我國電力系統繼電保護技術的發展現狀與未來趨勢
【摘要】回顧我國電力系統繼電保護技術發展過程，概述了微機繼電保護技術成就，提出了未來繼電保護技術發展趨勢是：計算機化，網絡化，保護、控制、測量、數據通信一體化和人工智能化。
【關鍵詞】電力系統,繼電保護技術,發展現狀,未來趨勢
1 繼電保護發展現狀
電力系統飛速發展對繼電保護不斷提出新要求，電子技術、計算機技術與通信技術飛速發展又為繼電保護技術發展不斷注入了新活力，繼電保護技術天獨厚，40余年時間里完成了發展4個歷史階段。
建國后，我國繼電保護學科、繼電保護設計、繼電器制造工業和繼電保護技術隊伍從無到有，大約10年時間里走過了先進國家半個世紀走過道路。50年代，我國工程技術人員創造性吸收、消化、掌握了國外先進繼電保護設備性能和運行技術，建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗繼電保護技術隊伍，對全國繼電保護技術隊伍建立和成長起了指導作用。阿城繼電器廠引進消化了當時國外先進繼電器制造技術，建立了我國自己繼電器制造業。60年代中我國已建成了繼電保護研究、設計、制造、運行和教學完整體系。這是機電式繼電保護繁榮時代，為我國繼電保護技術發展奠定了堅實基礎。
自50年代末，晶體管繼電保護已開始研究。60年代中到80年代中是晶體管繼電保護蓬勃發展和廣泛采用時代。其中天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制晶體管高頻閉鎖距離保護，運行于葛洲壩500 kV線路上，結束了500kV線路保護完全依靠從國外進口時代。
此期間，從70年代中，基于集成運算放大器集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護研制、生產、應用仍處于主導位，這是集成電路保護時代。這方面南京電力自動化研究院研制集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作用，天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制集成電路相電壓補償式方向高頻保護也多條220kV和500kV線路上運行。
我國從70年代末即已開始了計算機繼電保護研究，高等院校和科研院所起著先導作用。華中理工大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶大學和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式微機保護裝置。1984年原華北電力學院研制輸電線路微機保護裝置首先鑒定，并系統中獲應用［5］，揭開了我國繼電保護發展史上新一頁，為微機保護推廣開辟了道路。主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研制發電機失磁保護、發電機保護和發電機?變壓器組保護也相繼于1989、1994年鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制微機線路保護裝置也于1991年鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制正序故障分量方向高頻保護也相繼于1993、1996年鑒定。至此，不同原理、不同機型微機線路和主設備保護各具特色，為電力系統提供了一批新一代性能優良、功能齊全、工作可靠繼電保護裝置。微機保護裝置研究，微機保護軟件、算法等方面也取了很多理論成果。可以說從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護時代。
2 繼電保護未來趨勢
繼電保護技術未來趨勢是向計算機化，網絡化，智能化，保護、控制、測量和數據通信一體化發展。
2.1 計算機化
計算機硬件迅猛發展，微機保護硬件也不斷發展。原華北電力學院研制微機線路保護硬件已經歷了3個發展階段：從8位單CPU結構微機保護問世，不到5年時間就發展到多CPU結構，后又發展到總線不出模塊大模塊結構，性能大大提高，到了廣泛應用。華中理工大學研制微機保護也是從8位CPU，發展到以工控機核心部分為基礎32位微機保護。
南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎微機線路保護，已到大面積推廣，目前也研究32位保護硬件系統。東南大學研制微機主設備保護硬件也了多次改進和提高。天津大學一開始即研制以16位多CPU為基礎微機線路保護，1988年即開始研究以32位數字信號處理器(DSP)為基礎保護、控制、測量一體化微機裝置，目前已與珠海晉電自動化設備公司合作研制成一種功能齊全32位大模塊，一個模塊就是一個小型計算機。采用32位微機芯片并非只著眼于精度，精度受A/D轉換器分辨率限制，超過16位時轉換速度和成本方面都是難以接受；更重要是32位微機芯片具有很高集成度，很高工作頻率和計算速度，很大尋址空間，豐富指令系統和較多輸入輸出口。CPU寄存器、數據總線、址總線都是32位，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務轉換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數部件都集成CPU內。
電力系統對微機保護要求不斷提高，保護基本功能外，還應具有大容量故障信息和數據長期存放空間，快速數據處理功能，強大通信能力，它保護、控制裝置和調度聯網以共享全系統數據、信息和網絡資源能力，高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺PC機功能。計算機保護發展初期，曾設想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設想是不現實。現，同微機保護裝置大小相似工控機功能、速度、存儲容量大大超過了當年小型機，，用成套工控機作成繼電保護時機已經成熟，這將是微機保護發展方向之一。天津大學已研制成用同微機保護裝置結構完全相同一種工控機加以改造作成繼電保護裝置。這種裝置優點有：(1)具有486PC機全部功能，能滿足對當前和未來微機保護各種功能要求。(2)尺寸和結構與目前微機保護裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣工作環境，成本可接受。(3)采用STD總線或PC總線，硬件模塊化，不同保護可任意選用不同模塊，配置靈活、容易擴展。
繼電保護裝置微機化、計算機化是不可逆轉發展趨勢。但對如何更好滿足電力系統要求，如何進一步提高繼電保護可靠性，如何取更大經濟效益和社會效益，尚須進行具體深入研究。\
2.2 網絡化
計算機網絡作為信息和數據通信工具已成為信息時代技術支柱，使人類生產和社會生活面貌發生了根本變化。它深刻影響著各個工業領域，也為各個工業領域提供了強有力通信手段。到目前為止，差動保護和縱聯保護外，所有繼電保護裝置都只能反應保護安裝處電氣量。繼電保護作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍。這主缺乏強有力數據通信手段。國外早已提出過系統保護概念，這當時主要指安全自動裝置。因繼電保護作用限于切除故障元件和限制事故影響范圍(這是首要任務)，還要保證全系統安全穩定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統運行和故障信息數據，各個保護單元與重合閘裝置分析這些信息和數據基礎上協調動作，確保系統安全穩定運行。顯然，實現這種系統保護基本條件是將全系統各主要設備保護裝置用計算機網絡聯接起來，亦即實現微機保護裝置網絡化。這當前技術條件下是完全可能。
一般非系統保護，實現保護裝置計算機聯網也有很大好處。繼電保護裝置能夠到系統故障信息愈多，則對故障性質、故障位置判斷和故障距離檢測愈準確。對自適應保護原理研究已很長時間，也取了一定成果，但要真正實現保護對系統運行方式和故障狀態自適應，必須獲更多系統運行和故障信息，實現保護計算機網絡化，才能做到這一點。
某些保護裝置實現計算機聯網，也能提高保護可靠性。天津大學1993年針對未來三峽水電站500kV超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護原理，初步研制成功了這種裝置。其原理是將傳統集中式母線保護分散成若干個(與被保護母線回路數相同)母線保護單元，分散裝設各回路保護屏上，各保護單元用計算機網絡聯接起來，每個保護單元只輸入本回路電流量，將其轉換成數字量后，計算機網絡傳送給其它所有回路保護單元，各保護單元本回路電流量和從計算機網絡上獲其它所有回路電流量，進行母線差動保護計算，計算結果證明是母線內部故障則只跳開本回路斷路器，將故障母線隔離。母線區外故障時，各保護單元都計算為外部故障均不動作。這種用計算機網絡實現分布式母線保護原理，比傳統集中式母線保護原理有較高可靠性。一個保護單元受到干擾或計算錯誤而誤動時，只能錯誤跳開本回路，不會造成使母線整個被切除惡性事故，這象三峽電站具有超高壓母線系統樞紐非常重要。
由上述可知，微機保護裝置網絡化可大大提高保護性能和可靠性，這是微機保護發展必然趨勢。
2.3 保護、控制、測量、數據通信一體化
實現繼電保護計算機化和網絡化條件下，保護裝置實際上就是一臺高性能、多功能計算機，是整個電力系統計算機網絡上一個智能終端。它可從網上獲取電力系統運行和故障任何信息和數據，也可將它所獲被保護元件任何信息和數據傳送給網絡控制中心或任一終端。，每個微機保護裝置可完成繼電保護功能，無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數據通信功能，亦即實現保護、控制、測量、數據通信一體化。
目前，測量、保護和控制需要，室外變電站所有設備，如變壓器、線路等二次電壓、電流都必須用控制電纜引到主控室。所敷設大量控制電纜要大量投資，使二次回路非常復雜。將上述保護、控制、測量、數據通信一體化計算機裝置，就安裝室外變電站被保護設備旁，將被保護設備電壓、電流量此裝置內轉換成數字量后，計算機網絡送到主控室，則可免除大量控制電纜。用光纖作為網絡傳輸介質，還可免除電磁干擾。現光電流互感器(OTA)和光電壓互感器(OTV)已研究試驗階段，將來必然電力系統中到應用。采用OTA和OTV情況下，保護裝置應放距OTA和OTV最近方，亦即應放被保護設備附近。OTA和OTV光信號輸入到此一體化裝置中并轉換成電信號后，用作保護計算判斷；另作為測量量，網絡送到主控室。從主控室網絡可將對被保護設備操作控制命令送到此一體化裝置，由此一體化裝置執行斷路器操作。1992年天津大學提出了保護、控制、測量、通信一體化問題，并研制了以TMS320C25數字信號處理器(DSP)為基礎一個保護、控制、測量、數據通信一體化裝置。
2.4 智能化
近年來，人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規劃、模糊邏輯等電力系統各個領域都到了應用，繼電保護領域應用研究也已開始。神經網絡是一種非線性映射方法，很多難以列出方程式或難解復雜非線性問題，應用神經網絡方法則可迎刃而解。例如輸電線兩側系統電勢角度擺開情況下發生渡電阻短路就是一非線性問題，距離保護很難正確作出故障位置判別，造成誤動或拒動；用神經網絡方法，大量故障樣本訓練，樣本集中充分考慮了各種情況，則發生任何故障時都可正確判別。其它如遺傳算法、進化規劃等也都有其獨特求解復雜問題能力。將這些人工智能方法適當結合可使求解速度更快。天津大學從1996年起進行神經網絡式繼電保護研究，已取初步成果。可以預見，人工智能技術繼電保護領域必會到應用，以解決用常規方法難以解決問題。
3 結束語
建國以來，我國電力系統繼電保護技術經歷了4個時代。電力系統高速發展和計算機技術、通信技術進步，繼電保護技術面臨著進一步發展趨勢。國內外繼電保護技術發展趨勢為：計算機化，網絡化，保護、控制、測量、數據通信一體化和人工智能化，這對繼電保護工作者提出了艱巨任務，也開辟了活動廣闊天。
【關鍵詞】電力系統,繼電保護技術,發展現狀,未來趨勢
1 繼電保護發展現狀
電力系統飛速發展對繼電保護不斷提出新要求，電子技術、計算機技術與通信技術飛速發展又為繼電保護技術發展不斷注入了新活力，繼電保護技術天獨厚，40余年時間里完成了發展4個歷史階段。
建國后，我國繼電保護學科、繼電保護設計、繼電器制造工業和繼電保護技術隊伍從無到有，大約10年時間里走過了先進國家半個世紀走過道路。50年代，我國工程技術人員創造性吸收、消化、掌握了國外先進繼電保護設備性能和運行技術，建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗繼電保護技術隊伍，對全國繼電保護技術隊伍建立和成長起了指導作用。阿城繼電器廠引進消化了當時國外先進繼電器制造技術，建立了我國自己繼電器制造業。60年代中我國已建成了繼電保護研究、設計、制造、運行和教學完整體系。這是機電式繼電保護繁榮時代，為我國繼電保護技術發展奠定了堅實基礎。
自50年代末，晶體管繼電保護已開始研究。60年代中到80年代中是晶體管繼電保護蓬勃發展和廣泛采用時代。其中天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制晶體管高頻閉鎖距離保護，運行于葛洲壩500 kV線路上，結束了500kV線路保護完全依靠從國外進口時代。
此期間，從70年代中，基于集成運算放大器集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護研制、生產、應用仍處于主導位，這是集成電路保護時代。這方面南京電力自動化研究院研制集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作用，天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制集成電路相電壓補償式方向高頻保護也多條220kV和500kV線路上運行。
我國從70年代末即已開始了計算機繼電保護研究，高等院校和科研院所起著先導作用。華中理工大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶大學和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式微機保護裝置。1984年原華北電力學院研制輸電線路微機保護裝置首先鑒定，并系統中獲應用［5］，揭開了我國繼電保護發展史上新一頁，為微機保護推廣開辟了道路。主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研制發電機失磁保護、發電機保護和發電機?變壓器組保護也相繼于1989、1994年鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制微機線路保護裝置也于1991年鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制正序故障分量方向高頻保護也相繼于1993、1996年鑒定。至此，不同原理、不同機型微機線路和主設備保護各具特色，為電力系統提供了一批新一代性能優良、功能齊全、工作可靠繼電保護裝置。微機保護裝置研究，微機保護軟件、算法等方面也取了很多理論成果。可以說從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護時代。
2 繼電保護未來趨勢
繼電保護技術未來趨勢是向計算機化，網絡化，智能化，保護、控制、測量和數據通信一體化發展。
2.1 計算機化
計算機硬件迅猛發展，微機保護硬件也不斷發展。原華北電力學院研制微機線路保護硬件已經歷了3個發展階段：從8位單CPU結構微機保護問世，不到5年時間就發展到多CPU結構，后又發展到總線不出模塊大模塊結構，性能大大提高，到了廣泛應用。華中理工大學研制微機保護也是從8位CPU，發展到以工控機核心部分為基礎32位微機保護。
南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎微機線路保護，已到大面積推廣，目前也研究32位保護硬件系統。東南大學研制微機主設備保護硬件也了多次改進和提高。天津大學一開始即研制以16位多CPU為基礎微機線路保護，1988年即開始研究以32位數字信號處理器(DSP)為基礎保護、控制、測量一體化微機裝置，目前已與珠海晉電自動化設備公司合作研制成一種功能齊全32位大模塊，一個模塊就是一個小型計算機。采用32位微機芯片并非只著眼于精度，精度受A/D轉換器分辨率限制，超過16位時轉換速度和成本方面都是難以接受；更重要是32位微機芯片具有很高集成度，很高工作頻率和計算速度，很大尋址空間，豐富指令系統和較多輸入輸出口。CPU寄存器、數據總線、址總線都是32位，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務轉換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數部件都集成CPU內。
電力系統對微機保護要求不斷提高，保護基本功能外，還應具有大容量故障信息和數據長期存放空間，快速數據處理功能，強大通信能力，它保護、控制裝置和調度聯網以共享全系統數據、信息和網絡資源能力，高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺PC機功能。計算機保護發展初期，曾設想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設想是不現實。現，同微機保護裝置大小相似工控機功能、速度、存儲容量大大超過了當年小型機，，用成套工控機作成繼電保護時機已經成熟，這將是微機保護發展方向之一。天津大學已研制成用同微機保護裝置結構完全相同一種工控機加以改造作成繼電保護裝置。這種裝置優點有：(1)具有486PC機全部功能，能滿足對當前和未來微機保護各種功能要求。(2)尺寸和結構與目前微機保護裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣工作環境，成本可接受。(3)采用STD總線或PC總線，硬件模塊化，不同保護可任意選用不同模塊，配置靈活、容易擴展。
繼電保護裝置微機化、計算機化是不可逆轉發展趨勢。但對如何更好滿足電力系統要求，如何進一步提高繼電保護可靠性，如何取更大經濟效益和社會效益，尚須進行具體深入研究。\
2.2 網絡化
計算機網絡作為信息和數據通信工具已成為信息時代技術支柱，使人類生產和社會生活面貌發生了根本變化。它深刻影響著各個工業領域，也為各個工業領域提供了強有力通信手段。到目前為止，差動保護和縱聯保護外，所有繼電保護裝置都只能反應保護安裝處電氣量。繼電保護作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍。這主缺乏強有力數據通信手段。國外早已提出過系統保護概念，這當時主要指安全自動裝置。因繼電保護作用限于切除故障元件和限制事故影響范圍(這是首要任務)，還要保證全系統安全穩定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統運行和故障信息數據，各個保護單元與重合閘裝置分析這些信息和數據基礎上協調動作，確保系統安全穩定運行。顯然，實現這種系統保護基本條件是將全系統各主要設備保護裝置用計算機網絡聯接起來，亦即實現微機保護裝置網絡化。這當前技術條件下是完全可能。
一般非系統保護，實現保護裝置計算機聯網也有很大好處。繼電保護裝置能夠到系統故障信息愈多，則對故障性質、故障位置判斷和故障距離檢測愈準確。對自適應保護原理研究已很長時間，也取了一定成果，但要真正實現保護對系統運行方式和故障狀態自適應，必須獲更多系統運行和故障信息，實現保護計算機網絡化，才能做到這一點。
某些保護裝置實現計算機聯網，也能提高保護可靠性。天津大學1993年針對未來三峽水電站500kV超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護原理，初步研制成功了這種裝置。其原理是將傳統集中式母線保護分散成若干個(與被保護母線回路數相同)母線保護單元，分散裝設各回路保護屏上，各保護單元用計算機網絡聯接起來，每個保護單元只輸入本回路電流量，將其轉換成數字量后，計算機網絡傳送給其它所有回路保護單元，各保護單元本回路電流量和從計算機網絡上獲其它所有回路電流量，進行母線差動保護計算，計算結果證明是母線內部故障則只跳開本回路斷路器，將故障母線隔離。母線區外故障時，各保護單元都計算為外部故障均不動作。這種用計算機網絡實現分布式母線保護原理，比傳統集中式母線保護原理有較高可靠性。一個保護單元受到干擾或計算錯誤而誤動時，只能錯誤跳開本回路，不會造成使母線整個被切除惡性事故，這象三峽電站具有超高壓母線系統樞紐非常重要。
由上述可知，微機保護裝置網絡化可大大提高保護性能和可靠性，這是微機保護發展必然趨勢。
2.3 保護、控制、測量、數據通信一體化
實現繼電保護計算機化和網絡化條件下，保護裝置實際上就是一臺高性能、多功能計算機，是整個電力系統計算機網絡上一個智能終端。它可從網上獲取電力系統運行和故障任何信息和數據，也可將它所獲被保護元件任何信息和數據傳送給網絡控制中心或任一終端。，每個微機保護裝置可完成繼電保護功能，無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數據通信功能，亦即實現保護、控制、測量、數據通信一體化。
目前，測量、保護和控制需要，室外變電站所有設備，如變壓器、線路等二次電壓、電流都必須用控制電纜引到主控室。所敷設大量控制電纜要大量投資，使二次回路非常復雜。將上述保護、控制、測量、數據通信一體化計算機裝置，就安裝室外變電站被保護設備旁，將被保護設備電壓、電流量此裝置內轉換成數字量后，計算機網絡送到主控室，則可免除大量控制電纜。用光纖作為網絡傳輸介質，還可免除電磁干擾。現光電流互感器(OTA)和光電壓互感器(OTV)已研究試驗階段，將來必然電力系統中到應用。采用OTA和OTV情況下，保護裝置應放距OTA和OTV最近方，亦即應放被保護設備附近。OTA和OTV光信號輸入到此一體化裝置中并轉換成電信號后，用作保護計算判斷；另作為測量量，網絡送到主控室。從主控室網絡可將對被保護設備操作控制命令送到此一體化裝置，由此一體化裝置執行斷路器操作。1992年天津大學提出了保護、控制、測量、通信一體化問題，并研制了以TMS320C25數字信號處理器(DSP)為基礎一個保護、控制、測量、數據通信一體化裝置。
2.4 智能化
近年來，人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規劃、模糊邏輯等電力系統各個領域都到了應用，繼電保護領域應用研究也已開始。神經網絡是一種非線性映射方法，很多難以列出方程式或難解復雜非線性問題，應用神經網絡方法則可迎刃而解。例如輸電線兩側系統電勢角度擺開情況下發生渡電阻短路就是一非線性問題，距離保護很難正確作出故障位置判別，造成誤動或拒動；用神經網絡方法，大量故障樣本訓練，樣本集中充分考慮了各種情況，則發生任何故障時都可正確判別。其它如遺傳算法、進化規劃等也都有其獨特求解復雜問題能力。將這些人工智能方法適當結合可使求解速度更快。天津大學從1996年起進行神經網絡式繼電保護研究，已取初步成果。可以預見，人工智能技術繼電保護領域必會到應用，以解決用常規方法難以解決問題。
3 結束語
建國以來，我國電力系統繼電保護技術經歷了4個時代。電力系統高速發展和計算機技術、通信技術進步，繼電保護技術面臨著進一步發展趨勢。國內外繼電保護技術發展趨勢為：計算機化，網絡化，保護、控制、測量、數據通信一體化和人工智能化，這對繼電保護工作者提出了艱巨任務，也開辟了活動廣闊天。
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