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大型发变组微机继电保护算法及其实用方案的研究摘 要随着电力工业的不断发展，600MW及以上大型发电机组将成为电力系统的主力机组，这些机组的运行状况的好坏将直接影响到电力系统的稳定、安全可靠和经济运行。因此，研究可靠性高、适应性强的大型发变组保护系统具有非常重要的理论和工程价值。本文基于此背景进行本论文的研究工作，主要内容包括：第一章和第二章首先综述了当前电力系统中发电机变压器组微机继电保护的现状和发展，然后介绍了两种保护新原理，即故障分量保护原理和自适应原理在发变组保护中的应用，指出了两种新原理在产品化实施过程中存在的问题。第三章基于保护功能化模块的可靠解耦，研究了各保护功能模块的算法，如交流量的谐波分量和序分量的计算，并处理频率偏移和衰减非周期分量等因素对算法的影响；实现了开方、求相角等一些保护功能的计算基础方法；以及软件测频、功率和阻抗等的算法设计。算法紧紧依托发变组保护的需要，并考虑应用中可能面临的具体问题，比如不同采样频率（12、24或36点采样）情况下保护算法的通用性和稳定性。第四章根据软件工程的思想，采用软件的分层设计思想和模块化的程序设计方法，以功能为核心进行适当解藕，提取通用功能要素，形成单元模块，并选择恰当的分解点，考虑到模块的“冗余”设计，完成模块的定型化，便于模块的改型与更新。发变组微机保护以系统功能模块框图为基础，分解成不同层次通用模块。最后对本论文进行了总结。关键词：发变组 微机保护算法 故障分量原理 自适应原理 模块ABSTRACTWith the development of power industry, the large generator-transformer units above 600MW are becoming the main units, whose operation would influence stability, reliability and economy of power system. The thesis presents some research under such a background, mainly including following contents:In the first two chapters, first to summarize current status of generator-transformer unit protection, and introduce some new technology used in digital protection such as the fault component protection principle and the adaptive protection principle.In the third chapter, mainly study the practical algorithm for generator-transformer unit digital protection, which is based on uncoupling of functional module. The completed algorithms include harmonic filter, sequence filter, frequency measure in real time, and some math calculation，which is free from influence of frequency fluctuation and decaying DC component. Besides that, there is some calculating methods of power and impedance. All that algorithms are adaptive to different sampling frequency, such as 12, 24 or 36 sampled data a circle. In the fourth chapter, according to the layer technique with modularized structure of software engineering idea, this thesis disassembles the protection system configuration to functional parts. It picks up common factors as modularized units, chooses appropriate disassemble points, and thinks about redundancy, then completes all aspects of modules standardization. The disassembled system would be demonstrated by functional module frames. The final part summarizes the research result and the imperfect work.Keywords：generator-transformer unit, protection principle, the fault component protection principle, the adaptive protection principle, modularization目 录第一章 绪 论1 1.1 引言1 1.2 20012002年上半年全国电网元件保护运行与分析2 1.3 发变组保护的理论研究3 1.4 数字式发变组保护的热点问题6 1.5 国内外发变组微机保护的发展7第二章 新原理在发变组保护中的应用9 2.1 故障分量原理9 2.1.1 故障分量原理的定义9 2.1.2 故障分量的启动元件10 2.1.3 故障分量差动保护12 2.1.4 故障分量方向元件13 2.1.5 故障分量原理的优缺点14 2.2 自适应原理15 2.2.1 自适应继电保护原理的定义16 2.2.2 自适应保护分类17 2.2.3 自适应保护的前景展望19第三章 保护算法的实用化设计21 3.1 正弦函数模型的三采样值算法22 3.2 周期函数模型24 3.2.1 半周傅氏算法24 3.2.2 全周傅氏算法25 3.2.3 衰减直流分量的影响27 3.3 零点滤波器29 3.3.1 三次谐波阻波器31 3.3.2 三次谐波滤过器32 3.3.3 采样频率对于零点滤波器的影响32 3.4 保护功能的计算基础34 3.4.1 序分量的计算34 3.4.2 开方运算（复数求模算法）36 3.5 软件测频37第四章 发变组保护模块设计41 4.1 模块设计原则42 4.2 系统分解与模块系列的构成方法43 4.3 数字式发变组保护层次的构建45 4.4 保护功能模块的构建46 4.5 主设备保护双重化问题56第五章 结论和展望58参考文献60第一章 绪 论 1.1 引言我国电力工业的发展建设已进入到大电网、大机组、超高压输电阶段，随着三峡工程的竣工，将形成全国联网的局面，这就对电力系统的运行和保护提出了更高的要求。电气主设备（发电机、变压器、母线等）是电力系统中的重要元件，其运行状况在很大程度上会影响电力系统的安全稳定运行，因此主设备的故障诊断和保护就显得非常重要。对发电机来说，为了满足大电网对机组容量规模经济的要求，其单机容量在逐渐增大。一方面，单机容量的增加，机组造价提高，机组容量占电网总容量的比重加大，一旦发生事故，对国民经济造成的直接和间接损失十分巨大；另一方面，大机组材料利用率的提高，新的工艺结构、新的冷却和励磁方式等的应用，提高了大型机组的运行效率，同时也给继电保护带来了困难，如：发电机热容量相对下降，定、转子承受过热能力降低，因此，过负荷保护中的反时限特性应能更贴近机组的实际发热、散热特性等。机组安全的重要性，对机组保护装置的选择性、快速性、可靠性、灵敏性提出了更高的要求。经过多年的科研与开发，主设备保护也和线路保护一样经历了电磁式、晶体管式、集成电路式和数字式保护四个阶段。相对而言，电气主设备保护的发展滞后于线路保护的发展，主要原因是电气主设备的机电和电磁特性复杂，保护配置品种繁多，参数复杂，并且长期以来对主设备缺乏科学的故障分析工具，不像线路保护那样可以比较清楚地分析故障成因及故障过程。目前电力系统中还有一些老电厂采用传统式保护，但是新建电站的主设备基本选用数字式保护。数字式保护装置凭借其数学运算、记忆、逻辑处理、自适应性、综合决策功能，以及配置灵活等特点将逐步取代传统的电磁型保护，成为大型和超大型发电机组的主要保护设备。 1.2 20012002年上半年全国电网元件保护运行与分析一、 元件保护运行情况概述2001年运行中，全国电力系统元件保护正确动作率93.49，其中：100MW及以上发电机保护正确动作率98.18；220KV及以上变压器保护正确动作率82.54；220KV及以上母线保护正确动作率81.05；并联电抗器保护正确动作率60.00。2001年元件保护动作情况如表1.1和图1.1所示。表1.1 2001年元件保护动作情况分析表发电机保护变压器保护母线保护电抗器保护总计动作总次数8782529551230正确动作次数8622087731150不正确 动作次数误动164317278拒动112正确动作率（）98.1882.5481.0560.0093.50图1.1 2001年元件保护动作情况分析二、 发电机保护（包括发变组）、变压器保护不正确动作情况分析2001年运行中，100MW及以上发电机保护正确动作率98.18，比2000年准确动作率（97.07）提高了1.11个百分点。造成发电机不正确动作的主要原因：运行维护管理不善占发电机保护不正确动作相当大的比重。另外，影响发电机保护正确动作的还有制造质量不良、元件老化，以及原理缺陷，保护抗干扰性能差，CPU死机，元器件老化等等。2002年上半年元件保护装置共动作483次，正确动作432次，不正确动作51次，其正确动作率为89.44。2002年上半年造成100MW及以上发电机保护不正确动作的原因，主要是运行管理上的问题：有运行维护不良、整定计算错误、误碰。基建部门的调试质量不良，还有制造质量不良等等。多次造成发电机保护不正确动作原因主要有：电压互感器二次回路上端子接线松动，引起保护装置交流回路谐振产生过电压；因下雨造成发电机出口A相PT柜进水短路；发电机不对称负荷保护整定不当误动跳闸；发变组差动保护中高厂变高压侧CT变比错误；保护装置引线虚焊接触不良；纵差保护电流采样异常，保护用的A/D模块插件内部存在故障；比率制动特性偏移造成保护误动，等等。 1.3 发变组保护的理论研究针对发电机变压器保护所存在的理论问题其研究工作一直在不断进行，许多方面取得了进展，并进入实用化阶段，主要包括：一、发电机故障行为的研究对发电机故障机理认识水平的深度和广度是机组保护得以发展的基础。这方面的研究课题主要有：故障状态下发变组的电磁暂态过程研究；发电机、变压器内部故障分析方法的研究，该分析方法以多回路方法为典型代表；发电机内部故障影响因素和规律的研究。二、发变组保护原理的研究发变组保护的种类很多，不同的机组容量、不同的故障类型和故障点，采用的保护原理也不尽相同。归纳起来有下面几类：1. 内部短路的主保护方案文献15提出不完全纵差保护原理取代传统的完全纵差保护；文献16提出故障分量差动保护原理，提高灵敏度，缩小保护动作死区；文献17提到故障分量负序功率方向闭锁纵向基波零序电压来获取匝间保护；文献18讨论了转子二次谐波判据（或定子三次谐波判据）故障分量负序功率方向来构成匝间保护。文献19主要介绍了各种微机发电机差动保护的原理，文中讨论了标积制动式原理的优越性、故障分量比率制动式的实现手段的困难以及不完全纵差的优劣势等问题。文献20，21讨论了采样值电流差动保护原理。总结起来，目前发变组内部故障的主保护方案主要有：u 纵差保护（比率制动式，标积比率制动式，故障分量差动保护）；u 横差保护（单元件横差（自适应式）、裂相横差保护）；u 故障分量负序功率方向纵向零序电压（转子二次谐波或定子三次谐波）；u 不完全纵差保护。2. 定子接地保护发电机100定子接地保护基本上着眼于基波零序电压和三次谐波电压构成的双频式保护原理。1983年，K.R,Khan和B.J.Cory首先提出利用故障前后的发电机中性点三次谐波的相对变化来构成定子接地保护，使其不受负荷和振荡的影响；文献22在传统判据的基础上，采用自适应原理跟踪中性点和机端三次谐波电压，将发电机各种工况下的动作量降至最低，改善了保护灵敏度；文献23讨论了注入式定子接地保护方案，该方案具有在起停机过程中检测发电机定子接地的功能；文献24讨论了注入信号法补偿式定子接地保护，在测量回路上外加小电抗，补偿定子绕组对地容抗。总结起来，目前发电机定子接地的保护方案主要有：u 基波零序电压u 自适应式三次谐波电压式u 注入式（直流、20Hz或12.5Hz交流电源）3. 励磁回路接地保护常规电桥式保护之所以在励磁绕组中部接地时有死区，是因为此时电桥处于平衡状态。采用“乒乓”式开关切换原理，通过切换两个电子开关，求解四个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。判为一点接地后发信号，两点接地保护自动切入，继续测量接地电阻和接地位置；若再发生转子另一点接地故障，测得的接地位置将发生变化，当变化值超过整定值时，认为已发生转子两点接地故障，出口跳闸。目前发电机励磁回路接地的保护方案主要有：u “乒乓”式u 注入式4. 低励失磁保护发电机失磁保护判据主要有定子判据和转子判据两大类，其中，定子判据主要是由机端测量阻抗构成的静稳边界阻抗圆、异步阻抗圆等。由于机端测量阻抗受系统运行方式影响很大，在各种异常工况和外部短路故障时容易误动，因此需要有较强的防误动措施，造成判据的复杂化；另外，对于水轮发电机这种失磁保护方案的整定相当复杂。文献25提出了一种利用微机自动检测联系电抗的变化，自动修改静稳极限整定值的自适应发电机失磁保护；文献26提出由发电机Park方程式推导出发电机定子电量与功角的关系，从而得到一种新的发电机失磁定子判据。归纳起来，发电机低励失磁的保护方案主要有：u 定子判据（圆特性、苹果特性、或带措施躲过进相区）u 转子判据（等励磁电压判据和变励磁电压判据）5. 其它：失步保护、负序电流保护、异常运行的其它保护 1.4 数字式发变组保护的热点问题一、 保护的速动性和系统的稳定问题一般认为加快保护的动作速度可以提高系统的稳定性，但也应考虑到，对系统稳定影响不大的主设备，将保护的动作时间略微延长一点使得保护装置能确保判据的准确性，则可以大大增强保护装置的可靠性。因此，主设备对系统稳定的敏感程度分析对合理处理保护可靠性和系统稳定性之间的问题有很重要的作用二、 保护整定的讨论在比率制动式差动保护中，制动系数和制动曲线的斜率是两回事，但是在现场中往往将之混淆，不同的制动特性曲线套用同一个斜率。将发电机变压器保护整定导则和现场实际情况相结合的实用化整定软件的开发和推广使用也将是一个热点。三、 数字保护的发展和原理选择的变化（1） 继电保护的智能化上个世纪90年代以来，开展了自适应保护及人工智能技术在继电保护领域的应用研究，对于后者尽管迄今不太成熟，但在继电保护智能化方面开辟了一个崭新的领域。其主要研究方向包括：模糊数学和模糊集理论；专家系统应用研究；人工神经网络应用研究。（2） 继电保护系统的网络化网络化继电保护的作用将不只限于切除故障元件和限制故障影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行。各个保护单元都能通过网络共享全系统的运行和故障信息的数据，保护装置得到的系统故障信息越多，对故障元件故障性质、故障位置的判断就越准确。目前，对自适应原理的研究已经取得了一些成果，主要是利用就地电量和非电量信息来实现自适应保护；进一步的网络化自适应保护则基于全网信息的自适应保护，以网络为基础，真正实现对系统运行方式和故障状态的自适应变化。（3）现代数字信号处理技术微机保护通常使用的信号分析工具是傅立叶算法，它是纯频域的分析方法，在时域没有分析能力，不适合对突变信号进行时频分析。而小波分析则通过把信号分解为不同位置和尺度的小波函数，使其在时域和频域都具有良好的局部化性能。小波分析在主设备保护的应用着眼于用小波分析捕捉和处理微弱突变信号的能力进行有效的状态检测和利用小波寻找新的故障特征。 1.5 国内外发变组微机保护的发展因为大型发变组微机保护技术含量较高，国外只有少数著名的电气设备公司有相应产品，如GEC-阿尔斯通的LGPG型发电机保护装置，ABB公司的REG216型发变组保护装置，GE公司的GESDGP型发电机保护，还有西门子公司的7UM511等系列产品。与国内的机组保护产品相比，这些保护装置结构紧凑，工艺水平较高，调试软件的功能较完备，人机接口良好，问世较早，具有丰富的现场运行经验。国内微机发变组保护装置的研制始于八十年代初，主要以东南大学史世文教授带领的学术梯队为代表。1994年至1996年，先后有四套微机发电机变压器组保护装置通过鉴定。随后，国内几家主要的电气设备公司与东南大学、清华大学、华中科技大学、华北电力大学等高校合作研制，引用新原理和新的计算机技术发展成果，进一步改善发变组保护装置性能。现投入市场的有：南自的WFBZ-01和DGT801型发变组保护，许继的WFB-100型发变组保护，南瑞的LFP900系列和RCS985型发变组保护，四方的CSG300A系列发变组保护。这些装置在保护新原理的应用以及动作性能上具有一定的优势，也更符合国内的要求。经过数年的运行实践，国内的发变组微机继电保护装置积累了许多宝贵经验，同时也暴露出一些不足，例如：保护应该以简单的设计结构来提高其可靠性，在我国，由于电力系统比较薄弱，很多由系统解决的问题交由保护来解决，使得继电保护复杂而且脆弱；机组容量级别多，电压等级多，主接线类型多更使主设备保护复杂化，而且对于同样的一次设备和一次系统，由于保护人员和设计人员对保护理解的差异，保护配置的内容相差也较大。另一方面，国内三峡工程、二滩水电站等项目也逐步上马，需要开发新的保护装置以满足结构简洁明晰、性能可靠完备、硬软件模块化、配置更灵活要求。四方的CSG300A发变组保护就是在这样一种背景下开发研制，以满足不同容量等级的各种发电机变压器组的数字式成套继电保护装置，目前该系列装置已在全国十多个电厂运行，保护两次正确动作，运行稳定可靠。本课题在CSG300A发变组保护装置成功研制的基础上，充分利用数字保护的优势，采用高级语言C编程和分层模块化的设计思想，以期达到软硬件相互独立和更加完善的保护性能。第二章 新原理在发变组保护中的应用微机技术的迅速发展，促进了一些新的继电保护原理的发展。其中，故障分量原理和自适应原理是微机继电保护的一般性原理，许多新的（或改进的）保护原理都是基于这两个基本原理，如故障分量差动保护、故障分量方向保护、自适应定子接地保护等等 2.1 故障分量原理故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础。30年代以来，在继电保护技术中广泛而成功地应用了故障时出现的负序和零序对称分量。60年代以来暂态行波用于保护的研究，开辟了在继电保护技术中利用故障暂态信息的新途径。上述情况表明，不断发掘和利用新的故障信息对继电保护技术的进一步发展有着十分重要的意义。 2.1.1 故障分量原理的定义故障分量继电保护原理可表示为：从故障后电量中取出由正常网络结构和参数决定的正常分量，仅仅利用由故障分量电势单独作用产生的电量来实现继电保护的方法。可以采用迭加原理来研究故障信息的特征，在线性电路的假设前提下，可以把网络发生的故障视为非故障状态与故障附加状态的迭加，如图2.1所示。 图2.1 故障状态的分解图2.1中非故障状态包括正常运行、系统振荡、两相运行等。而故障附加状态下出现的故障分量中只含有故障信息，因此故障迭加状态可作为分析、研究故障信息的依据，故障分量具有以下主要特征：（1） 故障分量只在故障状态下出现，故障分量独立于正常状态，故障分量中含有稳态成分和暂态成分，暂态成分与故障前的状态量有关，但稳态成分不受负荷影响，但仍受系统运行方式的影响；（2） 故障点的电压故障量最大，系统中性点电压为零；（3） 电压故障分量和电流故障分量间的相位关系由保护装设处到系统中性点间的阻抗决定，且不受系统电势及负荷和过渡电阻的影响，利用故障分量电压和电流准确地判断故障方向；（4） 保护判据可以充分利用故障分量中的稳态和暂态分量。故障分量的获取一般有以下两条途径：（1） 相量计算得到和（以电流表示，表示故障分量，0表示故障前电量）： （21）（2） 直接用采样值运算，常用的有“周期比较法”，具体表达为离散格式如下： （22）其中N为每周采样数，m为半周波间隔数，m1，2，。 2.1.2 故障分量的启动元件启动元件是检测突发性故障的重要组成部分，当系统发生故障时启动元件应可靠启动；在所有非故障情况下（包括过负荷，系统振荡等）可靠不动。利用故障分量构成的启动元件有助于提高启动判据的可靠性。故障分量的启动元件一般采用瞬时采样值计算，可表示为（以电流为例） 或 （23）式中，为电流在某一时刻k的采样值；N为一个工频周期的采样点数；为电流在时刻k前一周的采样值； 为电流在时刻k前半周的采样值。为了防止电网频率变化时，启动元件误启动，可采用以下算法： （24）或 （25）当采用频率跟踪技术，保证一周波内采样次数保持为整数N时，也可消除频率变化造成的影响。当系统由故障状态恢复到正常状态时，上述启动元件仍可能动作，造成不必要的启动，可采用以下措施（以全周比较为例）： （26）上式能保证故障发生时基本上为正值，故障消失时，基本上为负值，通过连续几点判断，能够正确区别故障发生和返回状态。为了防止系统振荡时误启动，可增设一个负序启动元件： （27）式中，为负序电流k时刻采样值。总的启动元件为： （28）有一种防止系统振荡误动的启动元件：设 （29）动作判据为： 且 （210）式中，均为门限值。 2.1.3 故障分量差动保护故障分量电流由故障后电流减去负荷电流分量得到，由它来构成比率差动保护。（1）常规比率制动特性差动的动作判据如下： （211）式中，、分别为动作电流和制动电流，且有，；、分别为差动两侧的电流相量，其正方向均为指向被保护设备为正；、分别为差动电流起始值和制动特性的拐点电流值；为制动系数。图2.2 带比率制动特性的纵联差动保护动作特性（2）故障分量相量差动原理保护的动作判据如下： （212）式中，。其中，为差动电流的工频变化量；、分别为差动两侧电流的工频变化量；为固定门坎；为制动电流的工频变化量，它取最大相制动；为浮动门坎，随变化量输出增大而逐步自动提高。取1.25倍可保证门槛电压始终略高于不平衡输出，保证在系统振荡和频率偏移情况下，保护不误动。图2.3 故障分量比率差动保护的动作特性故障分量比率差动保护与常规差动保护相比：（1） 常规纵差保护制动电流中含有正常负荷电流，而故障分量纵差保护制动电流中不包含正常负荷电流，具有更稳定的制动特性，但整定最小制动电流时应注意与常规整定的比较。（2） 常规纵差保护差动电流受两侧CT变化误差及负荷电流的影响较大，故障分量纵差保护差动电流受CT变化误差影响较小，完全不受负荷电流的影响。因此，在整定最小差动电流时可整定的更小，具有更高的灵敏度。 2.1.4 故障分量方向元件理论上的三相对称短路对定子绕组实际上是不存在的，发电机内部的定子绕组短路或断线（开焊）均属于不对称故障，大型发电机的机端引线大多采用分相封闭母线，保护区内机端故障也绝非三相对称短路，因此，发电机内部故障均可视为不对称故障。发电机正常运行时，没有负序功率输出；当发电机内部故障时，由于上述不对称性，必有负序功率输出；当外部系统存在不对称短路或不对称负荷时（包括三相输电线换位不充分），负序功率是由外部系统流入发电机。因此，负序功率流向可判断发电机内部是否发生故障。为了避免发电机非内部故障或轻微内部故障时，系统不对称产生的负序功率的影响，有效的方法是采用负序功率故障分量。负序功率故障分量由下式计算： （213）式中，为负序电压故障分量相量；为负序电流分量共扼相量；为最灵敏角，应等于反动作方向上的负序阻抗角（近似700800）。外部系统的任何不对称，也必然产生定子负序电流和转子二次谐波电流，因此，转子二次谐波电流元件只能是发电机内部故障的启动元件，增加负序功率方向元件作为闭锁元件。负序功率方向元件采用动合触点，当发电机内部短路时，负序功率由发电机流入系统，方向元件动合触点闭合。为防止外部短路暂态过程中此保护瞬时误动，保护应增设0.10.2s延时。与系统并列运行发电机负序功率方向闭锁转子二次谐波定子绕组内部短路保护判据为： （214）式中：、为负序电流、电压门槛值（为避免如随机零漂等不平衡电压、电流所产生的负序电流和负序电压）；为负序功率方向元件。发电机未与系统并列运行时，该保护功能退出运行。 2.1.5 故障分量原理的优缺点反应故障分量的继电保护具有常规保护无法比拟的优点。例如，它不受正常负荷状态的影响，反应故障分量的方向元件具有明确的方向性，不受过渡电阻的影响也无电压死区。当然，故障分量原理也存在缺点：（1）不能反应电量的渐变和量值的累积，不能用于监视过负荷和由于绝缘下降而引起的异常状态，因此故障分量原理只适合于检测突发性故障；（2）目前广泛采用的算法只有在工频周期不变的条件下才是准确的，在正常运行条件下发生故障，一般可以得到满意的结果，当电力系统出现振荡，电压、电流的幅值和频率均处于不断变化中，在这种非故障状态下也会出现较大的突变量，从而使这种方法失效；（3） 如何在重复性故障的条件下获取故障信息也是一项有待进一步研究解决的问题；以故障分量差动保护为例，实现环节存在的问题主要有：启动环节：一般快速保护都有启动环节以减少CPU不必要的开销，但采用故障分量原理时，若长期处于启动状态，保护一旦没有处理好记忆和放弃记忆的关系，将可能引起误动；开始记忆的条件：正常情况不应该被记忆，那电流突变多少时才开始记忆？故障时，轻微故障应该可靠记忆；记忆的启动灵敏度与保护灵敏度相配合；外部故障切除不应该被记忆；记忆的时间长短：何时认为突变量已消失？记忆时间过长，出现非正常记忆，保护可能误动；记忆时间太短，轻微故障或发展性故障保护会由于放弃记忆而拒动；抗干扰性能：故障分量原理的抗干扰性能比较弱，可以采用微机保护算法记忆软件荣誉加以克服，但实现起来不简单。 2.2 自适应原理自适应继电保护是在上个世纪80年代提出的一个较新的研究课题，它可以定义为：根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。电力系统的运行状态（包括用户负荷的变化、设备的投切、发电机的出力变化等）处于频繁的变化之中，除此之外，电力系统中还可能发生各种类型的故障，故障可能是瞬时性或永久性的，又可能是金属性短路或经过渡电阻短路，因此适应电力系统的变化，的确是一项十分困难的工作。传统的继电保护也在力图适应系统运行方式的变化和故障状态，例如电流速断保护的整定值，按系统最大运行方式下线路末端发生三相短路考虑，过电流保护按线路的最大负荷考虑。但是，这样的定值，在其它运行方式（其中包括系统的主要运行方式）下不是最佳的；在最小运行或最不利的短路条件下，保护可能失效或性能严重变差。其它如过电流保护的反时限特性、差动保护中的制动特性，在距离保护中考虑了转换性故障以及防止系统振荡误动的方法等，都反应了自适应性能。目前计算机在电力系统保护和控制理论及相关技术的应用，为自适应继电保护的发展提供了更大的机会。采用自适应保护就必须进一步考虑电力系统运行状态和故障过程的变化。从此观点看，自适应保护实质上是一个具有反馈的控制系统。在自适应继电保护中，系统运行状态和故障过程变化的信息，可以就地获得或利用各种通信方式从相邻变电站或调度部门得到。电网调度自动化和变电站综合自动化以及微机的智能化为获得更多的有用信息并加以实时处理提供了有利条件。就地获取信息简单易行，应首先予以考虑。利用通信由远端获取信息比较复杂，对快速传送数据信息的要求也较高，但如能显著改进保护性能，且通道能满足要求，用这种方式实现自适应保护也是合理的。 2.2.1 自适应继电保护原理的定义自适应保护基本框图如图2.4所示。 图2.4 自适应保护原理基本框图 其中：整定输入确定保护动作特性的整定值；控制信号作用于保护对象的开关控制信号或告警信号；状态输出保护对象的状态信息，如电流、电压、开关状态等。自适应继电保护就是根据保护对象及其相关设备的状态参数和结构的动态变化来实现某种继电保护功能。 2.2.2 自适应保护分类根据自适应原理的不同应用，可将自适应继电保护大致分为以下几种类型：一、实时跟踪系统运行状态、调整保护定值大多数的自适应保护属于这种类型，基本思路：假设用于故障判断的电量A随着系统运行状况变化，可能在区域I的范围内取值，如图2.5所示。 图2.5 自适应整定域示意图对于常规保护而言，为了确保在系统各种运行工况下不误动，其整定的动作区间必须避开区域I，为区间II。如果采用自适应技术实时跟踪系统的运行工况，保护的动作区间只需要开一个很小的区域III就可以了，区域III仅跟保护跟踪的速度和计算精度有关。比如对于三次谐波定子接地保护：方案一：方案二：方案三：方案四： （自适应） （215）三次谐波电压随有功增加有增大的趋势，但比值变化不大，这是随着功率增加，发电机不同部位温度变化不均引起对地分布电容的变化造成的，显然这种变化是缓慢而微小的。前三个方案都具有较好的稳定性。比较而言，方案二比方案一具有较小的动作量，因而制动量更小；方案三经过相位和幅值的修正后，动作量在正常运行时理论上为零，具有更小的制动系数，制动系数应该是圆II的半径，在使用中一般整定为0.20.25。由于发电机正常运行方式的改变和系统振荡引起的机端和中性点三次谐波电压及其比值的变化，较定子接地故障引起的变化相对要缓慢得多，微机强大记忆和计算功能使保护自动跟踪这种变化，从而实现自适应保护。方案四在发电机正常工况下，动作量始终保持一个微小的量，因而制动系数的整定不受发电机结构和工况的影响，只取决于跟踪计算误差，制动系数考虑一个跟踪计算周期前后的误差为5，并计及安全系数，取圆III的半径就可以了，一般考虑一个跟踪计算周期前后的误差为5，并计及安全系数，大概在0.080.1，保护的灵敏度可提高310倍。发电机在运行过程中，绕组对地绝缘水平是逐渐下降的，接地故障往往发生在绝缘最弱的位置，尽管一般认为这种接地故障在最后发生时有一个突变过程，但这种暂态过程是复杂的，变化机理有待研究。当实时跟踪自适应方案遇上某种不明显的接地绝缘损坏时，跟踪绝缘过程可能要持续几个跟踪计算周期，解决方法之一是加长跟踪计算周期。另一种是采用后备的自适应方案：方案五： （后备的自适应） （216）其中，与发电机当时的输出功率有关，。它的基本原理是将发电机有功输出按最大功率分为若干区段，根据有功变化实时调整，使动作量保持一个微小的量，例如当有功在PkPk+1之间时，调整系数。二、根据系统状态或继电保护运行情况，自动选择不同保护算法当系统状况发生变化时，自适应继电保护还可以通过选择不同的保护算法或者改变数据窗大小的方法，来满足保护的快速性和选择性的要求。采用这种原理实现变数据窗算法原理的比率制动差动保护，基本思想：采用变数据窗的傅氏算法，在故障开始发生时，由于采样数据中故障信息较少，计算数据的误差比较大，因此自适应地提高保护的制动曲线，随着故障进一步发展，故障信息的增多，计算精度的提高，自动降低制动曲线，最终当故障信息量完全满足计算精度要求后，制动曲线达到用户整定的特性。采用这种算法，可大大加快严重内部故障的动作速度，同时丝毫不减低轻微故障时的灵敏度。如在发电机的自适应纵联差动保护中，先采用半周付氏算法，同时差动保护的速断电流、最小动作电流和制动系数都自动提高一定比例。如果半周算法得到的结果不能动作，保护自动切换成差分加全周付氏算法。三、 当系统运行状态改变时，自适应地改变保护判据针对同一种故障，在系统不同的运行状况下，不同的保护判据会有不同的效果，对于数字式继电保护而言，自适应地选用最佳的保护判据，它只需要在软件流程上调整各种算法和判据，就会使整体的保护方案在各种工况下都能有良好的特性。文献29提出的自适应过电流保护的定值和特性能够实时自动调整或改变,以适应负荷和运行方式变化的要求。 2.2.3 自适应保护的前景展望到目前为止，自适应原理继电保护还处在初期发展阶段，但现有的研究和实用化产品已有力地说明它的优越性，随着技术的不断进步，自适应原理继电保护也将在以下方面显示其强大的作用：（1）保护性能最优化保护性能最优化是在考察现有保护（包括微机保护）存在问题的基础上提出的。对电力系统继电保护的4个基本要求是选择性、速动性、灵敏性、可靠性，它们之间矛盾又统一，问题在于如何根据实际情况正确处理它们之间的辩证统