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摘要 文章对继电保护系统在计算机、通信和数字信号处理技术的带动下走向信息化的发展过程进行了介绍，其中特别对小波变换在DSP中的应用作了分析。最后，就有关继电保护信息化的一些问题，包括信息共享对安全的影响进行了讨论。 传统的继电保护专业性很强，并以“事先整定、实时动作、定期检验”为其特征，很少触及到装置或系统的经常自检、远方监控、信息共享、动态修改定值的自适应等问题。 当代继电保护技术的发展，正在从传统的模拟式、数字式探索着进入信息技术(IT)领域，从而导致了上述传统格局的变化。由于继电保护在电力系统安全运行中所处的重要地位，这样的发展必然是渐进的。 当前，继电保护中信息技术的特征，主要表现在以下几个方面： (1)自诊断和监视报警； (2)远方投切和整定； (3)信息共享，多种保护集成； (4)促使综合自动化的发展； (5)波形识别，由稳态发展到暂态； (6)提供动态修改定值的可能。 1 继电保护进入IT领域的发展过程 继电保护进入信息技术领域，是计算机技术、通信技术和数字信号处理(DSP)技术发展的结果。 早期，电力系统的安全运行主要靠“事先整定、实时动作”的各种继电保护和自动重合闸等当地的自动装置来保证。即使远动装置的出现，承担了远方监视调度的“四遥”功能，甚至实现了无人值班变电站和水电站，但上述保证安全运行的格局仍未改变。 计算机进入调度以后，一度发生过计算机和远动两个专业的交叉。在我国，差不多经过一个年代的时间，才在监视控制和管理系统SCADA/EMS/DMS的旗帜下，把调度所内的“远动”和“计算机”统一到“自动化”上来。此时，传统的继电保护和自动装置功能，不仅巍然不动，而且还发展了“故障测距”、“故障录波”等现场自动装置。 但是，随着计算机技术、通信技术和数字信号处理(DSP)技术的发展，这个格局受到了冲击，慢慢地发生了变化。这个变化，首先是从远动专业开始的。 80年代末90年代初，数字信号处理(DSP)技术的应用，导致免变送器RTU的问世。而免变送器RTU的问世，不仅使得随一次设备分散布置的分散式RTU很快地发展起来，而且还提供了强有力的功能综合优化手段。如电压、功率和电度的测量，以前需要通过三种不同的变送器来实现，而免变送器的RTU直接从CT、PT采样电流电压波形，通过分析计算，不仅可以得出电压、有功无功功率和有功无功电度，还可对基波与谐波进行分析，进一步计算出功率因数、频率以及零序负序参数等的值。在变电站自动化中，这种分散布置的RTU模块通称为测量控制单元或I/O单元。 与此同时，变电站站内传统的各种继电保护和重合闸、故障测距、故障录波等自动装置，同样受到DSP的冲击。直接从CT、PT采样电流电压波形，通过分析计算，不仅可以对各种继电保护的运行值和整定值进行比较，实现其保护功能。而且，还可和重合闸、故障测距、故障录波、小电流接地系统单相接地选线等功能综合在一起，随一次设备分散布置。在变电站自动化中，这种分散布置的保护和自动装置模块通称为保护单元。 I/O单元和保护单元的出现，使得传统的集中控制的变电站自动化系统除变电站级的中央单元外，增加了一层由I/O和保护单元组成的间隔级（bay level）。因此，I/O和保护单元有时也统称为间隔级单元。不同的是，I/O单元主要是面向正常运行方式，而保护单元则是用于故障环境。因此，两者对CT变比的要求是不同的。 中央单元和间隔级单元之间一般采用光缆连接, 并通过信息共享实现诸如“室内五防、室外四防”的软件闭锁，取代或简化传统上较为复杂的二次闭锁回路。此外，中央单元还承担少量公用的I/O和管理任务，如接入对时用的全球定位系统(GPS)信息、无人值班时的入门监视和烟雾报警，以及和环网上的FTU配合实现信息转发、环网控制和接地选线等。这样，通过高一层次的综合优化，组成了变电站的自动化系统。 由于这种分散式的变电站自动化系统具有节约投资和安全可靠的特点，在配电到输电变电站的无人值班设计中，得到了广泛的应用。如1994年10月，华北电力集团公司输变电访日代表团去日本考察的东山梨500 kV变电站、新西广岛500 kV变电站和九州电力公司500kV中央变电站，都是采用分散布置的自动化系统。 应该看到：由计算机技术、通信技术和数字信号处理技术带动的信息化方向，从远动开始、经继电保护和自动装置，正向传统的能量计费领域挺进。 2 数字信号处理DSP技术的发展 计算机技术和通信技术（含GPS）的发展，带动了信息产业，甚至导致信息时代的到来，已是人所尽知的了。但对于电力行业而言，还不可忽视数字信号处理(DSP)技术的发展，特别是DSP对继电保护技术发展的影响。没有DSP技术的应用，就难以出现象10 kV开关柜门上集测量、控制和保护，甚至电度表计于一体的综合自动化设备，500 kV线路上的行波测距和保护也将碰到难以克服的困难。 用于交流直接采样的DSP，理论上并不复杂，但要作到速度快（至少每周采样96点，抽样16点计算出从基波到2～7各次谐波）、精度高（支持0.2级能量表计）、温湿度范围大（－40～+85℃，相对湿度95%），并能通过各种国际标准的抗振、抗干扰、抗腐蚀检验，就很不容易。这要涉及硬件和软件两方面的问题。 就硬件而言，除了上面所说的采样速度、采样精度和环境条件外，还有两个问题。一是DSP的实现是采用分立元件或是集成的DSP芯片，而DSP芯片又有民用品、工业品和军用品之分；二是将来自CT/PT或传感器的电流/电压波形信号送入DSP前的互感器隔离和线性变换。其整体费用将随精度的提高而非直线上升（如一块进口的、能切断60～80 A电流的1级单相多功能数字分时电度表，含运费关税在内每只才300来元，而0.2级的三相表就将接近10000元）。电流/电压的波形信号采样完成后，就要由软件进行分析计算。 软件分析计算的速度和精度，主要取决于所采用的分析计算方法。分析计算实际上包括三个部分：一是对波形进行分析，得出基波和各次谐波；二是根据电工原理，计算出基波和各次谐波的电流/电压值；三是按照部件的功能要求，计算出所需的电工参数或继电保护的动作值。对波形信号的分析则是影响分析计算速度和精度的关键。 当前，普遍采用傅立叶变换来进行波形分析。对于正常运行状态下的电力系统，主要是对稳态下的基波和谐波进行分析，傅立叶变换显然是一个十分有效的工具。这就是为什么DSP技术首先在远动系统中得到应用，并迅速发展起来的原因。但对面向提取和识别电力系统故障信息的继电保护而言，仅满足于当前利用故障分量中的工频或稳态分量来实现保护，就将会在实现诸如行波和超高速保护时，为解决快速动作与可靠性的矛盾而碰到困难。因为，傅立叶变换对建立在反应故障暂态分量基础上的行波和超高速保护，已显得无能为力。这时，就要用到80年代末发现90年代兴起的一种称为小波(wavelet)变换的分析方法。 3 小波变换 傅立叶变换和小波变换的主要差别是：傅立叶变换是把一个信号波形分成不同频率的正弦波之和，而小波变换则是把一个信号波形分成不同尺度和位置的小波之和。小波是一个振荡波形，最多持续几个周期。但小波各式各样，而且还会不断发现新的小波及其函数。 可见，傅立叶变换是一个纯频域的分析方法，在时域上没有任何分辨能力。而输电线路故障后的暂态行波是一个突变的信号，用纯频域的傅立叶变换是难以分析的，它既不能得出暂态行波到达观测点的准确时刻，也不能确定行波的幅度和极性。因此，对利用故障暂态行波实现保护和故障测距来说，傅立叶变换可以说是无能为力的。小波变换这个新的数学分支，是数学界和信号分析界在寻求纯频域和纯时域两者接合的分析方法中，出现的一个时频局部化分析的思想，即同时提供一个信号的时域和频域的局部化（持续几个周波）信息。理论和实践表明，小波变换是分析非平稳变化信号或突变信号的最有效的分析方法。 由于小波变换具有良好的时、频局部化分析能力，能对信号或图象的任何微小细节进行分析。如用小波变换对一个突变的锯齿形波进行分析，在每秒采样256次的条件下，可用16个小波来表示；如采用傅立叶变换，由于很难分析信号中间的突变部分，则需用256个正弦波才行，这就限制了它的实际应用。因此，小波变换是利用故障暂态行波实现保护和故障测距的最有效的分析方法。尽管小波变换在继电保护中的应用尚处于起步阶段，但已在行波测距中取得了令人鼓舞的结果，目前已达到仅100 m的测距误差，显示出诱人的前景。 4 继电保护进入IT领域后的几个问题 当前，我国电力工业正发展到一个重要的历史阶段：国家电力公司的成立，标志着“公司化改组、商业化运营、法制化管理”的开始；同时，电网调度自动化的SCADA/EMS刚站稳脚根，城网建设改造、配电系统自动化和电力市场随之提上了日程；此外，无人值班变电站自动化是否影响安全的担心才放下不久，电力市场是否会冲击安全的阴影又悄悄袭来。 在对继电保护进入IT领域的发展过程作了如上回顾之后，结合当前形势，应当注意下列发展中的几个问题： (1)信息共享导致了综合自动化 从整个电力系统自动化领域来看，计算机和通信技术带动了各种模拟式装置或系统向数字式方向发展，而DSP的应用则进一步导致了这些自动装置的信息化，其波及面从远动、继电保护、自动装置直到多功能的分时能量计费系统。信息化的主要特点是信息的有效利用和共享，极大地提高装置或系统的性能价格比。因此，电力部门各种自动控制系统的综合优化设计，就是可以理解的了。专业性很强的继电保护，将通过信息共享，除了实现多种保护的集成(如将变压器差动保护与过流保护集成在一起)外，还将组成各种象变电站自动化那样高“性能价格比”的自动化装置和系统。 (2)保护概念的延伸 传统上，电力系统继电保护的专业范围可用系统保护和元件保护来概括。进入信息技术领域后，保护的概念已从传统的元件级经间隔级而延伸到设备级。如传统上由速断、过流或距离保护实现的线路保护，除随线路开关分散到间隔级外，有的还增加了11个周波（开关动作前为1个周波）的录波功能，用以检测开关的断弧状况、在线监测开关的动作寿命。此外，保护的概念还延伸到设备的非电气部分，如变压器的瓦斯保护那样，和“电鼻子”等专用的检测装置相配合，在线监测变压器SF6漏气或由于油温升高而产生的氢气状况等。当然，设备级的出现随之也带来了相关的接口和通信协议标准等问题。 (3)小波变换技术开拓了暂态控制的新局面 小波变换技术使用得最成功之处是信息压缩，它在通信系统和图象处理上已取得了惊人的成果。美国Houston两位华人学者利用小波技术参与开发出来的HARC-Compression，大大突破了JPEG和MPEG-II图象和动画压缩标准，最高达480∶1。第一个使用权就以100多万美元售出，引起了轰动。电力系统范围内，在IT的推动下除引发传统自动化的变革外，还发展了一些新的装置或系统，如利用DSP和GPS实现线路传输功角的监测等。而DSP中小波变换技术的发展，将开拓暂态控制的新局面。传统上承担电力系统紧急状态下安全控制、以捕捉和识别电力系统故障信息为己任的继电保护，已在行波测距中作出了成绩。随着小波变换技术应用于测距、保护，乃至向动态控制的方向发展，必将进一步推动和提高整个基于DSP的电力系统自动化水平。 (4)保护和自动化的关系日益密切 我国电力系统自动化在信息共享、综合优化的实践过程中，由“远动”和“计算机”统一到“自动化”，差不多经历了整整十年。现在，由变电站自动化带头，又提出了“保护”和“自动化”的关系问题，并涉及运行管理和生产制造两个方面。就运行管理而言，与传统的“事先整定、实时动作、定期检验”不同，保护的经常自检、远方投切、远方整定、报警处理以及故障录波信息的收集和处理等，需要在运行导则中有所规定，更不用说如国外有的电网开展的紧急状态下动态修改保护定值、并称之为“自适应保护”的作法了。至于生产制造方面，从环网控制到配电变电站已经广泛出现了保护和自动化厂家的合作或交叉。为了保证电力系统的安全运行，这也需要在有关的保护设计导则中，对用于各个环节的继电保护装置或系统，统一予以规范。 (5)共同面对安全问题的挑战 环网控制和变电站自动化所带来的责任分工和安全保证尚未完全解决，电力市场是否会冲击安全的阴影又接踵而至。特别是电力市场开放到配电市场后，对原有EMS/DMS应用软件的某些修改，不可避免地会增加一些电网安全运行的复杂因素。这的确对电力系统的安全运行提出了一些新的问题，需要有关方面共同去迎接这些挑战。 就继电保护而言，在五彩纷呈的信息共享和技术交叉中，应始终保持继电保护的独立性。应该说，正常运转的“变电站自动化”和“电力市场”，都不应也不会威胁到继电保护为保证电网安全运行所必需的这个独立性。对于变电站自动化，无论保护和I/O单元是在间隔级还是在变电站级集成，保护均应能在集成系统崩溃的情况下分别独立工作。至于电力市场，尽管开放到配电市场后电网会出现一些诸如冲突分析和阻塞管理等新问题，运行方式也因多变而可能增加一些保护整定上的复杂性，但仍不应影响保护在预知条件下的正常工作。当然，确保保护自动装置本身的可靠性和适应性，仍然是最重要的。 |
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继电保护中的信息技术
时间:2014-03-25 09:58来源: 作者:鄂电电力 点击:
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