人工智能技術在電力系統繼電保護中的應用

張宗瑩 張福平 李嵐

摘要：在綜合國力帶動電力行業發展的背景下，作為電氣安全穩定運行重要手段的繼電保護技術也得到了大幅發展，人工智能技術獲得廣泛應用。本文即在簡要分析電力系統繼電保護應用現狀與新技術的基礎上，進一步闡述了專家系統、暫態保護、人工神經網絡等幾項人工智能技術在領域中的具體應用，以期為相關人士提供有益參考。

關鍵詞：人工智能技術;電力系統;繼電保護;現狀;應用

受諸多因素影響，電力系統在運行過程中很容易陷入非正常狀態，如超負荷及震蕩等，人工智能技術的引入則可以很好地解決這類問題，通過有效提高電力系統繼電保護智能化水平來進一步推動我國電力行業蓬勃發展。

一、電力系統繼電保護應用現狀及新技術

（一）應用現狀

首先，由于社會的不斷進步，電力系統繼電保護裝置也日趨多元，且為了保證相應工作得以有序、高效地完成，工作人員在實踐作業中往往會選用功能齊全且靈活可靠的保護裝置。[1]

其次，電力系統的不斷發展也對繼電保護功能提出了更高要求，主要包括電容器保護功能、線路保護功能以及主變保護功能等。另外，為進一步提高電力系統繼電保護技術水平，還應將其與現代化技術進行融合。

最后，人工智能理論技術的不斷發展推動了多項智能理論方法如專家系統、暫態保護技術等向電力系統領域的滲透，特別是微機繼電保護技術，由于其具備超強的自我檢測、數字計算以及邏輯處理能力，已經被廣泛地應用于電氣設備和高低壓線路繼電保護中。發展至今，我國的微機保護設備已然獲得自主知識產權，技術及性能優異，完全足以取代進口機電保護設備。

（二）新技術

（1）自適應控制技術。該技術是一種先進的保護性技術，其可以遵照電力系統運行方法，通過改變定值對系統中的既存故障進行有效處理，進而保證系統性能更加高效。在電力系統中應用該技術的明顯優勢在于：通過觀測電力系統運行狀態，及時發現存在于其中的問題并采取相應解決措施，從而在優化與完善系統性能、確保系統運行更加高效的同時，有效提升企業效益。

（2）人工神經網絡技術。該技術不但智能化顯著，能夠有效模仿人腦細胞結構，而且還帶有復雜的動力學特性，能夠及時快速地處理系統問題，工作效率極高。將該技術應用于電力系統的優勢在于：可幫助記憶與學習;有較強的環境適應能力與組織能力，能夠有效識別故障樣本并對其進行分類，從而減少工作量與不必要的經濟損失。

（3）綜合自動化技術。該技術在電力系統中的應用主要體現在以下兩個方面：①電力設備控制、監視及操作。該技術具有微機化特點，能夠實現子系統信號數字化，該技術支撐下的設備能夠代替傳統的變電所模擬設備與機電設備，從而有效提升電氣性能。此外，該技術支持監視與操作功能的整合，從而使人機聯系更加緊密。②通信局域光纜化與網絡化。光纖通信技術與局域網絡技術的應用與優化有力改善了通信局域抗電磁干擾性能。如今，伴隨著社會經濟水平的不斷提升，繼電保護對通信局域的光纜化及網絡化水平提出了更高要求。實現通信局域網絡化，不僅可以有效提升信息數據傳輸速率，確保系統穩定運行，且還可以簡化電纜，方便施工。

二、人工智能技術在電力系統繼電保護中的具體應用

（一）專家系統在電力系統繼電保護中的應用

專家系統是一種智能化計算機程序系統，具有大量專業知識與經驗，可模擬人類專家進行決策并處理領域問題，適用范圍包括：（1）時間要求寬松的繼電保護工作，如故障勘測與診斷等;[2]（2）定值智能化整合計算工作;（3）相關零序電流保護整定計算工作。將專家系統應用于電力系統繼電保護，既可以順利表示出裝置工作中的動作，用規則清晰表示出運行人員診斷經驗等內容，還可以將故障診斷專家引入到系統當中，以便及時排查故障原因并采用有效解決對策。此外，工作人員還可以應用這些規則對繼電保護設計中存在的問題進行全方位分析并有效解決矛盾沖突。

（二）暫態保護在電力系統繼電保護中的應用

傳統的繼電保護工作主要采取過濾方式，需要耗費大量的人力與研究精力，早已無法滿足電力系統的運行需求。作為人工智能技術在電力系統繼電保護中的一種應用形式，暫態保護的應用不僅可以有效提高電力系統繼電保護工作效率，且還可以解決單一工頻信號所不能解決的那些問題，大大提高故障判斷精準度。具體來說，其工作原理為：根據故障所在位置、所屬類型以及持續時間等對故障進行精確的分析與判斷，將高頻信號從故障暫態中提取出來并應用高頻信號保護電力設備與輸電線路。[3]

（三）人工神經網絡在電力系統繼電保護中的應用

人工神經網絡近年來一直是人工智能領域中的研究熱點，在電力系統繼電保護工作中發揮著極其重要的作用，主要適用于以下幾個方面：（1）判斷故障類型與距離，如可以BP模型作為方向辨別設備，快速判斷出故障所在方向并有效保護輸電線方向;[4]（2）區分正確方向與反方向電流故障。人工神經網絡具有優異的學習與辨別能力，有了它的支持，工作人員便可以更好地進行分析與辨別，保護電流方向正確的故障，并及時關閉反方向的電流故障，以有效提升電流靈敏度;（3）與專家系統配合使用，全方位診斷電力系統繼電保護中所存在的故障。

（四）模糊理論在電力系統繼電保護中的應用

傳統的無功電壓算法往往采用單目標法來進行問題優化，存在調節限制控制量考慮不周等弊端，且由于電力系統故障與故障前征兆間存在不確定性，關系并不明確，導致最后的診斷結果也相應變得模糊，而模糊理論的應用剛好可以解決這些問題，因此其在電力系統繼電保護中的應用也愈發廣泛。[5]該理論主要包括三方面內容——系統規劃、模式控制以及潮流計算，既可以有效確定電力生產及干負荷變化過程中的不確定因素，也可以用模糊值來表示部分不確定關系，從而構建起一個完整而有效的電力模糊系統。

（五）遺傳算法在電力系統繼電保護中的應用

遺傳算法是由美國科學家于20世紀70年代提出的一種計算模型，其主要是以自然選擇與遺傳機制作為理論基礎，通過應用計算機設備，首先將問題的全部備用解都進行編碼，接著便按照其理論來進行全局優化搜索，最終找到最優解集。發展至今，該算法已在電力系統繼電保護工作中獲得廣泛應用，如診斷輸電網絡故障原因、實現輸電系統電容最優化配置、無功優化電力系統以及處理圖像等。該算法應用優勢突出，如可以在龐大且復雜的搜索空間中完成自適應搜索并找出最優算法;算法簡單且適用性強，在求解問題過程中幾乎不受限制，不必經過復雜的求解過程即可以獲得最優解集。最大的應用限制則僅在于，輸電網絡故障診斷模型尚未實現系統化與科學化，而該問題一旦得到解決，人們便可以利用遺傳算法高效地解決故障診斷問題。

（六）計算機化在電力系統繼電保護中的應用

近年來，社會整體經濟水平的不斷提高一方面推高了電力系統對微機保護的要求，另一方面也直接推動了計算機硬件特別是微機保護硬件的飛速發展。由此一來，計算機化在電力系統繼電保護中的應用便日益廣泛，且已取得矚目成績。分析計算機化在電力系統繼電保護工作中的應用優勢，主要包括以下三個方面：（1）保護功能強大;（2）故障數據與信息存放空間充足，數據處理效率高;（3）能夠提高網絡資源通信能力，進而提高電力系統繼電保護工作效率。

（七）模糊識別在電力系統繼電保護中的應用

作為人工智能分支學科，模糊識別在電力系統繼電保護工作中也發揮著極為重要的作用。具體來說，其工作內容主要包括進行高阻抗檢測和距離保護等，在電力系統繼電保護中應用模糊識別，可以改變系統中的配電線接地保護裝置，具體的工作原理為：識別和保護電壓與電流信號模式，并進一步就系統中的電壓與電流進行數據比較，從而實現對繼電保護高阻抗工作狀態的精準鑒別。

（八）小波分析在電力系統繼電保護中的應用

小波分析這一概念最早由法國石油信號處理工程師J.Morlet提出，經過數十年的探索與研究，其已建立起完整的數學形式化體系并具備了更為扎實的理論基礎。作為一項重要的人工智能技術分支，小波分析在電力系統繼電保護工作中的應用也凸顯出越來越多的積極作用：（1）分析并診斷電流電壓相關故障;（2）有效提取電流間斷角特征，并可結合模糊理論共同分析系統故障;（3）分別提取變壓器正常運營與非正常運營情況下的電流信號，為后續工作提供數據基礎。

三、結語

如今，高速發展的經濟社會在改善人民生活水平的同時，也對電力企業供電質量提出了更高要求，傳統的繼電保護已然無法滿足人們當前的用電需求。為解決這一矛盾，可以將人工智能技術引入到電力系統繼電保護當中，令其充分發揮自身優勢，有力推動我國電力系統的智能化發展。

參考文獻：

[1]吳興龍，陳樂，張蕓.人工智能在繼電保護中的應用[J].山東工業技術，2018（19）：131.

[2]胡斌.人工智能技術在電力系統繼電保護中的應用[J].電子技術與軟件工程，2017（20）：257.

[3]常紅艷.電力系統自動化中智能技術的應用[J].電子測試，2016（18）：123-124.

[4]梁棟.繼電保護中的人工智能技術分析[J].電子技術與軟件工程，2016（09）：254.

[5]朱雪雄.電力系統繼電保護技術的現狀與發展研究[A].《教師教學能力發展研究》科研成果集（第四卷）[C].《教師教學能力發展研究》總課題組，2017：21.

作者簡介：張宗瑩（1986—??），男，漢族，甘肅會寧人，本科，工程師，研究方向：電力工程技術;張福平（1982—??），男，漢族，甘肅永登人，大專，助理工程師，研究方向：電力工程技術;李嵐（1985—??），女，漢族，甘肅皋蘭人，本科，研究方向：電力工程技術。