繼電保護整定技術在智能電網供配電系統中的應用研究

張藝明，王聞杰

（國網陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安 716000）

0 引 言

隨著全球能源結構的轉型和電力系統的現代化，智能電網作為一種新型電網模式應運而生，其核心是實現電網的高效、可靠以及安全運行[1-5]。在智能電網的供配電系統中，繼電保護整定技術發揮著至關重要的作用，負責保護電網免受故障的影響，確保電力系統的穩定性和可靠性。隨著電網結構的日益復雜，傳統的繼電保護整定方法面臨著新的挑戰。文章旨在探討繼電保護整定技術在智能電網供配電系統中的應用，并分析面臨的挑戰。

1 繼電保護整定技術的核心模塊

繼電保護整定技術是電力系統安全運行的關鍵組成部分，通過快速準確地隔離電網故障，保障電力系統的穩定性和可靠性，下面對該技術的核心模塊進行具體分析。

1.1 中央處理單元模塊

中央處理單元模塊的高性能處理能力使繼電保護系統能夠在毫秒級別內做出反應，快速隔離故障區域，防止故障擴散到電網的其他部分。這不僅提高了電網的可靠性，還保障了連接到電網的設備和用戶的安全。

1.2 屬性圖數據庫模塊

屬性圖數據庫模塊使用屬性圖作為核心數據結構，表示電力系統中各種實體和實體之間的復雜關系，，如變電站、輸電線路、發電機組的相互連接和依賴關系。通過實時更新與維護電網的拓撲結構和運行狀態信息，該模塊為繼電保護整定計算提供了準確且及時的數據支持，從而確保整定決策的正確性和及時性[6]。

1.3 整定規則模塊

整定規則模塊的主要職責是定義和管理用于電力系統保護的各種整定規則與參數。這些規則是確保電力系統在各種運行條件下安全可靠運行的基礎，包括過載保護、短路保護以及其他相關保護機制的設置。

1.4 整定計算模塊

整定計算模塊的核心功能是基于一系列預設的標準和算法來計算保護裝置的整定值。這些整定值對于確保在發生電網故障時能夠迅速而準確地隔離故障部分至關重要。

2 具體應用及挑戰分析

2.1 繼電保護整定計算方法

繼電保護整定計算方法是繼電保護整定技術的核心，在現代電力系統中發揮著核心作用，特別是在確保電網穩定性和可靠性方面。這種計算通常涉及電網中各種參數的精確測定，如分支系數、短路電流等。

2.1.1 分支系數的計算

分支系數的計算在繼電保護整定和電力系統分析中發揮著關鍵作用，直接影響保護裝置在電網發生故障時的響應能力。準確的分支系數確保保護裝置能夠正確識別故障點并迅速動作，從而有效隔離故障并確保電網的安全運行。分支系數的公式計算為

式中：K為分支系數；I1為保護支路電流；I2為配合支路電流。分支系數對于設計和維護電力傳輸與分配系統至關重要，因為電流的大小直接影響電力系統中的負載能力和故障電流級別。通過了解線路的電流特性，工程師可以評估電力在正常運行和故障狀態下在系統中分布的分布情況，并據此配置保護裝置，以防出現過載或短路情況。除此之外，式（1）也是評估線路健康狀況、完成故障分析以及制定有效保護策略的基礎。

2.1.2 短路電流的計算

短路電流計算在繼電保護整定和電力系統設計中起著至關重要的作用。首先，短路電流是確定故障點處最大電流值的關鍵，對于正確設置斷路器和繼電器的觸發電流（整定值）非常重要。確保在發生短路故障時，保護設備能夠迅速切斷電流，防止故障擴展到電網的其他部分，從而保障整個電網的穩定運行。其次，短路電流的計算有助于評估電網中不同組件的應對能力，確保他們能夠承受在極端條件下出現的最高電流。最后，這一計算對于識別電網中的潛在薄弱環節非常重要，有助于指導電網的優化設計和升級改造，增強系統的整體健壯性。因此，短路電流計算不僅對于保護裝置的準確整定至關重要，也是確保電力系統整體安全和可靠運行的基礎。短路電流的計算公式為

式中：Isc為短路電流；Unom為系統的標稱電壓；Zsource和Z1分別為電源側的阻抗和線路的阻抗。式（2）用于確定在故障點的短路電流，對于設置斷路器和繼電器的整定值至關重要。

2.1.3 距離保護的整定計算

距離保護的整定計算在維護電力系統的穩定性和安全性方面發揮著至關重要的作用，主要用于確定電網中保護裝置的整定值，以確保在發生故障時能夠快速且準確地定位故障點，并迅速隔離故障區域。距離保護的整定涉及計算電網特定部分的電氣阻抗，并根據這些阻抗值設置保護裝置的動作參數。這些參數必須精確計算，以確保保護裝置僅在實際故障發生時動作。距離保護整定值的計算公式為

式中：Zsetting為距離保護的整定值；Z2為單位長度的線路阻抗；Lprotected為被保護線路的長度；α為安全系數；Lbackup為后備保護覆蓋的線路長度。式（3）用于計算距離保護的整定值，以確保在發生故障時能夠快速準確地隔離受影響的線路段。

2.1.4 過電流保護定時計算

過電流保護定時計算對于確保電力系統中繼電保護裝置能有效響應故障至關重要。通過選擇適當的定時曲線（即時、定時或反時限），并設置相應的時間延遲參數來實現對動作時間的調整，以快速且精確地響應系統中的過電流事件。這種計算幫助維持供電網絡的完整性，通過確保僅在實際發生故障時斷開電路，防止不必要的設備停機和服務中斷。此外，該技術可以對電力系統每個分路保護裝置的動作時間和繼電器動作的電流設定值進行調整并配置梯次，以構建構分級保護系統。對于靠近故障點的保護裝置，可以適當縮短動作時間；延長遠離故障點的保護裝置的動作時間。這樣的分時限保護策略確保了在出現故障時，最小的電網區域受到影響，從而縮短系統恢復時間，并減少對用戶的影響。過電流保護定時計算公式為

式中：T為保護裝置的動作時間；Tstd為標準動作時間；Tpickup為繼電器動作的電流設定值；Tfault為實際故障電流；n為時間倍乘系數或曲線斜率。式（4）的主要作用是確定在電力系統中發生過電流故障時，保護裝置應該在多長時間內動作。當故障電流較大時，保護裝置應迅速動作；而在較低的過電流條件下，裝置可能會延遲動作以區分瞬時過載和實際故障。這樣就可以在不同的故障和過載條件下提供合適的保護響應，避免不必要的停電，并最小化對電網穩定性的影響。

2.2 面臨的應用挑戰

2.2.1 分支系數計算中的問題

在繼電保護整定計算中，分支系數的準確計算對于確保電力系統的有效保護至關重要。然而，在實際的應用中，分支系數計算面臨著多個挑戰，特別是在復雜或不斷變化的電網結構中。首先，電力系統的動態變化，如可再生能源的接入、負載的波動以及電網拓撲的調整，都會影響分支系數的穩定性和準確性。分支系數在理想情況下和基于負載波動情況下的值隨時間變化如圖1 和圖2 所示。當系統處于理想情況下時，分支系數是一個穩定的常數值，誤差可以忽略不計。但是如果系統的負載發生波動，則由式（1）計算得到的值相較于圖2 中的實際值差別較大，進而給繼電保護整定帶來一定的挑戰。這種變化導致分支系數計算的不確定性，增加了保護策略設計的復雜性。其次，電網中存在的非線性元件和復雜的電力電子設備，如變流器和調壓器，也會對分支系數產生影響，增加了計算的復雜度。最后，分支系數的計算通常基于一些理想化或簡化的假設，這可能導致在實際應用中出現偏差，因為在某些情況下，這些假設可能不再適用，從而導致保護裝置的誤動作或不動作。因此，需要采用更先進的計算方法和模型，以提高分支系數計算的準確性和適應性。

圖1 基于理想情況下的分支系數變化

圖2 基于負載波動下的分支系數變化

2.2.2 無法確定最優運行策略

電力系統是一個高度復雜的網絡，其運行狀態受到多種因素的影響，包括發電量、負載需求、輸電線路的配置以及電網的維護和升級。找到最優的運行策略意味著需要在確保電力供應的可靠性和效率之間找到平衡，同時考慮成本、環境影響以及系統的健壯性。在智能電網的背景下，這一挑戰變得更為復雜。智能電網引入了可再生能源、分布式發電和需求響應等新元素，增加了系統運行模式的多樣性和不確定性。

2.2.3 重復斷開同一段線路

在智能電網供配電系統中，重復斷開同一段線路是繼電保護整定技術面臨的又一挑戰。這種情況通常發生在故障檢測和隔離后的線路自動重合閘嘗試中，若故障未被徹底清除，會導致線路再次斷開。這種重復斷開和重合閘的操作不僅增加了電網運行的不穩定性，還可能對電力設備造成額外的損害，增加設備的磨損和老化，從而影響電網的可靠性和安全性。針對這一問題，引入先進的故障診斷技術和算法，提高故障檢測的準確性和速度，是解決重復斷開同一段線路問題的關鍵。

3 結 論

繼電保護整定技術是確保智能電網供配電系統安全高效運行的關鍵。通過研究繼電保護整定技術在智能電網供配電系統中的應用，證實繼電保護整定技術對于智能電網的穩定運行具有重要作用，但也面臨著一系列挑戰。因此，需要對繼電保護整定技術進行不斷的改進和創新，以提高其準確性和可靠性，為智能電網地建設提供技術支持。