10kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)整定及智能化管理研究

[摘 要]在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，繼電保護(hù)是一種重要的保護(hù)性裝置，能夠?qū)收蠀^(qū)域起到切斷、隔離的作用，有效避免了故障對整個(gè)電力系統(tǒng)的傷害。文章介紹了10 kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的整定計(jì)算，探討了智能電網(wǎng)背景下繼電保護(hù)智能化管理的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用功能，旨在最大程度地發(fā)揮出繼電保護(hù)系統(tǒng)的功能價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]10 kV配電網(wǎng)；繼電保護(hù)；整定計(jì)算；智能化管理；智能電網(wǎng)

[中圖分類號]TM77 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0173–03

Research on Relay Protection Setting and Intelligent Management of 10 kV Distribution Network

DENG Guanqun

[Abstract]In the distribution network system， relay protection is an important protective device that can cut off and isolate the fault area， effectively avoiding the damage of the fault to the entire power system. Based on this， this article first introduces the setting calculation of the 10 kV distribution network relay protection system， and then explores the key technologies and application functions of intelligent management of relay protection under the background of smart grid. It is hoped that this can provide some inspiration and reference for relevant power units and practitioners， and maximize the functional value of the relay protection system.

[Keywords]10 kV distribution network； relay protection； setting calculation； intelligent management； smart grid

10 kV配電網(wǎng)是當(dāng)前電力系統(tǒng)中十分重要的組成部分，為社會的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和人們的生產(chǎn)生活提供了極大的助益。因此一旦10 kV配電網(wǎng)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障問題，導(dǎo)致大范圍的停電事故，必然會影響到人們的正常生活。在進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意整定計(jì)算工作，以提升繼電保護(hù)的靈敏度和可靠性，并利用智能技術(shù)開展繼電保護(hù)的智能化管理，進(jìn)一步強(qiáng)化繼電保護(hù)效能，降低故障所帶來的負(fù)面影響。

1 10 kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)的整定

1.1 10 kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)概述

10 kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)的技術(shù)包括變壓器繼電保護(hù)、線路繼電保護(hù)、定時(shí)限過流保護(hù)等，各類型的繼電保護(hù)都包括3個(gè)核心環(huán)節(jié)：①信號采集。繼電保護(hù)是基于電氣量等數(shù)據(jù)的判斷而啟動(dòng)的保護(hù)措施，因此信號采集就成了故障判斷的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。繼電保護(hù)需要采集所需的信號并進(jìn)行測量和比較，從而形成一個(gè)特定的邏輯信號，以便后續(xù)環(huán)節(jié)判斷保護(hù)裝置是否啟動(dòng)。②信號判斷。根據(jù)信號采集測量所形成的邏輯信號進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確評估故障情況及動(dòng)作反應(yīng)情況，給信號輸出下達(dá)信號指令。③信號輸出。繼電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)完成是以動(dòng)作的執(zhí)行為標(biāo)志的，因此繼電保護(hù)系統(tǒng)中必然包含執(zhí)行層面，能夠借助自動(dòng)化技術(shù)根據(jù)信號判斷所下達(dá)的執(zhí)行指令進(jìn)行動(dòng)作，完成保護(hù)措施。

1.2 10 kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)的整定計(jì)算

1.2.1 整定原則

在開展繼電保護(hù)的整定計(jì)算之前，應(yīng)當(dāng)明確基本的整定原則：①選擇性原則。繼電保護(hù)的本質(zhì)是發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的故障，并對其進(jìn)行針對性切除等保護(hù)性處理，要準(zhǔn)確隔離故障部分的線路，而不能讓整個(gè)線路斷電。因此整定計(jì)算時(shí)須確保繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地查找到故障源，減少誤操作的可能性。②速動(dòng)性原則。繼電保護(hù)要起到保護(hù)電力系統(tǒng)的作用，其響應(yīng)速度十分關(guān)鍵，如果響應(yīng)速度過慢，就無法起到良好的保護(hù)作用。但針對不同的故障類型，其動(dòng)作時(shí)間也會存在一定的差異，這是整定計(jì)算時(shí)要充分考慮的問題。③靈敏性原則。繼電保護(hù)需要良好的靈敏度，但靈敏度并非越強(qiáng)越好，對于較為微小的異常信號，如果靈敏度過高，可能會出現(xiàn)誤操作，反而對電力系統(tǒng)運(yùn)維管理不利。

1.2.2 整定計(jì)算

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，當(dāng)前10 kV配電網(wǎng)的線路日漸復(fù)雜，如果繼電保護(hù)配置時(shí)對每一個(gè)開關(guān)都采用一級保護(hù)，必然會存在保護(hù)時(shí)限過短無法逐級配合的情況。如果采用這種繼電保護(hù)模式，一旦出現(xiàn)故障，很有可能會大范圍停電，失去繼電保護(hù)的意義。因此對于3個(gè)及以上開關(guān)的復(fù)雜配電網(wǎng)線路，通常采用有層級劃分的三段式保護(hù)，并根據(jù)Q/GDW 10422―2017《國家電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行動(dòng)作時(shí)限的級差配合，這樣既能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作時(shí)限的精密配合，也能提升繼電保護(hù)的選擇性和靈活性。

（1）Ⅰ段保護(hù)。電流速斷保護(hù)，可保護(hù)15%～50%的配電網(wǎng)線路。Ⅰ段整定計(jì)算的原則是其定值應(yīng)當(dāng)能夠躲避故障所產(chǎn)生的最大三相短路電流。整定公式為

2 10 kV配電網(wǎng)繼電保護(hù)的智能化管理

繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠通過對電力系統(tǒng)中異常情況的檢測和及時(shí)隔斷部分線路實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的保護(hù)，可以有效避免故障的擴(kuò)大，保障整個(gè)系統(tǒng)不受損害。但傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在一定的不足，如靈敏性不夠、自適應(yīng)能力不強(qiáng)、對人力依賴較大等。隨著信息時(shí)代的到來，當(dāng)前我國各地正在積極推進(jìn)智慧電網(wǎng)建設(shè)工作，即將信息技術(shù)、智能技術(shù)引入電力系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化運(yùn)行。在繼電保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對保護(hù)裝置的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程管理，不僅進(jìn)一步提升了電力系統(tǒng)的管理水平，更強(qiáng)化了繼電保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)能力，電力系統(tǒng)將更加安全、可靠。

2.1 智能化繼電保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 自動(dòng)化技術(shù)

自動(dòng)化技術(shù)能夠?qū)^電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行全面控制和管理，是智能化管理的關(guān)鍵技術(shù)之一，有效減輕了繼電保護(hù)系統(tǒng)對人力的依賴，提升了繼電保護(hù)的靈敏性。自動(dòng)化技術(shù)的主要作用在于通過對電壓、電流等信號的監(jiān)測，評估是否出現(xiàn)了異常，從而進(jìn)行故障判定，并控制繼電保護(hù)裝置對故障位置進(jìn)行隔離和切除。根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際需求，自動(dòng)化技術(shù)還能夠滿足故障記錄和故障通信等功能，故障記錄即對故障位置中的異常信號進(jìn)行記錄和存儲，形成故障數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)開展特征提取、數(shù)據(jù)分析及故障預(yù)測。故障通信是指數(shù)據(jù)信息的通信傳輸。自動(dòng)化技術(shù)的突出優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程管理，管理人員只需要通過控制中心就能調(diào)整參數(shù)、下達(dá)指令，提升了繼電保護(hù)的響應(yīng)速度和管理效能。

2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)智能化管理的前提和基礎(chǔ)是信號獲取，系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)信息越多，管理就越趨于智能化。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠通過傳感器、射頻識別等設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)采集，以供繼電保護(hù)裝置對是否進(jìn)行斷電、隔離及防護(hù)進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。

此外，物聯(lián)網(wǎng)還能夠?qū)崿F(xiàn)對繼電保護(hù)裝置的管理和運(yùn)維。10 kV配電網(wǎng)中包含多個(gè)繼電保護(hù)裝置，如果采用人工運(yùn)維模式，不僅工作負(fù)擔(dān)較重，管理時(shí)還有可能出現(xiàn)人為失誤。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展繼電保護(hù)運(yùn)維，有助于進(jìn)一步保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，全面監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀況，打造智能化的運(yùn)維檢修體系。

2.1.3 人工智能技術(shù)

在智能化管理模式下，人工智能技術(shù)的加入顯著提升了電力系統(tǒng)的智能化水平。繼電保護(hù)系統(tǒng)及整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息包含特殊價(jià)值，能夠?yàn)楣收显\斷、運(yùn)行判定提供精確的數(shù)據(jù)支撐。而要解讀這些數(shù)據(jù)，就要依托人工智能技術(shù)中所包含的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、算法技術(shù)。以故障診斷為例，通過對人工智能模型的海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，能夠形成一個(gè)包含了已知故障特征的數(shù)據(jù)庫，在運(yùn)行中，只要將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提煉和對比，就能夠準(zhǔn)確判斷故障類型，從而做出正確應(yīng)對。人工智能技術(shù)還具有學(xué)習(xí)能力，能夠不斷吸收數(shù)據(jù)特征擴(kuò)充故障數(shù)據(jù)庫，不斷提升故障判定水平。

2.2 繼電保護(hù)智能化管理的技術(shù)架構(gòu)

繼電保護(hù)系統(tǒng)智能化管理的技術(shù)架構(gòu)大致可以分為5層：第一層為設(shè)備層，包括繼電保護(hù)裝置及電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備；第二層為感知層，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)置點(diǎn)位，布設(shè)傳感器等數(shù)據(jù)采集裝置，以形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；第三層為數(shù)據(jù)層，通過通信技術(shù)將感知層與此層相連，所有采集的數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)姆绞絺鬏斨翑?shù)據(jù)層進(jìn)行基礎(chǔ)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等，從而形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以便進(jìn)行準(zhǔn)確的分析；第四層為決策層，本層配有數(shù)據(jù)庫，包括知識庫、專家?guī)?、故障庫等，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在本層進(jìn)行深度分析、比對及應(yīng)用，形成智能化決策；第五層為應(yīng)用層，本層與信息化管理平臺相連，智能化決策結(jié)果會以分析報(bào)告、故障預(yù)警等形式在本層展現(xiàn)。同時(shí)，用戶登錄平臺界面后會有各類功能按鈕，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測、運(yùn)行維護(hù)、命令控制等，管理人員只需要在本層進(jìn)行應(yīng)用操作，即可實(shí)現(xiàn)對繼電保護(hù)系統(tǒng)的控制和管理。

2.3 繼電保護(hù)智能化管理的主要功能

2.3.1 繼電保護(hù)策略優(yōu)化

自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段有效提升了繼電保護(hù)裝置的靈敏度，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中的故障進(jìn)行更加精準(zhǔn)的判斷，既降低了誤操作的概率，也減少了繼電保護(hù)響應(yīng)的延誤。而人工智能技術(shù)提升了繼電保護(hù)的智能化水平，使其具備自感知、自適應(yīng)能力，即可以根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境狀況的變化對繼電保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，這使得保護(hù)策略更加靈活有效，電力系統(tǒng)運(yùn)行更加科學(xué)合理。

2.3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理

依托通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，繼電保護(hù)智能化管理能夠滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的需求。信息化管理平臺具有多個(gè)終端平臺，包括PC端、移動(dòng)端等，管理人員只需要登錄平臺，即可實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并執(zhí)行各類管理操作。遠(yuǎn)程管理的優(yōu)勢在于減輕了人力負(fù)擔(dān)，提升了管理效能，不需要去現(xiàn)場進(jìn)行管理和操作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的同時(shí)管理和高效響應(yīng)。

2.3.3 故障排查和維護(hù)

繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心功能在于對電力系統(tǒng)故障的感知和處理。通過智能化管理，繼電保護(hù)能夠精準(zhǔn)、快速地判斷故障信號和故障位置，同時(shí)進(jìn)行隔離、切除等保護(hù)性操作。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重接功能，即分析和判斷電力系統(tǒng)的恢復(fù)狀況，確認(rèn)正常后會對隔離線路進(jìn)行自動(dòng)重接，而不需要人力進(jìn)行恢復(fù)，響應(yīng)速度大幅提升。

3 結(jié)束語

電力系統(tǒng)和電力基礎(chǔ)設(shè)施是社會正常運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障，其中10 kV配電網(wǎng)與大眾生產(chǎn)生活密切相關(guān)。繼電保護(hù)是配電網(wǎng)線路中的重要組成部分，其本質(zhì)是通過切斷部分線路隔離故障源來避免整個(gè)線路的斷電或損壞，因此其故障判斷能力、動(dòng)作響應(yīng)速度十分關(guān)鍵，需要通過科學(xué)的整定計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置。在智能電網(wǎng)建設(shè)的當(dāng)下，繼電保護(hù)應(yīng)當(dāng)加快轉(zhuǎn)型，借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)更加高效且智能的運(yùn)行、控制及管理，這樣才能更好地保障10 kV配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

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