人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的應(yīng)用

張璐璐

摘 要：電力安全穩(wěn)定性的需求越來越高，發(fā)電、供電等電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)可靠性和智能化顯得尤為重要，其中核能發(fā)電系統(tǒng)的安全性更為關(guān)鍵。本文探討了核電站電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的現(xiàn)狀，分析了繼電保護(hù)系統(tǒng)，研究了人工智能新技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：人工智能技術(shù);繼電保護(hù);大數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0069-02

0 引言

為滿足新時(shí)代背景下社會(huì)用電需求并減少發(fā)電過程中產(chǎn)生的污染，許多新型發(fā)電方式逐漸步入大眾視野，例如核電，核能發(fā)電效率較高、污染比傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)安全性的要求也更高，為滿足現(xiàn)代化社會(huì)的需求，提高核電站的安全性與穩(wěn)定性，提高監(jiān)測(cè)效率與決策的合理性，可以研究人工智能技術(shù)在繼電保護(hù)中應(yīng)用，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度，促進(jìn)我國核能發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。

1 核電站電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的現(xiàn)狀

近年來，我國致力于尋找新的能源，核電憑借著能效高、污染低等特點(diǎn)，在新興能源發(fā)電事業(yè)中占據(jù)了一席之地，隨著多所核電站的建立，我國對(duì)于核能發(fā)電技術(shù)的掌握愈發(fā)成熟，隨著國家重新呼吁加強(qiáng)核電站的建設(shè)，并投入了大量資金，促進(jìn)了我國核電站的發(fā)展，同時(shí)，也對(duì)電力系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。核電站的安全在電源上依靠供電系統(tǒng)的安全、電網(wǎng)的穩(wěn)定，因此繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的智能性與穩(wěn)定性尤為重要，想要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，人工智能技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)技術(shù)研究方向。

2 繼電保護(hù)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）選擇性。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要求在發(fā)生故障或者異常情況時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況切斷故障元件及其周圍線路，避免波及其他區(qū)域，消除對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響，同時(shí)保證其它部件能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)首先由故障設(shè)備或者線路本身具有的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行處理，若保護(hù)系統(tǒng)或者斷路器拒動(dòng)，才能夠?qū)Ψ秶鷥?nèi)的相鄰設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，由它們的線路保護(hù)系統(tǒng)或者斷路器切除故障，從而避免造成大面積停電。（2）及時(shí)性。在核電站電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，幾秒鐘的延遲都可能擴(kuò)大事故規(guī)模，因此要求系統(tǒng)能夠迅速確定故障或者異常發(fā)生的區(qū)域與原因，并在最短時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，達(dá)到故障發(fā)生時(shí)立刻能夠作出反應(yīng)的程度，及時(shí)切斷相應(yīng)故障，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，縮小故障的波及范圍、避免系統(tǒng)在故障情況下運(yùn)行，防止故障擴(kuò)大、嚴(yán)重破壞故障元件甚至影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性。（3）靈敏性。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要求繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠做到當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不正常時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)出任意位置、任意種類的故障，能夠敏銳察覺并對(duì)其進(jìn)行分類和判斷，得出最佳處理方案。具備較高靈敏度的繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷故障范圍，將其從整個(gè)電力系統(tǒng)中切除，并且能夠恰到好處地作出操作，既能避免故障擴(kuò)大，又能減少斷電范圍。（4）可靠性。繼電保護(hù)系統(tǒng)本身由多種裝置共同組成，裝置質(zhì)量越高、運(yùn)行情況越穩(wěn)定，系統(tǒng)中繼電器觸電現(xiàn)象就越少。發(fā)生故障或者運(yùn)轉(zhuǎn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷并采取正確的、可靠的措施，不會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng)現(xiàn)象。在核電站中，系統(tǒng)誤動(dòng)與拒動(dòng)都可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

2.2 變壓器保護(hù)

核電站所用變壓器體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造成本高，并且重要性較高，若出現(xiàn)故障必定影響機(jī)組安全，并帶來較大經(jīng)濟(jì)損失，且修復(fù)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)造成長(zhǎng)時(shí)間斷電。因此必須根據(jù)變壓器容量、電壓等級(jí)等來調(diào)整和設(shè)計(jì)保護(hù)裝置。變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有多重功能，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的故障[1]：（1）瓦斯保護(hù)和縱差保護(hù)，當(dāng)發(fā)生繞組相間或匝間短路等情況時(shí)能夠迅速切斷電源或者采取其他方法進(jìn)行處理;（2）過電流保護(hù)，當(dāng)變壓器外部發(fā)生短路情況時(shí)，能夠作出應(yīng)對(duì)，并對(duì)瓦斯保護(hù)和縱差保護(hù)進(jìn)行補(bǔ)充和保障，全方位地避免所有可能產(chǎn)生最大負(fù)荷電流的情況;（3）過負(fù)荷保護(hù)，指的是變壓器出線過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠迅速查找原因并進(jìn)行處理;（4）過激磁保護(hù)，對(duì)過激磁現(xiàn)象進(jìn)行處理。

2.3 輸電線路保護(hù)

對(duì)于輸電線路而言，可能出現(xiàn)的故障種類較多，原因也較復(fù)雜，需要采取多種保護(hù)措施。其中，單相接地故障很容易發(fā)生故障，接地零序電流與電源無關(guān)，只受到變壓器分布影響。對(duì)于單相接地故障和相間短路故障，需要設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)，有效切除故障，達(dá)到快速跳閘、快速合閘，減少故障造成的損失。

2.4 發(fā)電機(jī)保護(hù)

核電站中的發(fā)電機(jī)建造成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通發(fā)電機(jī)，同時(shí)也是電力系統(tǒng)首端的設(shè)備，因此對(duì)于發(fā)電機(jī)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的各種故障和異常狀態(tài)，都應(yīng)當(dāng)配備相應(yīng)的保護(hù)裝置。應(yīng)當(dāng)采用的繼電保護(hù)裝置有許多種，例如應(yīng)使用逆功率保護(hù)來保證然汽輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)置縱差聯(lián)動(dòng)保護(hù)、有選擇性的接地保護(hù)，還有對(duì)發(fā)電機(jī)外部電路采取過電流保護(hù)等。

3 人工智能新技術(shù)的應(yīng)用

3.1 傳感技術(shù)對(duì)繼電保護(hù)新原理發(fā)展中應(yīng)用

在電力系統(tǒng)各處安裝傳感技術(shù)，能夠更加準(zhǔn)確和方便地獲取諸如電流、電壓和溫度、壓強(qiáng)、空氣組分、濕度等各方面的信息，并將其上傳到繼電保護(hù)系統(tǒng)的中央處理器，使其根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)，解決設(shè)備監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能的運(yùn)行。在目前核電站中，多采用無刷發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其中勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，相關(guān)信號(hào)采用比較困難，而使用光電傳感器、探測(cè)線圈和無線傳輸技術(shù)使用，有效解決了勵(lì)磁機(jī)難于增加有效的繼電保護(hù)問題，并且具有靈敏度高且能夠準(zhǔn)確測(cè)量較高的電流和電壓，且本身功率較低，耗能較少，是一種較為理想的繼電保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)獲取設(shè)備[2]。

3.2 人工智能技術(shù)對(duì)繼電保護(hù)新原理發(fā)展中應(yīng)用

電力設(shè)備故障能產(chǎn)生暫態(tài)信號(hào)（高頻信號(hào)），但產(chǎn)生隨機(jī)性大無法用計(jì)算機(jī)精確仿真，同時(shí)系統(tǒng)元件的高頻響應(yīng)特性復(fù)雜無法用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)解析式描述。隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，暫態(tài)保護(hù)技術(shù)發(fā)展較快，從其本質(zhì)而言，暫態(tài)保護(hù)仍然滿足歐姆定律、基爾霍夫定律。繼電保護(hù)研究者一直想從復(fù)雜的高頻信號(hào)中尋找其本質(zhì)的規(guī)律，人工智能正適合處理非線性系統(tǒng)及無法用解析式表達(dá)的知識(shí)。于是，繼電保護(hù)研究者把目光轉(zhuǎn)向了人工智能技術(shù)。目前已經(jīng)應(yīng)用在行波故障測(cè)距以及在核電廠中壓不接地系統(tǒng)中小電流接地選線等繼電保護(hù)設(shè)備。

3.3 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在繼電保護(hù)上應(yīng)用

繼電保護(hù)系統(tǒng)作為電力行業(yè)傳統(tǒng)專業(yè)技術(shù)意義非常大，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)具有較高的先進(jìn)性，能夠快速提升智能水平。因此，如何繼電保護(hù)領(lǐng)域中使用大數(shù)據(jù)技術(shù)成為了電力系統(tǒng)發(fā)展新的研究課題。在電力系統(tǒng)進(jìn)行故障排除，通過大數(shù)據(jù)分析，利用專家系統(tǒng)來對(duì)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析與判斷，從而確定故障原因，及時(shí)采取有效的對(duì)策去解決問題，通過利用這些規(guī)則還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)中的問題全方位分析，進(jìn)而可以解決電力保護(hù)設(shè)計(jì)中的矛盾沖突。通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)參數(shù)對(duì)設(shè)備使用壽命、電壓級(jí)別、設(shè)備類型以及分布情況進(jìn)行分析，使用相關(guān)指標(biāo)，對(duì)設(shè)備的可靠性做出指標(biāo)分析，結(jié)合檢修對(duì)策模型，得出不同檢修方案，對(duì)不同健康水平的設(shè)備進(jìn)行專門的檢查維修，并可以根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)的各種參數(shù)，評(píng)估出保護(hù)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)[3]。

3.4 人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在繼電保護(hù)上的應(yīng)用

使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)穗娬镜恼麄€(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)一些具有明顯表象特征的故障，使用人工智能技術(shù)技術(shù)則能夠根據(jù)電氣元器件形狀和大小的不同對(duì)其進(jìn)行智能化識(shí)別，減少誤操作的概率，使繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠做出更加精準(zhǔn)的判斷。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有全面感知、可靠傳遞和智能處理的特點(diǎn)，能夠使用計(jì)算機(jī)化采集，獲取電力系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并使用計(jì)算機(jī)軟件按照繼電保護(hù)原理對(duì)硬件進(jìn)行控制，完成各項(xiàng)指令，它還能夠解決在原有繼電保護(hù)系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的大容量故障信息問題，彌補(bǔ)長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)功能缺陷，并提升通信功能的可靠性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié)語

綜上所述，文章通過基于現(xiàn)有繼電保護(hù)技術(shù)特點(diǎn)和要求，介紹了人工智能新技術(shù)的特點(diǎn)，分析人工智能技術(shù)在繼電保護(hù)上發(fā)展的幾個(gè)技術(shù)方向，從整體上來說，人工智能技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)和繼電保護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展是極大的進(jìn)步。

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