基于電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)優(yōu)化的整定計算方法研究

國家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力調(diào)控中心 劉 翔 馮曉偉

1 引言

繼電保護參數(shù)的正確設(shè)置對于電力系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的整定方法存在許多問題，如誤動、拒動和動作時間過長等[1]。本文旨在研究一種新的基于電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)優(yōu)化的整定計算方法，通過電力系統(tǒng)建模和仿真驗證其有效性。該方法具有自動化、高精度和適應(yīng)性強的優(yōu)點，有望在電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 電力系統(tǒng)繼電保護基本原理

2.1 保護的根本目標(biāo)

電力系統(tǒng)繼電保護的根本目標(biāo)是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠快速、可靠地檢測故障并采取必要的措施來隔離故障，以減少其對電力系統(tǒng)的損害。包括但不限于停電設(shè)備、切斷故障電路、限制故障電流等措施，以確保電力系統(tǒng)的其余部分能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行[2]。

2.2 繼電保護設(shè)備和監(jiān)測裝置

繼電保護系統(tǒng)通常由多種繼電保護設(shè)備和監(jiān)測裝置組成，以監(jiān)測電力系統(tǒng)的狀態(tài)并采取行動。電力系統(tǒng)繼電保護通過監(jiān)測電力系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)定的保護參數(shù)，及時判斷是否存在故障，然后采取相應(yīng)措施，以保障電力系統(tǒng)的正常運行[3]。該系統(tǒng)包括多種繼電保護設(shè)備和監(jiān)測裝置，如差動保護、過電流保護、過電壓保護和頻率保護，其功能如下。

一是差動保護：監(jiān)測電流或電壓的差異，以檢測電力系統(tǒng)中的故障。當(dāng)差動電流或電壓超過預(yù)定閾值時，差動保護會動作，隔離故障。二是過電流保護：監(jiān)測電流是否超過允許的最大值。當(dāng)電流超過設(shè)定值時，過電流保護會迅速切斷電路，以保護設(shè)備免受過載或短路故障的影響。三是過電壓保護：監(jiān)測電壓是否超過正常范圍，以防止電力系統(tǒng)遭受過電壓引發(fā)的損害，如設(shè)備損壞或絕緣擊穿。四是頻率保護：監(jiān)測電力系統(tǒng)的頻率，以防止頻率異常變化導(dǎo)致設(shè)備失效。頻率保護可采取措施維持系統(tǒng)頻率在安全范圍內(nèi)。

2.3 參數(shù)設(shè)定和動作判據(jù)

繼電保護設(shè)備的正確運行依賴于合適的參數(shù)設(shè)定和動作判據(jù)。參數(shù)設(shè)定包括設(shè)定故障檢測的閾值和時間延遲等參數(shù)，而動作判據(jù)則決定了何時繼電保護設(shè)備應(yīng)該觸發(fā)動作。

電力系統(tǒng)繼電保護是確保電力系統(tǒng)安全、可靠運行的不可或缺的組成部分。通過監(jiān)測電力系統(tǒng)的狀態(tài)并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)采取措施，繼電保護系統(tǒng)可以及時檢測和隔離故障，盡可能地減少電力系統(tǒng)的損害。

3 繼電保護參數(shù)設(shè)置的重要性

電力系統(tǒng)繼電保護的有效性和可靠性在很大程度上取決于正確的參數(shù)設(shè)置。這些參數(shù)是繼電保護設(shè)備的核心內(nèi)容，決定了在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時繼電保護系統(tǒng)的行為[4]。關(guān)于正確參數(shù)設(shè)置的重要性以及可能引發(fā)的問題主要有幾方面。

3.1 誤動

一旦繼電保護系統(tǒng)錯誤地將正常運行的設(shè)備視為故障并執(zhí)行不必要的動作，就可能導(dǎo)致誤動作。這種情況不僅會浪費資源，還會使電力系統(tǒng)的可靠性受到威脅。誤動作可能導(dǎo)致其他問題。一是設(shè)備停運：誤動作可能會導(dǎo)致正常運行的設(shè)備被不必要地切斷電源，從而影響生產(chǎn)和供電，增加維護工作的復(fù)雜性。二是電力系統(tǒng)不穩(wěn)定：頻繁的誤動作可能引發(fā)電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響電壓和頻率的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰。

3.2 拒動

漏動作是指繼電保護系統(tǒng)未能及時檢測到真正的故障情況，這種情況可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。首先，漏動作可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。當(dāng)繼電保護系統(tǒng)未能有效隔離故障時，故障可能會繼續(xù)存在，對設(shè)備造成進一步的損害。這可能導(dǎo)致設(shè)備需要更長時間的停機來進行修復(fù)，同時也會帶來高額的維修成本，對生產(chǎn)和運營造成嚴(yán)重影響。

此外，漏動作還可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定。如果一個故障未被及時隔離，可能會擴散到電力系統(tǒng)的其他部分，影響整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性?？赡芤l(fā)連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰或停電，為用戶和運營商帶來不便和經(jīng)濟損失。

因此，解決漏動作問題對于維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。可以通過改進繼電保護系統(tǒng)的設(shè)計、定期維護和升級實現(xiàn)，以確保其能夠及時、準(zhǔn)確地檢測并隔離故障，從而保障電力系統(tǒng)的可靠運行和設(shè)備的長期性能。

3.3 動作時間過長

繼電保護系統(tǒng)在檢測到故障后動作的時間過長也可能引發(fā)問題。這種情況下，系統(tǒng)無法及時隔離故障，可能導(dǎo)致以下問題。一是設(shè)備受損加?。弘S著動作時間的延長，故障可能會更嚴(yán)重，對設(shè)備造成更大的損害。二是電力系統(tǒng)不穩(wěn)定：動作時間過長可能使電力系統(tǒng)的頻率和電壓失去穩(wěn)定性，威脅電力系統(tǒng)的可靠性。只有通過合理的參數(shù)設(shè)置，繼電保護系統(tǒng)才能快速、準(zhǔn)確地檢測故障并采取必要的措施，以盡可能地減少對電力系統(tǒng)的不利影響。電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性取決于這些參數(shù)的精確性和及時性設(shè)置。

4 現(xiàn)有的參數(shù)整定方法問題分析

目前，通常采用的繼電保護參數(shù)整定方法主要包括經(jīng)驗法、試驗法和數(shù)學(xué)模型法。然而，這些方法在實際應(yīng)用中都存在一些問題，需要進一步分析和解決。

4.1 經(jīng)驗法的局限性

一是不適用于復(fù)雜系統(tǒng)，繼電保護系統(tǒng)的復(fù)雜性隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度增加而增加。經(jīng)驗法通常無法處理這種復(fù)雜性，因此在面對復(fù)雜多變的電力系統(tǒng)時，其準(zhǔn)確性和可靠性受到影響。二是依賴個體經(jīng)驗，經(jīng)驗法依賴于個別工程師的經(jīng)驗，不夠標(biāo)準(zhǔn)化，同樣的問題在不同工程師手中可能得到不同的解決方案，缺乏一致性。

4.2 試驗法的問題

試驗法通常需要對電力系統(tǒng)進行大規(guī)模的試驗，但其伴隨著一些問題。首先，高成本是試驗法的主要挑戰(zhàn)。進行大規(guī)模試驗需要昂貴的設(shè)備、試驗場地和資源，這會大幅增加電力系統(tǒng)的維護和調(diào)整成本。高成本可能限制了一些資源有限的電力系統(tǒng)運營商的能力，使其難以高頻地進行必要的試驗。其次，試驗法不適用于實時調(diào)整。這是因為試驗法通常是一種離線方法，需要將電力系統(tǒng)離線或停機以進行試驗。在電力系統(tǒng)運行中，無法隨時隨地進行試驗來動態(tài)調(diào)整繼電保護參數(shù)，可能導(dǎo)致延誤或不適當(dāng)?shù)膮?shù)配置。

為了克服這些問題，電力系統(tǒng)維護和調(diào)整領(lǐng)域已經(jīng)引入了一些先進的技術(shù)和方法，如基于模型的參數(shù)估計和在線監(jiān)測系統(tǒng)。這些方法可以降低成本、提高效率，同時允許在實時運行中進行參數(shù)調(diào)整，以確保繼電保護系統(tǒng)的可靠性和性能。因此，在選擇維護和調(diào)整方法時，需要權(quán)衡成本和實時性的需求，以滿足電力系統(tǒng)的要求。

4.3 數(shù)學(xué)模型法的挑戰(zhàn)

一是復(fù)雜計算：數(shù)學(xué)模型法需要建立復(fù)雜的電力系統(tǒng)模型和進行大規(guī)模的計算。這導(dǎo)致計算量巨大，不適用于實際工程中的實時參數(shù)調(diào)整。二是模型精度：數(shù)學(xué)模型的精度取決于模型的準(zhǔn)確性和輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量。如果模型不準(zhǔn)確或數(shù)據(jù)不完備，結(jié)果可能不準(zhǔn)確。綜上所述，現(xiàn)有的繼電保護參數(shù)整定方法在不同情況下都存在一定的局限性和問題。因此，需要尋求一種新的方法，能夠克服這些問題，提高繼電保護系統(tǒng)的性能和可靠性。

5 基于電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)優(yōu)化的整定計算方法

為了解決現(xiàn)有方法的局限性，提出了一種創(chuàng)新的電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)優(yōu)化的整定計算方法。這一方法的目標(biāo)是通過數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法，自動調(diào)整繼電保護參數(shù)以達到最佳的繼電保護性能。

在這一方法中，首要步驟是建立電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括各種繼電保護設(shè)備的精確模型和電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這個模型涵蓋了電力線路、變壓器、發(fā)電機、開關(guān)裝置等各個組件，并考慮了電力系統(tǒng)的運行參數(shù)，如電壓、電流、頻率等[5]。

選擇合適的參數(shù)優(yōu)化算法，例如遺傳算法、粒子群優(yōu)化等。這些算法能夠在復(fù)雜的參數(shù)空間中搜索最優(yōu)解，以滿足繼電保護性能的要求。選擇適當(dāng)?shù)乃惴▽τ趦?yōu)化的成功至關(guān)重要，需要根據(jù)電力系統(tǒng)的特性和優(yōu)化算法的適用性進行精心選擇。

利用電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行仿真和驗證，評估新參數(shù)設(shè)置的性能，包括誤動作率、漏動作率、動作時間等關(guān)鍵指標(biāo)。通過模擬電力系統(tǒng)在不同工況下的運行，可以了解新參數(shù)設(shè)置在各種情況下的響應(yīng)，以確保其穩(wěn)健性和魯棒性。

根據(jù)仿真結(jié)果，自動調(diào)整繼電保護參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的繼電保護性能。這一自動化過程確保了繼電保護系統(tǒng)在不同工況下始終保持高效和可靠，無須人工干預(yù)。

基于電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)優(yōu)化的整定計算方法是一種有潛力的方法，可以提高繼電保護系統(tǒng)的性能和可靠性。通過電力系統(tǒng)建模、參數(shù)優(yōu)化算法、仿真驗證和自動參數(shù)調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確、更適應(yīng)性強的繼電保護參數(shù)設(shè)置，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和可靠性。

6 試驗結(jié)果與分析

使用這一創(chuàng)新方法進行了大量的仿真實驗，并對實際電力系統(tǒng)進行了參數(shù)整定。試驗結(jié)果充分證明，新方法在提高繼電保護系統(tǒng)性能方面取得了顯著的改進，同時有效降低了誤動作率和漏動作率，確保了動作時間的合理性。相對于傳統(tǒng)的參數(shù)整定方法，新方法帶來了以下顯著優(yōu)勢。

一是自動化參數(shù)調(diào)整：這一新方法實現(xiàn)了繼電保護參數(shù)的自動化調(diào)整，無須人工干預(yù)。在電力系統(tǒng)運行過程中，繼電保護參數(shù)能夠根據(jù)實時的系統(tǒng)狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)整，以滿足不同工況下的需求。這種自動化顯著提高了繼電保護系統(tǒng)的靈活性和實時性，有助于快速響應(yīng)系統(tǒng)變化。

二是高精度的參數(shù)設(shè)置：通過這一方法，能夠獲得更為精確的繼電保護參數(shù)設(shè)置。誤動作率和漏動作率大幅降低，繼電保護系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地判斷電力系統(tǒng)的狀態(tài)，及時隔離故障，從而提高了電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置還能夠降低不必要的停機和維修成本，有利于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

三是適應(yīng)不同工況的能力：這一方法具備很強的適應(yīng)性，能夠滿足電力系統(tǒng)在不同工況下的參數(shù)設(shè)置需求。電力系統(tǒng)的工作條件常常發(fā)生變化，傳統(tǒng)方法可能需要手動調(diào)整參數(shù)以適應(yīng)這些變化。而新方法能夠自動適應(yīng)不同工況，無論是電流負(fù)載的變化、電壓波動還是其他因素的影響，都能夠有效地保持繼電保護性能。

綜上所述，通過試驗結(jié)果和分析可以得出結(jié)論，基于電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)優(yōu)化的整定計算方法在提高性能、降低誤動作率和漏動作率、保證動作時間的合理性等方面都表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。這一方法的自動化、高精度和適應(yīng)性特點，有望在電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

7 結(jié)語

本文研究了基于電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)優(yōu)化的整定計算方法，通過電力系統(tǒng)建模和仿真驗證，證明了新方法的有效性。正確的繼電保護參數(shù)設(shè)置對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，而新方法提供了一種自動化、高精度、適應(yīng)性強的參數(shù)整定方式，有望在電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。未來的研究方向包括進一步優(yōu)化算法，提高整定方法的實時性和準(zhǔn)確性，以滿足電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的需求。