智能電網(wǎng)背景下的繼電保護新技術(shù)

宋慶濤

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 沛縣供電分公司，江蘇 沛縣 221600）

0 引 言

電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護技術(shù)能夠迅速定位故障點和報警，使技術(shù)人員能夠及時解決故障問題。智能電網(wǎng)作為自動化電力網(wǎng)絡(luò)對繼電保護技術(shù)有著較高的要求，推動了繼電保護技術(shù)在智能電網(wǎng)背景下的不斷進步和發(fā)展。

1 有關(guān)智能電網(wǎng)的相關(guān)使用介紹

1.1 智能電網(wǎng)的主要特點

迄今為止，智能電網(wǎng)在我國的普及程度仍不夠高，處于全面推行的初級階段。仍處于初級階段的標(biāo)志就是尚未形成一個統(tǒng)一的發(fā)展策略，相關(guān)的從業(yè)研究人員正在憑借自身的理論儲備和實踐經(jīng)驗對全面的發(fā)展策略進行探索，同時也在尋求這一技術(shù)的新突破。就我國智能電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀來說，主要的特征有以下幾點。

首先，智能電網(wǎng)的安全性較高，能夠較好地抵御來自外界的干擾。鋪設(shè)智能電網(wǎng)時安裝的傳感設(shè)備能夠使研究人員持續(xù)地觀察電網(wǎng)的外部情況，一旦偵測到外部干擾，智能電網(wǎng)會立即主動報警，將干擾造成的影響降到最低[1]。其次，智能電網(wǎng)能保證在線狀態(tài)的持續(xù)性，它對于安全狀態(tài)的評測和分析是實時的。當(dāng)智能電網(wǎng)發(fā)生故障的時候，它還能夠檢測自身并排查故障的發(fā)生原因。在發(fā)現(xiàn)故障原因后，它可以自我修復(fù)到正常工作狀態(tài)。最后，智能電網(wǎng)的兼容性很強，電源接入既可以采用分布式電源，也可以采用微電網(wǎng)，使用戶和用戶之間的互動效率提升，從而滿足用戶的使用需求。此外，在資源分配方面智能電網(wǎng)也能夠利用合理的資源分配提高資源利用率，降低成本，提升收益。

1.2 繼電保護與智能電網(wǎng)的關(guān)系

和傳統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，智能電網(wǎng)的性能更好，成本更低。這主要是因為二者的發(fā)電和供電形式不同，繼電保護的裝置也不同。在智能電網(wǎng)正逐步擴大應(yīng)用范圍的背景下，繼電保護裝置的技術(shù)水平也需要得到提升，需要引入更多的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，從而推動整個電力領(lǐng)域的發(fā)展。此外，傳感器對于繼電保護來說十分重要，它可以實時監(jiān)測設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，迅速對需要處理的問題做出響應(yīng)。而且，除了針對外界干擾的應(yīng)對措施之外，也有針對內(nèi)部故障的應(yīng)急處理裝置，在大規(guī)模停電的時候，電網(wǎng)仍能保持正常運轉(zhuǎn)。

1.3 繼電保護技術(shù)的發(fā)展要求

智能電網(wǎng)的出現(xiàn)和推廣促使著繼電保護技術(shù)必須繼續(xù)創(chuàng)新，為我國的電網(wǎng)工作提供更高的安全性保障。我國的建設(shè)事業(yè)要求杜絕大范圍斷電的現(xiàn)象，這需要智能電網(wǎng)具備較強的自我修復(fù)能力。因此，智能電網(wǎng)自動診斷故障源頭和自動修復(fù)故障來源的能力便顯得尤為重要。

2 影響繼電保護裝置安全運行的因素

2.1 軟件因素

繼電器的正常運行需要軟件和硬件通力配合。在軟件開發(fā)的過程中，設(shè)計團隊需要將軟件的安全性放在首位，堅決杜絕軟件中的安全性漏洞，決不能為投入使用后的生產(chǎn)埋下隱患。但就現(xiàn)狀來說，現(xiàn)有的繼電器軟件設(shè)備仍然需要優(yōu)化，對生產(chǎn)需求的內(nèi)容不明確、對代碼的編寫不認真以及對產(chǎn)品的測試不嚴(yán)謹?shù)葐栴}都是許多繼電器軟件中廣泛存在的[2]。這些問題嚴(yán)重威脅了繼電器的使用安全，將危害投射到了整個電力系統(tǒng)之中，降低了整個系統(tǒng)的安全性。

2.2 硬件因素

硬件是繼電器無法替代的重要組成部分。就目前智能電網(wǎng)環(huán)境下使用的繼電器來說，二次回路和輔助裝置通道接口等硬件都非常重要。但部分電氣企業(yè)缺乏對這些硬件裝置的重視，既不做備份，也缺乏定期的檢查，有些企業(yè)甚至缺少其中的幾種硬件，這些現(xiàn)象會導(dǎo)致在發(fā)生問題的時候繼電器無法正常工作，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰甚至是丟失大量數(shù)據(jù)。而且，由于繼電器所需硬件的生產(chǎn)廠家沒有嚴(yán)格遵守生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的硬件無法起到應(yīng)該起到的作用，出現(xiàn)頻繁的硬件損壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響繼電器的正常運行。

2.3 人為因素

除了軟件和硬件這兩方面因素之外，人為因素也是影響繼電器安全運行的重要因素。軟件因素可以通過不斷地測試和修復(fù)來控制，硬件因素可以通過檢修排除，但人為的操作失誤幾乎是無法杜絕的[3]。雖然在智能電網(wǎng)中已經(jīng)不再需要太多的工作人員介入，但如果軟件的開發(fā)人員缺乏安全意識，開發(fā)的軟件存在漏洞，或安裝硬件的工作人員疏忽大意接錯設(shè)備，都會導(dǎo)致出現(xiàn)安全隱患。總之，人為失誤會直接威脅到智能電網(wǎng)中繼電保護功能的安全。

3 智能電網(wǎng)背景下的繼電保護新技術(shù)

智能電網(wǎng)的環(huán)境為繼電保護領(lǐng)域中多種新技術(shù)的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，這些催生而出的新技術(shù)主要包括以下幾種。

3.1 智能感應(yīng)技術(shù)

智能感應(yīng)技術(shù)最突出的特點便是采集信息便捷可靠，承載智能感應(yīng)技術(shù)的智能感應(yīng)器是其技術(shù)的硬件體現(xiàn)。智能感應(yīng)器可以用于保護電力系統(tǒng)中的變壓器，其被安裝到變壓器本身及其一、二次側(cè)，安裝者可以根據(jù)不同位置的不同功能需求選擇不同的感應(yīng)器，如振動溫度感應(yīng)器、液面感應(yīng)器以及流量感應(yīng)器等，這些感應(yīng)器的原理不同，能夠根據(jù)不同的感應(yīng)需求做出針對化感應(yīng)[4]。其中，在一、二次側(cè)上配置的感應(yīng)器是振動感應(yīng)器，它能夠檢測設(shè)備的位移狀態(tài)。在本體上配置的感應(yīng)器種類較多，振動感應(yīng)器可以感應(yīng)設(shè)備的位移，溫度感應(yīng)器可以感應(yīng)設(shè)備的溫度，液面感應(yīng)器可以感應(yīng)油面的位置，流量感應(yīng)器可以感應(yīng)液體和氣體的流量。但感應(yīng)器會受到外界因素的干擾，如一、二次側(cè)的感應(yīng)器會受到雨雪天氣影響而出現(xiàn)感應(yīng)誤差，本體位置的感應(yīng)器也會因為地震等嚴(yán)重的災(zāi)害而出現(xiàn)感應(yīng)誤差。因此，智能感應(yīng)技術(shù)雖然能夠為繼電器提供更敏捷的偵測能力，但需要配合智能電網(wǎng)中的設(shè)備信息收集和繼電器監(jiān)控等維護功能，從而降低外界環(huán)境對智能感應(yīng)技術(shù)的限制。應(yīng)用智能感應(yīng)技術(shù)的電力監(jiān)測系統(tǒng)分類如表1所示。

表1 高級電力監(jiān)測系統(tǒng)

3.2 超高壓交直流混輸技術(shù)

超高壓交直流混輸技術(shù)的應(yīng)用需要以繼電保護技術(shù)為前提和基礎(chǔ)，其提升的供電能力會抬高繼電保護技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。由于超高壓交直流混輸技術(shù)的電壓很高，所以一旦出現(xiàn)了故障，電網(wǎng)的暫態(tài)特征會變得十分突出，電網(wǎng)非周期分量衰減會導(dǎo)致諧波分量的提升，從而增加繼電保護裝置的壓力，使得繼電保護裝置必須繼續(xù)提升自身的性能才能夠滿足超高壓環(huán)境下的性能標(biāo)準(zhǔn)。在智能電網(wǎng)出現(xiàn)之后，繼電保護感應(yīng)器的性能得以提升，對于超高壓交直流混輸技術(shù)中的諧波和濾波分量能夠進行有效地處理。而且，超高壓的環(huán)境會使電網(wǎng)的暫態(tài)性質(zhì)更加復(fù)雜，采用將諧波作為主要依據(jù)的方法將會更加困難，超高壓線路中可能會出現(xiàn)的串聯(lián)補償?shù)葐栴}也促使著繼電保護裝置的性能提升。在輸電線路中，保護暫態(tài)量的方案如圖1所示。

圖1 輸電線路暫態(tài)量保護的方案框圖

采用智能電網(wǎng)背景下的加強交直流線路保護方法，使用啟動元件、方向元件、邊界元件、雷電干擾識別元件、合閘于故障判別元件以及選相元件等保護元件才能適應(yīng)當(dāng)下的環(huán)境，在智能電網(wǎng)背景下實現(xiàn)繼電保護技術(shù)的最佳效果。在智能電網(wǎng)背景下，為了滿足超高壓交直流混輸技術(shù)所提出的性能要求，繼電保護技術(shù)也應(yīng)充分結(jié)合智能電網(wǎng)的優(yōu)勢，充分滿足電力系統(tǒng)對它的要求。

3.3 電力電子元件的應(yīng)用

智能電網(wǎng)的推廣為許多新興電力電子元件的應(yīng)用提供了環(huán)境保障，功率經(jīng)典感應(yīng)晶體管和功率整流二極管等元件的大范圍推廣在很大程度上受到了智能電網(wǎng)的影響。由于電力電子元件對于開關(guān)的次數(shù)需求很大，大量的諧波會在電路中出現(xiàn)，從而阻礙電網(wǎng)的正常運作，這一阻礙作用在直流電路中體現(xiàn)得尤為明顯。所以在設(shè)計和應(yīng)用電力電子元件時，如何處理頻繁開關(guān)帶來的諧波也是一個需要重點關(guān)注的問題。此外，在柔性交流輸電系統(tǒng)的作用下，行波信號會變得十分不穩(wěn)定，繼電保護裝置作為電力系統(tǒng)的保障系統(tǒng)，其使用的電力電子元件也應(yīng)具有提高總體電能質(zhì)量的作用。通過采用更高質(zhì)量和更適合當(dāng)前電力環(huán)境的元件，繼電保護技術(shù)中的電網(wǎng)監(jiān)視系統(tǒng)也能夠變得更加穩(wěn)定，從而為整個電力系統(tǒng)提供更高的穩(wěn)定性，使得智能電網(wǎng)背景下的電力系統(tǒng)質(zhì)量獲得更大程度的提升。

3.4 新能源并網(wǎng)

智能電網(wǎng)的重要特征之一便是其可以接入可再生的環(huán)保能源（風(fēng)能、水能以及太陽能等）。當(dāng)前的能源危機主要來源于對石油、煤礦即金屬礦等不可再生能源的過度開采，所以智能電網(wǎng)可以使用可再生能源的特性不只為電力系統(tǒng)提供了更多成本節(jié)約的可能性，而且為全球的環(huán)保事業(yè)做出了貢獻。但是，由于新興的可再生環(huán)保能源都具有來源不夠穩(wěn)定和采集技術(shù)不夠成熟的特點，如果過高占比地利用新能源，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)能源儲備不足和電能質(zhì)量波動的負面現(xiàn)象。例如，風(fēng)能是將自然風(fēng)力轉(zhuǎn)化為動能，再利用動能發(fā)電，但如果風(fēng)能的接入點、接入方式或設(shè)備運作狀態(tài)出現(xiàn)了波動，都會直接影響到線路中的電流運行。所以，對繼電保護技術(shù)來說，智能電網(wǎng)新能源的接入為繼電保護技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，繼電保護裝置的設(shè)計要充分考慮新能源的特殊屬性，將一切不可控的因素都納入設(shè)計需求之中，從而在設(shè)計層面上應(yīng)對新能源并網(wǎng)時可能會出現(xiàn)的問題，在應(yīng)用層面上予以優(yōu)化或全面的解決。

4 智能電網(wǎng)背景下的繼電保護新技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 數(shù)字化程度逐漸加深

數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今各大行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，智能電網(wǎng)作為通信技術(shù)和信息技術(shù)與電力行業(yè)結(jié)合的產(chǎn)物，自然附帶著信息技術(shù)的長處，但歸根結(jié)底，智能電網(wǎng)不是完全的數(shù)字化。在智能電網(wǎng)背景下的繼電保護技術(shù)需要順應(yīng)時代的風(fēng)向，繼續(xù)與信息技術(shù)進行深度融合，向著完全數(shù)字化的運作模式轉(zhuǎn)變。就現(xiàn)狀而言，與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合度更高的新式電子互感器已經(jīng)開始逐漸取代過去的交流互感器，使得繼電保護裝置的整體工作效率實現(xiàn)了較大的提升，推動了整個電力系統(tǒng)的技術(shù)革新。在智能電網(wǎng)模式下，設(shè)備的保護行為是自動的，設(shè)備會將自身與檢測目標(biāo)的信息統(tǒng)一傳輸?shù)皆贫耍沟脤τ谛畔⒌氖占ぷ髯兊酶颖憬荨４送猓畔⒓夹g(shù)與電力系統(tǒng)的深入結(jié)合能夠改革信息傳輸?shù)姆绞剑嵘诵畔鬏數(shù)男剩ＷC了信息本身的準(zhǔn)確程度，使得整個電網(wǎng)系統(tǒng)的統(tǒng)籌工作更具科學(xué)性，提升了整體的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

4.2 輸電靈活性不斷提升

智能電網(wǎng)背景引入了許多其他領(lǐng)域的高精尖技術(shù)和承載著技術(shù)的設(shè)備，其中較為典型的便是電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備，這一設(shè)備能夠做到對電能質(zhì)量的實時監(jiān)控，將輸電能力可視化，許多提升輸電質(zhì)量的裝置可以適當(dāng)接入，從而通過電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測新裝置對輸電能力的影響[5]。同時，輸電可控元件正在被廣泛的推廣中，電網(wǎng)暫態(tài)過程的各種特點會更加明顯，從而促進解決這些問題的技術(shù)出現(xiàn)，使得繼電保護新技術(shù)實現(xiàn)升級和進步。

5 結(jié) 論

智能電網(wǎng)自身的先進技術(shù)推動著繼電保護技術(shù)繼續(xù)進步，軟件、硬件以及人為等因素都不能成為繼電保護技術(shù)向前發(fā)展的阻礙。智能感應(yīng)技術(shù)和新興電力電子元件等的應(yīng)用為繼電保護技術(shù)提供了新的發(fā)展。繼電保護新技術(shù)應(yīng)保證與數(shù)字化技術(shù)的緊密聯(lián)系，鞏固在感應(yīng)技術(shù)、電力電子元件以及新能源并網(wǎng)等方面的成果，不斷突破技術(shù)壁壘，從而推動電力事業(yè)的發(fā)展。