南瑞变压器保护装置说明书_南瑞就地化保护|快速升级为数字变电站的新方案...

继电保护的简要历史

最早的继电器拒信是集成在高压开关内&＃xff0c;1905年之前就出现了&＃xff0c;最开始的时候是过流继电器&＃xff0c;然后是具有延时特性的过流继电器。直到上个世纪60年代&＃xff0c;继电器都是机电型的。

机电型继电器

机电型继电器有以下几种类型&＃xff1a;

• 电磁型&＃xff0c;如&＃xff0c;中间继电器

• 感应型&＃xff0c;如&＃xff0c;电流继电器

• 电机驱动的继电器

• 热簧片继电器

• 弹簧线圈继电器&＃xff0c;如时间继电器

在中国&＃xff0c;上世纪90年代以前&＃xff0c;大部分的中低压保护采用的都是机电型继电器。像现在小朋友们玩的乐高一样&＃xff0c;每一个功能&＃xff0c;都是若干个继电器组合而成的。具体的功能设计图纸&＃xff0c;和现在我们看到的可编程逻辑控制器PLC上所使用的梯形图是非常相似的。典型的过流保护&＃xff0c;由分相的电流继电器&＃xff0c;启动时间继电器&＃xff0c;再启动中间继电器&＃xff0c;经过开关的防跳回路动作于跳闸。

机电型继电器的测试&＃xff0c;使用的测试设备&＃xff0c;最典型的叫做“水阻”&＃xff0c;也就是在水桶中放入金属导体&＃xff0c;通过导体与水的接触面积&＃xff0c;调节整个回路的电阻值&＃xff0c;控制电流输出。

机电型继电器的定值调整&＃xff0c;完全是调节继电器的机械实现&＃xff0c;具有游丝的电流或时间继电器&＃xff0c;可以大致根据刻度机型整定&＃xff1b;但一些中间继电器和热继电器&＃xff0c;完全靠人工调整行程或螺丝松紧完成。因此&＃xff0c;过去的继电保护工程师&＃xff0c;一般都具有修表师傅一样的技巧&＃xff0c;是供电公司里最受人尊重的“高技术人才”。

整流型继电器

到上世纪40年代50年代之间&＃xff0c;继电保护的原理已经不能满足于简单的过流、过压进行判断了&＃xff0c;瑞典的科学家发明了mho继电器&＃xff0c;也就是阻抗继电器。

阻抗已经不再是数轴上的一维幅值变化&＃xff0c;它是复平面上&＃xff0c;表示电压和电流的相位关系。怎样用继电器&＃xff0c;表示复平面上的向量特征呢&＃xff1f;

比较简单的是功率方向继电器&＃xff0c;利用复数的共轭特征&＃xff0c;把方向特性&＃xff0c;转换为两个幅值之间的比较&＃xff0c;如下图&＃xff1a;

这里面我们看到有整流回路&＃xff0c;两个向量整流后&＃xff0c;成为可比较的标量&＃xff0c;结果输出到极化继电器(polarized relay)&＃xff0c;再驱动中间继电器&＃xff0c;动作于跳闸。

整流型继电器最大的特点是有很多电位器&＃xff0c;用来调节向量的输出。在整流继电器时代&＃xff0c;我们的测试设备是这样的&＃xff1a;

这个巨大的铁疙瘩叫做“感应移相器”&＃xff0c;用于调整输出到继电器的电压与电流之间的相位。这个时期的继电保护工程师&＃xff0c;基本都是大力士&＃xff0c;搬过移相器的人都知道~

集成电路型继电器

集成电路是南瑞继电保护的开端&＃xff0c;南瑞第一款成功的商业产品就是集成电路保护(应该是这样的)。世界上第一个集成电路保护产生于上世纪60年代&＃xff0c;我们很遗憾&＃xff0c;不能找到南瑞的集成电路保护的图片&＃xff0c;暂且以一张国外的经典产品来替代吧

集成电路从某种意义上来说&＃xff0c;是第一代数字化的保护&＃xff0c;保护装置内部大量地使用IC集成电路芯片&＃xff0c;如&＃xff0c;“与或”逻辑、计数器、模拟放大器、比较器等等。

集成电路保护的调试整定&＃xff0c;通过上面的图片&＃xff0c;可以看到使用了很多拨码开关&＃xff0c;调整相对容易了很多。但此时的板件级维修是非常复杂的&＃xff0c;需要使用示波器、万用表、计数器等逐个逻辑验证。

上世纪90年代&＃xff0c;中国大批量地使用了集成电路保护&＃xff0c;那个时期锻炼出来的继电保护工程师&＃xff0c;每个都是精通系统、电子的前沿人才。到了广泛推广微机保护后&＃xff0c;再也没有机会给新的维护工程师&＃xff0c;从产品设计原理上真正的现场培训了

微机保护

微机保护&＃xff0c;或称为“基于微处理器的继电保护”&＃xff0c;最早是南北两个工程院院士在90年代中期完成的。

和计算机的发展历史相同&＃xff0c;模拟量在采样板上变为数字信号后&＃xff0c;一代代的微机保护不停地重复算法优化&＃xff0c;并逐渐完善了通信功能。最开始使用的intel的8080芯片&＃xff0c;80196芯片&＃xff0c;80296芯片&＃xff0c;到后来TI&＃xff0c;Analog&＃xff0c;freescale等芯片供应商的DSP&＃xff0c;SoC等等。对于维护的工程师来说&＃xff0c;保护变成了一个黑盒子&＃xff0c;因此新世纪的继电保护工程师将成为“迷失的一代”。

61850是什么&＃xff1f;

微机保护广泛使用以后&＃xff0c;海外的继电保护制造商发现&＃xff0c;虽然保护装置内部实现了数字逻辑&＃xff0c;但装置与装置之间的逻辑仍然需要通过电气量进行连接&＃xff0c;一根铜质的电缆芯上&＃xff0c;只能交换一个电气量信号。既然&＃xff0c;通信可以实现串行&＃xff0c;一根通信电缆同时(实际上是异步)传送多个信号&＃xff0c;一个字节上的每个bit&＃xff0c;那么为什么继电保护不能应用通信交换逻辑呢。

ABB最早在它的保护装置上使用了GSSE&＃xff0c;即&＃xff0c;通用变电站事件。它把装置之间交换的信息使用通信的方式完成了。

实际上61850是在1988年UCA根据通信技术的发展&＃xff0c;有IEEE TC57 WG10工作组&＃xff0c;开始制定的一系列标准。它基于TCP/IP协议&＃xff0c;实现了用于管理目的的制造报文系统MMS&＃xff0c;用于逻辑交互的通用面向对象的变电站事件GOOSE&＃xff0c;以及数字采样SMV&＃xff0c;同时规定了相应的基于SCL(一种XML Schema)的模型体系。

尽管欧洲主流的继电保护制造商主导了61850的制定&＃xff0c;但61850在欧洲、北美推广并不像中国这么快。主要原因是&＃xff0c;欧洲北美更多是市场行为&＃xff0c;使用寿命内的设备很少更换&＃xff0c;同时&＃xff0c;61850中关于SMV的部分&＃xff0c;还存在很多的不确定性&＃xff1a;

• 相应的电子式/光互感器并不成熟

• SMV网络的延时具有不确定性&＃xff0c;而基于矢量判断的继电保护&＃xff0c;在多矢量判据中需要精确的时间断面

• SMV过度依赖于对时

• SMV增加了继电保护的环节&＃xff0c;一般的继电保护基本不依赖于外部设备&＃xff0c;而是用SMV后&＃xff0c;增加了合并单元&＃xff0c;因此合并单元故障&＃xff0c;将导致系统完全失效。

所以&＃xff0c;我们在海外看到ABB&＃xff0c;Siemens等投入了那么多数字变电站工程&＃xff0c;基本上还是仅仅使用GOOSE和MMS&＃xff0c;直到今天都是这样。

为什么需要就地化保护&＃xff1f;

中国的智能变电站&＃xff0c;经历了一段突飞猛进的发展&＃xff0c;全国110kV以上变电站基本实现了保护微机化。新建变电站&＃xff0c;基本都采用了61850标准&＃xff0c;即智能变电站。

在使用合并单元&＃xff0c;智能终端的智能变电站&＃xff0c;经过一段时间的运行&＃xff0c;我们发现存在以下问题&＃xff1a;

• 保护的整体可靠性下降&＃xff0c;传统的继电保护是1个装置、智能站要由3个装置实现&＃xff0c;按照失效模式分析&＃xff0c;系统故障的风险增加了2倍

• 采用组网的SMV网络&＃xff0c;增加了工业以太网交换机&＃xff0c;即增加了故障率&＃xff0c;也极大地增加了投资

• SMV网络过度依赖于对时

这些问题&＃xff0c;使得我们需要重新考虑继电保护的设计&＃xff0c;在引入61850时&＃xff0c;我们过度地强调了功能分散&＃xff0c;分层分布的好处&＃xff0c;但实际上61850对IED设计上&＃xff0c;并没有主张逻辑设备、逻辑节点、逻辑功能的完全拆散&＃xff0c;而仅仅是在模型表述上使用了通用的XML结构&＃xff0c;便于不同逻辑之间的信息交互。

因此&＃xff0c;在首席科学家郑玉平博士带领下&＃xff0c;南瑞的国家重点实验室——智能电网实验室团队开发了就地化保护&＃xff1a;

它实现了&＃xff1a;

• 网络简化

• 不依赖对时的采样系统

• 降低了保护动作延时

• 提高了系统可靠性

解决了保护、合并单元、智能终端三合一问题&＃xff0c;那为什么还要就地化呢&＃xff1f;这是因为保护安装在电流互感器旁&＃xff0c;由电流互感器到保护的电缆减少到最短。我们知道&＃xff0c;电流互感器的二次负荷&＃xff0c;直接与二次的阻抗相关&＃xff0c;每减少100米电缆&＃xff0c;意味着二次电阻减少0.3~0.5欧姆左右&＃xff0c;极大地降低了互感器饱和发生的概率。另外的好处是&＃xff0c;减少了屏柜数量&＃xff0c;减少了保护安装所占用的室内面积&＃xff0c;对变电站整体投资会影响非常大。

另外&＃xff0c;作为一种趋势&＃xff0c;一次设备(断路器)与二次设备融合&＃xff0c;需要提前准备。“未来已来&＃xff0c;无人幸免”&＃xff0c;这个时候&＃xff0c;我们再回到1900年&＃xff0c;最早的继电保护集成在开关里&＃xff0c;接下来&＃xff0c;历史就是这样的规律&＃xff0c;未来的继电保护&＃xff0c;小型化、多功能、完全支持网络互联&＃xff0c;重新回到了一次设备。

跨间隔的保护怎么办&＃xff1f;

如果我们熟悉ABB或Siemens的产品&＃xff0c;你会发现&＃xff0c;当一个新建变电站采用了他们的产品后&＃xff0c;未来扩展必须使用它们的设备。这是因为&＃xff0c;他们设计的母线保护或变压器保护&＃xff0c;都是分布式设计&＃xff0c;扩建新的间隔&＃xff0c;要接入上述系统&＃xff0c;还要采购同型号设备&＃xff0c;此刻&＃xff0c;我们是不是有一种“满满都是套路”的感觉&＃xff1f;

中国的供应商&＃xff0c;习惯于提供这样的产品——尽可能满足未来拓展&＃xff0c;即预留有冗余间隔。变电站扩建时&＃xff0c;直接接入。但这种思路的问题是&＃xff1a;

• 冗余多少呢&＃xff1f;

新的就地化保护&＃xff0c;采用了国际通行的分布式结构&＃xff0c;一个母线单元可以最多扩展32个支路&＃xff01;变压器可以有8个线圈&＃xff01;甚至测控系统&＃xff0c;可以通过级联的方式进行最大化地扩展。

这个可扩展系统&＃xff0c;中央单元与子单元之间采用双环网&＃xff0c;无缝切换的方式&＃xff0c;最大地保证了系统可靠性。同时&＃xff0c;主单元所及环网&＃xff0c;还可以划分为子环&＃xff0c;以保证每个环内的数据流量可控。

延伸阅读&＃xff1a;

数字变电站设计——越简单越好

中国的数字化变电站往哪里去&＃xff1f;

工程应用

在东北漠河&＃xff0c;极寒天气

在吐鲁番&＃xff0c;高温

在漠河该系统捕捉到一次区内故障&＃xff0c;保护动作延时相对一般的智能站保护缩短6ms

小结

就地化保护&＃xff0c;不仅仅是把保护装置重新安装到了开关场&＃xff0c;而是简化了网络通信&＃xff0c;采用直采直跳方式&＃xff0c;降低了动作时间&＃xff0c;保证了系统可靠性。新的就地化保护经过严苛的环境考验&＃xff0c;在系统真正故障时能够快速可靠动作。

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