「分享」继电保护发展简史及就地化保护新技术-米儿火

继电保护发展简史及就地化保护新技术

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：

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：

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：

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：

它实现了：

解决了保护、合并单元、智能终端三合一问题，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。