电力系统继电保护自动化策略及技术研究

南京远能电力工程有限公司 马 迎 裴有慧

为确保电力系统长时间稳定在正常运行状态下，必须对电力系统实施继电保护。在科学技术水平不断提升背景下，推动继电保护自动化、智能化是必然趋势，即要积极在电力系统内引入继电保护自动化策略及技术，并结合现实情况展开持续性的优化调整，实现与时俱进。

1 电力系统继电保护自动化技术主要内容

1.1 电力系统自动化继电保护装置应用原理

应用于电力系统内的继电保护装置可细化为逻辑模块、测量模块及执行模块三部分，在实际运行中输入信号传递至测量模块内，结合整定值形成“是”、“非”、“大于”等逻辑信号，由此确定出是否需对保护装置进行启动；信号传递至逻辑模块，形成“或”、“与”、“否”、“延时启动”等逻辑回路，由此判断出是否要进行断路器跳闸或发出信号；信号传递至执行模块后能根据之前形成的指令做出行动，并向电力系统其他功能单元发出控制指令。实践中，一旦电力系统中发生故障所有异常物理量会转变为信息量，如果异常物理量超出允许范围，继电保护装置动作，迅速对故障元件、故障线路实施隔离，防止对电力系统中其他正常运行的元件或线路产生负面影响。

1.2 电力系统继电保护自动化技术应用要求

为确保继电保护自动化技术的作用可在电力系统中得到最大程度发挥，需重点控制继电保护装置安装质量，为继电保护自动化技术的作用发挥创造良好条件。在选定继电保护装置时应着重关注两项性能：速动性。所选用的继电保护装置可在故障问题发生后第一时间做出反应，迅速、准确定位故障线路或元件并落实切断合理处理，促使故障问题被控制在较小范围内，避免对电力系统引发更大负面影响。通常要确保继电保护装置一般快速保护时间在60～120毫秒的范围内，最快保护时间可达到1～40毫秒；选择性。所使用的继电保护装置仅能对故障线路、元件做出切断与隔离处理，而不会对正常运行的线路与元件进行干预，有效避免故障问题大范围扩展的同时维护电力系统的正常、稳定运行。

1.3 电力系统继电保护自动化技术应用价值

为自适应技术的发展提供支持。通过在电力系统中引入继电保护自动化技术，能达到优化电力系统工作状态与流程的效果，促使企业经济效益增长的同时推动自适应技术的创新。此时电力系统在运行中发生的故障问题能得到更为迅速、精准的处理，促使电力系统长时间保持在稳定运行状态下；推动网络化发展空间的拓展。对继电保护自动化技术而言，其基础为信息技术，因此将继电保护自动化技术应用于电力系统中可达到促进电力系统信息化、网络化、智能化的效果，促进对电力系统的远程控制功能升级，也赋予电力控制系统以更多可能性；实现电力系统的智能化发展。结合当前的发展现状来看，自动化、智能化是电力系统甚至整个电力行业的主流发展趋势。通过在电力系统中引入继电保护自动化技术，就能达到促进电力系统向着智能化与自动化方向发展的效果，自动完成电力系统运行数据信息的提取、分析，准确、迅速定位风险问题及故障，并实施第一时间的报警、保护与处理，保证电力系统能长时间保持在稳定运行的状态下。

2 电力系统继电保护自动化技术具体应用探究

2.1 常见应用方式

接地保护技术。在电力系统实际运行过程中发生接地故障问题相对常见，通过引入继电保护自动化技术，能参考不同接地故障类型实施针对性处理与保护的效果。如，在电力系统运行出现异常情况且产生零电压背景下极易引发大面积断电问题。而通过应用继电保护自动化技术就能实现零序电压的预警保护，即便发生上述故障也能让电力系统在短时间内保持在稳定运行下，同时完成故障区域的迅速定位、故障区及其附近区域的电压检测，第一时间向管理人员、控制中心发送故障信息及警报，为迅速形成有效的故障处理方案提供支持，以此达到维护电力系统运行安全稳定水平的效果。

差动保护。主要参考“电路中流入节点电流的总和等于零”原理形成，将受到保护的设备元件视为一个节点，在电力系统正常运行条件下，流入被保护设备元件中的电流及流出的电流始终稳定在相等水平，此时差动电流为零；而一旦被保护设备元件发生故障或出现运行异常情况，则流入被保护设备元件中的电流及流出电流间存在差异，此时差动电流高于零。一旦差动电流的大小超出差动保护装置的整定值时，上位机会立即发出动作信号，控制被保护设备元件的配套断路器断开，达到切断隔离故障设备元件的效果。此时能将故障问题稳定在较小范围内，避免对电力系统造成更大负面影响。对于差动保护来说，其电路结构相对简单且具有更强的灵敏性、选择性，实现更为精准的故障切断隔离，整个保护启动过程的独立性也相对较更高，确保相关工作人员可在故障问题大范围传播扩散前完成有效、针对性处理。

熔断器保护。通过在电力系统中加设熔断器，能在电流超出预设规定条件下产生大量热量促使熔体熔断，以此达到断开相应故障电路的效果，完成对电力系统的保护。在当前电路系统中，常用熔断器类型包括插入式熔断器、螺旋式熔断器及封闭式熔断器等，根据电流与电压等级的不同所应用的熔断器类型也存在较大差异：对380V及以下电压等级的线路末端，在进行配电支线或电气设备短路保护中更适合选用插入式熔断器，方便后续维护以及更换；对电压等级500V及其以下、电流等级200A以下的电路，在进行短路保护过程中更加适合选用封闭式熔断器，以此获取更大的分断电流；对电压等级500V以下、电流等级600A以下的电力网或配电设备，不需更高分断能力，更适用于使用无填料封闭式熔断器；对电压等级500V以下、电流等级1kA以下的电路，需较高分断能力，更适用于使用有填料封闭式熔断器。

2.2 电力系统中的实际应用情况

变压器继电自动保护。在继电保护自动化技术的支持下，电力系统中的变压器能得到更为理想、全面的保护，并实现变压器保护的自动化。在电力系统实际运行过程中，继电保护自动化技术的应用对变压器的保护作用主要体现：变压器接地保护。通过在电力系统中应用继电保护自动化技术可完成对短路故障的实时性监测，并结合对变压器两侧电流与电压数据的实时获取及分析，达到落实零序电压接地保护的效果；变压器线路的短路保护。充分发挥出阻抗元件的保护功能实现自动断电，或是在变压器配套时间元件、电流保护装置的支持下推动变压器的正常运行时间长度增加，同时实现自动化断电，有效规避短路故障时电流过高问题所带来的负面影响；变压器油箱的故障监控。继电自动化保护装置可对变压器运行过程中油箱中的油、绝缘材质分解后所生成的气体成分实施分析，在此基础上确定出变压器油箱是否存在异常现象。一旦发现故障问题或是运行异常情况，则能立即落实线路的自动化切断，防止故障影响扩大。

发电机自动化保护。对于发电机来说，一旦其发生故障，所产生的异常现象更加明显，也会对电力系统产生较大的负面影响，容易发生电量输出平衡稳定性大幅下降问题。基于这样的情况，必须重点落实对发电机的继电保护，特别是要对发电机中的定子组匝实施保护。实践中需将继电自动化保护装置加设于定子绕组内，也可在电动机单相接地的条件下结合电流与相位的中心点完成对发电机的继电保护操作。在继电保护自动化技术的支持下，对发电机的动态性、远程实时性监测成为现实，一旦发现发电机在实际运行过程中发生温度异常变化等问题时能第一时间展开异常现象的分析及诊断，在判定发电机存在短路故障后继电自动化保护装置可迅速完成跳闸，防止由于发电机温度持续上升而引发的更大负面影响，降低绝缘层被破坏的问题发生概率，由此达到保护电力系统运行安全稳定性的效果。

网络母线保护。基于继电保护自动化技术的母线保护可细化为两种保护形式，即差动保护与相位比较保护。其中差动保护在前文已有说明不再赘述。对于相位比较保护，其主要利用母联开关流过的电流与差动回路中的总差电流进行比较，将所有支路的二次电流回路固定连接在一起，这一总的电流与母联的二次电流方向进行比较，也就是差动回路的电流是反应母线故障（Ⅰ或Ⅱ）的总电流，如果存在Ⅰ母故障则通过母联电流方向是由Ⅱ母流向Ⅰ母；如果存在Ⅱ母故障则通过母联电流方向是由Ⅰ母流向Ⅱ母，相位变化180°，而差动回路中的电流相位不变，因此可选择出故障母线[1]。

电网运行维护。输变电电网是电力系统中的重要组成部分，其运行安全稳定性直接关系着电力系统运行的安全稳定水平，因此须对其落实重点保护。实践中，通过在输变电电网构建及运行中应用继电保护自动化技术，能达到规避电气故障产生的效果，促使电网、整个电力系统长时间维持在稳定运行水平下。在选用继电自动化保护装置过程中，须重点参考电网所在区域的现实条件、气候条件、电磁干扰情况等，确保继电保护自动化技术的优势得到最大程度发挥。

3 电力系统继电保护自动化的优化策略分析

3.1 测量、保护、控制、数据信息的一体化

出于对提升继电保护自动化技术应用成效的考量，应积极融合计算机技术，在互联网的支持下推动测量、保护、控制、数据信息在电力系统内集成，由此转入一体化的状态，促使电力系统内所有信息与装置均保持统一。依托测量、保护、控制、数据信息一体化的实现，电力系统中所有保护装置的保护功能可得到进一步完善，由此赋予电力系统更多样的性能。实践中，须及时完成对电力系统运行中各种测量数据、状态数据、保护数据、控制参数等的提取与分析，保证在发生故障后实现第一时间的故障识别、分析以及定位，提升继电保护的展开速度。同时，通过融合计算机技术与继电保护自动化技术，不仅所有电力系统运行数据能得到统一性管理，故障识别与分析处理过程中所产生的数据信息也能直接保存至数据库内，为后续继电保护动作的展开提供参考。

3.2 持续优化电力系统继电保护网络化模式的搭建

为更好满足用电需求，电力系统建设规模呈现不断增长趋势，线路、设备的配置数量及种类增加，原有继电保护装置配置已无法满足电力系统现实需求，难以保证对电力系统运行安全性的维护达到理想水平。基于此需在电力系统中配置多个继电保护装置，并持续强化各个保护装置间的数据交换及联系，而这需网络的支持。换言之，要搭建起电力系统继电保护网络，促使电力系统中所配置的所有继电保护设备构成一个整体，共同完成对电力系统安全稳定运行状态的维护[2]。

同时，网络化连接也是构建自动化继电保护系统的重要内容，促使本地电站中的保护客户机与远端主站实现连接。在网络化建设的支持下信息共享成为现实，能在整个继电保护系统中分享电站、线路的运行数据。此时即使一台机电保护装置发生故障或无法应用，继电保护系统中的其他装置也能达到替代故障继电保护装置运行的效果，及时切断隔离电力系统中发生故障或运行异常的元件、线路，提升了继电保护功能的可靠性。

3.3 继电保护策略的优化改进

为确保电力系统继电保护自动化性能得到最大程度发挥，降低继电保护故障问题发生概率，须对继电保护策略实施着重的优化改进，维护继电保护设备的可靠性、灵敏性、速动性以及选择性。

对现行继电保护原理进行改进与完善，重点提升其保护性能及适应能力。针对差动保护可使用“制动量优化+高阻故障精准选相”方式完成优化改进，针对距离保护可使用控制过负荷误动发生概率的方式完成优化改进，针对启动速度可通过设置“一点启动”功能模块达到优化改进的效果：差动保护制动量化。在调整制动电流过程中，参考线路两侧电流增幅关系实现自适应的、自动化的调节，推动短路电流识别能力的最小值由原有1000安培提升至300安培，促使在短路电流受限条件下线路保护的故障识别能力呈现出增强趋势；线路单向高阻故障精准选相方法。充分发挥负荷序差动电流幅值作用，结合相位特征达到迅速使被单向接地故障相的效果，促使故障相的识别准确率提升至100%。此时故障隔离时长由原有5个周波缩减至2个周波，有效降低了因单向故障而引发的线路三相跳闸问题发生概率；故障一点启动算法。对现有一相多点启动算法进行优化调整，充分应用三相电流所具备的对称性特征，依托三相同一时刻电流采样值达到提取故障突变量特征的提取，实现在发生故障后第一点采样值保护迅速进入启动状态，促使故障后的一点启动成为现实。

积极展开原理及技术的创新研究，逐步形成全新的、性能优良的保护算法：基于电压平面的距离保护应对过负荷的技术。在电压余弦分量的支持下达到对过负荷、相间故障准确识别的效果，结合相-序补偿电压相位关系对过负荷、相间故障进行准确的识别，通过这样的方式能更为精准的区别过负荷与线路故障问题，有效解决距离保护误动问题；基于线路固有参数交流的线路低容抗保护。低容抗保护的动作性能稳定性更强，可精准识别1000欧姆的过渡电阻，能准确完成故障相的识别。金属性故障动作时间稳定在1.67毫秒，相比与现有输电线路保护的不低于10毫秒有着更明显的应用优势。

综上，在当前的电力系统运行及保护工作中，推动继电保护自动化、智能化是必然趋势，要积极在电力系统内引入继电保护自动化策略及技术。通过在发电机、变压器、母线等的保护中应用接地保护技术、差动保护、熔断器保护等继电自动化保护技术，提升了电力系统运行的安全稳定性。