適用于新能源規(guī)模化接入電網(wǎng)繼電保護技術(shù)研究

中海油（廣東）綜合能源有限公司 何 青

隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣黾樱履茉匆?guī)模化接入成為實現(xiàn)清潔、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。然而在這一轉(zhuǎn)型過程中，電網(wǎng)面臨了許多挑戰(zhàn)和機遇。其中之一是如何有效地保護并確保大規(guī)模新能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運行。因此，在實現(xiàn)新能源規(guī)模化接入時，準確高效的繼電保護技術(shù)至關(guān)重要。可幫助檢測和響應潛在故障情況，并提供及時干預以防止事態(tài)擴大影響到整個網(wǎng)絡穩(wěn)定性。為此，需要不斷提高重視程度，充分發(fā)揮新能源使用范圍，促進我國新能源的可持續(xù)性發(fā)展。

1 新能源規(guī)模化接入對電網(wǎng)繼電保護技術(shù)的影響

1.1 變化的電力流向和功率特性

在電力流向方面其產(chǎn)生的復雜程度進一步提高，大規(guī)模新能源接入引入了分布式發(fā)電和可再生能源資源多樣化。這導致傳統(tǒng)基于中央發(fā)電的單一供應結(jié)構(gòu)被取代，并且各種類型、容量和位置不同的新型設備與線路互相交聯(lián)組成網(wǎng)絡系統(tǒng)。因此，針對這些復雜變動特征設計合適的繼電保護策略顯得尤為重要。在電力流向變化過程中會出現(xiàn)高增量的變動現(xiàn)象，受天氣條件及其他因素，會造成可再生能源輸出具有突然劇烈起伏甚至隨機波動等問題，在實際運行過程中可能出現(xiàn)高頻率干擾以及小故障。

而在功率特性影響方面新能源規(guī)模化的接入可能會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的困境，部分可再生能源單位可以雙向輸送功率到公共微格或低壓網(wǎng)上，需考慮將本地的電力供應至主要網(wǎng)絡。傳統(tǒng)繼電保護策略往往基于單向功率流進行設計，需要適應雙向傳輸并實現(xiàn)準確判斷、分類及銜接，因此會對主要功率造成一定影響，需要具備更高的靈活性和迅捷反應能力，以加強對整個網(wǎng)格狀態(tài)監(jiān)控，根據(jù)其結(jié)果采取相應的操作方式。

1.2 對傳統(tǒng)繼電保護裝置的影響

1.2.1 穩(wěn)定性與可靠性影響

大規(guī)模新能源接入導致電網(wǎng)發(fā)生變動更加頻繁、復雜。傳統(tǒng)繼電保護裝置往往針對穩(wěn)態(tài)條件下設計，在面臨不斷變化的功率流向、涌浪干擾等問題時，可能無法提供足夠有效的應對措施。因此，需要升級現(xiàn)有技術(shù)或開發(fā)更先進的解決方案，來確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性[1]。

1.2.2 故障檢測和處理速度影響

由于分布式光伏和風力發(fā)電等新能源設備具有較快速度插拔特點，以及間歇輸人負荷周期波動，使得故障檢測時間窗口縮短并增加錯誤診斷概率。為了迅速準確地捕獲異常情況，并實施相應補償策略，需要引入智能監(jiān)控設備結(jié)合通信網(wǎng)絡進行實時數(shù)據(jù)采集、分析和處理。

1.2.3 靈活性影響

新型儲存器是某一時間段內(nèi)多余風力太陽能注入電網(wǎng)的一種方式，這也要求繼電保護裝置具備對儲存系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制以及調(diào)度等功能。傳統(tǒng)繼電保護裝置需要適應不同功率密度與波動性，允許靈活配置來確保新能源規(guī)模化接入后發(fā)生頻繁變更時的可操作性。

2 適用于新能源規(guī)模化接入的電網(wǎng)繼電保護技術(shù)策略

2.1 故障檢測與定位

2.1.1 監(jiān)測裝置使用

使用先進的監(jiān)測設備如智能傳感器、線路狀態(tài)估計等技術(shù)進行實時數(shù)據(jù)收集。這些裝置可以獲取到各種參數(shù)包括電流、電壓、功率因數(shù)以及頻率等信息，從而幫助判斷網(wǎng)絡是否存在問題。

2.1.2 異常識別算法應用

異常識別算法是比較重要的故障檢測手段，能夠?qū)Πl(fā)電廠繼電保護系統(tǒng)進行全面監(jiān)測和分析，常見應用方法有機器學習方法、波形特征分析、便捷式儀表設備使用以及多源綜合分析。機器學習方法是利用歷史數(shù)據(jù)訓練神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機或決策樹等模型，以判斷當前狀態(tài)是否存在潛在問題。這樣的反饋有助于實現(xiàn)自動化智能告警，并提前預示可能發(fā)生違誤。

波形特征分析是通過頻域或時域上各類干涉性精確處理配套軟件工具。便捷式儀表設備應用是用來快速收集關(guān)鍵信息，進而評估線路質(zhì)量及其他環(huán)境參數(shù)，同時遵從了安全意味著外觀考慮，并能與其他系統(tǒng)集成以實現(xiàn)及時的數(shù)據(jù)共享。多源綜合分析是結(jié)合不同類型傳感器收集到的信息，進行融合分析。通過比較和交叉驗證各個來源之間所得結(jié)果，可以更準確地診斷故障位置，并進一步評估其對整體網(wǎng)絡穩(wěn)定性造成潛在的威脅[2]。

2.2 快速解除與重新聯(lián)網(wǎng)

在快速解除過程中，當發(fā)生故障或異常情況時，為了防止問題擴大并影響整個電力系統(tǒng)的供應可靠性，繼電保護必須迅速進行快速解除。利用智能傳感器和監(jiān)測裝置實時收集數(shù)據(jù)，并通過分析算法來診斷線路、設備或組件上是否存在潛在故障。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法可以準確定位到具體位置出現(xiàn)異常。完成連接解除后需要進行重新聯(lián)網(wǎng)，在確保安全的前提下需要進行重新聯(lián)網(wǎng)操作以恢復供電和系統(tǒng)的正常運行。

首先開展自動化重連，現(xiàn)代繼電保護裝置配置具備自主邏輯控制能力，在接到解除故障信號后，可以通過內(nèi)部算法判斷是否已經(jīng)達到重新聯(lián)網(wǎng)條件，并根據(jù)事先設定好的策略完成自動重連。這種方式消除了人為干預帶來時間成本壓力。其次合理劃分連接順序，按照提前設置好的網(wǎng)絡模型來進行聯(lián)網(wǎng)，最后開展安全驗證，在后續(xù)執(zhí)行過程中引入好多個層面，通過數(shù)據(jù)庫對比對各個聯(lián)網(wǎng)順序進行檢驗[3]。

3 新能源規(guī)模化接入的電網(wǎng)繼電保護實際案例分析

3.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的繼電保護方案

3.1.1 過流保護

過流是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)常見的故障情況之一。為了有效應對這種情況，可以采用多層次的過流保護策略。具體保護過程如圖1所示。

圖1 過流保護過程圖

首先安裝在每個組件和逆變器輸出端口處的快速動作斷路器起到第一道防線，能夠及時檢測并切斷超出額定值的過大輸出電流，避免損壞設備或?qū)е缕渌麊栴}。其次在設計階段就要考慮合理配電給不同功率需求設備，在主干饋線上添加感知裝置利用連續(xù)諧模型分析技術(shù)檢測灰色地帶存在部件串聯(lián)反決策選擇。通過智能優(yōu)化算法動態(tài)調(diào)節(jié)并平衡各個回路中組件產(chǎn)生的過流現(xiàn)象。從整體應用效果來看，過流保護方案旨在確保太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行時穩(wěn)定輸出，并最小限度地影響其他部分正常工作。通過結(jié)合斷路器、集成監(jiān)控單元與數(shù)據(jù)傳輸?shù)仁侄危摲桨缚捎行Х婪哆^流帶來的潛在風險，提高系統(tǒng)可靠性和安全性。同時，在方案設計中考慮到各種可能發(fā)生的情況，并采取相應措施進行預防與響應，可以更好地保護太陽能光伏發(fā)電設備及整個系統(tǒng)[4]。

3.1.2 逆變器故障監(jiān)測

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器，是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵設備。通過實時監(jiān)測逆變器運行狀態(tài)和輸出功率，可及早檢測到潛在問題并采取相應措施來確保系統(tǒng)正常運行。具體運行過程如圖1所示，在溫度異常檢測過程中，由于高溫可能導致元件老化、損壞或性能下降，安裝傳感器以動態(tài)地對逆變器內(nèi)部溫度進行監(jiān)測至關(guān)重要。一旦溫度超過預定閾值，就會觸發(fā)報警信號，并自動啟用冷卻策略（如風扇增速）或甚至切斷供電以保護設備不受損壞。在數(shù)據(jù)采集方面對逆變器輸出數(shù)據(jù)進行實時、準確地收集是及早發(fā)現(xiàn)問題和做出調(diào)整的關(guān)鍵步驟。這些數(shù)據(jù)可用于性能評估、狀況監(jiān)視等方面，在降低設備損壞風險同時也有助于優(yōu)化光伏系統(tǒng)在各種條件下的工作表現(xiàn)。

3.2 風力發(fā)電廠的繼電保護解決方案

3.2.1 風速監(jiān)測和控制系統(tǒng)

風速監(jiān)測與控制系統(tǒng)是風力發(fā)電廠中重要的繼電保護解決方案之一。該系統(tǒng)利用氣象傳感器實時，監(jiān)測風場各個位置處的風速變化，并通過對數(shù)據(jù)進行分析和處理，來確保發(fā)電機組在安全范圍內(nèi)運行。當風速高于或低于安全閾值時，該系統(tǒng)會自動發(fā)送警報并觸發(fā)保護機制。例如，在強風情況下可通過調(diào)整葉片角度來減小發(fā)電機組的負荷以避免損壞，并確保運行在合適范圍內(nèi)所有部位設備。比如，對風力發(fā)電機元件動作情況進行控制，可根據(jù)元件動作情況進行控制，具體控制內(nèi)容見表1。

表1 風力發(fā)電廠元件動作情況表

3.2.2 溫度與振動監(jiān)測

風力發(fā)電廠中的溫度和振動監(jiān)測是關(guān)鍵的繼電保護措施之一。通過使用高精確性、實時響應的傳感器，來對重要組件進行溫度和振動檢測，可及早發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取適當行動。利用溫度傳感器監(jiān)控葉片、主軸承、齒輪箱等設備部件上產(chǎn)生熱量變化情況。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢

為充分提升新能源規(guī)模化特點，提升電網(wǎng)繼電保護功能性，在未來發(fā)展過程中可從以下幾個方面進行。一是增強其可靠性和靈活度，通過對智能傳感器技術(shù)的引入，使新能源系統(tǒng)中的智能傳感器可以實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)、負載情況以及故障信息。這些數(shù)據(jù)可以用于精確評估網(wǎng)絡健康狀況并提供快速響應，從而增強了整個系統(tǒng)的可靠性。或者加強高級通信與自動化控制效果，利用高級通信技術(shù)（如物聯(lián)網(wǎng)）實現(xiàn)設備之間的即時溝通，并通過自動化控制策略對故障進行迅速處理。這種集成架構(gòu)使得維修時間縮短、操作更加準確，大大提高了電網(wǎng)運行的靈活性。

二是提高運行效率，緩解功因問題，可通過對容錯機制的引入，以此避免單點失效導致全局受到影響。比如，在發(fā)生線路或裝置異常斷開時，使用區(qū)域能量存儲裝置作為替補資源來平穩(wěn)轉(zhuǎn)移負荷，或者根據(jù)不同情景下需求變換，灌輸合理位置上后期安排反接公共線道，從而減少電網(wǎng)潮流壓力暴露現(xiàn)象。除此之外，還可利用先進的機器學習和優(yōu)化算法，對繼電保護系統(tǒng)進行智能調(diào)度和協(xié)同控制。通過動態(tài)功率分配、負載均衡以及應急方案預測等技術(shù)手段，實現(xiàn)高效能耗且穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。

三是進行安全風險管理，通過對防護層級的加強進行多重檢查監(jiān)管，新型傳感器設備集成納入多個繁盛遍布網(wǎng)絡之上，側(cè)重點則是放在意料不到故障源頭端口處的區(qū)域能量消耗情況。同時，將人工智能引入繼電保護領(lǐng)域來解析大規(guī)模數(shù)據(jù)，并自動生成警報提示或建議處理策略。這有助于提前識別潛在問題并采取針對性措施來確保系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定。

綜上所述，隨著新能源規(guī)模化接入電網(wǎng)的加速推進，繼電保護技術(shù)在確保可再生能源穩(wěn)定供應和智慧型網(wǎng)絡運行方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過引入先進的監(jiān)測設備、通信系統(tǒng)和智能算法等創(chuàng)新解決方案，可以提高傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的功能性，并在此基礎上對太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電等清潔資源進行大量應用。因此，相關(guān)技術(shù)人員需要采取積極的解決措施，從而保證新能源規(guī)模化接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)后，能夠保持著更加良好的運行狀態(tài)，為人們的生產(chǎn)生活提供基本的用電需求，確保社會經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展。