繼電保護(hù)裝置與繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新研究

郭威銘

長園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057

0 引言

優(yōu)化電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與排查系統(tǒng)故障、加強(qiáng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是應(yīng)對電能需求增加、用電規(guī)模擴(kuò)大、電網(wǎng)供電壓力增加等問題的重要措施。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，人們的生活水平不斷提高，電力消耗持續(xù)上漲。在這種情況下，若不能創(chuàng)新電力系統(tǒng)繼電保護(hù)措施，依然采取傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方式，將不能為電力系統(tǒng)運(yùn)行安全提供保障。

由于供電量的日益增加、電網(wǎng)容量的不斷調(diào)整，加上高電壓、遠(yuǎn)距離發(fā)展規(guī)劃的實(shí)施，導(dǎo)致電力工程的負(fù)荷增大，電網(wǎng)之間的磨合周期延長，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電力安全問題逐漸成為電力系統(tǒng)的管理焦點(diǎn)?；诖?，需要加大對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的研究力度，制訂更加科學(xué)有效的保護(hù)策略，以保證繼電保護(hù)裝置運(yùn)行的安全性與可靠性，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定扎實(shí)基礎(chǔ)。

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的必要性

在城市快速發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)的用電量持續(xù)增加，在滿足基本生產(chǎn)生活需求的同時(shí)，還要不斷提高供電質(zhì)量。當(dāng)前電力系統(tǒng)的供應(yīng)壓力越來越大，特別是供不應(yīng)求狀態(tài)持續(xù)周期長，在這種情況下，加大對繼電保護(hù)的研究力度，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行與緊迫問題的解決有重要意義。繼電保護(hù)關(guān)系著電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，繼電保護(hù)裝置的主要作用是幫助工作人員及時(shí)排查電力系統(tǒng)的故障，并且以最短的時(shí)間解決故障并恢復(fù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行。借助繼電保護(hù)裝置可以監(jiān)測電力系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，可以及時(shí)向控制系統(tǒng)報(bào)警，技術(shù)人員能夠迅速采取措施排除故障。這樣可以減少電力系統(tǒng)停電的頻率，同時(shí)強(qiáng)化電力系統(tǒng)的基本功能。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置與繼電保護(hù)技術(shù)的研究，也可以為電力系統(tǒng)和社會秩序的正常提供保障。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，供電穩(wěn)定性可以得到保證，使社會秩序不受影響，人們能夠正常生活，企業(yè)能夠正常生產(chǎn)[1]。一旦電力系統(tǒng)停止運(yùn)行，人們的生活與生產(chǎn)都會受到干擾，社會秩序也會被影響。利用繼電保護(hù)裝置，技術(shù)人員可以及時(shí)了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，排除電力系統(tǒng)異常風(fēng)險(xiǎn)，避免停電或者電力系統(tǒng)異常影響城市發(fā)展、社會生產(chǎn)等。由此可以看出，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置及繼電保護(hù)技術(shù)的優(yōu)化創(chuàng)新是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的必然選擇[2]。

2 繼電保護(hù)裝置與繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程

繼電保護(hù)技術(shù)是電力系統(tǒng)保護(hù)的核心，繼電保護(hù)技術(shù)在我國起步較晚，從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展。初期的繼電保護(hù)器為晶體管，其在當(dāng)時(shí)能夠滿足電力保護(hù)需求，因此得到迅速普及。隨著電力保護(hù)技術(shù)研究的深入，晶體管繼電保護(hù)器升級為集成電路保護(hù)裝置，其以集成運(yùn)算放大器為載體，在電力系統(tǒng)保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用[3]。之后，研究人員還研發(fā)出了微機(jī)保護(hù)繼電裝置。隨著信息化水平的提高，繼電保護(hù)裝置逐漸轉(zhuǎn)型為電子化與網(wǎng)絡(luò)化整合的裝置，這是信息化時(shí)代下電力系統(tǒng)保護(hù)的主要發(fā)展方向，也是繼電保護(hù)裝置研發(fā)的必然路徑。

3 繼電保護(hù)裝置的功能和具體使用

3.1 繼電保護(hù)裝置的主要功能

繼電保護(hù)裝置的主要功能是母聯(lián)保護(hù)和線路保護(hù)。繼電保護(hù)裝置的功能較多，在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置功能的有效發(fā)揮是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行、規(guī)避電力系統(tǒng)運(yùn)行故障、降低電力系統(tǒng)所受損害的重要保障。繼電保護(hù)裝置對電力系統(tǒng)的保護(hù)以三段式電流保護(hù)為主，部分保護(hù)為二段式保護(hù)，既可以預(yù)防電力系統(tǒng)短路等常見故障，又能夠確保主變保護(hù)到位和輸變電設(shè)備的正常運(yùn)行。即便出現(xiàn)故障，繼電保護(hù)裝置可以將電力系統(tǒng)故障損失降到最低。尤其是隨著微電腦處理技術(shù)的加入，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)控，一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常，繼電保護(hù)裝置可以迅速斷開電路，為電力系統(tǒng)安全提供保護(hù)[4]。

3.2 繼電保護(hù)裝置的選型和使用

繼電保護(hù)裝置的選型和使用是電力系統(tǒng)保護(hù)的重要內(nèi)容，也是繼電保護(hù)裝置保護(hù)功能最大化的基礎(chǔ)。繼電保護(hù)裝置選型和使用涉及很多因素，相關(guān)人員需要分析電力系統(tǒng)，確保繼電保護(hù)裝置與電力系統(tǒng)相匹配[5]。為了充分發(fā)揮繼電保護(hù)裝置對電力系統(tǒng)運(yùn)行全程的管控與保護(hù)作用，相關(guān)人員需要以實(shí)時(shí)監(jiān)控為基礎(chǔ)，不遺漏任何系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行故障或者安全隱患，迅速發(fā)出報(bào)警信號，并根據(jù)實(shí)際情況控制電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。相關(guān)人員需要認(rèn)清網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在繼電保護(hù)中的積極作用，在擴(kuò)大繼電保護(hù)領(lǐng)域的同時(shí)，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高繼電保護(hù)的現(xiàn)代化水平，打造完善、高效的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控與安全維護(hù)模式；同時(shí)，需要重視繼電保護(hù)裝置的基本性能，確保其所有功能正常、保護(hù)與控制的靈敏性達(dá)標(biāo)、功能可靠且反應(yīng)迅速等[6]。

4 繼電保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)化革新

網(wǎng)絡(luò)化革新是繼電保護(hù)的發(fā)展重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化與智能化掛鉤，在各種信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，繼電保護(hù)技術(shù)同樣需要發(fā)展。目前，繼電保護(hù)技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)從初步探索階段轉(zhuǎn)到穩(wěn)步發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)的加入大幅提高了繼電保護(hù)裝置的智能化水平[7]。例如，基于單片機(jī)技術(shù)，繼電保護(hù)裝置具備了微機(jī)化保護(hù)功能，電力系統(tǒng)保護(hù)與故障識別、診斷等的準(zhǔn)確率提高，繼電保護(hù)裝置能夠快速完成電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合，從而保護(hù)變電設(shè)備和系統(tǒng)的安全。網(wǎng)絡(luò)化的繼電保護(hù)裝置可以協(xié)助電力系統(tǒng)保護(hù)人員科學(xué)開展系統(tǒng)保護(hù)工作，信息技術(shù)的加入與繼電保護(hù)系統(tǒng)的升級都是電力系統(tǒng)保護(hù)自動(dòng)化、智能化發(fā)展的重要體現(xiàn)。

5 繼電保護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新思路

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)保護(hù)與控制的關(guān)鍵。近些年，繼電保護(hù)技術(shù)的信息化與智能化發(fā)展實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)保護(hù)的質(zhì)的飛躍。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)梳理電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的思路，有利于完善電力系統(tǒng)保護(hù)工作，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

5.1 打造繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)控制體系

創(chuàng)新繼電保護(hù)模式需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)。利用數(shù)字化技術(shù)可以捕捉并及時(shí)發(fā)送電力系統(tǒng)狀態(tài)，使控制中心第一時(shí)間了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。技術(shù)人員需要科學(xué)搭配繼電保護(hù)裝置與測控裝置，并以數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)的形式，創(chuàng)建人機(jī)對話界面，隨后在網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)控制服務(wù)器的引導(dǎo)下進(jìn)行電力系統(tǒng)保護(hù)工作。測控裝置主要負(fù)責(zé)控制設(shè)備信息機(jī)的正常運(yùn)行與信號采集，其可以及時(shí)轉(zhuǎn)變信號模式，并將信號上傳到繼電保護(hù)控制系統(tǒng)[8]。變電站的全部流程都在監(jiān)控范圍內(nèi)，若電力系統(tǒng)存在故障，繼電保護(hù)能發(fā)揮保護(hù)作用，及時(shí)替代變電站處理故障。繼電保護(hù)裝置、服務(wù)器等裝置之間必須保持實(shí)時(shí)聯(lián)系，并使用數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)確保聯(lián)系的穩(wěn)定性，從而確保數(shù)字信息的及時(shí)傳遞，并為子系統(tǒng)與繼電保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號交換提供保障。控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整理接收的信號，為了確保其可以準(zhǔn)確判斷信號，需要提前設(shè)置繼電保護(hù)與電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的邏輯關(guān)系。此外，還需要增設(shè)數(shù)據(jù)流運(yùn)行的裝置，以集中處理采集的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，減輕測控裝置的運(yùn)行壓力，并方便電力系統(tǒng)信息的分析處理。

5.2 應(yīng)用線性最優(yōu)控制理論

電力系統(tǒng)屬性特殊，不僅規(guī)模龐大，同時(shí)還具備時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)。電力系統(tǒng)的所有參數(shù)都是動(dòng)態(tài)變化的，這增加了繼電保護(hù)的難度。對此，技術(shù)人員可以從智能化角度出發(fā)，借助智能化技術(shù)高效處理的優(yōu)勢，應(yīng)用線性最優(yōu)控制理論，突破電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的局限。技術(shù)人員需要根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的實(shí)際情況，結(jié)合優(yōu)化理論，構(gòu)建繼電保護(hù)線性控制體系，以解決電力系統(tǒng)的實(shí)際問題。相比于傳統(tǒng)勵(lì)磁控制理論，線性最優(yōu)控制理論的應(yīng)用具備優(yōu)勢，其不僅可以明顯提高遠(yuǎn)距離控制與動(dòng)態(tài)品質(zhì)改善的效率，還能合理控制制動(dòng)電阻時(shí)間，滿足繼電保護(hù)技術(shù)對局部線性化模型的設(shè)計(jì)要求。

5.3 制定完善的模糊控制方案

應(yīng)用電力系統(tǒng)繼電保護(hù)時(shí)，除了應(yīng)用線性最優(yōu)控制理論，還需制訂完善的模糊控制方案，充分發(fā)揮其實(shí)用性優(yōu)勢。與數(shù)學(xué)模型相比，模糊控制技術(shù)使用的模糊關(guān)系模型使用難度較小，但能夠滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的需求。模糊關(guān)系模型的應(yīng)用范圍廣，大型電力設(shè)備、電風(fēng)扇或者恒溫器都適用該模型。以恒溫器的模糊控制為例，恒溫器的模糊控制方案需要根據(jù)恒溫器的具體情況作出適當(dāng)調(diào)整，從而在保持恒溫器功能穩(wěn)定性的同時(shí)，降低恒溫器的運(yùn)行能耗。恒溫器的主要作用是使電力系統(tǒng)的溫度處于恒定狀態(tài)，在恒溫器的正常工作中，恒溫控制裝置會出現(xiàn)擺動(dòng)振蕩，使溫度出現(xiàn)突然變化，無法保持恒溫狀態(tài)。使用模糊控制技術(shù)能夠有針對性地解決這些問題，并且做好溫度變化的預(yù)防工作，減少恒溫器使用時(shí)的波動(dòng)。使用模糊控制技術(shù)能夠有效區(qū)分溫度與溫度變化，以模糊控制器為載體，可以輸入語言變量，并加快語言變量的相互跨接速度，這樣既可以解決恒溫器的溫度變化問題，又可以有效節(jié)電，避免超溫情況。

5.4 融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與專家系統(tǒng)控制

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中可以滲透神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。經(jīng)過持續(xù)的研究創(chuàng)新，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的學(xué)習(xí)算法和模型結(jié)構(gòu)都已經(jīng)非常成熟。電力系統(tǒng)保護(hù)的參數(shù)多，保護(hù)處理復(fù)雜，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)中的神經(jīng)元可以通過尋找電力系統(tǒng)中隱藏的規(guī)律重新連接系統(tǒng)各部分，隨后通過連接權(quán)值，掌握電力系統(tǒng)中的未知信息，并作出適當(dāng)調(diào)整。這可以幫助電力系統(tǒng)梳理非線性映射關(guān)系與不同維度空間的轉(zhuǎn)換。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線性特點(diǎn)十分適合電力系統(tǒng)的保護(hù)控制，因此需加大相關(guān)研究的力度。

（2）專家系統(tǒng)控制。在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)融入專家系統(tǒng)控制，能夠有效提高電力系統(tǒng)辨識危險(xiǎn)信號的能力，并且加快故障恢復(fù)速度，還能夠集中系統(tǒng)控制力，但是也存在一定的局限性，需在實(shí)際應(yīng)用中慎重考慮。首先，相關(guān)人員對專家系統(tǒng)控制技術(shù)的認(rèn)識不夠深入；其次，專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)不夠健全，陌生問題頻出；最后，專家系統(tǒng)控制的創(chuàng)造性不夠，專家系統(tǒng)控制與電力系統(tǒng)保護(hù)結(jié)合時(shí)，驗(yàn)證問題復(fù)雜，會過度消耗電力系統(tǒng)保護(hù)處理時(shí)間?；诖耍€需要進(jìn)一步研究專家系統(tǒng)控制技術(shù)，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)需求作出適當(dāng)調(diào)整。

5.5 提升繼電保護(hù)系統(tǒng)智能化水平

智能化是繼電保護(hù)系統(tǒng)未來的主要發(fā)展方向，繼電保護(hù)系統(tǒng)智能化水平的提升，需要從綜合智能系統(tǒng)著手。需要改進(jìn)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方法，增加智能化元素，借助現(xiàn)代化控制與智能化管理的交叉處理，迅速適應(yīng)電力系統(tǒng)的復(fù)雜性特點(diǎn)，充分挖掘電力系統(tǒng)中綜合智能系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。以專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等為研究對象，對智能系統(tǒng)進(jìn)行綜合分類，幫助各個(gè)研究對象尋找最佳應(yīng)用路徑，由此奠定繼電保護(hù)工作的智能化基礎(chǔ)，為電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制提供技術(shù)支撐。

6 結(jié)束語

綜上所述，電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制十分重要，繼電保護(hù)技術(shù)是目前電力系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。繼電保護(hù)裝置的升級與繼電保護(hù)模式的創(chuàng)新需要不斷滲透信息化技術(shù)，打造智能化保護(hù)與控制系統(tǒng)，及時(shí)解決繼電保護(hù)中存在的問題。技術(shù)人員需要認(rèn)識繼電保護(hù)對電力系統(tǒng)保護(hù)的重要性，并在此基礎(chǔ)上，重新梳理電力系統(tǒng)保護(hù)與控制的思路，整合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭配神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)等，從多方面提高電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)水平，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行營造理想環(huán)境。