淺談新技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的應(yīng)用

袁俊

摘要：現(xiàn)代電力系統(tǒng)已成為一個(gè)非線性、高復(fù)雜的大系統(tǒng)。繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，它的可靠運(yùn)行直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，新的控制原理和方法被不斷應(yīng)用于微機(jī)繼電保護(hù)中，繼電保護(hù)正在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化方向發(fā)展。本文主要對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；繼電保護(hù)；新技術(shù)；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)

1 繼電保護(hù)概述

1.1 繼電保護(hù)的概念及其基本任務(wù)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障和不正常運(yùn)行情況時(shí)，用于快速切除故障，隔離不正常設(shè)備的重要自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或發(fā)生危及其安全運(yùn)行的事件時(shí)，它能及時(shí)發(fā)出告警，或直接發(fā)出跳閘命令以終止事件。

繼電保護(hù)的基本任務(wù)一是檢測(cè)故障信息、識(shí)別故障信號(hào)，進(jìn)而作出是否出口跳閘的決定；二是反映電氣元件的不正常運(yùn)行狀態(tài)并向值班人員發(fā)出信號(hào)，以便及時(shí)進(jìn)行處理。

1.2 繼電保護(hù)的發(fā)展歷程

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)先后經(jīng)歷了不同的發(fā)展時(shí)期，電磁型繼電保護(hù)、晶體管繼電保護(hù)、基于集成運(yùn)算放大器的集成電路保護(hù)，到了20世紀(jì)90年代，我國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)全面進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時(shí)代，微機(jī)保護(hù)有強(qiáng)大的邏輯處理能力、數(shù)值計(jì)算能力和記憶能力，它不僅具有傳統(tǒng)保護(hù)和自動(dòng)裝置的功能，而且還能發(fā)展到故障測(cè)距、故障錄波等功能。微機(jī)保護(hù)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已經(jīng)取得巨大的成功并積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2 繼電保護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用

隨著科技的飛速發(fā)展以及微機(jī)繼電保護(hù)的普遍應(yīng)用，許多新技術(shù)不斷應(yīng)用到繼電保護(hù)領(lǐng)域，例如IT技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化；應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以解決電力系統(tǒng)復(fù)雜的非線性化問(wèn)題；應(yīng)用自適應(yīng)技術(shù)使繼電保護(hù)獲得更強(qiáng)的故障信息處理能力和自適應(yīng)能力，顯著提高其動(dòng)作性能。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的集成、自適應(yīng)進(jìn)行保護(hù)配置和定值計(jì)算等。

2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)而提出的一種信息處理方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量的模擬人腦的神經(jīng)元互聯(lián)組成，是一種非線性映射系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的模式識(shí)別能力，通過(guò)對(duì)反映輸入特征量的大量樣本學(xué)習(xí)，可以對(duì)任意復(fù)雜狀態(tài)或過(guò)程進(jìn)行分類和識(shí)別。近年來(lái)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制理論逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中，涉及故障類型的判別、故障距離的測(cè)定、方向保護(hù)、主設(shè)備保護(hù)等方面。

2.1.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線路保護(hù)中的應(yīng)用

輸電線路常見的保護(hù)有縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、高頻方向保護(hù)、距離保護(hù)、電流保護(hù)等，其中縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是廣泛應(yīng)用于220kV及以上輸電線路的主保護(hù)，區(qū)外短路時(shí)，差動(dòng)電流繼電器的比率制動(dòng)特性可防止不平衡電流引起的誤動(dòng)，但這種常規(guī)方式在實(shí)驗(yàn)得出的動(dòng)作區(qū)域有變化時(shí)，常規(guī)微機(jī)保護(hù)原理需重新設(shè)計(jì)算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避免了常規(guī)差動(dòng)保護(hù)整定的不靈活性和原理上的不足，文獻(xiàn)[1]提出了基于BP算法的差動(dòng)保護(hù)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，BP網(wǎng)的輸入取制動(dòng)和差動(dòng)電流，輸入層單元數(shù)為2個(gè)，輸出則為動(dòng)作信號(hào)0或1（0表示不動(dòng)作，1表示動(dòng)作），輸出層單元數(shù)為1個(gè)；隱含層的單元數(shù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及試驗(yàn)確定，這里取4個(gè)。因此，BP網(wǎng)的結(jié)構(gòu)為“2-4-1”型。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)是合理、可行的。

電流保護(hù)是低壓線路的主要保護(hù)形式，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但其定值整定、保護(hù)范圍和靈敏系數(shù)等方面受電網(wǎng)接線方式及運(yùn)行方式的影響明顯，如電流速斷保護(hù)，其整定值是按照系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下發(fā)生三相短路來(lái)整定的，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生較大變化時(shí)，可能出現(xiàn)系統(tǒng)在最小運(yùn)行下發(fā)生兩相短路，或者被保護(hù)線路長(zhǎng)度很短，電流速斷無(wú)保護(hù)范圍的現(xiàn)象[2]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其可對(duì)不確定系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)或?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)，具有高度的容錯(cuò)性、魯棒性及多輸入多輸出并行工作的特點(diǎn)，適合于復(fù)雜系統(tǒng)和對(duì)象的控制，文獻(xiàn)[3]表明，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電流保護(hù)，在系統(tǒng)的各種運(yùn)行方式下及各種故障中，不僅能夠自適應(yīng)識(shí)別線路的故障類型、相別和故障點(diǎn)位置，還可以準(zhǔn)確地區(qū)分振蕩與故障兩種情況。

2.1.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變壓器保護(hù)中的應(yīng)用

在變壓器保護(hù)中關(guān)于勵(lì)磁涌流狀態(tài)的識(shí)別一直是困擾繼電保護(hù)研究人員的棘手問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮變壓器勵(lì)磁涌流狀態(tài)和故障狀態(tài)的特征，提出并建立了一個(gè)三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它利用EMTP進(jìn)行了大量的仿真計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為訓(xùn)練樣本，對(duì)所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)該模型進(jìn)行故障狀態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果表明，所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ψ儔浩魉l(fā)生的故障狀態(tài)作出正確響應(yīng)。

2.2自適應(yīng)技術(shù)在繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用

自適應(yīng)繼電保護(hù)是20世紀(jì)80年代提出的研究課題，其基本思想是使保護(hù)裝置盡可能地適應(yīng)電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式和復(fù)雜故障類型，通過(guò)各種數(shù)字信號(hào)處理方法、數(shù)學(xué)分析工具和人工智能技術(shù)有效提取并處理故障信息，從而獲得更可靠的保護(hù)。

2.2.1 自適應(yīng)技術(shù)在電流速斷保護(hù)中的應(yīng)用

電流速斷保護(hù)動(dòng)作值是按躲開線路末端的三相短路故障電流而整定的。在發(fā)生兩相短路時(shí)，保護(hù)動(dòng)作的靈敏度會(huì)大大減小。采用自適應(yīng)技術(shù)后，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)首先判別系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障類型，再根據(jù)不同的故障類型自適應(yīng)調(diào)整電流保護(hù)動(dòng)作值，從而大大提高動(dòng)作的靈敏度。為實(shí)現(xiàn)電流速斷的定值自適應(yīng)整定，必須實(shí)時(shí)確定短路故障的類型和系統(tǒng)等值阻抗，文獻(xiàn)[5]提出了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電流速斷保護(hù)的基本方法。

2.2.2 自適應(yīng)技術(shù)在自動(dòng)重合閘中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[6]提出了一種將模糊綜合決策用于單相自動(dòng)重合閘自適應(yīng)優(yōu)化判據(jù)的方法，以提高重合閘的成功率。文中將電容耦合電壓與互感電壓的比值作為模糊控制器的第1個(gè)輸入變量，將故障端電壓與互感電壓的比值作為模糊控制器的第2個(gè)輸入變量，跳閘信號(hào)作為模糊控制器的輸出。這種方法利用電容耦合電壓等故障邊界條件信息以及模糊控制器可自適應(yīng)修正原有的電壓判據(jù)。經(jīng)理論分析和動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法具有良好的應(yīng)用前景。

2.2.3 自適應(yīng)技術(shù)在串補(bǔ)輸電線路保護(hù)中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[7]介紹了串補(bǔ)輸電線路自適應(yīng)保護(hù)的基本特點(diǎn)。該保護(hù)方案以卡爾曼濾波器和自適應(yīng)卡爾曼濾波器為基礎(chǔ)，利用串補(bǔ)輸電線路正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)電流暫態(tài)信號(hào)的差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)串補(bǔ)輸電線路的故障定位并確定故障相。

2.3 網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為信息和數(shù)據(jù)通信工具技術(shù)的基礎(chǔ)，微機(jī)繼電保護(hù)同樣也離不開網(wǎng)絡(luò)通信強(qiáng)的支持。目前，除差動(dòng)和縱聯(lián)保護(hù)外，其他繼電保護(hù)裝置只反映保護(hù)安裝處的電氣量，其重要原因是缺乏有力的數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)上傳的聯(lián)網(wǎng)手段。如果將分散的繼電保護(hù)裝置和安全自動(dòng)裝置網(wǎng)絡(luò)化并由主站統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，就可以使繼電保護(hù)裝置獲取更多的系統(tǒng)信息，從而更加準(zhǔn)確的判斷、處理故障，整個(gè)系統(tǒng)安全性與可靠性將得到提升。另外，網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)還存在保護(hù)配置可通過(guò)運(yùn)行方式自適應(yīng)調(diào)整、保護(hù)定值可根據(jù)運(yùn)行方式自動(dòng)計(jì)算、二次回路簡(jiǎn)單化、運(yùn)維工作量小等傳統(tǒng)繼電保護(hù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用方面，一是目前運(yùn)行的微機(jī)保護(hù)程序和軟件原理成熟、功能完善，能夠滿足開發(fā)網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)與控制軟件的基本要求；二是基于EMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)及體系結(jié)構(gòu)的開放化和標(biāo)準(zhǔn)化已取得很大進(jìn)展，這成為了開發(fā)開放化和標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)與控制系統(tǒng)的支撐平臺(tái)及體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)；三是隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，利用就地測(cè)控裝置組網(wǎng)的方式形成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)，存在容量大、防干擾、信號(hào)衰減小的優(yōu)點(diǎn)，可以提高繼電保護(hù)運(yùn)行的環(huán)境質(zhì)量。從上述的技術(shù)基礎(chǔ)上看，網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)具備實(shí)現(xiàn)的可能性，雖然在開發(fā)和推進(jìn)過(guò)程中還存在很多難題和挑戰(zhàn)，但它依然為繼電保護(hù)的發(fā)展指明了一條道路。

3 結(jié)論

總之，隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)步，繼電保護(hù)已經(jīng)呈現(xiàn)出了微機(jī)化、智能化的特征，為當(dāng)今電力系統(tǒng)的高速發(fā)展提供了可靠、穩(wěn)定的保護(hù)。同時(shí)，繼電保護(hù)也將隨著各種技術(shù)新一輪的發(fā)展呈現(xiàn)更新的特征，也將獲得更廣泛的應(yīng)用。

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