電力系統中繼電保護自動化技術的應用

摘要：傳統繼電保護系統存在滯后性，拒動、誤動事件頻繁出現，已無法滿足新一代電力系統的安全防護需求。而自動化技術的出現，為電力系統的繼電保護提供了一種全新的思路和方法。通過分析繼電保護自動化技術原理，明確劃分技術類型，從繼電保護裝置升級改造、自適應、備用電源自投、強化抗干擾性能等方面，提出了繼電保護自動化技術在電力系統中的應用路。

關鍵詞：電力系統""繼電保護""自動化技術"抗干擾"升級改造

Application"of"Relay"Protection"Automation"Technology"in"Power"System

CHEN"Long

CNOOC"Shenzhen"Electric"Power"Co.，"Ltd.，"Shenzhen，"Guangdong"Province，"518116"China

Abstract："Traditional"relay"protection"systems"suffer"from"lag，"frequent"occurrence"of"refusal"and"misoperation"events，"and"are"no"longer"able"to"meet"the"safety"protection"needs"of"the"new"generation"of"power"systems."The"emergence"of"automation"technology"provides"a"new"approach"and"method"for"relay"protection"in"power"systems."By"analyzing"the"principles"of"relay"protection"automation"technology，"it"clarifies"the"classification"of"technology"types，"and"proposes"the"application"path"of"relay"protection"automation"technology"in"the"power"system"from"the"aspects"of"upgrading"and"transforming"relay"protection"devices，"self"adaptation，"automatic"switching"of"backup"power"sources，"and"strengthening"anti-interference"performance.

Key"Words："Power"system;"Relay"protection;"Automation"technology;"Anti-interference;"Upgrade"and"transform

現階段，電力系統建設規模日趨擴大，智能化、自動化成為電力系統發展趨勢，電力系統使用功能愈加豐富，顯著提升了供電質量及其可靠程度。在此背景下，需將繼電保護自動化技術的應用優勢充分發揮出來，進一步完善電力系統，實現二者的緊密融合。

1"電力系統中繼電保護自動化技術概述

1.1"技術原理

早期繼電保護系統具備一定的自動化程度，持續監測保護對象運行狀態，在識別到短路等電氣故障后，限定時間內自行展開保護動作[1]。但由于數據采樣精度偏低、環境適應能力較差，在電力系統運行方式、保護對象運行環境發生變化后，仍執行既定保護策略，從而出現裝置拒動、誤動現象。

繼電保護自動化技術與常規技術的主要區別在于：重點強化繼電保護系統的自動操作能力，不間斷采集電力系統的實時運行數據，準確感知系統的總體運行工況，定期判斷既定保護策略是否適用，采取改進措施，如重新計算繼電保護整定值，精準發現故障問題與展開正確保護動作。

1.2"技術類型

繼電保護自動化技術類型分為專家系統、暫態保護、人工神經網絡3種。

專家系統用于診斷繼電保護裝置與電氣設備是否出現故障問題，構建專家經驗庫與推理機制，不間斷采集電力系統的運行數據，對比實時數據與故障案例，根據運行參數變化趨勢，準確判定故障性質，鎖定故障位置，將其作為驅動繼電保護裝置展開動作、調整繼電保護策略的重要依據。

暫態保護技術以解決暫態過電壓問題作為功能定位，具體應用到遺傳算法與模糊理論，長期訓練學習電力系統歷史數據，構建面向各臺電氣設備的故障預測模型，定期預測電氣設備未來一段時間的運行工況，判斷可能出現的故障問題，輸出最優暫態保護方案。

人工神經網絡用于實現在線監測、故障診斷、保護決策在內的多項功能，本質上屬于一類計算模型，具有自適應、自組織、自學習的鮮明特征。人工神經網絡原理如圖1所示。其可以模擬人類思維方式進行決策分析、定期評估電氣設備健康狀態與故障特性、精細調整繼電保護決策，確保繼電保護方案與電力系統運行特性始終保持匹配狀態。

2"電力系統中繼電保護自動化技術的應用策略

2.1"繼電保護裝置升級改造

電力系統中現有繼電保護裝置的動作選擇性不理想、自動化功能欠缺，無法滿足實際使用需求，沒有根據電力系統運行方式、電氣設備運行工況來自行調整繼電保護決策，這也是裝置誤動、拒動問題頻繁出現的根源。因此，在繼電保護自動化技術應用期間，應對現有繼電保護裝置進行全面升級改造，以增強開關動作選擇性、完善自動化功能、保證非故障區域穩定供電作為改造目標，改造范圍涵蓋中心開關站、專用配電站、電纜分接箱、環網分接箱、用戶專線分界開關等部分。

例如：對于中心開關站，部署自動化子站，光纖接入自動化主站，要求在所有開關柜內安裝數字式保護裝置，以電流保護和電壓保護當作基本配置，利用光纖接入子站獲取相關運行數據，集監測、控制、故障隔離、配電管理等多項使用功能于一體；對于專用配電站，部署進線開關柜、出線開關柜、變壓器開關柜，柜內安裝數字式保護裝置，利用光纖接入子站來建立可靠通信，如果進線開關柜不具備升級改造條件，則由中心開關站代為實現保護功能與遠動功能[2]；對于電纜分接箱，采取三段式線路結構，多臺分接箱升級改造成戶外智能電纜分接箱，進出線斷路器開關柜內部安裝數字式保護裝置，光纜接入自動化子站，發揮電流電壓保護作用；對于環網分接箱，把原有的環網出線柜升級改造成具有備自投功能的自動開關柜，不間斷監測線路有壓、無壓情況，選擇性展開自動投切動作來轉供負荷；對于用戶專線分界開關，主要面向工業用戶，于用戶支線T接點加裝具備FTU終端的智能柱上真空斷路器，接入無線公網來滿足通信需求，智能斷路器同時具備遙信、遙控、遙測功能，把電流保護與電壓保護當作FTU終端基本配置，重點增強開關保護選擇性。繼電保護裝置如圖2所示。

2.2"自適應

傳統繼電保護系統的自動化程度偏低，主要依靠工作人員手動設定距離保護、差動保護、負荷限制等多項整定值，繼電保護裝置定期采集電氣設備運行數據，將其作為系統參數一次值，對比一次值、整定值分布情況，選擇性展開保護動作。電力系統運行工況具備動態變化特征，且隨著分布式電源的接入，也給系統運行造成一定程度的沖擊，人工整定方法不再適用，所執行繼電保護決策、實際保護需求沒有完全相符。為此，應以自適應整定作為繼電保護自動化系統的應用方向，全面收集、分析電力系統實時運行數據，確定系統運行方式、保護對象運行狀態發生變動后，在線計算最佳整定值，由全新保護定值替換原有保護定值，不再需要工作人員手動計算、修改，無論是繼電保護精確性還是時效性，均得到顯著提升。

自適應整定功能實現期間，工作人員重點關注整定計算規則問題，結合實際情況，在自動化系統內設定多項規則，系統基于程序準則與相關數據精準計算最佳保護定值。正常情況下，一般性規定如下：參考單一設備金屬性故障計算保護定值，不同動作保護定值相互配合時，結合較大可靠系數，綜合計算整定值，計算結果具備較強通用性，CT選用與系統短路電流及負載負荷相匹配，不要求投入保護定值，按照矢量最小與過量最大原則確定定值范圍，各類保護裝置不得隨意停運。同時，還應設定面向距離保護、差動保護等單項繼電保護功能的計算規則。以距離保護自適應整定規則為例，按照I段80%來設定快速距離阻抗定值，線路長度和突變量距離靈敏度呈現正比關系，并根據線路參數來精確計算零序電阻補償系數與零序電抗補償系數。對于雙回線路，距離保護阻抗繼電器的動作精度主要受到鄰線運行方式干擾，時常出現超越、拒動問題，推薦采取鄰線零序電流補償方案，不間斷采集兩回路開關位置、接地刀閘信號，判定鄰線運行狀態，自適應調整距離I段保護定值[3]。

2.3"備用電源自投

電力系統運行受到線路設備故障等因素影響，容易發生工作電源斷開、故障問題，從而引發停電事件。對此，需要在繼電保護系統內增設備自投裝置，以防止二次事故發生、縮短停電時間、控制停電范圍當作功能定位。備用電源自投技術落地應用期間，工作人員重點掌握充放電條件、動作順序兩方面的應用要點。

第一，充放電條件。正常情況下，把I段與II段母線三線有電壓、I段與II段進線斷路器合位且分段斷路器分位當作備自投裝置的充電條件，把I段與II段母線三線無電壓、存在外部閉鎖信號、進線I段與II段斷路器拒跳、TV異常、分段備自投動作、分段斷路器合閘當作放電條件。

第二，動作順序。結束備自投充電任務后，確定I段無壓無流、II段有壓條件后，延時一段時間跳開I段進線斷路器，再延時一段時間合上分段斷路器，中間出現進線斷路器拒動、分段斷路器跳閘問題，表明自投失敗，禁止分段斷路器再次合閘，避免因失電母線故障擴散到備用段區域。此外，備自投裝置應具備進線斷路器、母聯斷路器的控制權限，備自投進線斷路器具備跳閘控制功能，從根源上杜絕兩路電源非同期合閘問題出現。

2.4"強化抗干擾性能

電力系統運行環境復雜，繼電保護裝置周邊分布諸多干擾源，致使采樣精度下滑、通信不穩定，時常因信號失真、延遲、丟失而導致繼電保護裝置無法準確判定被保護對象的運行狀態，錯誤展開保護動作，或是故障發生后未及時執行保護動作。因此，在繼電保護系統自動化升級改造期間，必須重點關注現場干擾問題，以最大限度強化繼電保護裝置抗干擾性能[4]。推薦采取數字式保護裝置。相比傳統裝置，數字式裝置采取先進屏蔽技術與布線方式，有效隔離外部電磁信號對裝置內部電路施加的擾動，并在裝置外殼上使用金屬屏蔽材質進行接地處理，全方位隔絕繼電保護裝置合外界電磁環境，同時運用新型通信協議與先進編碼技術，包括差分編碼、擴頻技術，以此來強化繼電保護系統抵抗寬帶干擾、窄帶干擾能力。

2.5"繼電保護失效檢測與冗余配置

在繼電保護自動化技術落地應用期間，必須重點解決裝置失效問題，以失效檢測、冗余配置作為技術思路，定期檢測各臺繼電保護裝置是否處于故障失效狀態，利用冗余裝置繼續提供繼電保護。目前，主要采取靜態冗余的主動冗余配置方案。

以交流公共電壓回路冗余保護為例，選用雙位置繼電器作為重動回路，采取單路直流供電方式，確定直流電源消失后，雙位置繼電器接點狀態保持不變，正常接入交流電壓。直流電源、重動回路均采取雙重化冗余措施，2臺重動繼電器接點并聯接入交流電壓回路，單一電源消失或是單臺重動繼電器損壞，也不會失去交流電壓[5]。

3"結語

綜上所述，自動化是繼電保護技術體系的必然發展趨勢，也是推動繼電保護系統與電力系統協同發展、保障電網安全平穩運行的重要前提。電力企業應進一步加強對繼電保護自動化技術的應用力度，圍繞電力系統安全防護需求確定技術路線，貫徹落實裝置升級改造、自適應整定、備用電源自投、裝置失效檢測與冗余配置在內的多項應用策略，深入挖掘繼電保護自動化技術剩余應用價值，保障我國電力事業的穩健發展。

參考文獻

[1]"周永榮，王思皓，馬兆興，等.基于故障距離的微電網系統線路保護方法分析[J].智慧電力，2024，52（5）：67-73.

[2]"劉美希.繼電保護自動化技術在電力系統中的應用研究[J].光源與照明，2024（3）：201-203.

[3]"黃云龍，張魯，李華龍.基于配網繼電保護整定原則的工程案例分析[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2024，29（2）：88-94.

[4]"魏振江，孫樂.基于強化遷移學習的繼電保護設備信息異常自動識別方法[J].自動化應用，2024，65（13）：240-242.

[5]"龔杰，徐習東，楊劍友，等.考慮溫度應力動態變化的繼電保護裝置可靠性研究[J].浙江電力，2024，43（4）：105-112.