[科普中国]-保护控制系统

基础知识继电保护装置

1.基本任务

反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或者发出信号的一种自动装置，它能自动、迅速、有选择性地将故障元件从系统中切除，并发出信号、减负荷或跳闸、已达到缩小故障范围，减少故障损失，保证设备或系统安全运行的目的。

2.基本原理

电力系统发生故障时，其基本特点是电流突增，电压突降，电流和电压相位角发生变化，反映这些基本特点，就能构成各种不同原理的继电保护装置。

3.四项要求

选择性、速动性、灵敏性、可靠性。1

继电器分类1.按在继电保护中的作用分类

（1）测量继电器，直接反应电气量的变化（又按照所反应的电气量的不同，分为：电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器、频率继电器、差动继电器等）。

（2）辅助继电器，用来改进和完善保护的功能（按其作用不同，又分为：中间继电器、时间继电器、信号继电器）。

2.按结构类型分类

（1）电磁型继电器；

（2）感应型继电器；

（3）整流型继电器；

（4）静态型继电器。1

电磁型继电器1.工作原理

电磁型继电器一般由电磁铁、可动衔铁、线圈、触点、反作用弹簧和止挡等部件构成。线圈通过电流时所产生的磁通，经过铁芯、空气隙和衔铁构成闭合回路。衔铁在电磁场的作用下被磁化，因而产生电磁转矩，如电磁转矩大于反作用弹簧力矩及机械摩擦力时，衔铁被吸向电磁铁磁极，使继电器两端断电后，衔铁受弹簧的拉力作用而返回到原始位置。

2.分类

（1）螺管线圈式；

（2）吸引衔铁式；

（3）转动舌片式。1

感应型继电器1.构造

感应型继电器由电磁铁、线圈、铝圆盘、框架、永久磁铁、扇形齿轮、衔铁、动静触点、信号牌组成。

2.工作原理

根据电磁感应定律，一运动的导体在磁场中切割磁力线，导体中就会产生电流，这个电流产生的磁场和原磁场间的作用力，总是试图阻止导体的运动；反之，如果通电导体不动，而磁场在变化，通电导体同样也会受到力的作用而产生运动。感应型继电器就是基于这种原理动作的。继电器线圈正常流过负荷电流，铝盘匀速转动。当线圈内的电流增大时，铝盘转动加快，如果是电流继续增大，框架随之发生偏转，扇形齿轮与蜗杆吻合，扇形齿轮沿着蜗杆上升，最后触点接通，同时信号牌落下。1

整流型继电器1.构成

整流型继电器一般由电压形成回路、整流滤波回路、比较回路、执行回路构成。

2.工作原理

电压形成回路把输入的交流电压或电流信号以及它们的相位，经过小型中间继电器或电抗变压器转换成便于测量的电压，该电压经整流滤波后变成与交流量成正比的直流电压，然后送到比较回路进行比较，以确定继电器是否该动作，最后执行元件执行。1

DX型信号继电器1.构造

DX型信号继电器由电磁铁、线圈、衔铁、动静触点及信号牌等构成。

2.作用原理

在正常情况下，继电器线圈内没有电流，衔铁被弹簧拉开，搭在衔铁上的信号牌由衔铁支持而不能落下。当线圈有电流时，衔铁被吸向铁芯，信号牌由于失去支撑而落下，同时使可触动点转轴旋转，带动触点接通，发出音响和灯光信号。线圈断电后，手动旋转继电器外壳上的复位旋钮，使信号牌提起，触点断开，音响灯光信号停止。1

保护控制系统的集成在历史上，每一个功能对应一个设备。这不仅仅是指保护和控制功能，而对于不同原理的保护也是这样。数字化的继电器导致多功能设备的产生，这个多功能的设备可以并行地完成许多保护功能。因为有可靠性和可用性的考虑，才会使用多个保护设备，如输电线路的两套主保护。2

在电力公司组织结构中，保护人员通常与运行人员分开管理。这种管理方式促使将功能分为不同的设备，为不同的职责范围建立一个边界，尽管技术上已经不再是必须的了。过去常说保护的可靠性是非常重要的，但是现在对控制也同样适用。2

推动因素保护事件的发生，如启动、跳闸以及保护装置自身的问题，对于变电站和电网运行是非常重要的。因此，在保护维护和变电站运行间至少应该共享保护监视数据。2

保护和控制集成的第一步是，将从保护单元来的需要监视的数据通过串行通信送到变电站自动化中。这一最小程度的集成已经被广泛的接受并被IEC 60870-5-103标准支持。下一步是协调运行状态和保护参数。例如，合并一些运行操作和自适应的保护功能。一条线路在冬天可以比夏天传输更多的功率。因此，变电站自动化系统或者电网控制中心可通过与保护的通信连接，根据测量到的周围环境温度相应地调整保护参数，这就是一个自适应保护的例子。第三步是将保护和控制功能集成到一个物理设备中。这将降低成本和维护工作量（维护一个设备而不是两个设备），但是会引出一个问题：是否因为附加的控制功能与保护功能共用相同的硬件资源而导致保护功能的可靠性受到影响。2

安全和可靠性的考虑对保护和控制功能，可靠性要求和对环境的免疫性要求都很高。这就意味着，从一般实现的角度来看，它们是一致的，保护和控制功能可以使用相同的系统平台。但也有不同之处，控制功能只有收到控制命令后才工作，而保护即使没有通信也必须执行其就地保护功能。所以，保护系统必须设计成其子通信系统中的干扰不应该影响保护自身的工作。如何达到这一点取决于实施策略。2

对于第一代数字化保护装置，人们开发了特殊的操作系统，以保证其具有足够的处理能力去完成保护功能。而现在，有许多相当便宜的处理器可用，商用实时操作系统的应用也越来越多。将通信从功能应用中分离出来，就像保护可以直接由硬件来完成一样。通信依赖其自身的硬件资源。然而，保护功能的设计方式要满足当通信部分发生问题时保护不应被闭锁。2

然而，保护和控制共用硬件和软件平台对控制部分是有好处的。它允许直接在控制单元执行后备保护的功能。如果后备保护使用了与主保护不同原理的算法，将提高保护的可用性，并且不会增加额外的物理设备，也就是不需要更多的维护工作。2

层次式保护控制系统层次化保护控制系统是指综合应用电刚全网数据信息，通过分布、协同的功能配置，实现时间维度、空间维度和功能维度的协调配合，提升电网继电保护性能和系统安全稳定运行能力的保护控制系统，包括就地级保护、站域保护控制、广域保护控制三个层面。3

就地层继电保护方案1.就地保护层技术特点

就地保护层是面向单个被保护对象的保护。其技术特点如下：

（1）按被保护对象独立、分散配置，包含完整的主后备保护功能，遵循已有技术规程、规范。

（2）保护应相对独立，不受上一层（站域层、广域层）保护的影响。

（3）保护在实施过程中，应采用直采直跳，跨间隔保护（母线保护）可考虑网络跳闸。

（4）保护考虑常规互感器和电子式互感器这两种实现方式；并儿保护在运行过程中不依赖于外部对时。

（5）该类保护的发展趋势是就地化安装，但是不一定全部就地化，即就地保护层不等于就地化保护。3

2.就地保护层配置原则

（1）就地保护层属于基本平面，需配置功能完整的主后备保护，突出主保护的可靠性和动性，保护功能不受站域保护控制、广域保护控制和影响。

（2）就地化保护装置是以被保护对象来区分，以间隔为单位进行配置，按照问隔进行配置不仅有利于运行、检修维护，同时层次清晰，角色明确，未来继电保护装置集成安装到一次设备中也必须采用这种方式。

（3）就地化保护强调可靠性、速动性，其保护功能不依赖于外部同步时钟及交换机，其采样和跳闸均采用直接采样、直接跳闸，避免由于交换机异常或者外同步异常造成保护异常。3

3.就地保护层配置方案

（1）保护功能配置。就地保护层应保留现有线路、母线、变压器保护等功能，适当集成面向间隔的保护功能，如短引线保护与断路器保护、过电压保护等。

（2）保护布置方式。就地保护层的发展趋势是保护就地化，保护原则上靠近一次设备布置，根据不同电压等级采取不同的配置方案。结合变电站实际情况，可采用三种安装方式：就地安装于智能组件柜内、集中组屏布置于集成舱内以及开关柜方式。

①就地安装于智能组件柜内方式。减少了二次屏柜，结构紧凑：占地少，从而进一步缩小集成舱的占地面积；保护易采用直采直跳，保护装置采样值同步不依赖于外部时钟，保护跳闸不受交换机故障影响，可优化二次回路结构。如果采用该方式，可在出厂前完成安装调试。但是，如果采用该方式，保护装置运行环境恶劣，此时保护装置对环境的适应性要求较高，对保护装置的性能提出了更高的要求。

②集中组屏布置于集成舱内方式。保护装置的运行环境较好，保护装置工作的可靠性和安全性较高；该方式也可在出厂前完成安装调试，减少了现场工作量，设备维护方便。但是，该方式增加了二次屏柜，成本较高；并且，保护如果采用直采直跳，则会使装置的光口数量、点对点光纤数量增加，导致现场施工难度增大，不利于集装箱接口标准化。

③开关柜方式。与前两种相比，保护装置运行环境恶劣，且需要开展大量的现场安装调试工作。

综合比较以上三种安装方式，前两种方式性能较好。但是前两种方式需要解决预制舱、户外智能组件柜的设计制造的关键技术，例如：装置的低功耗设计、高效电源设计、热设计、IP防护设计、电磁兼容设计、装置接口标准化设计、二次设备状态监测技术以及远程维护与校验技术等。3

4.就地保护层配置实现方案

以下对就地保护层配置方案实现中的一些技术问题进行分析。

（1）保护装置运行环境。当保护装置户外智能组件柜内时，装置的运行环境较为恶劣，需着重考虑解决户外柜的防护能力和温湿度问题。如果仅靠提高二次设备本身的防护水平，则导致设备成本高昂。建议考虑提高户外智能组件柜的防护能力和装置自身耐受能力，以解决运行环境问题。

①智能组件户外柜的处理措施。智能组件户外柜应采取必要的隔热和通风散热措施，有效地隔离柜内外热传导；再在柜内配置温度控制系统，将柜内设备工作产生的热量及时排出柜外，使柜内环境温度在装置工作允许范围内。具体实现如下：应采用双层柜体设计，防尘、防水、防太阳辐射，即柜体具有对外部环境一定的隔离功能。柜内应装设温度和湿度传感控制器、风扇以及电加热器等设备。其工作模式为在柜内湿度达到设定数值时，温湿度传感控制器启动电加热器和位于柜内顶部的风扇，降低柜体内的湿度。当柜内温度上升到某一温度时，柜内风扇启动，柜外新鲜空气经过滤后自机柜下层进入柜内，降低柜体内的温度。此外，机柜结构的电磁兼容设计包括电磁屏蔽、功能性接地和静电放电防护。为了满足电气的抗干扰要求，机柜整体必须具备可靠接地的能力，并且机柜的整体电磁屏蔽性能要好。每个重要的设备之间必须用电磁屏蔽板隔开，电磁屏蔽板又必须与机柜间达成可靠的电气连接（即等电位要求）。

②保护装置的处理措施。目前各二次设备制造厂商生产的智能终端、合并单元、保护测控装置均基于同一硬件平台设计开发，主要模件的芯片选用及设计架构并无太大差异，而智能终端在目前的AIS变电站中，均为就地户外柜安装方式，运行情况良好，经多次试验也验证了智能终端、合并单元能够满足-25～70℃的环境要求。保护测控装置相比智能终端增加了液晶显示及操作按钮，其防护等级与智能终端相同，目前常用的液晶均无法支持-25～70℃的环境温度要求，如果保护测控装置需要安装在就地的智能组件柜中则最好取消液晶面板，采用其他方式进行替代。

（2）保护装置运行维护。

①定值查看。如果保护测控装置取消液晶面板，日常运行时可通过监控后台查阅保护运行定值区，各区定值。

②采样输入、开入量状态监视。可在监控后台查阅保护测控装置上送的采样输入监视的电压、电流量以及开入量状态。

③动作、告警事件以及历史事件显示。保护测控的动作、告警事件均上送监控后台，历史事件的信息监控后台也被存储，可在监控后台查阅相应信息。

④动作录波查阅。保护的动作录波均按照COMTRADE格式上送监控后台，监控后台可调阅查看。

⑤检修需求。对于现场检修，不论投产验收还是定期检验均需要对保护测控装置进行功能试验，功能试验必须采用方便的措施进行定值修改及动作事件查看，如果采用监控后台查看肯定不合适，可以采用笔记本电脑通过调试接口连接保护装置，利用调试工具进行查看和操作，也可以采用便携式液晶面板连接装置，满足功能调试需求。3

站域层继电保护方案站域层保护控制主要利用全站实时信息集中决策，解决传统后备保护仅能获取单间隔电气量和开关量信息，后备保护动作时间长，灵明性和选择性不能兼顾的问题，与就地化保护一起共同构成站内继电保护体系。3

1.站域保护层技术特点

站域保护层综合利用变电站全站信息，优化保护功能与动作逻辑，提高整站保护的灵敏度和可靠性。其主要特点为：实现就地级保护功能的冗余及优化，基于网络采样网络跳闸通信模式，以确保防误动为主的原则，支持广域信息交互及控制命令执行等。3

2.站域保护层配置

（1）保护配置原则。构建站域保护的基本目的是充分发挥智能变电站二次系统全数字化的技术优势，通过信息共享和功能集成，提高继电保护的总体性能，降低投资和运行维护成本。站域保护层的配置应遵循以下基本原则：

①分电压等级实现保护和控制功能。按照电压等级划分保护区域，由各区域装置共同完成站域保护功能，不仅能有效减少通信量，而且能加快保护和控制的速度，提高系统的可靠性。同时，也符合智能变电站二次通信系统分电压等级独立配置的设计要求。

②保护功能的合理集成。在站域保护的集成化设计方面，应充分考虑上述不同保护的应用特点和要求，在小降低原有保护可靠性的同时，进行合理的功能集成，同时也应充分考虑工程化应用的可行性。

③保护与控制功能相结合。站域保护利用全站信息，实现全站的后备及控制功能，因此站域保护层必然是保护、控制合一的系统。

④可作为110kV及以下电压等级的线路及元件的后备保护。当作为就地保护的后备元件时，主要完成如下两类任务：第一，就地保护正常情况下，站域后备保护作为重要元件的最末级保护，以提高站内保护系统的可靠性；第二，在就地保护异常退出或检修时，起到保护功能迁移的作用，完成就地保护所承担的保护任务，其所有性能均应基本达到就地保护水平。

⑤配置多数据处理器。站域后备保护面向全站，需要采集、处理的数据量非常大，需要完成的保护功能也很多，仅靠单CPU是无法完成的，因此本方案考虑基于高速数据总线的多CPU硬件结构。

（2）保护配置方案。主要有两种站域保护方案：①增设集中决策单元；②集中式保护。3

3.站域保护层方案实现

以110kV及以下站域保护及控制为例，进一步分析其配置方案的实现技术。110kV及以下站域保护主要包括站域后备保护、10kV母线保护，站域控制主要保护站域备自投、变压器过载联切。

（1）站域后备保护实现。110kV及以下站域保护中，集成集中式后备保护功能，实现冗余配置。以武汉110kV未来城变电站站域后备保护为例，配置如下功能：

①2条110kV线路保护（距离保护功能、过电流保护功能、重合闸等功能）；

②110kV母联过电流保护；

③20条10kV及以下线路保护（过电流保护功能、重合闸等功能）。

集中后备保护是作为全站最末级的后备保护使用，不追求速动性，又由于其在站控层的高度，能充分其享站内数据信息，可以综合站内多点信息甚至站问信息做到准确的故障定位判别，加强保护的选择性。平时运行时，各保护功能不启动运行，各保护根据实际情况运行一个根据启动（动作）定值而来的启动判据。当有定值改变时，各保护的定值从后台或站域管理机自动获取并下载到相应的保护中。当有故障发生时，启动判据满足，经一段时间延时能启动本身和其他CPU的保护功能。

（2）站域10kV母差保护实现。传统变电站10kV侧一般未配置母线保护，当10kV母线故障时，只能依靠主变压器低压侧后备保护，延时较长：同时当10kV出线故障保护动作跳闸后，断路器失灵，也只能依靠主变压器低压侧后备保护，延时较长。利用站域信息，通过判别主变压器低压侧断路器电流、出线过电流保护的启动、动作信号以及分段断路器的位置实现低压侧简易母线的保护功能，按照变压器分别设置各自的简易母线功能。

（3）站域各自投控制功能实现。站域各自投可根据变电站实际情况，配置以下几种可能的备自投功能：高压侧分段断路器备自投，高压侧进线1、2互为备投，低压侧分段断路器备自投以及低压侧I母、II母互为备投。

（4）变压器过载联切功能实现。在变压器低压侧并列运行时，一台主变压器跳闸后，负荷转移造成另一台变压器过负荷，此时联跳10kV出线。实现该功能需要的输入、输出信息包括：

①信息输入：各110kV主变压器110kV侧三相电流、三相电压（主变压器110kv侧智能组件SV信号）。

②信息输出：10kV侧出线GOOSE跳闸（10kV出线多合1装置GOOSE信号）。3

广域层继电保护方案1.广域保护层技术特点

对于220kV及以上电压等级的广域保护层，与其说是保护，还不如说是控制。该保护层利用区域电网信息、变电站站域以及就地层保护的信息，对电网运行进行优化控制，其主要目的主要是优化安全稳定控制功能，包括：

（1）对多点进行分布式实时振荡特性分析；

（2）区域电网潮流转移识别；

（3）电网过负荷检测及预警；

（4）与稳定控制装置协调控制。

对于110kV及以下电压等级的广域保护层，功能侧重局部电网的继电保护，根据局部电网的需要，在局部电网内某些变电站内选配。可实现以下各项功能：

（1）局部电网冗余保护（如局部电网的差动后备保护、失灵保护等）；

（2）局部电网自愈（广域备自投）；

（3）智能低频低压精确切负荷，主站协调，子站执行；

（4）考虑区域内单一变电站保护控制功能失去后的应急保护和紧急控制；

（5）利用多个变电站信息、优化或补充现有保护系统性能与功能；

（6）主站（主机）远程维护子站、修改子站定值等功能。

以下针110kV及以下电压等级的广域保护层，分析其结构及设备配置。3

2.广域保护层结构与设备配置

（1）广域保护层结构。110kV及以下电雎等级的广域保护控制，功能侧重局部电网的继电保护，主站（主机）可设置在110kV变电站或者是220kV及以上电压等级变电站。当主站设置在220kV变电站时，其广域保护层主机（主机）与子站，仅面向本站110kV及以下电压等级及站外相关电网；并且，建议保护主机与稳控系统主站独立配置。为了保证运行的可靠性，应配置两套广域层保护控制主机，两套主机同时运行，互为备用，当一套失效、检修或者离线组态配置时，另一套仍能在线执行保护控制功能。

（2）对通信的要求。由于保护对数据传输的实时性、可靠性、安全性要求较高，因此建议将保护与其他数据的通信分开。如有可能，可开通专用的逻辑通道实现广域层保护信息的传送：如果无法实现不同数据通信的完全隔离，则应配置广域保护信息专用承载网，实现广域保护信息的传送。

①设置专用逻辑通道模式。对现有电力通信专网资源丰富的区域，可以在现有SDH/MSTP/PTN/OTN网络中，根据广域保护控制信息对传输通道的需求，为其划分逻辑隔离的专用通道。

②专用承载网络模式。根据广域保护信息对通道带宽的预测，子站带宽预测接口类型有2M、155M、FE/GE接口。可采用SDH/MSTP技术建设新一代智能变电站层次化保护网络。

SDH技术是一种基于时分复用的光传输网技术，也是当前承载继电保护业务的主流技术。在新一代智能变电站层次化保护方案中，各个子站都必须与主站交换信息，子站之间也有业务交互，对通信系统组网提出了更高的要求。在SDH组网方案中推荐采用环形结构组网，在光缆资源不具备的站点，可以采用（1+1）链形组网。采用环形组网时应保证上下行业务通道路由一致，从而保证上下行时延差最小。网络带宽根据环中站点的多少和各子站的业务量来确定，应留有一定的富裕度，满足业务发展的需求。3