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自適應(yīng)繼電保護(hù)原理及其應(yīng)用研究
摘 要： 繼電保護(hù)需要適應(yīng)頻繁變化的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式，正確切除各種故障及設(shè)備，而自適應(yīng)繼電保護(hù)能在參數(shù)變化時(shí)保持系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)特性，因此，自適應(yīng)繼電保護(hù)在微機(jī)線路保護(hù)中被廣泛采用。本文以幾種微機(jī)線路保護(hù)為例，說明運(yùn)用自適應(yīng)原理解決繼電保護(hù)中保護(hù)判據(jù)、故障測距等問題的方法。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)，繼電保護(hù)，控制，制動(dòng)特性，判據(jù)
1 自適應(yīng)控制與自適應(yīng)繼電保護(hù)[1]論文 畢業(yè)論文
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代自動(dòng)控制理論正日漸深人應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，形成了各種成熟的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制與常規(guī)反饋控制及最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，所不同的是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善。具體地說，可以依據(jù)對象的輸人輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)模型的參數(shù)，這個(gè)過程為系統(tǒng)的在線辨識(shí)。隨著生產(chǎn)過程的不斷進(jìn)行，通過在線辨識(shí)，模型會(huì)變得越來越準(zhǔn)確，越來越接近實(shí)際�；谶@種模型綜合出來的控制作用也將隨著不斷改進(jìn)，在這個(gè)意義下，控制系統(tǒng)具有了一定的適應(yīng)能力。自適應(yīng)控制由此而得名。
自適應(yīng)繼電保護(hù)是自適應(yīng)控制技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的應(yīng)用。自從微型計(jì)算機(jī)引人繼電保護(hù)以后，各種原理的微機(jī)繼電保護(hù)得到了長足的進(jìn)步。目前，自適應(yīng)控制理論與繼電保護(hù)結(jié)合而產(chǎn)生的自適應(yīng)式微機(jī)繼電保護(hù)也得到比較大的發(fā)展。常規(guī)繼電保護(hù)的整定值是通過離線計(jì)算獲得，而且在運(yùn)行中保持不變，不能很好滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式和故障類型變化的要求，從而不同程度地降低了繼電保護(hù)性能的發(fā)揮。自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)能根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式變化信息和故障類型信息實(shí)時(shí)改變保護(hù)陛能、特性或定值，使得繼電保護(hù)系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)、更充分地發(fā)揮其性能，以提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的選擇性、速動(dòng)性、可靠性和靈敏性。
自適應(yīng)保護(hù)是一種保護(hù)理論，根據(jù)這種理論，可允許對各種保護(hù)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它們更適應(yīng)實(shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行情況。其關(guān)鍵的設(shè)想是要對保護(hù)系統(tǒng)作某種改變來響應(yīng)因負(fù)荷變化、電網(wǎng)開關(guān)操作或故障等引起的電力系統(tǒng)變化。在某種程度上，只有使所有保護(hù)系統(tǒng)都適應(yīng)電力系統(tǒng)的變化，保護(hù)作用才更完善。為了做到這一點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中常常是通過設(shè)法使保護(hù)的整定值能隨著可能出現(xiàn)的各種電力系統(tǒng)的變化情況而變化的方法來實(shí)現(xiàn)的。有關(guān)文獻(xiàn)給自適應(yīng)繼電保護(hù)下了一個(gè)定義 ：“自適應(yīng)繼電保護(hù)是一種繼電保護(hù)的基本原理，這種原理使得繼電保護(hù)能自動(dòng)地對各種保護(hù)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)或改變，以更適合于給定的電力系統(tǒng)的工況。”“除了具有常規(guī)的保護(hù)功能外，還必需具有明顯的適應(yīng)功能模塊，只有在這種情況下。才能稱為自適應(yīng)式保護(hù)”。自適應(yīng)繼電保護(hù)與系統(tǒng)問的邏輯關(guān)系具體可用圖 l表示。
2 自適應(yīng)繼電保護(hù)原理的應(yīng)用
由于自適應(yīng)繼電保護(hù)的含義是保護(hù)必須適應(yīng)于正在變化的系統(tǒng)情況，因此微機(jī)繼電保護(hù)就必須有分層配置的通信線路與電力系統(tǒng)中的其它設(shè)備的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信以交換信息。就目前而言，光纖通信線路是應(yīng)用于自適應(yīng)繼電保護(hù)大量信息傳輸和轉(zhuǎn)換的最好媒介。
圖2配電網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)圖
圖2是一種配電網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)的方法之一。整個(gè)系統(tǒng)分為3層：即中央控制層、變電站控制層和繼電保護(hù)層。變電站的控制計(jì)算機(jī)將該變電站的各開關(guān)、負(fù)荷狀態(tài)上傳給中央計(jì)算機(jī)，中央計(jì)算機(jī)根據(jù)電力系統(tǒng)電源及上層網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及各變電站上傳的狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析計(jì)算，給出影響各種保護(hù)繼電器的實(shí)際主要參數(shù)，從而給出具體整定值，再通過網(wǎng)絡(luò)下傳至各繼電器。各繼電器就能以適合當(dāng)前電力系統(tǒng)狀態(tài)的整定值 (包括方向繼電器的投、切)，在保證選擇性的前提下獲得最高的 靈敏度和最快的動(dòng)作速度。
3 自適應(yīng)繼電保護(hù)在微機(jī)線路保護(hù)中的應(yīng)用
微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以及通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，使得自適應(yīng)繼電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用成為可能。微機(jī)保護(hù)的硬件系統(tǒng)具有快速計(jì)算、強(qiáng)大的存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力，微機(jī)的這些特點(diǎn)正好為自適應(yīng)繼電保護(hù)提供了硬件基礎(chǔ)。下面以幾個(gè)例子來說明白適應(yīng)在微機(jī)線路保護(hù)中的應(yīng)用。
3.1 自適應(yīng)制動(dòng)特性 [2]
傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性曲線如圖3所示，它的另一種作圖方法在復(fù)平面上表示的區(qū)域如圖4所示。圓內(nèi)為制動(dòng)區(qū)域，當(dāng)電流的矢量和落于圓內(nèi)時(shí)，被制動(dòng)，圓的直徑取決于制動(dòng)電流。
圖3 傳統(tǒng)的制動(dòng)特性 圖4 用矢量表示傳統(tǒng)方法的制動(dòng)特性
L90光纖分相差動(dòng)保護(hù)使用一種新穎的自適應(yīng)判別技術(shù)——在線計(jì)算測量誤差來源。該自適應(yīng)方法，制動(dòng)區(qū)域?yàn)闄E圓，其長軸、短軸及方向可變。橢圓參量隨時(shí)間而變化，以充分利用當(dāng)前的測量精度。傳統(tǒng)的方法不考慮在測量電流幅值及相角的各個(gè)不定參量引起的不確定分布——橢圓形狀，而是假定為圓分布。為保證安全，傳統(tǒng)方法的圓直徑大小須至少為自適應(yīng)橢圓的主軸一樣大。這就是說，對傳統(tǒng)的方法，如圖5中，當(dāng)故障電流矢量落于圓與橢圓之間的區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)沒有被繼電器所保護(hù)。自適應(yīng)的橢圓制動(dòng)特性相對于傳統(tǒng)方法有很多優(yōu)越性。盡管自適應(yīng)方法與傳統(tǒng)方法都有一大小變化的制動(dòng)區(qū)域，但自適應(yīng)橢圓制動(dòng)區(qū)域更能準(zhǔn)確地反映測量誤差來源。譬如，傳統(tǒng)的方法不考慮行波與操作沖擊對測量精度的影響，而自適應(yīng)橢圓制動(dòng)區(qū)域卻有極好的統(tǒng)計(jì)確信度，比傳統(tǒng)的方法更靈敏、更安全。
圖5 自適應(yīng)橢圓制動(dòng)所增強(qiáng)的故障覆蓋率
3.2自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)
最簡單的微機(jī)距離保護(hù)算法也要處理對應(yīng)于三個(gè)相與地之間故障及三個(gè)相間故障的六個(gè)單相距離方程。微處理機(jī)很難在連續(xù)采樣過程中完成對于所有六個(gè)方程的處理。如果用一個(gè)可以確定故障類型的第一步算法，則可以節(jié)約大量的計(jì)算量。一般而言，對于接地故障和相間故障的六個(gè)方程中只有一個(gè)方程需要處理，這樣即可節(jié)約大量時(shí)間。比如：對于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，可以通過測量變壓器中性點(diǎn)的電流IN，就可以根據(jù)IN為零與否的情況判斷兩大類型故障。如果IN=0，則為相間故障；若IN≠0，則為接地故障。然后，再根據(jù)序分量或相分量條件判斷故障相別，距離保護(hù)中的六個(gè)方程只要計(jì)算其中的一個(gè)方程，提高了保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。在WXH—801／802數(shù)字式微機(jī)線路保護(hù)中，就采用了自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)，使保護(hù)的速動(dòng)性得到了提高。[3]
3.3 自適應(yīng)故障測距
過渡電阻的存在使得保護(hù)裝置故障測距的測距值經(jīng)常不準(zhǔn)。WXH—801／802數(shù)字式微機(jī)線路保護(hù)采用了一種自適應(yīng)故障測距方法，裝置采用微分方程算法，配合有限沖擊響應(yīng)(TIR)的數(shù)字濾波器，粗算出感受的電抗分量和電阻分量，再根據(jù)不同系統(tǒng)估算出電抗的斜率，準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際電抗。采用自適應(yīng)阻抗測距的方法，提高了經(jīng)過渡電阻接地測距的準(zhǔn)確度。
3.4 自適應(yīng)并聯(lián)電抗器補(bǔ)償
對于超高壓輸電線路來說，電容電流對電流差動(dòng)保護(hù)的影響很大[4]，光纖分相差動(dòng)保護(hù)的電流差動(dòng)判據(jù)必須要考慮電容電流的影響。PRS—753光纖分相差動(dòng)保護(hù)裝置[5]，由軟件實(shí)現(xiàn)了電容電流及并聯(lián)電抗器補(bǔ)償功能，可根據(jù)具體情況選擇投退。對基于電流相量做判據(jù)的保護(hù)設(shè)置電容電流補(bǔ)償功能(包括穩(wěn)態(tài)量及突變量比差)，進(jìn)一步提高了保護(hù)靈敏度。對于有并聯(lián)電抗器的線路，裝置可通過軟件自動(dòng)檢測線路兩端并聯(lián)電抗器的投切狀態(tài)，做自適應(yīng)的補(bǔ)償處理，提高保護(hù)靈敏度。
4 結(jié)束語
自適應(yīng)繼電保護(hù)技術(shù)是進(jìn)一步提高和改善現(xiàn)有繼電保護(hù)性能的一個(gè)方向，本文介紹了自適應(yīng)技術(shù)在幾種微機(jī)線路保護(hù)中的運(yùn)用，較好地說明了自適應(yīng)保護(hù)的優(yōu)越性。然而目前絕大多數(shù)自適應(yīng)繼電保護(hù)只是在某個(gè)或幾個(gè)保護(hù)環(huán)節(jié)上具有自適應(yīng)特性，保護(hù)并沒有達(dá)到全自適應(yīng)，要實(shí)現(xiàn)全自適應(yīng)繼電保護(hù)還有很長的路要走。相信在不遠(yuǎn)的將來，自適應(yīng)繼電保護(hù)將成為新一代繼電保護(hù)領(lǐng)域的統(tǒng)治者。
參考文獻(xiàn)
[1] 葛耀中．自適應(yīng)繼電保護(hù)及其前景展望．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997．
[2] 陳德樹，陳 衛(wèi)，尹項(xiàng)根，等．差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行動(dòng)作特性的相量分析．繼電器，2002，30(4)：1-3．
[3] WXH—801／802數(shù)字式微機(jī)線路保護(hù)裝置技術(shù)說明書．許繼集團(tuán)有限公司，2000．
[4] 伍葉凱，鄒東霞．電容電流對差動(dòng)保護(hù)的影響及補(bǔ)償方案．繼電器，1997，25(4) ：1-4．
[5] PRS—753光纖分相縱差成套保護(hù)裝置技術(shù)說明書．深圳南瑞科技有限公司，2004．
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