的相互配合关系;②电网中出现大的扰动期间,系统中各保护如何配合使电网不会发生稳定事故,同时又能提高供电可靠性,使由此造成的损失降到最小;③电网中负荷是随机波动的,系统中各保护如何配合以适应这种波动,使得既能最大限度地保证重要用户的供电可靠性,又能提高整个电网的经济效益。
4.3保护与其他自动装置的协调
原则上,控制装置、安全稳定控制装置及其它自动装置在电网保护看来,它们与保护装置没有质的区别,也可作为电网保护的部分硬件组成,因此,保护继电器与控制装置及自动装置的配合方法与保护继电器之间的配合方法相似,其目标主要是保证系统的安全稳定运行、缩小故障的影响范围,采用适当的解列策略和恢复策略以减少故障造成的损失。