基于人工智能技術(shù)的電力系統(tǒng)母線保護(hù)的應(yīng)用研究

和定繁

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)也日益擴(kuò)大。為了確保電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作，對(duì)繼電保護(hù)技術(shù)提出更高的要求。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)和診斷技術(shù)滿足不了現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。基于人工智能技術(shù)的繼電保護(hù)裝置，受到越來(lái)越多的重視。文章主要對(duì)基于人工智能技術(shù)母線繼電保護(hù)的提出進(jìn)行分析，概述了母線保護(hù)的發(fā)展?fàn)顩r，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)的母線保護(hù)。

關(guān)鍵詞：人工智能技術(shù);電力系統(tǒng);母線保護(hù);應(yīng)用研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）02-0145-02

繼電保護(hù)技術(shù)是伴隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而興起的。相反，電力系統(tǒng)快速發(fā)展也推動(dòng)了繼電保護(hù)不斷完善。與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)通信技術(shù)不斷興起，也為繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展注入新鮮活力。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，最常見(jiàn)的故障就是短路故障，如果線路發(fā)生短路，不可避免會(huì)出現(xiàn)電流增大，進(jìn)而破壞電力設(shè)備。因此，需要對(duì)電力系統(tǒng)母線保護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行探究，具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義，在最大范圍內(nèi)確保人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1基于人工智能技術(shù)的母線繼電保護(hù)的提出

早在1901年，出現(xiàn)了感應(yīng)型過(guò)電流繼電器。發(fā)展到1910年方向性電流保護(hù)得到廣泛應(yīng)用，一直到上個(gè)世紀(jì)20年代初期出現(xiàn)了距離保護(hù)裝置，隨著電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展。一直到20世紀(jì)50年代，人們通過(guò)微波傳送，它成為繼電保護(hù)裝置原件及與此同時(shí)繼電保護(hù)裝置，它的原件和結(jié)構(gòu)方式發(fā)生翻天覆地的變化。發(fā)展到上個(gè)世紀(jì)50年代，導(dǎo)體晶體管的出現(xiàn)推動(dòng)晶體是繼電保護(hù)裝置的發(fā)展。一直到上個(gè)世紀(jì)70年代中期，基于集成運(yùn)算放大器的集成電路已經(jīng)開(kāi)始研究發(fā)展。發(fā)展到80年代末形成了較為完善的晶體管保護(hù)系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著科學(xué)信息技術(shù)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)以及通訊技術(shù)取得快速發(fā)展。母線保護(hù)主要是將監(jiān)控、測(cè)量、運(yùn)動(dòng)、通信等各個(gè)功能進(jìn)行融合，減少設(shè)備投資，減少設(shè)備投資的同時(shí)，全面提高設(shè)備的穩(wěn)定性。也在無(wú)形之中也推動(dòng)人工智能技術(shù)的發(fā)展，在某種程度上，人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它具備較高的運(yùn)算能力、適應(yīng)能力強(qiáng)，還具備較高的容錯(cuò)能力。和傳統(tǒng)的方式相比，有著較高的優(yōu)勢(shì)，它能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)單純的依靠數(shù)字求解問(wèn)題的弊端。廣泛使用在電力系統(tǒng)這種復(fù)雜的大規(guī)模動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能分支的重要內(nèi)容，在推動(dòng)電網(wǎng)發(fā)展和母線保護(hù)應(yīng)用中占據(jù)著關(guān)鍵地位，它更能適應(yīng)現(xiàn)代化電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求，能有效解決傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在的不足。

2母線保護(hù)的發(fā)展?fàn)顩r概述

2.1實(shí)現(xiàn)方式的發(fā)展

在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)之下，我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和規(guī)模都發(fā)生翻天覆地的變化，它從過(guò)去區(qū)域向容量小、低電壓等級(jí)、發(fā)展到現(xiàn)階段的遠(yuǎn)距離、大容量、超高壓等等大規(guī)模的系統(tǒng)，離不開(kāi)電力系統(tǒng)的母線保護(hù)裝置，在某種程度上，母線保護(hù)它成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)作的守護(hù)神，突破原來(lái)單一性保護(hù)的弊端。針對(duì)母線保護(hù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，母線保護(hù)是在技術(shù)原理上實(shí)現(xiàn)不斷的突破和完善，保護(hù)性能和可靠性能，隨著科學(xué)技術(shù)的提升也得到顯著提高，母線保護(hù)的功能，它從傳統(tǒng)的單一逐漸向多元化發(fā)展，可靠性也逐漸提高，從傳統(tǒng)過(guò)度依靠人為干預(yù)走向高度智能化發(fā)展。通常情況下，母線保護(hù)方式主要有以下三個(gè)內(nèi)容，第一，電磁型的母線保護(hù)。對(duì)于電磁型的母線保護(hù)來(lái)說(shuō)，它是最早的實(shí)現(xiàn)方式，操作較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。然而它的保護(hù)性能并不高，靈敏度動(dòng)作速度飽和能力等。有顯著不足的現(xiàn)象。除此之外，母線運(yùn)行條件并不具備較高的適應(yīng)能力。第二，集成電路型母線保護(hù)。該母線保護(hù)它的靈敏度、動(dòng)作速度、飽和能力，和電磁型母線保護(hù)相比，有著大幅度的改善，其中最主要的代表就是中阻抗母線保護(hù)。中阻抗母線保護(hù)它被廣泛使用在電力系統(tǒng)中，成為母線保護(hù)的首選產(chǎn)品。近年來(lái)，隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)公司最長(zhǎng)使用的阻抗型母差保護(hù)是上海繼電器廠生產(chǎn)組裝的PMh150。它主要對(duì)中阻抗母線保護(hù)原理進(jìn)行探究，能有效地降低母差回路產(chǎn)生的負(fù)載阻抗值，然而，集成電路型母線保護(hù)在適應(yīng)母線運(yùn)行情況還存在一些不足。第三，微機(jī)型母線保護(hù)。微機(jī)型的母線保護(hù)主要來(lái)源于系統(tǒng)功能強(qiáng)大的中央處理器，主要比較數(shù)字和模擬母線保護(hù)之間的特征，全面提高適應(yīng)母線的運(yùn)行方式靈敏度以及可靠度[1]。

2.2實(shí)現(xiàn)原理的發(fā)展

目前在進(jìn)行母線保護(hù)實(shí)驗(yàn)原理發(fā)展?fàn)顩r分析時(shí)主要。包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容，第一，差動(dòng)原理母線保護(hù)。該保護(hù)原理是確保母線正常運(yùn)作，或者是外部故障發(fā)生時(shí)，母線上的各回路會(huì)出現(xiàn)電流和為零，在母線內(nèi)部出現(xiàn)故障各線路上同一時(shí)刻的電流值之和應(yīng)該大于零。然而，差動(dòng)原理母線保護(hù)由于內(nèi)外故障保護(hù)不同。然而，在實(shí)際運(yùn)作中，母線各個(gè)回落，不可避免會(huì)出現(xiàn)特性誤差，會(huì)存在著一個(gè)不平衡的電流，為了全面確保母線保護(hù)具有較高的靈敏度，應(yīng)該采取有效的方式，將不平衡電流降到最低。為了確保差動(dòng)原理母線保護(hù)，具有較高的靈敏度，可以通過(guò)加裝中間變流器和軟件修正的方式，在母線區(qū)故障外找到特性誤差，降低母線保護(hù)不平衡電流。如果母線出現(xiàn)故障，尤其是區(qū)外故障電流互感器的飽和對(duì)保護(hù)的性能影響較大。如果區(qū)外故障會(huì)造成嚴(yán)重的誤判，這時(shí)，必須要確保母線保護(hù)具有較高的抗飽和能力。通常使用的抗體低飽和的方法是通過(guò)判斷差動(dòng)動(dòng)作和故障是否同步發(fā)生，以電流量作為主要的判別量。第二，方向原理母線保護(hù)。對(duì)于方向原理母線保護(hù)來(lái)說(shuō)，它主要是確保母線外部故障，有一部分的電流方向流出母線。在進(jìn)行內(nèi)部故障探究時(shí)，母線上各回路故障電流方向如果流向母線。說(shuō)明系統(tǒng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，計(jì)算出母線各回路上的故障電流方向，不需要考慮電流特性和飽和問(wèn)題，針對(duì)母線區(qū)外故障的運(yùn)行情況進(jìn)行探究，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作，如果系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)不能確定母線各回路故障電流的方向，這時(shí)需要根據(jù)電流行波和故障電壓行波的極性進(jìn)行判斷[2]。

2.3實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

母線保護(hù)在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上主要分為集中式母線，保護(hù)和分布式母線保護(hù)。首先對(duì)于常見(jiàn)的集中式母線保護(hù)來(lái)說(shuō)，它主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和處理，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確的保護(hù)和判斷，保護(hù)出口。將所有的功能全部集中在一起，集中式母線保護(hù)它具備較高的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)便，操作容易。目前，我國(guó)大部分使用的都是集中式的母線保護(hù)。其次，分布式母線保護(hù)，分布式母線保護(hù)能夠?qū)⑿盘?hào)進(jìn)行采集和處理，保護(hù)出口各個(gè)功能，將其放在母線的各個(gè)間隔單元中，實(shí)現(xiàn)各見(jiàn)各單元的分布排序。將不同的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)光纖輸送到不同的中心單元，做好保護(hù)方式的判斷，然后將得到的結(jié)果傳回到各個(gè)間隔單元，實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口操作。在無(wú)形之中能節(jié)約大量的二次電纜，具有較高的擴(kuò)展性，它和傳統(tǒng)的母線保護(hù)相比，更加符合電力系統(tǒng)母線設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)。在某種程度上分布式母線保護(hù)在操作過(guò)程中，技術(shù)要求較高，廣泛使用在數(shù)據(jù)采集和同步傳輸中[3]。

3基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)母線保護(hù)

3.1母線保護(hù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

母線保護(hù)智能化發(fā)展是未來(lái)母線繼電保護(hù)的發(fā)展方向，本文主要針對(duì)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)母線保護(hù)進(jìn)行探究，在最大范圍內(nèi)發(fā)揮智能化調(diào)節(jié)母線保護(hù)的作用，降低母線保護(hù)過(guò)程中不必要的人為干擾，減輕母線保護(hù)工作者的壓力。對(duì)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，它是一種高度智能化的數(shù)學(xué)工具。它能對(duì)確定的物理對(duì)象進(jìn)行輸入和輸出，確定關(guān)系，在某種程度上人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它更像是一種傳遞函數(shù)，針對(duì)物理對(duì)象輸入輸出進(jìn)行分析，找到兩者之間的誤差，進(jìn)而調(diào)節(jié)各層的全系數(shù)。在基于人工智能技術(shù)母線繼電保護(hù)裝置探究時(shí)，可以將電力系統(tǒng)母線作為一個(gè)確定的物理對(duì)象，然后做好母線各回路的分析工作。在輸入和輸出的同一時(shí)刻建立函數(shù)關(guān)系，可以使用帶有隱藏型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型描繪這個(gè)函數(shù)關(guān)系[4]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它具備較高的容錯(cuò)能力和自適應(yīng)能力，能對(duì)母線存在的故障進(jìn)行排除，做好圖像處理預(yù)測(cè)，被廣泛使用在電力通訊工程，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它能夠智能化地解決復(fù)雜問(wèn)題。在繼電保護(hù)中，廣泛使用可以將電力系統(tǒng)中的具體保護(hù)對(duì)象。例如：母線、線路、變壓器等等不同的器件作為輸入輸出關(guān)系所確定的對(duì)象，然后使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而代替這個(gè)保護(hù)對(duì)象。在保護(hù)對(duì)象區(qū)域內(nèi)，如果發(fā)生故障，這時(shí)可以考慮到可能系統(tǒng)由于輸入輸出關(guān)系的改變，對(duì)回路產(chǎn)生影響，要確定物理對(duì)象的實(shí)際參數(shù)。如果不能真實(shí)的獲取參數(shù)，那么基于模型保護(hù)原理的性能將大大降低[5]。

3.2母線保護(hù)的故障啟動(dòng)方法

在基于人工智能技術(shù)電力系統(tǒng)母線保護(hù)應(yīng)用探究過(guò)程中，必須要對(duì)故障啟動(dòng)方法進(jìn)行分析，母線保護(hù)能有效地反應(yīng)出故障區(qū)域，做好電氣故障特征值的分析。一般情況下，電氣故障特征值多種多樣，無(wú)論是電流、電壓幅值，還是電壓波形都會(huì)產(chǎn)生各種各樣的干擾。母線保護(hù)故障啟動(dòng)方法需要按照電氣特征值的大小以及電氣特征量變化率進(jìn)行分析，嚴(yán)格地參照電氣特征量的大小，如實(shí)地反映故障母線保護(hù)的啟動(dòng)方式。需要設(shè)置特定的閾值來(lái)分析母線是否發(fā)生那區(qū)或者是外區(qū)的故障，這些閾值就是保護(hù)整定值。除此之外，也可以根據(jù)故障電氣特征量的大小，降低人為干擾。通常情況下，使用的方式由采樣值突變量方法、小波奇異性方法、自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)法、以及瞬時(shí)幅值突變量方法。不同的運(yùn)作環(huán)境，使用的方式也是不同的[6]。

3.3母線保護(hù)的故障判斷方法

在母線保護(hù)故障啟動(dòng)以后，需要判斷區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，要使用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)母線保護(hù)進(jìn)行探究。針對(duì)母線區(qū)內(nèi)故障，在進(jìn)行判定過(guò)程中，可以使用電流采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，找到母線保護(hù)對(duì)象的輸出和輸入關(guān)系。在母線區(qū)外故障判斷時(shí)，如果母線保護(hù)對(duì)象輸入輸出關(guān)系并沒(méi)有發(fā)生改變，這時(shí)需要通過(guò)無(wú)故障運(yùn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練進(jìn)行探究。在最大范圍內(nèi)判斷故障預(yù)警動(dòng)時(shí)間和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型輸入變大的時(shí)間是否同步。如果同步，則說(shuō)明母線出現(xiàn)故障[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作離不開(kāi)母線，母線保護(hù)是確保母線安全運(yùn)作的關(guān)鍵。在科技的推動(dòng)之下，母線繼電保護(hù)技術(shù)也得到顯著提升。人們的工作和生活離不開(kāi)電力系統(tǒng)，它也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要產(chǎn)業(yè)，電力系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中穩(wěn)定性和安全性，母線保護(hù)和母線繼電保護(hù)密切相關(guān)，為了提高電力系統(tǒng)安全可靠，為了確保電力系統(tǒng)能夠輸送高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性能好的電源。要考慮到自然條件設(shè)備以及人為因素產(chǎn)生的影響，降低設(shè)備出現(xiàn)的故障。

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