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资料 | 单纯继电器-就地化保护(继电保护简要发展史)

2021-04-05 07:43:11

内容继保、励磁、直流等二次设备技术交流、资料共享

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

  • 电磁型,如,中间继电器

  • 感应型,如,电流继电器

  • 电机驱动的继电器

  • 热继电器

  • 弹簧线圈继电器,如时间继电器


在中国,上世纪90年代以前,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,每一个功能,都是若干个继电器组合而成的。具体的功能设计图纸,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,由分相的电流继电器,启动时间继电器,再启动中间继电器,经过开关的防跳回路动作于跳闸。


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


机电型继电器的定值调整,完全是调节继电器的机械实现,具有游丝的电流或时间继电器,可以大致根据刻度机型整定;但一些中间继电器和热继电器,完全靠人工调整行程或螺丝松紧完成。因此,过去的继电保护工程师,一般都具有修表师傅一样的技巧,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,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,瑞典的科学家发明了mho继电器,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,它是复平面上,表示电压和电流的相位关系。怎样用继电器,表示复平面上的向量特征呢?


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


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


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

这个巨大的铁疙瘩叫做“感应移相器”,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,基本都是大力士,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,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,我们很遗憾,不能找到南瑞的集成电路保护的图片,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,是第一代数字化的保护,保护装置内部大量地使用IC集成电路芯片,如,“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,通过上面的图片,可以看到使用了很多拨码开关,调整相对容易了很多。但此时的板件级维修是非常复杂的,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,中国大批量地使用了集成电路保护,那个时期锻炼出来的继电保护工程师,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,再也没有机会给新的维护工程师,从产品设计原理上真正的现场培训了


微机保护

微机保护,或称为“基于微处理器的继电保护”,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,模拟量在采样板上变为数字信号后,一代代的微机保护不停地重复算法优化,并逐渐完善了通信功能。最开始使用的intel的8080芯片,80196芯片,80296芯片,到后来TI,Analog,freescale等芯片供应商的DSP,SoC等等。对于维护的工程师来说,保护变成了一个黑盒子,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?


微机保护广泛使用以后,海外的继电保护制造商发现,虽然保护装置内部实现了数字逻辑,但装置与装置之间的逻辑仍然需要通过电气量进行连接,一根铜质的电缆芯上,只能交换一个电气量信号。既然,通信可以实现串行,一根通信电缆同时(实际上是异步)传送多个信号,一个字节上的每个bit,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,即,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,有IEEE TC57 WG10工作组,开始制定的一系列标准。它基于TCP/IP协议,实现了用于管理目的的制造报文系统MMS,用于逻辑交互的通用面向对象的变电站事件GOOSE,以及数字采样SMV,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,但61850在欧洲、北美推广并不像中国这么快。主要原因是,欧洲北美更多是市场行为,使用寿命内的设备很少更换,同时,61850中关于SMV的部分,还存在很多的不确定性:

  • 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,而基于矢量判断的继电保护,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,一般的继电保护基本不依赖于外部设备,而是用SMV后,增加了合并单元,因此合并单元故障,将导致系统完全失效。


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

为什么需要就地化保护?


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


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

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

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

  • SMV网络过度依赖于对时


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


因此,在首席科学家郑玉平博士带领下,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:

合并单元+保护装置+智能终端(三合一)

它实现了:

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


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


跨间隔的保护怎么办


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


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


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


这个可扩展系统,,无缝切换的方式,最大地保证了系统可靠性。同时,主单元所及环网,还可以划分为子环,以保证每个环内的数据流量可控。

小结


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

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