2 在电力系统保护中自适应继电保护的进步
2.1 摘要
在美国配电系统被认为是存在的最复杂的机器之一。电气现象，在这样一个复杂的
系统，可以造成严重的自我伤害。这就需要防止损坏保护方案。直到最近，有一个安全
的能力提供动力和需求之间的差距。因此，这些保护方案集中在可靠性上允许的断开线，
变压器或其它设备隔离发生故障的元件的目的。而在某些情况下，断开是没有必要的。
另一个极端的可靠性要求安全性。这方面的可靠性要求仅用于保护预定区域内的故障保
护装置的操作。这里有一个权衡，可靠的保护方案无疑将会防止损坏，很容易出现不必
要的操作，这可能会导致级联中断。
安全计划不会不必要的操作，继电器无法正常运行时，该系统零件容易出现损坏。
基于微处理器的继电计划，重点是可以实现的混合动力可靠性通过自适应中继。自适应
继电保护介绍保障计划调整设置和/或系统当时的条件基础上的操作逻辑。这些调整可
以帮助避免继电器的误动作。
调整可包括，但不限于，事后分析的数据记录了在整个系统中的通信以及改变继电
器的参数。几个概念将被要讨论，其中之一将被实施，以证明新的工具可用的价值。
2.2 电力系统历史
配电在美国可以追溯到 1882 年 9 月 4 日，托马斯·爱迪生在曼哈顿下城开珍珠街
站。
供电范围约四分之一平方英里，这直流电（DC）系统，主要用于在纽约的金融区
的照明。爱迪生表明，来自中央发电站，这是能够高效地提供电力的。直流系统的问题
是，最终消费者必须位于几英里范围内的发电站。问题是，使用这种类型的分布的低电
压导致更高的电流和用于分发的电力线的较严重的损失。这迫使发电厂小，效率降低，
这意味着，只有在人口稠密地区的小型配电系统将是有效的。
在分配系统中的电压保持恒定，线中流过的电流，取决于在用的负载。与用于分发
的电力线相关的损失随着通过线路电流的平方。因此，如果电流通过两倍线路，实际上
线路损失四倍。当时，爱迪生开始实施他的系统，是没有办法轻易改变的电压直流系统。
能够改变分布线的电压将允许在传输过程中减少电流,这就是被开发中的交流电系
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统。交流允许变压器增加电压所需的传输，降低电压水平，安全的为最终消费者使用，
这大大减少了损失的远距离输送电力。尼古拉·特斯拉是交流电技术及多相分布概念的
先驱。
配电、交流和直流系统的竞争策略,导致普遍周知的电流的战役。托马斯·爱迪生,
拥有直流系统专利,认为交流和与之关联的高电压是不安全的。然而,与此同时,乔治西
屋是建设交流输电线路绵延数英里。这一点，连同尼古拉·特斯拉在其他方面的发展项
目的一个电动机的开发,导致了交流系统的最终胜利。交流电的这一胜利导致了在配电
系统我们今天有大型发电站在高电压下长距离传递能量,与原来的直流系统相比，这是
既经济又有效的。然而,这的确导致至今几个工程问题的解决方案仍存在改进。
交流系统被西屋公司和特斯拉开创已经发展成为在世界上最复杂的机器之一。它的
发展始于许多小型独立的系统。就可靠性而言,这些系统都是相互联系的。许多小系统
的这种互联意味着数量的机器操作所需的储备在峰值负载下被降低。互联也使公用事业
公司从他们的邻居中已获取最有可能便宜的电源。现在，这些互联发展成了大规模的系
统。有问题的出现创造这个庞大的系统,这些问题包括更高的故障电流,在级联故障中当
问题只发生在其中的一个多个小系统受影响,和一个非常微妙的平衡系统之间发生。进
入这个系统的规划,特别是系统本身的保护,是非常复杂的。这个系统通常分为发电、输
电、和负载。这个系统通常分为发电、输电、和负载。传动部分分为传输,二次输电及
分布;各有不同的电压水平控制使用变压器。
2.3 发电机
发电机用于不同形式的能量转换为电能。目前使用的大多数发电机利用磁场相互作
用将机械能转化为电能。这机械能通常是提供一个旋转的原动力的形式。原动机的通常
有一个磁场,其旋转的定子线圈内;定子是固定部分的发电机,转子磁场诱导电流在定子
线圈。旋转的动作可以使用蒸汽涡轮机提供一些热源疮水去推动涡轮,或者对于一个水
电大坝,水可以旋转涡轮机直接。有时内燃机也可以直接耦合到一个原动力。蒸汽发电
厂产生他们的热量通过燃烧煤、天然气、或油以及使用核反应产生热量。如果使用一个
原动机类型发电机,发电机旋转的速度是非常重要的,因为它决定了电输出频率。伟大的
事情的所有类型的代为止讨论的是,他们的产出水平可以控制通过改变数量的能源投入
的原动力。
其他不可控,生产的形式包括可再生能源如太阳能和风能。太阳能可以在光伏能源
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需要被转换从直流到交流有助于系统,或太阳能热可以像任何其他基于结合热代。风力
发电与原动力,但因为风速不恒定的电力必须适应使用电力电子,确保有正确的输出电
压和频率。主要问题与这些类型的一代是没有办法来控制他们的输出,所以没有任何方
法准确地预测出这些资源将贡献。另一个问题是,当小规模项目实施和饲料能量回电网,
电流可以改变方向可能影响操作的某些类型的保护继电器。所以虽然也算是个不错的贡
献来自可再生资源,有一种折衷的操作的可预测性。
2.4 变压器
变压器是配电系统的一个重要组成部分。如前面所讨论，发电一般电压等级是在
13.8KV 和 24KV 之间。电力消费一般在 110 V 在家庭和大型工业厂房高达 4160 V 的电
压等级之间进行。电力传输可以发生在美国的 115 千伏到 765 千伏的水平，在世界的其
他地区高达 1 兆。变压器就是使这种大范围的电压水平的能力成为可能。没有变形金刚
和能够改变电压的水平,这将是更高效的远距离传输能量。
变压器的运行基于法拉第感应定律。法拉第定律指出，如果磁通通过线圈状导体，
它就会感应出电压在该导体，磁通和导体线圈匝数的导数成正比。在变压器中，磁通缠
绕在铁磁芯的初级线圈引起。使用铁磁芯，得到具有高导磁率的磁通路径。然后有一个
辅助线圈，该线圈缠绕在其中有一个感应电压上通过的磁通穿过核心的相同的铁磁芯。
的磁通量取决于在初级线圈上的电压和匝数，二次线圈上的电压是由线圈中的磁通和线
圈匝数。由于线圈匝数直接决定的初级电压，次级电压的比例，这个比例就是通常所说
的匝数比。
在理想情况下，一个变压器将电压从一个层次到另一个没有任何类型的损失，但情
况并非如此。变压器的损耗包括铜损，涡流损耗，磁滞损耗，漏磁通。铜损是由于与线
圈导线本身的电阻，在变压器的线圈中流过的电流的平方成比例。涡电流损失的诱发不
必要的电流的变压器的核心上的变压器的端子间的电压的平方成比例。磁滞损耗是由于
在核心的磁畴的重排和施加到变压器的电压的函数。铜，涡流和磁滞损耗都是消费者真
正的力量和被建模为阻力。漏磁通仅仅是不能被捕获由核心和被传递到在变压器的另一
线圈的磁通。它是一个函数的电流流过线圈。漏磁通是消费者的无功功率和建模为感性
阻抗。然而，这些损失，即会发生的传输，如果变压器是不可用的损失比较小。
2.4 自适应保护方案
自适应保护方案是在保护继电器领域微处理器的应用程序和美国及世界各地的电
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力系统重要性的结果。这些计划就编程而言可能具有复杂的实现方式，但他们的概念可
以很容易地解释。许多这些概念只是扩张在以前的保护应用。其中几个概念将被讨论，
包括以前的系统事件，本来是可以用介导帮助这些新的概念。
2.5 差动保护
差动保护方案是简单地建立来检查在一个给定的实例中两个数量之间的任何差异。
时间同步的限制让实施合理的保护设备和其他应用程序，直到最近出现的 GPS 信号很
难。另一方面，从遥远的点收集到的信号系统，通信负担差动保护的实施困难或高不可
攀。虽然这种类型的保护电流从一个变电站的差异，在检测到下一个可能是有用的，历
史的应用程序需要两个测量值非常接近，因为通信的制约应采取的。因此，该计划是有
限的一般变压器和发电机保护。基于微处理器的系统和 IED 之前，这两种类型的保护性
质的一些问题，特别是不匹配的限制电流传感器。
比率差动保护变压器发现两个电流水平之间的差异，应接近相等。这是通过把两个
电流传感器的输出并联的继电器，检测电流的流动。的电流互感器的极性的正确连接，
如果两个次级电流是相等的，没有电流流经继电器。问题，这包括前面提到的不匹配，
由于电流互感器的局限性，以及电流互感器错误不匹配，变压器的磁化电流，并点选变
化的元素，这将改变变压器本身的有效比。这些问题得到缓解通过建立限制电流。制动
电流仅仅是次级电流的平均值。该继电器动作，它认为，当电流超过一定比例的制动电
流。百分比越小必需的，该继电器的灵敏度越高。
此外，磁化电流可导致通电过程中的错误和故障排除，其谐波含量以及可能会导致
问题。当空载变压器的励磁涌流是造成联机时，需要获得所需的稳定状态操作发生的磁
通。当故障被清除，目前的显着变化，这也有可能发生。除磁化电流，变压器过励磁也
可以成为一个问题。差动继电器饱和度，在这些时候，可能会导致不必要的反应。最后，
如果有故障变压器外部，它可以在不同电流水平的电流互感器饱和。如果这些饱和度之
间的差异大，差动继电器的故障，是不是变压器内的不必要的操作。
基于计算机的继电器可以提供所有这些问题的解决方案的百分比差动保护方案，大
大提高操作的准确性。迅速介导的事实，一台计算机可以采取任何电流互感器的输出的
次级电流，以匹配所需的匝数比，并进行缩放比率不匹配所造成的主要误差。实际上，
电流互感器甚至不需要有次级电流是彼此接近，但简单地采取电流足够低到计算机，一
个模拟到数字的转换。然后可以选择电流互感器其准确性以及它们的饱和极限的基础
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上，以防止一些讨论的其他问题。
计算机本身可以给出不同的现象，以防止不必要的操作的输入。例如，如果变压器
的联机计算机可以被设置为识别和忽略的浪涌电流所带来的问题。用自来水发生变化的
情况下，一台变压器，继电器可以设置为允许任何浪涌电流预期以及更改必要的比对电
流互感器。某些通信参数，它甚至可以为基于计算机的差动继电器认识到变压器外部故
障时会影响继电器的操作。在通信领域，也有很多机会，以提高保护方案。