继电保护整定技术在智能电网供配电系统中的应用研究

2024-05-09张艺明王闻杰

通信电源技术 2024年5期

张艺明，王闻杰

（国网陕西省电力有限公司延安供电公司，陕西延安 716000）

0 引言

随着全球能源结构的转型和电力系统的现代化，智能电网作为一种新型电网模式应运而生，其核心是实现电网的高效、可靠以及安全运行[1-5]。在智能电网的供配电系统中，继电保护整定技术发挥着至关重要的作用，负责保护电网免受故障的影响，确保电力系统的稳定性和可靠性。随着电网结构的日益复杂，传统的继电保护整定方法面临着新的挑战。文章旨在探讨继电保护整定技术在智能电网供配电系统中的应用，并分析面临的挑战。

1 继电保护整定技术的核心模块

继电保护整定技术是电力系统安全运行的关键组成部分，通过快速准确地隔离电网故障，保障电力系统的稳定性和可靠性，下面对该技术的核心模块进行具体分析。

1.1 中央处理单元模块

中央处理单元模块的高性能处理能力使继电保护系统能够在毫秒级别内做出反应，快速隔离故障区域，防止故障扩散到电网的其他部分。这不仅提高了电网的可靠性，还保障了连接到电网的设备和用户的安全。

1.2 属性图数据库模块

属性图数据库模块使用属性图作为核心数据结构，表示电力系统中各种实体和实体之间的复杂关系，，如变电站、输电线路、发电机组的相互连接和依赖关系。通过实时更新与维护电网的拓扑结构和运行状态信息，该模块为继电保护整定计算提供了准确且及时的数据支持，从而确保整定决策的正确性和及时性[6]。

1.3 整定规则模块

整定规则模块的主要职责是定义和管理用于电力系统保护的各种整定规则与参数。这些规则是确保电力系统在各种运行条件下安全可靠运行的基础，包括过载保护、短路保护以及其他相关保护机制的设置。

1.4 整定计算模块

整定计算模块的核心功能是基于一系列预设的标准和算法来计算保护装置的整定值。这些整定值对于确保在发生电网故障时能够迅速而准确地隔离故障部分至关重要。

2 具体应用及挑战分析

2.1 继电保护整定计算方法

继电保护整定计算方法是继电保护整定技术的核心，在现代电力系统中发挥着核心作用，特别是在确保电网稳定性和可靠性方面。这种计算通常涉及电网中各种参数的精确测定，如分支系数、短路电流等。

2.1.1 分支系数的计算

分支系数的计算在继电保护整定和电力系统分析中发挥着关键作用，直接影响保护装置在电网发生故障时的响应能力。准确的分支系数确保保护装置能够正确识别故障点并迅速动作，从而有效隔离故障并确保电网的安全运行。分支系数的公式计算为

式中：K为分支系数；I1为保护支路电流；I2为配合支路电流。分支系数对于设计和维护电力传输与分配系统至关重要，因为电流的大小直接影响电力系统中的负载能力和故障电流级别。通过了解线路的电流特性，工程师可以评估电力在正常运行和故障状态下在系统中分布的分布情况，并据此配置保护装置，以防出现过载或短路情况。除此之外，式（1）也是评估线路健康状况、完成故障分析以及制定有效保护策略的基础。

2.1.2 短路电流的计算

短路电流计算在继电保护整定和电力系统设计中起着至关重要的作用。首先，短路电流是确定故障点处最大电流值的关键，对于正确设置断路器和继电器的触发电流（整定值）非常重要。确保在发生短路故障时，保护设备能够迅速切断电流，防止故障扩展到电网的其他部分，从而保障整个电网的稳定运行。其次，短路电流的计算有助于评估电网中不同组件的应对能力，确保他们能够承受在极端条件下出现的最高电流。最后，这一计算对于识别电网中的潜在薄弱环节非常重要，有助于指导电网的优化设计和升级改造，增强系统的整体健壮性。因此，短路电流计算不仅对于保护装置的准确整定至关重要，也是确保电力系统整体安全和可靠运行的基础。短路电流的计算公式为

式中：Isc为短路电流；Unom为系统的标称电压；Zsource和Z1分别为电源侧的阻抗和线路的阻抗。式（2）用于确定在故障点的短路电流，对于设置断路器和继电器的整定值至关重要。

2.1.3 距离保护的整定计算

距离保护的整定计算在维护电力系统的稳定性和安全性方面发挥着至关重要的作用，主要用于确定电网中保护装置的整定值，以确保在发生故障时能够快速且准确地定位故障点，并迅速隔离故障区域。距离保护的整定涉及计算电网特定部分的电气阻抗，并根据这些阻抗值设置保护装置的动作参数。这些参数必须精确计算，以确保保护装置仅在实际故障发生时动作。距离保护整定值的计算公式为

式中：Zsetting为距离保护的整定值；Z2为单位长度的线路阻抗；Lprotected为被保护线路的长度；α为安全系数；Lbackup为后备保护覆盖的线路长度。式（3）用于计算距离保护的整定值，以确保在发生故障时能够快速准确地隔离受影响的线路段。

2.1.4 过电流保护定时计算

过电流保护定时计算对于确保电力系统中继电保护装置能有效响应故障至关重要。通过选择适当的定时曲线（即时、定时或反时限），并设置相应的时间延迟参数来实现对动作时间的调整，以快速且精确地响应系统中的过电流事件。这种计算帮助维持供电网络的完整性，通过确保仅在实际发生故障时断开电路，防止不必要的设备停机和服务中断。此外，该技术可以对电力系统每个分路保护装置的动作时间和继电器动作的电流设定值进行调整并配置梯次，以构建构分级保护系统。对于靠近故障点的保护装置，可以适当缩短动作时间；延长远离故障点的保护装置的动作时间。这样的分时限保护策略确保了在出现故障时，最小的电网区域受到影响，从而缩短系统恢复时间，并减少对用户的影响。过电流保护定时计算公式为

式中：T为保护装置的动作时间；Tstd为标准动作时间；Tpickup为继电器动作的电流设定值；Tfault为实际故障电流；n为时间倍乘系数或曲线斜率。式（4）的主要作用是确定在电力系统中发生过电流故障时，保护装置应该在多长时间内动作。当故障电流较大时，保护装置应迅速动作；而在较低的过电流条件下，装置可能会延迟动作以区分瞬时过载和实际故障。这样就可以在不同的故障和过载条件下提供合适的保护响应，避免不必要的停电，并最小化对电网稳定性的影响。

2.2 面临的应用挑战

2.2.1 分支系数计算中的问题

在继电保护整定计算中，分支系数的准确计算对于确保电力系统的有效保护至关重要。然而，在实际的应用中，分支系数计算面临着多个挑战，特别是在复杂或不断变化的电网结构中。首先，电力系统的动态变化，如可再生能源的接入、负载的波动以及电网拓扑的调整，都会影响分支系数的稳定性和准确性。分支系数在理想情况下和基于负载波动情况下的值随时间变化如图1 和图2 所示。当系统处于理想情况下时，分支系数是一个稳定的常数值，误差可以忽略不计。但是如果系统的负载发生波动，则由式（1）计算得到的值相较于图2 中的实际值差别较大，进而给继电保护整定带来一定的挑战。这种变化导致分支系数计算的不确定性，增加了保护策略设计的复杂性。其次，电网中存在的非线性元件和复杂的电力电子设备，如变流器和调压器，也会对分支系数产生影响，增加了计算的复杂度。最后，分支系数的计算通常基于一些理想化或简化的假设，这可能导致在实际应用中出现偏差，因为在某些情况下，这些假设可能不再适用，从而导致保护装置的误动作或不动作。因此，需要采用更先进的计算方法和模型，以提高分支系数计算的准确性和适应性。

图1 基于理想情况下的分支系数变化

图2 基于负载波动下的分支系数变化

2.2.2 无法确定最优运行策略

电力系统是一个高度复杂的网络，其运行状态受到多种因素的影响，包括发电量、负载需求、输电线路的配置以及电网的维护和升级。找到最优的运行策略意味着需要在确保电力供应的可靠性和效率之间找到平衡，同时考虑成本、环境影响以及系统的健壮性。在智能电网的背景下，这一挑战变得更为复杂。智能电网引入了可再生能源、分布式发电和需求响应等新元素，增加了系统运行模式的多样性和不确定性。

2.2.3 重复断开同一段线路

在智能电网供配电系统中，重复断开同一段线路是继电保护整定技术面临的又一挑战。这种情况通常发生在故障检测和隔离后的线路自动重合闸尝试中，若故障未被彻底清除，会导致线路再次断开。这种重复断开和重合闸的操作不仅增加了电网运行的不稳定性，还可能对电力设备造成额外的损害，增加设备的磨损和老化，从而影响电网的可靠性和安全性。针对这一问题，引入先进的故障诊断技术和算法，提高故障检测的准确性和速度，是解决重复断开同一段线路问题的关键。