人工智能背景下的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)分析

陳征宇

舟山華電風(fēng)力發(fā)電有限公司 浙江 杭州 310000

1 智能電網(wǎng)及繼電保護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)就是對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行智能化改造，基于集成化、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)，配備了先進(jìn)的傳感技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、控制方式與決策支持系統(tǒng)，使電網(wǎng)能夠始終處于安全、高效、經(jīng)濟(jì)化狀態(tài)下運(yùn)行。

與普通電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)具有自愈性、激勵(lì)性功能，可以確實(shí)滿足大眾日漸提升的用電要求，允許不同發(fā)電形式設(shè)備接入，對(duì)啟動(dòng)并加快電力市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)程具有重要意義。

在智能電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，可以使每個(gè)用電用戶的用電行為均能夠得到實(shí)時(shí)監(jiān)管、每個(gè)電力設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息雙向流動(dòng)、電力市場(chǎng)交易與電網(wǎng)成員無縫銜接。具體而言，智能電網(wǎng)的特征主要體現(xiàn)在以下幾方面：

安全性[1]。智能電網(wǎng)自身具備較強(qiáng)的自愈與自適應(yīng)能力，可以從根本上控制大規(guī)模停電事故出現(xiàn)，切實(shí)保障電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中的設(shè)備安全；

兼容性。智能電網(wǎng)可以保障傳統(tǒng)集中性大電源設(shè)備接入，也可以接入太陽(yáng)能、風(fēng)能等新型分布式能源系統(tǒng)，實(shí)際兼容性更高；

靈活性。智能電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)供電企業(yè)與用戶之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，使電力資源得到優(yōu)化配置，電網(wǎng)運(yùn)行期間的經(jīng)濟(jì)效益更為顯著；

通過分析智能電網(wǎng)的運(yùn)行特征發(fā)現(xiàn)，智能電網(wǎng)大部分功能的實(shí)現(xiàn)需要建立在信息處理與通信支撐方面。

我國(guó)于20世紀(jì)末開始展開智能電網(wǎng)的建設(shè)工作，借助西電東輸項(xiàng)目，將煤電、水電、核電等資源進(jìn)行跨越式運(yùn)輸，使各地區(qū)均獲得了充足的電力支持。在當(dāng)前智能電網(wǎng)建設(shè)環(huán)節(jié)，主要以建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為主，以高壓電網(wǎng)為脈絡(luò)，將發(fā)電裝置、輸電裝置與變電裝置結(jié)合在一起，具有更加鮮明的數(shù)字化、信息化與自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)。

1.2 繼電保護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)

依照配電網(wǎng)實(shí)際操作要求，在配電網(wǎng)管理過程中，需要加強(qiáng)內(nèi)外循環(huán)管理力度，分析影響電網(wǎng)正常運(yùn)行水平的各類因素，切實(shí)增強(qiáng)電力資源實(shí)際傳輸效果。在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)遇到諸多因素影響，因此需要制定出專項(xiàng)管控機(jī)制，控制安全故障問題發(fā)生概率。工作人員需要通過考核后持證上崗，確保繼電裝置保護(hù)實(shí)施方案能夠高質(zhì)高效運(yùn)行。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行故障問題發(fā)生后，繼電保護(hù)裝置能夠快速判斷出故障發(fā)生位置，采用切斷隔離措施，保護(hù)電路中其他設(shè)備及元件不會(huì)受到不利影響。在繼電保護(hù)裝置實(shí)際運(yùn)行期間，主要通過測(cè)定瞬時(shí)電流大小判斷電力系統(tǒng)具體運(yùn)行情況，也被稱之為電流速斷保護(hù)。

繼電保護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)保障自身的高度靈活性，確保在設(shè)備發(fā)生故障后，能夠及時(shí)采取有效的保護(hù)措施，制定正確反應(yīng)動(dòng)作，為后續(xù)故障方案的制定提供重要理論依據(jù)。

2 智能電網(wǎng)背景下繼電保護(hù)技術(shù)分析

2.1 保護(hù)重構(gòu)技術(shù)

在智能電網(wǎng)背景下，保護(hù)重構(gòu)技術(shù)主要就是基于循環(huán)方式的繼電保護(hù)信道重構(gòu)。在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間，電力設(shè)備繼續(xù)受到外界環(huán)境因素影響，導(dǎo)致繼電保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)退出或誤動(dòng)作，引發(fā)安全穩(wěn)定裝置連鎖動(dòng)作，導(dǎo)致大面積停電問題發(fā)生。為確保智能電網(wǎng)下的繼電保護(hù)裝置能夠充分發(fā)揮出應(yīng)有作用，還需要建立起可靠的通道，快速切斷故障部位。復(fù)制所有通信鏈路，實(shí)現(xiàn)通信鏈路配置的雙重化目標(biāo)。配合使用迂回通訊通道，可為故障問題的解決提供一條臨時(shí)信息傳輸路徑，作為自然條件下的智能電網(wǎng)臨時(shí)主保護(hù)裝置，保障智能電網(wǎng)系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。

2.2 智能傳感技術(shù)

在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)應(yīng)用過程中，配合使用智能傳感技術(shù)可以從根本上提升信息的采集與利用水平。借助變壓器保護(hù)手段，以傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，在一側(cè)與二側(cè)電網(wǎng)處均配備智能傳感器。由于變壓器功能不同，需要選擇適宜的傳感器種類，如振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、液面?zhèn)鞲衅饕约傲髁總鞲衅鞯?。在一次?cè)與二次側(cè)位置安裝振動(dòng)傳感器，可以檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行期間的位移量；溫度傳感器和檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行期間的溫度；液面?zhèn)鞲衅髂軌驒z測(cè)油面位置。

現(xiàn)階段智能電網(wǎng)也出現(xiàn)了光電流互感裝置與光電壓互感裝置。通過將兩互感裝置應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，可以切實(shí)保障電力設(shè)備電信號(hào)轉(zhuǎn)化水平，便于后期對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算保護(hù)與測(cè)量，并將信號(hào)更為精準(zhǔn)地傳送到網(wǎng)絡(luò)主控室。主控室借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)被保護(hù)電力設(shè)備進(jìn)行操作控制，借助一體化裝置執(zhí)行斷路器的操作。

隨著人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用普及度更高，還可以借助智能傳感技術(shù)采集輸電線路、發(fā)電裝置、變壓器信息，對(duì)繼電保護(hù)裝置及活動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面評(píng)估，精準(zhǔn)確定故障出現(xiàn)部位，并制定出專項(xiàng)可行的繼電保護(hù)裝置調(diào)試與檢查方案。

2.3 廣域保護(hù)技術(shù)

廣域保護(hù)系統(tǒng)主要包括僅涉及故障或擾動(dòng)后的系統(tǒng)保護(hù)、保護(hù)功能拓展后的故障切除常規(guī)保護(hù)。通過使用廣域測(cè)量技術(shù)測(cè)量電力系統(tǒng)運(yùn)行期間的信息數(shù)據(jù)，與常規(guī)保護(hù)手段結(jié)合在一起，對(duì)故障發(fā)生部位進(jìn)行快速切除，并且切除后的部位進(jìn)行在線安全分析，采用合理方式防止大規(guī)?；蛳到y(tǒng)重建問題出現(xiàn)。

不同區(qū)域廣域保護(hù)系統(tǒng)的要求不同，各階段掌握的技術(shù)種類存在較大差異。現(xiàn)階段廣域保護(hù)技術(shù)可分為SCAD/EMS系統(tǒng)、帶系統(tǒng)保護(hù)終端平面結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)。

廣域測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)階段的智能電網(wǎng)下電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置電路分析重要手段，在電力系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)如功率搖擺狀態(tài)的情況下，設(shè)備運(yùn)行期間的電壓及電流值變化較為緩慢，可以將磁變化作為設(shè)備穩(wěn)定狀態(tài)，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行行為。借助廣域同步向量測(cè)量技術(shù)，可以增強(qiáng)繼電保護(hù)裝置在線不穩(wěn)定預(yù)測(cè)、故障錄波、擾動(dòng)錄波、輸電及發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算模型檢驗(yàn)等功能，為從根本上提升系統(tǒng)綜合管控水平，充分發(fā)揮出繼電保護(hù)裝置應(yīng)用功能奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 基于自動(dòng)化技術(shù)二次設(shè)備狀態(tài)檢修

微機(jī)保護(hù)和微機(jī)自動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自身狀態(tài)監(jiān)控，從根本上提升繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)管水平。保護(hù)軟件裝置內(nèi)部主要包括存儲(chǔ)器、電源、CPU等構(gòu)件。借助自動(dòng)化系統(tǒng)，可以將各站的二次設(shè)備診斷信息上傳至控制主站。主站通過分析此些信息，發(fā)現(xiàn)存在于系統(tǒng)運(yùn)行期間的各類問題，并就此些問題發(fā)生位置與發(fā)生原因制定相應(yīng)解決對(duì)策，投入或退出等保護(hù)。

借助二次設(shè)備，將信息上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行集中處理，提取設(shè)備狀態(tài)故障信息。配合使用故障診斷平臺(tái)，判斷設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。在設(shè)備智能化管控過程中，故障診斷系統(tǒng)是主要工具，可以從根本上提升設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)水平。在故障診斷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，需要著重關(guān)注信息狀態(tài)的檢測(cè)工作，配合使用專家數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)大量理論知識(shí)，評(píng)估二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合故障診斷平臺(tái)專業(yè)人員對(duì)自檢信息進(jìn)行分析，分析電力設(shè)備故障發(fā)生位置、故障發(fā)生原因以及故障影響范圍，制定出專項(xiàng)可行的設(shè)備維護(hù)技術(shù)方案。

2.5 新能源并網(wǎng)

在智能電網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展過程中，還需要著重關(guān)注可再生新能源的使用工作，如風(fēng)能、水能、光伏能源等。由于新能源種類較多，獲取難度較小，可再生性強(qiáng)，能夠有效解決地區(qū)發(fā)展與資源緊缺矛盾問題。但就目前來看，新能源的來源并不穩(wěn)定，相應(yīng)的開發(fā)技術(shù)尚未成熟，仍需要對(duì)現(xiàn)有繼電保護(hù)裝置進(jìn)行不斷優(yōu)化，增強(qiáng)新能源場(chǎng)站在電力系統(tǒng)中的穩(wěn)定性與可靠性。

2.6 電力電子元件的應(yīng)用

智能電網(wǎng)下的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置還應(yīng)當(dāng)著重使用電力電子元件，如功率整流二極管、可管斷晶閘管、功率靜電感應(yīng)晶體管等。在設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置過程中，為避免電力電子元件開關(guān)頻率較大，產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)造成不利影響，還需要設(shè)計(jì)出柔性交流輸電系統(tǒng)，完善電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部功能。

2.7 變壓器繼電保護(hù)

在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間，變壓器可直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量及效率，需要將人工智能技術(shù)應(yīng)用在變壓器保護(hù)工作中。

首先，對(duì)變壓器瓦斯進(jìn)行保護(hù)。電力系統(tǒng)內(nèi)部變壓器油箱設(shè)施經(jīng)常會(huì)因故障問題產(chǎn)生有毒或易燃?xì)怏w，嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)運(yùn)行期間的安全性?？墒褂萌斯ぶ悄茉O(shè)施能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)變壓器油箱內(nèi)瓦斯含量。如果瓦斯含量超過安全限值，可自動(dòng)進(jìn)行斷電操作并發(fā)出預(yù)警，以有效控制故障問題發(fā)生概率，避免在變壓器運(yùn)行過程中出現(xiàn)較大安全事故問題；

其次，對(duì)于變壓器短路情況進(jìn)行保護(hù)。配合使用人工智能技術(shù)，能夠借助抗阻電磁保護(hù)裝置管控電力系統(tǒng)變壓器短路情況，使變壓器發(fā)生短路時(shí)也能夠自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

最后，借助人工智能技術(shù)做好暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算工作。在電力系統(tǒng)運(yùn)行工作開展期間，人工智能技術(shù)還可應(yīng)用在變壓器狀態(tài)穩(wěn)定計(jì)算過程中，通過對(duì)變壓器電源線進(jìn)行跟蹤及布置，為繼電保護(hù)裝置安全可靠運(yùn)行提供必要數(shù)據(jù)支持。通常情況下，暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算工作需要對(duì)電路進(jìn)行假設(shè)，判斷電路故障問題發(fā)生原因，針對(duì)此原因制定專項(xiàng)可行解決方案。如果在實(shí)際分析期間并沒有出現(xiàn)各因素排斥問題，則假設(shè)結(jié)果正確。如出現(xiàn)排斥情況，則需要進(jìn)行重新假設(shè)，并以此類推找尋到真正引發(fā)故障問題的原因；配合使用計(jì)算機(jī)及人工智能計(jì)算方式，借助穩(wěn)定分析結(jié)果增強(qiáng)電力系統(tǒng)保護(hù)水平。相較于傳統(tǒng)變壓器運(yùn)維管控模式而言，將人工智能技術(shù)與站臺(tái)穩(wěn)定計(jì)算工作結(jié)合在一起，可以切實(shí)提升系統(tǒng)運(yùn)維管控水平，有效控制變壓器故障問題發(fā)生概率。

3 人工智能背景下繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展

在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各類不良因素影響系統(tǒng)運(yùn)行期間的穩(wěn)定性，因此在智能電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過程中，需要配合使用更加先進(jìn)的繼電保護(hù)技術(shù)與配電自動(dòng)化手段，對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的安全漏洞問題進(jìn)行細(xì)致分析，精準(zhǔn)劃分故障區(qū)域，傳達(dá)故障通知信號(hào)，快速解決故障問題。

借助繼電保護(hù)與智能傳感器裝置，快速鎖定出現(xiàn)故障問題的電力設(shè)備位置，分割故障區(qū)域，控制設(shè)備故障問題對(duì)周邊電力系統(tǒng)運(yùn)行效果造成影響。就目前來看，繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化系統(tǒng)雖然在實(shí)際功能上存在較大差異，但均已保護(hù)電力系統(tǒng)，高效平穩(wěn)運(yùn)行為目標(biāo)。

為從根本上提升繼電保護(hù)裝置的智能化及網(wǎng)絡(luò)化水平，需要確保保護(hù)裝置具備功能完善、運(yùn)行性能高等優(yōu)勢(shì)，能夠在電力系統(tǒng)中起到一個(gè)智能終端的作用。保護(hù)裝置可以在網(wǎng)絡(luò)上獲取與電力系統(tǒng)及系統(tǒng)故障維護(hù)相關(guān)的信息資料，并將這些信息資料傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)控制中心。因此微機(jī)保護(hù)裝置可具備繼電保護(hù)功能，還可以在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下做好測(cè)量、控制、通信等工作[2]。

在人工智能背景下繼電保護(hù)裝置不僅應(yīng)當(dāng)做好切除故障元件、降低事故發(fā)生概率的工作，還是要采用合理方式為系統(tǒng)運(yùn)行提供一個(gè)安全穩(wěn)定的環(huán)境。要求各保護(hù)單元的共享系統(tǒng)運(yùn)行及故障信息數(shù)據(jù)均能夠得到高效應(yīng)用，加強(qiáng)微機(jī)保護(hù)裝置的網(wǎng)格化水平[3]。因人工智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能強(qiáng)大，在電力設(shè)備故障頻繁發(fā)生的情況下，保護(hù)裝置后期的檢驗(yàn)精準(zhǔn)度就會(huì)越高，使繼電保護(hù)效果能夠得到根本上提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置是保障電力資源平穩(wěn)供應(yīng)的關(guān)鍵所在，也是促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要研究課題。在人工智能技術(shù)不斷成熟的當(dāng)前背景下，繼電保護(hù)裝置也需要切實(shí)提升各類資源的利用率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決系統(tǒng)故障問題，從根本上提升電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。