新型電力系統中繼電保護及故障信息系統發展策略研究

關鍵詞：新型電力系統；繼電保護；故障檢測

中圖分類號：TM771 文獻標識碼：A

0 引言

電力系統的穩定運行需要有效的故障診斷與定位策略。作為系統防御機制的關鍵組成部分，繼電保護裝置在檢測到異常時能及時隔離問題區域，確保其余部分的正常運作[1]。傳統繼電保護方式僅能識別故障的存在，無法精確定位故障源，這增加了故障處理及系統恢復的復雜性。

基于此，本文深入探討基于繼電保護的電力系統故障檢測技術，其對提升電力系統的安全性與可靠性至關重要。本研究有助于運維人員迅速且精準地定位并解決故障，增強系統抗干擾能力，并加快恢復正常運行速度，從而更好地保證電力供應的穩定性和持久性[2]。

1 技術概述

1.1 繼電保護

新型電力系統保護的關鍵技術之一是繼電保護，它涉及對電網電流和電壓等要素的實時監控與評估。當檢測到潛在問題時，該技術會啟動特定的保護措施，確保電氣設備及線路的穩定運行。其核心功能[3] 如下。

（1）量測電流與電壓。借助電流互感器和電壓互感器，繼電保護系統能夠精確地獲取電力系統的電氣參數。

（2）參數對比分析。繼電保護系統會將實測的電流、電壓數值與預設的安全閾值進行對比，一旦檢測的數值超出或不符合預設條件，系統將立即啟動保護程序。

（3）執行保護響應。在識別到異常狀況時，繼電保護設備會立即采取行動以防止危害。

（4）通信與調控功能。新型電力系統中的繼電保護裝置通常配備通信和控制功能，能夠與其他設備和系統交換信息并進行遠程操控，提升了電力系統的綜合管理和保護效能。

1.2 故障檢測與記錄

故障檢測與記錄技術在繼電保護及故障信息系統中具有至關重要的作用，它能夠幫助系統及時檢測并記錄電力系統中發生的故障事件，為后續的分析、修復和改進提供重要參考依據。故障檢測與記錄技術采用的方法主要包括實證分析法和電位變化法[4]。故障檢測技術用于確定電力系統中發生的故障類型、位置和原因，通過分析繼電保護裝置收集的數據，結合系統的拓撲結構和運行參數，識別故障事件，從而精確地確定故障的性質和位置。

2 關鍵難點及技術

2.1 嵌入式結構設計

早期的繼電保護及故障信息系統主要依賴于工業計算機，其在電網故障應急響應中的信息獲取能力受到限制。然而，隨著嵌入式科技的革新，新一代的低能耗中央處理器被引入故障信息系統的核心硬件設計中，有效解決了高溫散熱難題，并顯著提升了數據讀取的速度。嵌入式技術的應用促使信息系統架構實現了模塊化的轉型，各模塊間的無縫協作確保了每個模塊的高效安全運行。圖1 為面向繼電保護裝置的嵌入式結構[5]。

軟件功能的模塊化設計和應用進一步提升了基于繼電保護技術的故障信息系統的準確率。同時，人工智能技術的創新和應用加速了電力系統自動裝置的智能化，為電力系統故障提供了快捷、靈敏、精準的檢測和診斷方法，滿足了新型電力系統的運行要求。

2.2 分布式控制系統設計

分布式控制系統（ distributed control system，DCS）是由多個分布在不同位置的控制站包括主站和子站組成的系統，主站和子站通過通信網絡相互連接。

分布式主站是一種將主站（或主服務器）的功能和負載分布到多個節點或服務器上的系統。它將核心功能和工作量分解至眾多節點或服務器，旨在提升系統的靈活性、穩定性和容錯處理能力[1]。

分布式子站作為電力系統的核心組件，由一系列關鍵設備構成，如保護裝置、故障檢測設備及變電站自動化元件，其核心功能在于高效地執行故障信息的捕獲、操控、儲存以及傳輸任務，同時為調度中心等主站提供定制化的數據服務。

2.3 繼電保護故障檢測方法

傳統繼電保護故障檢測技術的精確度易受測量數據質量和系統模型精確度的影響，故在特定條件下無法實現精準定位。基于此，現代電力系統傾向于采用基于模型的故障檢測策略，利用數學建模技術對電網進行描述，并借助模型解析或優化技術執行故障檢測與定位。例如，時域反演等技術能夠結合電力系統的物理定律，提供高精度的定位結果。然而，這類方法對測量數據的精確度和系統模型的完整性有嚴格要求，因此對故障模型的構建有較高標準[2]。

3 發展策略

3.1 智能與自適應化

在新型電力系統的建設中，智能與自適應的繼電保護策略被視為推動繼電保護技術進步的關鍵。隨著電力基礎設施的復雜性日益提升和可再生能源的大規模接入，傳統的基于固定閾值的保護措施逐漸暴露其局限性，如難以有效適應不斷變化的電流特性，以及無法滿足日益多樣化的電力需求。針對繼電保護及故障信息系統結構落后的技術難點，智能自適應保護技術基于前沿的數據處理技術，如深度學習和高級人工智能等技術，通過對歷史數據的深入挖掘和分析，構建精準的模型體系，實現電力系統運行狀況的實時監控和性能評估，如圖2所示。

這種技術的獨特性在于其具備動態調整的能力，能夠根據電力系統實時的運行狀態，靈活地優化保護參數并及時決策。這種靈活性顯著提升了保護反應的精確度和速度，從而增強電力系統的穩定性與可靠性，使其更能應對復雜多變的電力環境，為電力系統的高效運行提供了強有力的支持。

3.2 通信技術優化

新型電力系統建設中的DCS 等控制系統對網絡通信的要求逐漸提高。隨著通信技術的深入探究和廣泛應用，系統實現遠程監控、操作及控制成為可能，這降低了人為介入的需求，提升了電力系統的穩定性與效率。物聯網技術有效整合了各類設備和傳感器的信息，從而實現對電力系統運行狀況的全方位洞察和評估。

3.3 技術體系更新

深入探討多元化的繼電保護技術是為了充分應對電力系統動態多變的運行環境，準確地檢測和定位電力系統中的故障，這也是保障新型電力系統可靠性和安全性的關鍵。

4 配置方案

本文以新型電力系統中的智能變電站系統繼電保護配置方案為例進行分析。目前，眾多關鍵設備的技術日趨完善，隨著IEC 61850等通信標準的日益標準化和全球化，其應用領域正不斷拓寬。新型電力系統中的變電站電氣設備在信息交互和互操作性上展現出前所未有的效能，這促使研究人員對變電站繼電保護策略進行設計，進而提出系統的保護配置方案。表1 為兩種保護配置對比結果。

在實施新型電力系統保護方案時，必須遵循特定準則。其中，最重要的是雙重化配置原則，它涵蓋了測量、控制、主變壓器、線路、母線以及電容器的保護功能，并能獨立保障變電站設備的安全。同一套保護配置方案能夠適用于多種設備，且故障分析能力全面。此外，由于所需的保護設備數量較少，且網絡構建便捷，因此從智能變電站未來的發展趨勢來看，這種基于雙重化配置的繼電保護模式有較大可能成為主導趨勢[6]。

5 結語

在我國新型電力系統的建設及運行中，電網安全、可靠運行對大眾生活和工業生產具有重要意義。由于線路破損、設備損壞等原因造成的新型電力系統故障無法避免，因此，目前發展的關鍵是基于繼電保護技術對電力系統故障問題進行精準且有效的檢測，從而實現快速保護。本文旨在研究基于繼電保護的電力系統故障檢測技術的發展策略，研究結果可以為電力系統的可靠運行和維護提供重要的參考依據，以期促進新型電力系統繼電保護技術的創新發展。