人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

張宗瑩 張福平 李嵐

摘要：在綜合國力帶動電力行業(yè)發(fā)展的背景下，作為電氣安全穩(wěn)定運行重要手段的繼電保護技術(shù)也得到了大幅發(fā)展，人工智能技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用。本文即在簡要分析電力系統(tǒng)繼電保護應(yīng)用現(xiàn)狀與新技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步闡述了專家系統(tǒng)、暫態(tài)保護、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等幾項人工智能技術(shù)在領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，以期為相關(guān)人士提供有益參考。

關(guān)鍵詞：人工智能技術(shù);電力系統(tǒng);繼電保護;現(xiàn)狀;應(yīng)用

受諸多因素影響，電力系統(tǒng)在運行過程中很容易陷入非正常狀態(tài)，如超負(fù)荷及震蕩等，人工智能技術(shù)的引入則可以很好地解決這類問題，通過有效提高電力系統(tǒng)繼電保護智能化水平來進一步推動我國電力行業(yè)蓬勃發(fā)展。

一、電力系統(tǒng)繼電保護應(yīng)用現(xiàn)狀及新技術(shù)

（一）應(yīng)用現(xiàn)狀

首先，由于社會的不斷進步，電力系統(tǒng)繼電保護裝置也日趨多元，且為了保證相應(yīng)工作得以有序、高效地完成，工作人員在實踐作業(yè)中往往會選用功能齊全且靈活可靠的保護裝置。[1]

其次，電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展也對繼電保護功能提出了更高要求，主要包括電容器保護功能、線路保護功能以及主變保護功能等。另外，為進一步提高電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)水平，還應(yīng)將其與現(xiàn)代化技術(shù)進行融合。

最后，人工智能理論技術(shù)的不斷發(fā)展推動了多項智能理論方法如專家系統(tǒng)、暫態(tài)保護技術(shù)等向電力系統(tǒng)領(lǐng)域的滲透，特別是微機繼電保護技術(shù)，由于其具備超強的自我檢測、數(shù)字計算以及邏輯處理能力，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于電氣設(shè)備和高低壓線路繼電保護中。發(fā)展至今，我國的微機保護設(shè)備已然獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)及性能優(yōu)異，完全足以取代進口機電保護設(shè)備。

（二）新技術(shù)

（1）自適應(yīng)控制技術(shù)。該技術(shù)是一種先進的保護性技術(shù)，其可以遵照電力系統(tǒng)運行方法，通過改變定值對系統(tǒng)中的既存故障進行有效處理，進而保證系統(tǒng)性能更加高效。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù)的明顯優(yōu)勢在于：通過觀測電力系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)存在于其中的問題并采取相應(yīng)解決措施，從而在優(yōu)化與完善系統(tǒng)性能、確保系統(tǒng)運行更加高效的同時，有效提升企業(yè)效益。

（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)不但智能化顯著，能夠有效模仿人腦細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而且還帶有復(fù)雜的動力學(xué)特性，能夠及時快速地處理系統(tǒng)問題，工作效率極高。將該技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：可幫助記憶與學(xué)習(xí);有較強的環(huán)境適應(yīng)能力與組織能力，能夠有效識別故障樣本并對其進行分類，從而減少工作量與不必要的經(jīng)濟損失。

（3）綜合自動化技術(shù)。該技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①電力設(shè)備控制、監(jiān)視及操作。該技術(shù)具有微機化特點，能夠?qū)崿F(xiàn)子系統(tǒng)信號數(shù)字化，該技術(shù)支撐下的設(shè)備能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變電所模擬設(shè)備與機電設(shè)備，從而有效提升電氣性能。此外，該技術(shù)支持監(jiān)視與操作功能的整合，從而使人機聯(lián)系更加緊密。②通信局域光纜化與網(wǎng)絡(luò)化。光纖通信技術(shù)與局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化有力改善了通信局域抗電磁干擾性能。如今，伴隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提升，繼電保護對通信局域的光纜化及網(wǎng)絡(luò)化水平提出了更高要求。實現(xiàn)通信局域網(wǎng)絡(luò)化，不僅可以有效提升信息數(shù)據(jù)傳輸速率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，且還可以簡化電纜，方便施工。

二、人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護中的具體應(yīng)用

（一）專家系統(tǒng)在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

專家系統(tǒng)是一種智能化計算機程序系統(tǒng)，具有大量專業(yè)知識與經(jīng)驗，可模擬人類專家進行決策并處理領(lǐng)域問題，適用范圍包括：（1）時間要求寬松的繼電保護工作，如故障勘測與診斷等;[2]（2）定值智能化整合計算工作;（3）相關(guān)零序電流保護整定計算工作。將專家系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護，既可以順利表示出裝置工作中的動作，用規(guī)則清晰表示出運行人員診斷經(jīng)驗等內(nèi)容，還可以將故障診斷專家引入到系統(tǒng)當(dāng)中，以便及時排查故障原因并采用有效解決對策。此外，工作人員還可以應(yīng)用這些規(guī)則對繼電保護設(shè)計中存在的問題進行全方位分析并有效解決矛盾沖突。

（二）暫態(tài)保護在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的繼電保護工作主要采取過濾方式，需要耗費大量的人力與研究精力，早已無法滿足電力系統(tǒng)的運行需求。作為人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護中的一種應(yīng)用形式，暫態(tài)保護的應(yīng)用不僅可以有效提高電力系統(tǒng)繼電保護工作效率，且還可以解決單一工頻信號所不能解決的那些問題，大大提高故障判斷精準(zhǔn)度。具體來說，其工作原理為：根據(jù)故障所在位置、所屬類型以及持續(xù)時間等對故障進行精確的分析與判斷，將高頻信號從故障暫態(tài)中提取出來并應(yīng)用高頻信號保護電力設(shè)備與輸電線路。[3]

（三）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近年來一直是人工智能領(lǐng)域中的研究熱點，在電力系統(tǒng)繼電保護工作中發(fā)揮著極其重要的作用，主要適用于以下幾個方面：（1）判斷故障類型與距離，如可以BP模型作為方向辨別設(shè)備，快速判斷出故障所在方向并有效保護輸電線方向;[4]（2）區(qū)分正確方向與反方向電流故障。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)異的學(xué)習(xí)與辨別能力，有了它的支持，工作人員便可以更好地進行分析與辨別，保護電流方向正確的故障，并及時關(guān)閉反方向的電流故障，以有效提升電流靈敏度;（3）與專家系統(tǒng)配合使用，全方位診斷電力系統(tǒng)繼電保護中所存在的故障。

（四）模糊理論在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的無功電壓算法往往采用單目標(biāo)法來進行問題優(yōu)化，存在調(diào)節(jié)限制控制量考慮不周等弊端，且由于電力系統(tǒng)故障與故障前征兆間存在不確定性，關(guān)系并不明確，導(dǎo)致最后的診斷結(jié)果也相應(yīng)變得模糊，而模糊理論的應(yīng)用剛好可以解決這些問題，因此其在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。[5]該理論主要包括三方面內(nèi)容——系統(tǒng)規(guī)劃、模式控制以及潮流計算，既可以有效確定電力生產(chǎn)及干負(fù)荷變化過程中的不確定因素，也可以用模糊值來表示部分不確定關(guān)系，從而構(gòu)建起一個完整而有效的電力模糊系統(tǒng)。

（五）遺傳算法在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

遺傳算法是由美國科學(xué)家于20世紀(jì)70年代提出的一種計算模型，其主要是以自然選擇與遺傳機制作為理論基礎(chǔ)，通過應(yīng)用計算機設(shè)備，首先將問題的全部備用解都進行編碼，接著便按照其理論來進行全局優(yōu)化搜索，最終找到最優(yōu)解集。發(fā)展至今，該算法已在電力系統(tǒng)繼電保護工作中獲得廣泛應(yīng)用，如診斷輸電網(wǎng)絡(luò)故障原因、實現(xiàn)輸電系統(tǒng)電容最優(yōu)化配置、無功優(yōu)化電力系統(tǒng)以及處理圖像等。該算法應(yīng)用優(yōu)勢突出，如可以在龐大且復(fù)雜的搜索空間中完成自適應(yīng)搜索并找出最優(yōu)算法;算法簡單且適用性強，在求解問題過程中幾乎不受限制，不必經(jīng)過復(fù)雜的求解過程即可以獲得最優(yōu)解集。最大的應(yīng)用限制則僅在于，輸電網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型尚未實現(xiàn)系統(tǒng)化與科學(xué)化，而該問題一旦得到解決，人們便可以利用遺傳算法高效地解決故障診斷問題。

（六）計算機化在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

近年來，社會整體經(jīng)濟水平的不斷提高一方面推高了電力系統(tǒng)對微機保護的要求，另一方面也直接推動了計算機硬件特別是微機保護硬件的飛速發(fā)展。由此一來，計算機化在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用便日益廣泛，且已取得矚目成績。分析計算機化在電力系統(tǒng)繼電保護工作中的應(yīng)用優(yōu)勢，主要包括以下三個方面：（1）保護功能強大;（2）故障數(shù)據(jù)與信息存放空間充足，數(shù)據(jù)處理效率高;（3）能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源通信能力，進而提高電力系統(tǒng)繼電保護工作效率。

（七）模糊識別在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

作為人工智能分支學(xué)科，模糊識別在電力系統(tǒng)繼電保護工作中也發(fā)揮著極為重要的作用。具體來說，其工作內(nèi)容主要包括進行高阻抗檢測和距離保護等，在電力系統(tǒng)繼電保護中應(yīng)用模糊識別，可以改變系統(tǒng)中的配電線接地保護裝置，具體的工作原理為：識別和保護電壓與電流信號模式，并進一步就系統(tǒng)中的電壓與電流進行數(shù)據(jù)比較，從而實現(xiàn)對繼電保護高阻抗工作狀態(tài)的精準(zhǔn)鑒別。

（八）小波分析在電力系統(tǒng)繼電保護中的應(yīng)用

小波分析這一概念最早由法國石油信號處理工程師J.Morlet提出，經(jīng)過數(shù)十年的探索與研究，其已建立起完整的數(shù)學(xué)形式化體系并具備了更為扎實的理論基礎(chǔ)。作為一項重要的人工智能技術(shù)分支，小波分析在電力系統(tǒng)繼電保護工作中的應(yīng)用也凸顯出越來越多的積極作用：（1）分析并診斷電流電壓相關(guān)故障;（2）有效提取電流間斷角特征，并可結(jié)合模糊理論共同分析系統(tǒng)故障;（3）分別提取變壓器正常運營與非正常運營情況下的電流信號，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

如今，高速發(fā)展的經(jīng)濟社會在改善人民生活水平的同時，也對電力企業(yè)供電質(zhì)量提出了更高要求，傳統(tǒng)的繼電保護已然無法滿足人們當(dāng)前的用電需求。為解決這一矛盾，可以將人工智能技術(shù)引入到電力系統(tǒng)繼電保護當(dāng)中，令其充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，有力推動我國電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳興龍，陳樂，張蕓.人工智能在繼電保護中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（19）：131.

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[3]常紅艷.電力系統(tǒng)自動化中智能技術(shù)的應(yīng)用[J].電子測試，2016（18）：123-124.

[4]梁棟.繼電保護中的人工智能技術(shù)分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（09）：254.

[5]朱雪雄.電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展研究[A].《教師教學(xué)能力發(fā)展研究》科研成果集（第四卷）[C].《教師教學(xué)能力發(fā)展研究》總課題組，2017：21.

作者簡介：張宗瑩（1986—??），男，漢族，甘肅會寧人，本科，工程師，研究方向：電力工程技術(shù);張福平（1982—??），男，漢族，甘肅永登人，大專，助理工程師，研究方向：電力工程技術(shù);李嵐（1985—??），女，漢族，甘肅皋蘭人，本科，研究方向：電力工程技術(shù)。