新型电力系统下配网继电保护策略

2023-12-21国网广水市供电公司

电力设备管理 2023年21期

国网广水市供电公司李晨

1 引言

随着社会经济的发展和人们对能源需求的不断增长，电力系统在现代社会中越来越重要。传统的电力系统面临着一系列的挑战，如电力负荷的快速增长、可再生能源的大规模接入以及对供电可靠性和电能质量的要求不断提高等。为了应对这些挑战，新型电力系统的建设已成为当今电力行业的研究热点。新型电力系统是基于现代信息通信技术、智能感知技术和大数据分析技术等的高度自动化和智能化的电力系统，与传统的电力系统相比，新型电力系统具有更高的可靠性、更高的灵活性。其中，配网作为电力系统的末端环节，起着连接输电网与用户的重要作用，对电力系统的运行和供电质量起到至关重要的影响，所以配网继电保护策略的研究成为新型电力系统建设中的重要内容。

传统的配网继电保护策略主要是基于电力系统的物理参数进行设计，如电流、电压、功率等。然而，在新型电力系统中，由于可再生能源的大规模接入和分布式发电的普及，电力系统的结构和运行方式发生变化，传统的继电保护策略难以适应这种变化，可能导致配网继电保护的误动作，从而影响电力系统的供电的可靠性。因此，针对新型电力系统下配网继电保护策略的研究成为当前电力系统领域的热点之一，通过对新型电力系统中可再生能源和分布式发电等因素的考虑，结合智能感知技术和大数据分析技术的应用，可以设计出更加适应新型电力系统的配网继电保护策略，为实现电力系统的可靠运行和稳定供电提供有力支持[1]。

2 配网继电保护技术概述

配网继电保护技术是指在配电系统中，为了保障电力设备运行安全和电能质量稳定，采用继电保护装置对电力设备进行监测、控制和保护的技术。配电系统作为电能传输的重要环节，承担着将高压输电线路输送的电能转换成适用于低压用户的电能的重要任务。但由于各种原因，如短路故障、过载、接地故障等，配电系统可能会受到损坏或故障的影响，导致电力设备无法正常运行，甚至引发事故。为了应对这些潜在的问题，配网继电保护技术应运而生，其利用继电保护装置对配电网络进行监测和控制，一旦检测到异常情况，就会及时采取保护措施，避免故障扩大，确保电力设备的安全运行。

配网继电保护技术的主要功能包括短路保护、过载保护、接地保护和跳闸保护。短路保护主要是通过检测电流和电压的变化，判断是否存在短路故障，并及时切断故障点，以避免电力设备受到损坏；过载保护则是监测电流的大小，一旦超过设定值，就会采取相应措施，如切断电源或调整负荷；接地保护主要是检测设备是否出现接地故障，一旦发现就会切断故障点，以确保人身安全；跳闸保护是指当配电系统中其他保护无法解决问题时，继电保护装置会自动切断电源，以避免事故扩大，继电保护结构如图1所示。

图1 继电保护结构

3 配网继电保护技术在新型电力系统应用中存在的问题

3.1 电力系统质量有待提升

随着分布式能源和可再生能源的普及，电力系统结构变得更加复杂，传统的继电保护技术可能无法适应这种变化，如传统的继电保护技术可能无法准确地检测和定位分布式能源发生故障的位置，从而导致故障恢复时间延长和供电可靠性下降。同时，配网继电保护技术在新型电力系统中可能面临通信和数据处理方面的挑战，新型电力系统中的继电保护设备要实时地获取和处理大量的数据，并与其他设备进行高效的通信，传统的配网继电保护技术可能无法满足这种需求。例如，传统的继电保护设备可能无法处理大规模的数据流和复杂的通信网络，导致数据传输延迟和通信故障。

3.2 继电安全保护性能较低

由于新型电力系统中分布式能源的广泛应用，电力系统的复杂性和动态性有效增加，传统的继电保护技术往往难以适应这种复杂的环境，无法对各种异常情况进行准确地判断和处理，继电安全保护性能较低成为新型电力系统运行中的突出问题。同时，在应用新型电力系统中的配网继电保护技术通常需要与智能电网技术相结合，但因智能电网技术的应用使得电力系统变得更加智能化和自动化，这给继电保护技术提出更高的要求，而目前继电保护技术在智能电网环境下的应用还比较薄弱，无法满足实际需要。

另外，新型电力系统中大规模的可再生能源接入也给配网继电保护技术带来挑战，可再生能源的不稳定性和波动性使得电力系统更加容易受到电压暂降、频率变化等异常情况的影响。然而，继电保护技术在面对这些异常情况时的反应速度较慢，无法及时采取措施保护电力系统的稳定运行，2020～2022年某市配网运行统计数据见表1。

表1 2020-2022年某市配网运行统计数据

4 新型电力系统下配网继电保护构建

4.1 实现数据实时性

在配网运行的基础阶段，采用二次电缆将配网继电保护系统连接不同互感器的二次仿真电气量，并将有关数据资源通过模数转换器进行过滤，以强化数据的真实性。但这种方法对保护装置数量提出更高要求，只能使用个别装置数量，如果在配网中连接很多保护装置，数据的实时性特征将会有所降低[2]。所以，在配网继保数量超过标准值的情况下，数据的精确度还要提高一些。

交换不同传感器中的信息数据，建立统一的系统时间标准，利用先进的对时技术，实现保护装置与数据采集装置在时间上的同步问题，以提高数据采集的真实性。传统配网继电保护时，是通过串口、脉冲、编码等方式，以GPS 时间信号为标准，提高对时精度。并对数据同步提出了更高的要求，基于IEEE1588时间同步协议，有助于不同配网继电保护装置之间实现数据同步运行。因此，工作人员应对IEEE1558技术原理进行全面分析，进一步挖掘系统中数据同步与时钟误差的关系，通过相关提取模型中的变量，判断协议中使用的同步算法，明确对数据同步造成严重影响的因素，并对这些因素进行控制，使数据同步问题转化为解决系统中的最优问题[3]。

4.2 保护建模参数

在开关拒动和主保护问题上，应结合现有的后备保护配置现象，采用控制变量的方法，对区域数据信息进行采集，在不同的网络结构下，实现对要素的综合分析和后备保护配置方案的分析，注重体现出方案自动化特征，自动隔离可能出现故障问题的区域，构建健全的保护系统。目前，工作人员要对其进行如下调整。在传统电网异常分析方法中是以电流、电压正负序断线情况为参考数据，如果只应用这些数据进行判断，很容易出现漏判、误判等问题。针对该种问题，工作人员要进一步拓展判断数据覆盖范围，将其拓展到新型电力系统相关的通信数据，能进一步拓展新型电力系统下新产生的信息电气量范围，涉及电网传输中的异常数据，要构建健全的分类器模型，重新判断这些系统数据是否满足行业标准[4]。

5 新型电力系统下配网继电保护优化措施

5.1 发动机保护

首先，建立完善的保护装置。传统的发电机保护装置主要包括过流、过载、短路等功能。而在新型电力系统中，由于电力负荷和供电方式的改变，需要引入更多的保护装置，如电压保护、频率保护等。这些新型保护装置能够更准确地监测发电机的工作状态，及时采取措施保护发电机免受异常电压、频率等问题的影响。其次，结合智能化技术。随着科技的进步，人工智能、大数据、云计算等技术的应用也逐渐渗透到电力系统中。通过将智能化技术与发电机保护相结合，可以实现对发电机运行状态的实时监测和分析。例如，利用大数据分析技术，可以对发电机的运行数据进行全面的统计和分析，及时发现异常情况并采取措施。同时，通过人工智能技术，可以实现对发电机的自动调节和控制，提高保护的准确性和响应速度。最后，加强对故障诊断的能力。在新型电力系统中，由于电力负荷和供电方式的改变，发电机可能面临更加复杂多样的故障情况。因此，需要引入先进的故障诊断技术，对发电机的故障进行快速准确的判断。例如，利用红外成像技术可以实时监测发电机的温度分布情况，及时发现发电机内部的故障部位。结合智能化技术，可以实现对故障的自动识别和报警，提高故障处理的效率和准确性。

5.2 母线和线路接地保护

在新型电力系统下，母线和线路接地保护需要采取一系列的优化措施。一是母线保护。传统的过流保护方法已不能满足新型电力系统的需求，要引入微分保护和差动保护技术，其中微分保护技术通过比较母线两端电流的差异来判断是否存在故障，从而准确地定位故障点。差动保护技术则是通过比较母线两侧电流的差异，来判断是否有故障发生。这些保护措施可以提高母线的可靠性和稳定性；二是线路接地保护。传统的接地保护方法主要是采用零序电流保护，而在新型电力系统中，由于负荷的增加和电网的复杂性，单一的零序电流保护已经不再适用。因此，要采用多重接地保护技术，如零序电流差动保护、零序电压保护和零序电压差动保护等，这些保护技术能够准确地判断故障类型，并采取相应的措施进行处理，提高了线路接地的安全性和可靠性。

5.3 变压器保护

变压器作为电力系统中的重要组成部分将电能从一电压级别转换为另一电压级别，变压器的正常运行对于电力系统的稳定性至关重要。但在实际运行中，变压器可能会遭受各种故障，如短路、过载和接地故障等，导致变压器的损坏，甚至引发火灾等严重后果。为了保护变压器免受故障的影响，配网继电保护系统要采取差动保护装置，通过检测变压器的输入和输出电流之间的差异，判断是否存在故障。当差流超过设定值时，差动保护装置会发出信号触发断路器跳闸，从而切断故障电流，保护变压器的安全运行。同时，采用过流保护装置来保护变压器，通过监测变压器的输入电流来检测是否存在过载故障。一旦输入电流超过设定值，过流保护装置会触发断路器跳闸，切断故障电流，防止变压器受损[5]。除了差动保护和过流保护，还可以采用温度保护措施来保护变压器，温度保护装置可以实时监测变压器的温度，并在温度超过设定值时发出警报，可以及时采取措施，避免变压器由于温度过高而造成损坏。