電網復雜故障下的繼電保護協調控制技術研究

摘要：電網復雜故障給繼電保護協調控制帶來了嚴峻挑戰，傳統的繼電保護技術難以滿足現代電網的快速性、選擇性和可靠性要求。對電網復雜故障下的繼電保護協調控制技術進行了研究，分析了復雜故障的類型、對繼電保護的影響和繼電保護失效的原因。針對現有繼電保護協調控制技術的不足，探討了自適應繼電保護和基于智能算法的繼電保護優化策略，并通過實際案例驗證了這些技術的有效性。

關鍵詞：電網復雜故障"繼電保護"自適應協調控制"智能算法

Research"on"the"Coordinated"Control"Technology"of"Relay"Protection"Under"Complex"Faults"of"Power"Grid

BAI"Xuesong

China"Oilfield"Services"Limited，"Tianjin，"300450"China

Abstract："The"complex"faults"of"power"grid"bring"severe"challenges"to"the"coordinated"and"control"of"relay"protection，"and"the"traditional"relay"protection"technology"is"unable"to"meet"the"requirements"of"speed，"selectivity"and"reliability"of"modern"power"grid."This"paper"was"conducted"on"the"coordinated"control"technology"of"relay"protection"under"complex"faults"of"power"grid，"and"analyzes"the"types"of"complex"faults，"the"impact"on"relay"protection"and"the"causes"of"relay"protection"failure."Aiming"at"the"shortcomings"of"the"existing"relay"protection"coordinated"controlnbsp;technology，"this"paper"explores"the"optimization"strategies"of"the"adaptive"relay"protection"and"the"relay"protection"based"on"the"intelligent"algorithm，"and"verifies"the"effectiveness"of"these"technologies"by"real-world"cases.

Key"Words："Power"grid"complex"faults;"Relay"protection;"Adaptive"coordinated"control;"Intelligent"algorithm

隨著電網規模的不斷擴大和運行環境日益復雜化，電網發生復雜故障的可能性顯著提高，這對繼電保護技術提出了更高的要求。傳統的繼電保護技術依賴固定參數和簡單的時間整定，雖然在過去的電網中有效，但面對現代電網的復雜工況，逐漸顯現出適應能力不足的局限性。尤其是隨著分布式能源的大規模接入和智能電網技術的快速發展，電網結構更加復雜，功率流動方向不再單一，電力系統的不確定性顯著增加。新能源的間歇性和波動性對繼電保護的快速響應和可靠性提出了更高要求[1]。在此背景下，繼電保護技術不僅需要具備更強的適應性，還需要實現高度智能化的協調控制，以確保電網的安全、穩定、高效運行。近年來，學者在繼電保護智能化方面取得了諸多進展，如基于人工智能和大數據分析的繼電保護技術、自適應保護設計。現有研究尚未徹底解決分布式能源接入下的繼電保護協調問題，尤其是在復雜故障場景下的響應機制仍存在不足。本文旨在提出一種基于智能算法和大數據分析的繼電保護優化方案，通過理論與實驗驗證，提升繼電保護系統的靈活性和可靠性，進一步推動智能電網的發展。

1復雜故障對電網繼電保護的影響

1.1復雜故障的類型與特點

電網中的復雜故障一般有短路，接地和斷線幾種形式，這些故障具有各種各樣的特點和錯綜復雜的表現形式。其中，以短路故障最為多見，常伴有較大電流的瞬時沖擊并有可能造成設備的破壞。接地故障會造成電壓不平衡而影響電網的穩定運行。斷線故障一般是指電網線路出現老化或外力破壞時，造成電流中斷或異常現象。由于電網結構的復雜性，故障常表現出多態性及連鎖反應的特點，有可能誘發多點，多類型的復雜故障，對繼電保護的要求也就越來越高[2]。

1.2復雜故障下繼電保護失效原因分析

復雜故障引起繼電保護失效的原因主要包括繼電保護裝置誤動作、拒動、保護配合不足等[3]。誤動作一般是因為繼電保護裝置對故障區分不準，如故障瞬間電流或電壓信號急劇改變，繼電器檢測誤差就會造成誤動。拒動是指繼電保護在出現故障時并未如預期那樣啟動，這可能是因為設置的參數不合適、信號傳遞的延遲、設備老化等因素造成的。繼電保護間配合不到位也是造成故障的一個重要因素，如上下級保護間時限配合不合適、保護裝置間通訊故障等，均會對電網整體協調控制能力造成影響。

1.3復雜故障對繼電保護協調的技術要求

復雜的故障特點給繼電保護協調工作提出了很高的工藝要求。繼電保護一定要有較高靈敏度和較快的速度，可以在較短的時間內精準地發現故障并做出相應的行動，從而避免出現故障擴大化。繼電保護設備需要具有高度的選擇性，以確保在復雜的故障環境中僅針對故障點進行操作，而不會干擾其他區域的正常運行[4]。

2繼電保護協調控制技術的現狀與挑戰

2.1傳統繼電保護協調技術

傳統繼電保護主要依賴過流保護、距離保護、方向保護等技術，這些保護方式通過對電流、電壓等信號的檢測，結合設定參數來判別故障類型和位置。傳統的協調方式多采用時限配合和方向比較，確保故障發生時，下級保護首先動作，若下級保護失效，上級保護才會介入[5]。時限配合通常通過設置不同的動作延時來實現，以保證在電網不同層級的保護裝置之間能夠相互協調。方向比較則用于區分故障點的前后位置，以確保繼電保護動作的選擇性。具體傳統繼電保護技術與協調方式如表1所示。

2.2現代繼電保護協調技術

隨著智能電網與數字化技術的不斷發展，現代繼電保護協調技術已逐步采用先進的通信、計算、信息處理手段。數字化繼電保護裝置能夠通過實時獲取電網運行狀態并進行分析，從而達到較為精準的故障判別。廣域繼電保護技術采用廣域測量系統（Wide"Area"Measurement"System，WAMS）來捕獲整個網絡的實時數據，從而實現保護設備間的迅速溝通和協同工作。以人工智能與智能算法為核心的繼電保護技術能夠通過在線分析與自適應調整來優化動態保護參數，從而提高復雜故障響應速度與精度。

2.3現存的技術難點

當前繼電保護協調控制面臨的主要難點如表2所示。

3電網繼電保護的自適應協調控制技術

3.1自適應繼電保護技術原理

自適應繼電保護技術是一種通過在線監測電網狀態，動態調整保護裝置參數的先進保護方法。其核心在于能夠根據實時獲取的電網運行信息，如電流、電壓、相位等，實時分析故障的類型、位置和性質，從而自適應地調整繼電保護的動作特性和動作時限。自適應繼電保護利用廣域信息和通信技術，構建分布式保護協調體系，使保護裝置具備自我調整和學習能力，提高對復雜故障的響應速度與準確性。

3.2自適應協調控制技術的實現方法

自適應協調控制技術主要取決于對廣域信息進行采集和加工。通過部署WAMS等先進設備，能夠實時收集整個電網的電流、電壓、頻率等關鍵參數，從而為繼電保護系統提供完整的電網運行狀況數據。在自適應繼電保護領域，多代理系統（Multi-Agent"System，MAS）被視為一種核心技術。它視繼電保護設備為多個獨立的智能實體，并通過代理間的溝通和協作，確保故障信息的有效共享以及保護措施的協同工作。

4基于智能算法的繼電保護協調優化

4.1智能算法在繼電保護中的應用

智能算法在繼電保護中的應用主要包括遺傳算法、粒子群優化、模糊邏輯、神經網絡等。這些算法具有自學習、自適應和優化能力，能夠處理復雜的非線性問題，適應電網復雜的運行環境。遺傳算法通過模擬生物進化過程，尋找繼電保護參數的最優組合，提高保護裝置的協調性。粒子群優化則通過模擬群體行為，在多維搜索空間中尋找最佳解決方案。智能算法在繼電保護中的應用，能夠根據實際運行狀態和故障特性，動態調整保護參數，實現對復雜故障的快速響應和準確定位。智能算法的優化過程可以形式化為一個目標函數的優化問題，例如，在繼電保護參數優化中，目標函數可以表示為

式（1）中：F（x）表示需要優化的目標函數；Ti（x）表示第i個繼電保護裝置的動作時間；wi表示相應的權重系數，反映了各繼電保護動作時間的重要性；x表示待優化的繼電保護參數集合。通過智能算法（如遺傳算法或粒子群優化），可以不斷迭代調整x，以最小化F（x），從而提高繼電保護系統的協調性和快速性。

4.2繼電保護優化控制策略設計

繼電保護優化控制策略設計以智能算法為基礎，通過構建保護參數優化模型尋求保護動作時限與整定值的最佳組合。收集了電網的運行數據，每秒收集150次的電壓、電流和頻率信息，然后建立了數學模型，將繼電保護的協調問題轉化為一個優化問題。采用遺傳算法等智能算法對該模型進行了求解。

優化的目標包括最小化保護動作時間（如把動作所需的時間從0.15"s減少到0.10"s），提高保護的選擇性和可靠性（確保保護措施的準確性達到或超過98%）。在算法執行的過程中，利用了200個群體搜索和自適應調節機制，逐漸趨近于最優解，并最終確定了一組最佳的保護參數組合，以供繼電保護設備在線進行調整。

4.3基于遺傳算法的繼電保護協調優化

將基于遺傳算法繼電保護協調優化成功地在某電網實際運行。在實例中，電網具有多級保護的配合，傳統的方法很難確保協調性。引入遺傳算法建立了電網繼電保護的優化模型，將保護動作時間最小化與選擇性最大化作為目標函數。在遺傳算法的執行階段，它通過各種選擇、交叉和變異手段，在100次的迭代過程中持續地尋找最佳的保護參數組合。

在經歷了多輪的迭代過程后，終于鎖定了一組最優化的參數，這使保護動作的時間從原先的0.12"s減少到了0.08"s，同時選擇性也增加到了98%。經過實際操作驗證，優化后的繼電保護系統在故障處理速度上提升了33%，其可靠性也有了顯著的增強，完全滿足預期目標。

5廣域繼電保護協調控制系統設計

5.1廣域保護系統的概念與原理

廣域保護系統是一種基于廣域信息和通信網絡的協調保護系統。其原理是通過廣域測量WAMS實時獲取全網電流、電壓、相位等參數，形成電網運行狀態的整體視圖，為繼電保護提供更全面的信息支持。廣域保護系統利用高速通信網絡，將分布在不同區域的保護裝置連接起來，實現信息共享和協調控制。與傳統繼電保護相比，廣域保護系統具有更強的適應性和協調性，能夠應對電網中多點、多類型的復雜故障，實現快速、精準的保護動作。

5.2廣域繼電保護協調控制策略

廣域繼電保護協調控制策略的核心在于利用廣域測量信息，實時調整繼電保護動作參數，實現全網范圍內的協調控制。具體廣域繼電保護系統協調控制步驟如圖1所示。

6結語

本文以電網為研究對象，針對復雜故障條件下的繼電保護協調控制技術進行了深入研究。通過對復雜故障對電網繼電保護的影響及其原因的分析，提出了滿足現代電網需求的繼電保護協調控制技術要求。研究結果表明，自適應繼電保護和基于智能算法的優化策略在提升繼電保護的靈敏度、選擇性和可靠性方面具有顯著效果。WAMS的應用證明了廣域信息在繼電保護中的重要性，為實現更加精確的保護策略提供了有效支持。盡管本文的研究驗證了智能算法和廣域信息在繼電保護中的潛力，但實際應用中仍存在復雜性和不確定性，尤其是在大規模分布式能源接入的情況下。未來的工作可以進一步探討這些方法在實際大規模電網中的推廣應用，并研究更具魯棒性的算法，以應對多樣化的電網故障場景。

參考文獻

[1]周裕思，張雅雯，仲儀，等.繼電保護和安穩系統協調控制策略研究[J].光源與照明，2022（2）：186-188.

[2]徐之樂.適應新能源電源接入的層次化繼電保護研究[D].武漢：華中科技大學，2023.

[3]陳鋒元.基于VMD-SSA-Hilbert的高壓直流輸電線路繼電保護與故障測距研究[D].南寧：廣西大學，2023.

[4]劉晶.超高壓變電站繼電保護調試與改造技術分析[J].電氣技術與經濟，2024，（8）：116-118，122.

[5]肖龍濤.變電站繼電保護硬壓板識別及預警策略的研究與實現[D].南昌：南昌大學，2024.