人工智能技术在电力系统继电保护中的应用

张璐璐

摘 要：电力安全稳定性的需求越来越高，发电、供电等电力系统中继电保护可靠性和智能化显得尤为重要，其中核能发电系统的安全性更为关键。本文探讨了核电站电力系统继电保护的现状，分析了继电保护系统，研究了人工智能新技术的应用。

关键词：人工智能技术;继电保护;大数据

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0069-02

0 引言

为满足新时代背景下社会用电需求并减少发电过程中产生的污染，许多新型发电方式逐渐步入大众视野，例如核电，核能发电效率较高、污染比传统的火力发电相比更具优势。同时安全性的要求也更高，为满足现代化社会的需求，提高核电站的安全性与稳定性，提高监测效率与决策的合理性，可以研究人工智能技术在继电保护中应用，提高系统的自动化和智能化程度，促进我国核能发电事业的发展。

1 核电站电力系统继电保护的现状

近年来，我国致力于寻找新的能源，核电凭借着能效高、污染低等特点，在新兴能源发电事业中占据了一席之地，随着多所核电站的建立，我国对于核能发电技术的掌握愈发成熟，随着国家重新呼吁加强核电站的建设，并投入了大量资金，促进了我国核电站的发展，同时，也对电力系统的安全性提出了更高的要求。核电站的安全在电源上依靠供电系统的安全、电网的稳定，因此继电保护系统的设计尤为重要。实现更为精准的风险评估、提高继电保护系统的智能性与稳定性尤为重要，想要实现这些目标，人工智能技术的应用是一个技术研究方向。

2 继电保护系统

2.1 系统设计要求

（1）选择性。电力系统继电保护在系统设计上要求在发生故障或者异常情况时，系统能够根据实际情况切断故障元件及其周围线路，避免波及其他区域，消除对于整个系统的影响，同时保证其它部件能够正常运转。出现故障时，应首先由故障设备或者线路本身具有的保护系统进行处理，若保护系统或者断路器拒动，才能够对范围内的相邻设备进行调控，由它们的线路保护系统或者断路器切除故障，从而避免造成大面积停电。（2）及时性。在核电站电力系统发生故障时，几秒钟的延迟都可能扩大事故规模，因此要求系统能够迅速确定故障或者异常发生的区域与原因，并在最短时间内作出响应，达到故障发生时立刻能够作出反应的程度，及时切断相应故障，使系统能够稳定运行，缩小故障的波及范围、避免系统在故障情况下运行，防止故障扩大、严重破坏故障元件甚至影响整个电力系统的安全性。（3）灵敏性。电力系统继电保护在系统设计上要求继电保护系统能够做到当电力系统中出现故障和运转状态不正常时，能够监测出任意位置、任意种类的故障，能够敏锐察觉并对其进行分类和判断，得出最佳处理方案。具备较高灵敏度的继电保护系统能够准确判断故障范围，将其从整个电力系统中切除，并且能够恰到好处地作出操作，既能避免故障扩大，又能减少断电范围。（4）可靠性。继电保护系统本身由多种装置共同组成，装置质量越高、运行情况越稳定，系统中继电器触电现象就越少。发生故障或者运转异常时，系统能够准确判断并采取正确的、可靠的措施，不会出现拒动和误动现象。在核电站中，系统误动与拒动都可能导致严重后果。

2.2 变压器保护

核电站所用变压器体积较大、结构复杂，建造成本高，并且重要性较高，若出现故障必定影响机组安全，并带来较大经济损失，且修复所需的时间较长，会造成长时间断电。因此必须根据变压器容量、电压等级等来调整和设计保护装置。变压器继电保护系统应当具有多重功能，以应对可能出现的故障[1]：（1）瓦斯保护和纵差保护，当发生绕组相间或匝间短路等情况时能够迅速切断电源或者采取其他方法进行处理;（2）过电流保护，当变压器外部发生短路情况时，能够作出应对，并对瓦斯保护和纵差保护进行补充和保障，全方位地避免所有可能产生最大负荷电流的情况;（3）过负荷保护，指的是变压器出线过负荷运转时能够迅速查找原因并进行处理;（4）过激磁保护，对过激磁现象进行处理。

2.3 输电线路保护

对于输电线路而言，可能出现的故障种类较多，原因也较复杂，需要采取多种保护措施。其中，单相接地故障很容易发生故障，接地零序电流与电源无关，只受到变压器分布影响。对于单相接地故障和相间短路故障，需要设置保护系统，有效切除故障，达到快速跳闸、快速合闸，减少故障造成的损失。

2.4 发电机保护

核电站中的发电机建造成本要远远高于普通发电机，同时也是电力系统首端的设备，因此对于发电机运行中可能出现的各种故障和异常状态，都应当配备相应的保护装置。应当采用的继电保护装置有许多种，例如应使用逆功率保护来保证然汽轮发电机的正常运转，设置纵差联动保护、有选择性的接地保护，还有对发电机外部电路采取过电流保护等。

3 人工智能新技术的应用

3.1 传感技术对继电保护新原理发展中应用

在电力系统各处安装传感技术，能够更加准确和方便地获取诸如电流、电压和温度、压强、空气组分、湿度等各方面的信息，并将其上传到继电保护系统的中央处理器，使其根据各项参数进行响应，解决设备监测和保护功能的运行。在目前核电站中，多采用无刷发电机系统，其中励磁机是旋转设备，相关信号采用比较困难，而使用光电传感器、探测线圈和无线传输技术使用，有效解决了励磁机难于增加有效的继电保护问题，并且具有灵敏度高且能够准确测量较高的电流和电压，且本身功率较低，耗能较少，是一种较为理想的继电保护系统参数获取设备[2]。

3.2 人工智能技术对继电保护新原理发展中应用

电力设备故障能产生暂态信号（高频信号），但产生随机性大无法用计算机精确仿真，同时系统元件的高频响应特性复杂无法用准确的数学解析式描述。随着传感器技术发展，暂态保护技术发展较快，从其本质而言，暂态保护仍然满足欧姆定律、基尔霍夫定律。继电保护研究者一直想从复杂的高频信号中寻找其本质的规律，人工智能正适合处理非线性系统及无法用解析式表达的知识。于是，继电保护研究者把目光转向了人工智能技术。目前已经应用在行波故障测距以及在核电厂中压不接地系统中小电流接地选线等继电保护设备。

3.3 大数据系统在继电保护上应用

继电保护系统作为电力行业传统专业技术意义非常大，结合大数据技术具有较高的先进性，能够快速提升智能水平。因此，如何继电保护领域中使用大数据技术成为了电力系统发展新的研究课题。在电力系统进行故障排除，通过大数据分析，利用专家系统来对故障产生的原因进行分析与判断，从而确定故障原因，及时采取有效的对策去解决问题，通过利用这些规则还可以实现对继电保护设计中的问题全方位分析，进而可以解决电力保护设计中的矛盾冲突。通过运用大数据参数对设备使用寿命、电压级别、设备类型以及分布情况进行分析，使用相关指标，对设备的可靠性做出指标分析，结合检修对策模型，得出不同检修方案，对不同健康水平的设备进行专门的检查维修，并可以根据继电保护系统的各种参数，评估出保护设备当前的运行状态[3]。

3.4 人工智能技术与物联网技术在继电保护上的应用

使用物联网技术能够对核电站的整个电力系统进行实时监控，发现一些具有明显表象特征的故障，使用人工智能技术技术则能够根据电气元器件形状和大小的不同对其进行智能化识别，减少误操作的概率，使继电保护系统能够做出更加精准的判断。物联网系统具有全面感知、可靠传递和智能处理的特点，能够使用计算机化采集，获取电力系统中的相关数据，并使用计算机软件按照继电保护原理对硬件进行控制，完成各项指令，它还能够解决在原有继电保护系统中经常出现的大容量故障信息问题，弥补长期保存数据功能缺陷，并提升通信功能的可靠性，实现整个系統的数据共享。

4 结语

综上所述，文章通过基于现有继电保护技术特点和要求，介绍了人工智能新技术的特点，分析人工智能技术在继电保护上发展的几个技术方向，从整体上来说，人工智能技术在继电保护领域的应用，对电力系统和继电保护领域的发展是极大的进步。

参考文献

[1] 韦强强.电力系统中智能变电站继电保护技术分析[J].通讯世界，2020（1）：224-225.

[2] 张庆红.电力系统继电保护实用技术应用分析[J].自动化应用，2020（1）：115-117.

[3] 周虎.智能变电站继电保护在线监测系统设计与应用[J].科技风，2019（33）：181.