计算机继电保护领域的专利动态追踪

背景技术

继电保护技术的应用范围非常广泛,从飞向太空的神州系列飞船到一个简单的用电设备,都离不开继电保护技术的应用,可以说,只要是有电的地方就有继电保护技术的应用.

电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求,电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力.我国继电保护技术的发展,在过去40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段.

建国后,我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有,在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路.20世纪50年代,我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术,建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍,对全国继电保护技术队伍的建立和成长起到了指导作用.

自20世纪50年代末,晶体管继电保护已开始研究.60年代中期到80年代中期是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代.其中,天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护,运行于葛洲坝500 kV线路上,结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代.

从20世纪70年代中,基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究.到80年代末集成电路保护已形成完整系列,逐渐取代晶体管保护.到90年代初,集成电路保护的研制、生产,应用仍处于主导地位,这是集成电路保护时代.

我国从20世纪70年代末即已开始了计算机继电保护的研究,高等院校和科研院所起着先导的作用.华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置.随着微机保护装置的研究,在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果.可以说,从90年始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代.

继电保护技术的专利布图分析

从图1中可以看出,进入21世纪以来,随着计算机保护技术的发展,专利申请量也逐步上升,2001年后进入高速发展时期.说明新一代继电保护技术迅速发展,市场不断成熟扩大,各相关企业也在积极申请专利保护,最大限度地保护自身利益,为企业的进一步拓展国内市场奠定了牢固的基础.

从图2中可以看出,由于处于新老一代继电保护技术的更替期,老一代继电保护技术在工程生产中的应用占据了大部分实用新型专利的申请量,而新一代继电保护技术也迅速发展,他们的创新能力及创新意识较强,专利申请人大部分选择了创新高度较高,保护年限更长的发明专利申请.

从图3和图4中可以看出,相对于国内专利申请,国外专利申请更多地集中在发明专利申请中,他们对核心技术形成垄断,形成了比较完善的专利壁垒,国内申请也多集中在几个大型的继电保护企业.实际上,从市场情况分析也可看出,国外企业对高端市场基本处于垄断地位,国内厂家基本集中在利润较低、技术附加值较低的低端市场.

从图5中可以看出,继电保护专利申请大部分集中在以下几个分类号中：H02H3/00(对正常电工作情况的不希望有的变化直接响应的自动断开紧急保护电路装置)、H02H5/00(对正常非电工作情况的不希望有的变化直接响应的自动断开紧急保护电路装置)、H02H7/00(对出现正常电工作条件下不希望有的变化时能完成自动切换的,专用于特种电机或电设备的或专用于电缆或线路系统分段保护的紧急保护电路装置)、H02H9/00(用于限制过电流或过电压而不切断电路的紧急保护装置).

继电保护的发展趋势

继电保护技术未来趋势是计算机化,网络化、智能化,并实现保护、控制、测量和数据通信一体化发展.

1.计算机化

电力系统对微机保护的要求不断提高,除了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能,强大的通信能力,与其他保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力,高级语言编程等.这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能.在计算机保护发展初期,曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置.由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差,这个设想是不现实的.现在,同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机,因此,用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟,这将是微机保护的发展方向之一.

2.网络化

计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱,使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化.它深刻影响着各个工业领域,也为各个工业领域提供了强有力的通信手段.到目前为止,除了差动保护和纵联保护外,所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量.继电保护的作用也只限于切除故障元件,缩小事故影响范围.这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段.国外早已提出过系统保护的概念,这在当时主要指安全自动装置.因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围,还要保证全系统的安全稳定运行.这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据,各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作,确保系统的安全稳定运行.显然,实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联结起来,亦即实现微机保护装置的网络化.这在当前的技术条件下是完全可能的.

对于一般的非系统保护,实现保护装置的计算机联网也有很大的好处.继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多,则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确.虽然对自适应保护原理的研究已经过很长的时间,也取得了一定的成果,但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应,必须获得更多的系统运行和故障信息,只有实现保护的计算机网络化,才能做到这一点.

3.保护,控制、测量、数据通信一体化

在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下,保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机,是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端.它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据,也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端.因此,每个微机保护装置不但可完成继电保护功能,而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能,亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化.

4.智能化

近年来,人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用,在继电保护领域应用的研究也已开始.神经网络是一种非线性映射的方法,很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题,应用神经网络方法则可迎刃而解.例如,在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题,距离保护很难正确作出故障位置的判别,从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法,经过大量故障样本的训练,只要样本集中充分考虑了各种情况,则在发生任何故障时都可正确判别.其他如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力.将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快.

结论和建议

建国以来,我国电力系统继电保护技术经历了4个时代.随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步,继电保护技术面临着进一步发展的趋势.国内外继电保护技术发展的趋势为：计算机化,网络化,保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化.

随着计算机化和人工智能化发展趋势愈加明显,高精确度的智能保护,逐渐从理论走入实际应用,在可以预见的将来,智能保护系统必将成为主流技术,智能保护产品相关的产业也将随之得到较大的发展.但是,我国继电保护企业发展前景却并不乐观,大型智能化继电保护设备的生产和研发一直处于低端水平.尽管我国主要的继电保护生产企业近年来占据了输配电主干网络的主要份额.从市场占有率和生产量水平上看,我国继电器生产企业已经走在世界前列,但他们在国内并没有占据高端市场,更不用说去闯荡国际市场了.面对严峻的市场竞争以及跨国强敌的围剿,如果我们满足低利润,低附加值的行业现状,那么,我国继电保护企业将会逐步失去大部分市场.面对国外企业对高端技术的垄断,我国企业不能满足现状,我国的继电保护企业必须走自主创新的道路,建立自己的知识产权体系,从以上专利分布可以看出,虽然国内国外的申请量大体持平,但高端技术仍被国外垄断,因此,国内企业要进一步调整结构,完善产业链,向高端产品倾斜,加强自主创新能力,特别是二次创新能力,建立自己的知识产权产品,也应密切注意国际同行的发展趋势,对其专利技术进行仔细分析,找准突破口,全力进行技术攻关,以抗衡全球化竞争的冲击,我国企业更应该充实自身实力,利用千载难逢的机遇抢占国内高端市场,为今后的发展奠定坚实的基础.