智能电网继电保护研究的进展（二）
———保护配合方式的发展
张保会
1
，郝治国
1
，Zhiqian BO
2
（1． 西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049；
2． AREVA T & D UK Limited，Stafford ST17 4LX，England）
摘要
： 智能电网使得保护利用远方信息不再困难，同时要求保护的定值能够自动跟踪网架的变化并保证故
障切除后的系统坚强、自愈和高安全性。 给出了主、后备保护的新型配置方案，后备保护利用相邻变电站状
态信息，采用绝对选择性原理和多层次信息冗余，实现减少后备保护的数量并避免复杂的定值配合；以最
后一次操作后系统不平衡能量最小为依据，减少操作对系统的冲击，给出了优化重合闸整定时间的理论和
算法；以提高故障切除后系统的强壮性为目标，提出了同杆双回线的六相综合重合闸方案。
关键词
： 智能电网； 后备保护配置； 优化重合时间； 六相重合闸； 继电保护
中图分类号
： TM 711
文献标识码
： A
文章编号
： 1006 － 6047（2010）02 － 0001 － 04
收稿日期
：2009 － 11 － 11
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol．30 No．2
Feb. 2010
第
30
卷第
2
期
2010
年
2
月
0
引言
现代电网复杂网架的建设提供了多运行方式下
传输超大功率的输电能力，但使得阶段式原理的后
备保护保证选择性越来越困难，后备保护的整定、调
试和运行管理占据了保护人员绝大部分的精力，经
常担心它们误动带来的事故扩大。 超高压系统中主
保护双重化配置，故障快速切除率已经达到 99.5 ％
以上，后备保护切除故障的记录几乎为零，取消后备
保护尚觉冒进，利用广域信息简化后备、取消定值配
合，成为共同的期盼。
同塔双回线路在超高压电网中越来越多，存在
跨线故障的可能。 按照现有的重合闸方式，永久性跨
线故障将使双回线路跳闸，丧失几百万千瓦的输电
能力，并对电网的安全性和经济性造成极大危害。 若
能够保留准三相运行，可以显著提高暂稳极限，增强
电网的强壮性，充分发挥双回线的输电优势。
在坚强智能电网的建设中，保持故障切除后网
架的强壮性越来越重要。 本文简单介绍作者课题组
近 10 多年来在利用广域信息优化重合闸时间提高
输电能力、变电站集中式后备保护和同杆双回线六
相重合闸等方面的研究进展，以“抛砖引玉”、达到推
动继电保护配置配合方式发展的目的。
1
高可靠性的变电站集中式后备保护
［1-2］
变电站中每个电力元件仅仅配备主保护，快速
切除被保护元件的故障。 整个变电站配置一套（或双
备份）集中式后备保护，为本变电站元件提
供近后备
和开关失灵保护功能，还为相邻变电站元件提供远后
备保护功能。 集中式后备保护采集本变电站元件的
电压和电流信息、断路器状态信息及主保护动作信
号，接收相邻变电站的故障方向、距离段信息、断路
器状态信息及主保护动作信号。 根据实时信息，独立
判别在近、远后备范围内元件的故障，并做出跳开本
侧和远端断路器的策略。 集中式后备保护可以采用
以下具有绝对选择性的原理，避免各后备保护间的
整定配合，且可以快速动作。
扩展电流差动原理：需要同步采集全变电站连
接设备两（或三）端的电流信息，当整个变电站所有
设备的远端电流之和大于门槛值时，表明后备保护
范围内有故障，再对每个设备使用电流差动原理，甄
别出故障设备。 缺点是需要传送对端的同步电流信
编者按语
：
“智能电网”这个名词目前在世界范围内、社会各界中成为热门话题，在电力行业成为电力建设发展的目标。 继电保护作
为智能电网的重要组成部分，其功能和作用如何发展才能满足智能电网发展的要求，承担起保证电网更坚强、可自愈和能避
免大停电等任务，涉及一系列的技术环节。 科技工作者凭着电网发展的需要和实现条件的拓展，已经在多方面研究了智能电
网继电保护的原理、技术、配置配合与作用。 本组论文概略介绍西安交通大学张保会教授课题组近年来在利用暂态量特
征实现超高速故障甄别，以减少故障对电网的冲击；改进保护的配置配合方式，增强电网的强壮性；拓展保护的功能，提高电
网的自愈性等方面的研究进展。 以“抛砖引玉”达到推动智能电网继电保护全面发展的目的，欢迎专家学者就智能电网的继
电保护研究、应用等内容不吝赐稿，参与讨论。
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"第
30
电 力 自 动 化 设 备卷
息，通信量大且要求同步准确、误码率低。
扩展方向比较式原理：比较变电站所有连接设
备两（或三）端功率方向，当所有设备的远端功率方
向指向本变电站时，表明后备保护范围内有故障；再
比较每个连接设备的两（或三）端功率方向，方向相
同的为故障设备。 困难在于需要保证每个方向元件
的灵敏度和对端方向信息传送的可靠性。
扩展方向与距离比较式原理：变电站所有连接
设备各端除配备方向元件外，配备距离二段，计算本
端两元件判别结果和接收远端送来的两元件判
别结
果，后备保护对每个设备的两元件判别结果进行首
次容错运算获得设备故障判别系数，再对
所有设备
的故障判别系数进行容错运算和专家推理，得到后
备范围内有无故障、故障在何设备上的结论。 该方法
容许任一元件判别失误、任一信息失效时，保护都正
确动作。 在同时 2 个信息错误时，大部分情况下也可
以给出合理的跳闸次序。
以图 1 所示 B
3
变电站后备保护范围内 L
3
线路
出口 K
1
点故障为例，保护单元 D
5
处距离元件和方向
元件都判别错误，后备保护系统的判断结果如表1
所示。 表中距离元件Ⅱ段动作相应标志为 1，否则为
0。 方向元件正方向为 1、反方向为-1，否则为 0。 A
F
为两元件动作标志绝对值和后再减 1。 F
out
为线路两
侧 A
F
值的和，当其值等于 2 时判为故障线路，等于 1
时为疑似故障线路，其他值时为正常线路。
在 2 个判别元件同时判别不正确时，L
3
将被诊
断为“疑似故障线路”，后备保护系统判别出保护范
围内有故障，但没有确认的故障线路，因此 L
3
的“疑
似故障”可以诊断为故障线路，仍可以正确动作，该
保护具有很高的容错能力。
2
同杆双回线六相综合重合闸
［3］
我国的 750 kV 输电线路已经部分采用同杆双
回架设，将来的 1000 kV 特高压输电线路也将部分采
用同杆双回架设。 目前电网中，双回线的重合闸方案
依然按照单回线的模式来配置，若发生跨线永久性
故障，最终会将双回线全部切除，考虑跨线永久性故
障约束时，导致双回
线所在输电断面暂
稳极限急剧降低，难
于达到架设双回线
提高输电容量的目
的。 以西北电网实际
系统进行仿真，输电
断面如图 2 所示。 该
断面潮流在 2141 ~
4 799 MW 间变化时，
750 kV 双回线承担
了 50 ％ 以上的输电容量，采用传统的跨线故障双回
全跳闸时断面的暂稳极限为 3000 MW，采用同杆双
回线六相综合重合闸方案跨线故障保留准三相时暂
稳极限提高到 4600 MW，提高系统暂态稳定极限约
53 ％。 电磁暂态过程的仿真表明，在六相综合重合闸
期间不会产生超过现有重合方式的操作过电压、负
序过电流等不良后果。
同杆双回线六相综合重合闸方案中跨线故障部
分的重合逻辑如图 3 所示。 该方案在能够有效识别
同杆双回线上的瞬时性与永久性故障的基础上，减少
断路器的操作次数，尽量使永久性故障后同杆双回线
保留一回线或准三相运行，以提高线路的传输能力。
理论推导和仿真结果表明，单回线上判别永久
与瞬时性故障的端电压判据适用于同杆双回线，可
有效识
别绝大部分瞬时性故障与永久性故障，在不
同故障位置以及存在过渡电阻的情况下该判据也有
良好的应用效果。
该方案不仅提高输电能
力、减小了功角摇摆幅度，
线路 保护单元 距离 ／ 方向 A而且大幅减少了短路器的操作次数，见表 2 统计。
F
F
out
决策结果
D
1
D
2
0 ／ +1
0 ／ -1
0
-1
-1 正常
D
3
D
4
1 ／ +1
0 ／ -1
1
-1
0 正常
L
3
D
5
D
6
0 ／ 0
1 ／ +1
0
1
1 疑似故障
L
4
D
7
D
8
0 ／ -1
1 ／ +1
-1
1
0 正常
L
5
D
9
D
10
0 ／ +1
0 ／ -1
0
-1
-1 正常
L
6
D
11
D
12
0 ／ -1
0 ／ +1
-1
0
正常
L
1
L
2
-1
表
1
保护单元
D
5
失效时变电站
B
3
后备保护的判断结果
Tab.1 Results discriminated by backup protection
of substation 3 when D
5
is invalid
350 kV
西峰 桃曲
330 kV
眉岘
秦安
天水
750 kV
330 kV
330 kV
乾县
平凉
陕西受电断面
图
2
西北电网某输电断面示意图
Fig.2 Sketch map of a transmission
section in northwest grid
雍城
故障类型
断路器动作顺序 断路器动作次数
原方案 新方案 原方案 新方案
单相永久接地
（IA-G）
ⅠA ⅠA ⅠA
ⅠB ⅠC
ⅠA ⅠB
ⅠC
5 3
两相永久接地
（IA-IB-G）
ⅠA ⅠB ⅠC
ⅠA ⅠB
ⅠC
3 3
跨线异名
两相接地
永久
（IA-ⅡB-G）
ⅠA ⅡB ⅠA
ⅡB ⅠA ⅠB
ⅠC ⅡA
ⅡB ⅡC
ⅠA ⅡB
ⅡC
10 3
跨线同名
两相接地
永久
（IA-ⅡA-G）
ⅠA ⅡA ⅠA
ⅡA ⅠA ⅠB
ⅠC ⅡA
ⅡB ⅡC
ⅠA ⅡA
IB ⅠC
ⅡB ⅡC
10 6
表
2
新旧重合方案部分故障下
断路器动作顺序及次数的对比
Tab.2 Comparison of action sequence and times
between new and old reclose schemes
图
1
电力网络示意图
Fig.1 Schematic diagram of power network
B
1
D
1
D
L2
1
D
3
D
L4
2
D
5
D
L6
3
D
11
D
L12
6
K
1
B
2
B
3
B
4
B
6
D
7
D
10
D
9
D
8
L
4
L
5
B
5第张保会，等：智能电网继电保护研究的进展（二）
2
期
3
最佳重合时间的整定
［4- 8］
电力系统中大量使用固定延时的重合闸，目前
这个延时主要考虑瞬时性故障时故障点绝缘强度恢
复时间和永久性故障时断路器再次安全跳开时间中
的大者，保证熄弧和设备的安全，而没有考虑重合或
跳开对系统摇摆的冲击。
已有的研究证明，在保证熄弧和设备安全的前
提下，瞬时性和永久性故障都存在一个最佳重合时
间，在这个时间重合，瞬时故障可以使系统经历较小
的摇摆很快进入稳定状态，永久故障时，可以有效
地阻尼系统摇摆，从而提高系统的暂态稳定极限，增
加网络的传输能力。
暂态能量函数可以描述电力系统在最后一次网
络操作完成后系统摇摆的激烈程度，暂态能量值越
大，表
明系统的摇摆越严重，当能量函数的值超过系
统所能吸收的最大能量时,系统表现为不稳定。 若能
选择一合适的时刻重合闸，使系统在最后一次网络
操作后能量最小，则相应的系
统摇摆最轻。 永久故障
对系统的冲击较瞬时故障严重，当无法区分故障性
质时，最佳重合时间按照永久故障跳闸后系统摇摆
最小计算，式（1）的能量函数值最小对应的时刻为最
佳重合时刻：
min 鄱
i＝1
n
M
i
ω
赞
ith
Δω
i
+ 鄱
i＝1
n
1
2
M
i
（Δω
i
）
2
鄱 ＋鄱
鄱
i＝1
n
（P
i
θ
ith
- P
i
′ θ
itcc
） + 鄱
i＝1
n-1
鄱
j＝i+1
n
（C
ij
cos θ
ijth
- C′
ij
θ
ijtcc
）
鄱 鄱
2
（1）
其中，t
h
为重合闸合闸时间；t
cc
为重合失败再次跳闸
的时间；P
i
、C
ij
为重合于故障期间的等效功率、联系
电导；P′
i
、C′
ij
为重合失败再次跳闸后的等效功率、联
系电导；Δω
i
为角速度在重合时刻与再次跳闸时刻
之间的增量。
某省电网某输电断面单相重合闸重合时间与暂
态能量 E 的关系如图 4 所示，能量曲线随重合时间
是连续光滑变化的，离散的执行时间不会带来很大
误差。 单相重合闸用最佳时间重合，可以使所对应故
障的暂稳极限提高 5 %~11 %。 如果采用三相重合
闸，对应故障的暂稳极限可提高 20 %~50 %。
理论上最佳重合时间受潮流状态、故障点位置、
故障切除时间等因素影响，仿真表明影响很小，图 5
1.8
1.0
0.2
E
／
p
.
u
.
0.6 1.0 1.4 1.8
t ／ s
图
4
某断面重合时间与系统暂态能量的关系曲线
Fig.4 Relationship curve of system transient
energy vs. reclosing time of a section
跨线故障
跨线三相不对称接地短路
跳故障相
瞬时性故障 永久性故障
按瞬时性故障
最佳时间重合
单相故障线路
不重合，双
回线各相
全部跳闸
重合成功？
重合缺相相
重合成功？
跳开健全
同名相中
的一相
跳开双回
线所有相
双回线
全部切除
两相故障线
路超前相优
先重合
重合成功？
重合剩余
一故障相
跳开
已重
合相，
停止
操作
重合成功？
跳开两相
故障线路
所有相
双回线准
三相运行
跨线三相对称接地短路
跳故障相
按永久性故障
最佳时间重合
单相故障线路
跨线两相相间短路
跳超前故障相
跨线同名两相接地短路
跳两故障相
跨线异名两相接地短路
跳两故障相
瞬时性故障 永久性故障 瞬时性故障 永久性故障 瞬时性故障 永久性故障
按瞬时性故障
最佳时间重合
跳开另一
故障相和
双回线健
全同名相
中的一相
按瞬时性故
障最佳时间
重合任一相
不重合，双
回线各相全
部跳闸
按瞬时性故
障最佳时间
重合超前相
重合成功？
重合成功？
跳开已重
合的两相
重合
另一相
该相所在回
线三相跳闸
重合剩余
一故障相
重合另一相
跳开健全重合成功？
同名相中
的一相
该相所在
回
线三相跳闸
该相所在回
线三相跳闸
跳开已
重合相
重合成功？
跳开健全同名
相中的一相
保留一回线
三相正常
双回线
正常运行
重合
成功？
重合
成功？
重合
成功？
图
3
六相综合重合闸跨线故障重合逻辑
Fig.3 Reclosing logic of six-phase complex reclose
N
Y
N
Y N
N
Y
N
Y
N
Y
N
Y
Y N
N
Y
Y
N
N
Y
Y
判断故
障类型
判断故
障类型
判断故
障类型
判断故
障类型2
1
0
E
／
p
.
u
.
0.6 1.0 1.4 1.8
t ／ s
图
5
潮流变化对最佳时间的影响
Fig.5 Influence of power flow on
optimal reclosing time
Development of relay protection for smart grid（2）：
development of protection cooperation mode
ZHANG Baohui
1
，HAO Zhiguo
1
，Zhiqian BO
2
（1． Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；
2． AREVA T & D UK Limited，Stafford ST17 4LX，England）
Abstract： It is no longer difficult to get remote information by relay protection in smart grid and it is also
required that the settings of relay protection should follow the change of power network and the network
should be strong，self-healing and high secure after fault is cleared. A new scheme of coordination between
main and backup protections is presented. By applying the principle of absolute selectivity and multi-level
information redundancy，the backup protection makes use of the state information from adjacent substations
to reduce the number of backup relays and avoid complicated setting coordination. The theory and algorithm
of optimal reclosing time based on the minimum unbalanced energy after the last operation is presented to
reduce the impulse of reclosing operation on system. The six-phase complex reclose scheme with the post
-fault system robustness as its objective is given for the parallel lines on same tower.
Key words： smart grid； backup protection allocation； optimal reclosing time； six-phase reclose； relay
protection
给出故障前断面潮流 P
L
变化的影响曲线，曲线从上
至下分别对应 P
L
为 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 p.u.。 对最佳
时间影响最大的是系统的惯性常数，现场可以每年
更新该时间。
4
结论
a. 坚强智能电网网架的建设，使得阶段式后备
保护的定值配合越来越困难，重合闸与继电保护的
动作配合方式对输电能力发挥的约束越来越强。 为
满足智能电网发展对继电保护的新要求，需要重新
审视习以为常的配置配合方式，以极小的二次系统
代价获取一次系统的很大效益，
在广域信息网络条
件下，解决以上问题是可能的。
b. 充分利用广域信息条件，更新现有的主保护、
后备保护的配置方式，不仅可以减轻整定、配合工作
量，而且可以简化保护配置。 所提的集中式后备保
护，具有很高的容错性和较高的可靠性。
c. 在数字式变电
站二次回路条件下，实现六相
综合重合闸方案并不困难，提高同杆双回线的输电
能力和减少断路器操作次数的效益明显。
d. 采用最佳重合时间是无成本提高暂稳极限
的有效措施，应该大胆使用。
致 谢
本文的研究工作曾先后多次受到：国家自然科学
基金、教育部博士学科点基金、许继奖教金和南瑞继
保公司的研究资助，在此表示衷心感谢！ 感谢参与本
研究的博士、硕士研究生们，他（她）们的智慧、辛劳
和创新精神促成了本文。
参考文献
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（
责任编辑
： 李 玲）
作者简介
：
张保会（1953-），男，河北魏县人，教授，博士研究生导师，
主要从事电力系统继电保护、安全稳定控制和电力线通信等
领域的教学、科研工作（E-mail：bhzhang@https://www.doczj.com/doc/2416377131.html,）。
第
30
电 力 自 动 化 设 备卷