智能电网中继电保护与电源协同优化策略研究

2024-05-23吴煜昊

通信电源技术 2024年7期

吴煜昊

（国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏常州 213000）

0 引言

智能电网作为现代电力系统的重要组成部分，其安全性和稳定性直接关系电力供应的可靠性和经济性。在智能电网中继电保护作为电力系统的“守护者”，其快速、准确地识别并隔离故障对于保障电网安全至关重要；而电源作为电力系统的核心设备，其稳定运行和高效供电是电网可靠性的基础。随着电力技术的快速发展和电网规模的不断扩大，智能电网面临着众多挑战，文章旨在研究继电保护与电源协同优化的集成策略，增强电网的故障应对能力，提升电网的供电可靠性。

1 智能电网继电保护技术现状与问题

1.1 智能电网的概念起源及其发展历程

智能电网作为集成高效传输、智能控制及先进信息技术的现代电力系统，旨在实现电能的可靠供应和有效利用。1882 年，托马斯·爱迪生在美国纽约建立了世界上第一个商业化的直流电力系统，标志着现代电力系统的诞生。随后交流电的发展使得电力传输距离更远，电网规模不断扩展[1]。随着信息技术和通信技术的快速进步，智能电网的概念逐渐成熟，在这个发展过程中继电保护技术经历了从机械式保护到微控制器保护，再到当前的智能化保护的转变。但是在智能电网发展环节中，继电保护技术还面临众多挑战，因此研发更成熟、方便及可信赖的继电保护技术已经成为智能化电网发展的重要方向。

1.2 继电保护的理论基础

继电器保护理论是供电系统稳定运行的重要保障，主要涉及故障检测、故障科学的分类与保护动作的挑选。故障检测是继电器保护的主要功能，常见的检测方式有电流保护、工作电压保护及差动保护[2]。例如，过电流保护通过对比电流的真实值和设置的保护值判定系统软件是否存在故障。故障归类是继电器保护的重要组成部分，涉及故障种类（短路故障、接地装置等）和故障区域的分辨，对保护动作的准确性挑选尤为重要。在智能电网中引进支持向量算法（Support Vector Machines，SVM）和神经网络等人工智能技术可以提高故障归类准确性。

1.3 智能电网的关键技术

智能化电网的完成在于多种关键技术的整合和发展趋势，感应器技术的发展为智能电网提供精确的数据采集能力，包含相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）的应用尤为明显，可提供电网实时相量信息。计算公式为

式中：V(t)为瞬时电压；Vm为电压幅值；ω为角频率；φ为相位角。通信技术的发展趋势确保了信息的实时传输与处理，尤其在宽带通信和无线传输技术的大力支持下，智能电网的数据传输和管理越来越高效。数据处理方法与分析技术的发展也提升了智能电网的智能化程度，通过大数据分析和人工智能技术可以实现对电网状态的深度学习和预测，为电网的高效运行和优化调度提供科学论证[3]。

1.4 智能电网中继电保护面临的挑战

智能电网中继电保护面临4 种挑战：第一，随着分布式发电和微电网的发展，电网的复杂性不断增加，对故障检测与定位提出更高的要求；第二，电网的不断变化和新设备的接入要求保护方案必须具有较强的适应性；第三，在智能电网的运行中需要传输大量的数据，保障这些数据的安全；第四，智能电网中继电保护必须能够与其他系统，如控制系统和能源管理系统协同工作，确保整个系统的协调一致性。

为应对这些挑战，可采用4 种方法：第一，开发基于人工智能的故障诊断方法，实现快速和精准的故障检测与定位；第二，研究基于智能算法的自适应保护方案应对电网变化；第三，使用加密算法和安全协议保护数据传输，防止数据篡改和黑客攻击；第四，采用统一无线通信模块、协议及高效协调控制方法确保系统间合理协调，达到协调一致性。

2 电源协同优化策略在智能电网中的应用

2.1 电源协同优化的基本原理

电力工程协同优化是智慧能源实现资源有效利用和电能质量分析提高的关键对策，其基本原理是通过提高调度水平，完成传统发电、可再生资源发电以及储能设备等各个电源间的有效协同，从而达到电力负荷要求，确保系统稳定性和经济性[4]。电源协同优化可以使用数学分析模型来表示，其目标函数通常为最小化系统的运行成本或最大化经济效益。计算公式为

式中：C为系统成本；T为调度时段总数；N和M分别为发电和储能设备的数量；Ci和Cj分别为第i个发电设备和第j个储能设备的运行成本函数；Pi,t和Qj,t分别为第t时段第i个发电设备的发电量和第j个储能设备的充放电量。

2.2 智能电网中电源协同优化的策略

在智能电网环境下，为有效配置和利用系统资源，实施电源协同优化策略至关重要。第一，多能源协调策略综合考虑电、热、气等多种能源的利用，促进能源之间的互补转化，从而实现不同能源之间的高效协同[5]。第二，可再生能源优先调度策略注重优先选择利用风力和太阳能发电等可再生能源，减少传统动物化石能源的应用，从而减少空气污染和系统运行成本。第三，需求侧管理策略通过激励或控制用户的电力消费行为适应电网的供电能力，进而降低系统的负荷负担。这一策略通常包括实时定价或设置需求响应机制，以调整用户的用电需求。第四，在应对可再生能源的间歇性和不确定性方面，储能设备发挥着关键作用，采用优化模型可以有效地调配和储存能量，确保电网的稳定运行和供电的可靠性。灵活应用这种策略既能提高能源利用效率和降低运营成本，又能保持智能电网的稳定性，从而最大化经济效益。

2.3 电源协同优化对继电保护的影响

电源协同优化对智能电网的继电保护系统产生深远影响，其显著平衡电网负荷，减少运行波动，进而降低继电保护系统误动作的风险，这得益于协同优化对电网负荷的科学分配和调节，确保电网运行的平稳性。电源协同优化强化电网的容错与自愈能力，在故障发生时能迅速调整电源分布，为继电保护提供精准的数据支持，加速故障隔离与供电恢复。优化后的电源管理提升了继电保护的灵敏度和准确性，电源的精细调控继电保护系统能更迅速、准确地响应异常情况，有效遏制故障扩散。然而电源协同优化也给继电保护带来新的挑战，尤其是在可再生能源并网和分布式发电情境下传统保护策略可能失效，需要适应性调整与优化继电保护系统，这要求继电保护系统不断适应电网结构和运行模式的变革，以确保电网的安全、稳定运行。

3 继电保护与电源协同优化的集成策略

3.1 集成策略的设计原则

系统稳定性优先原则意味着在进行电源协同优化时必须充分考虑继电保护的约束条件，确保电网的稳定性和可靠性不受损害。随着电网结构和运行模式的不断变化，集成策略应具备足够的灵活性和适应性，以便根据不同情况自动调整和优化。应深入挖掘继电保护和电源协同优化之间的协同潜力，实现两者的优势互补，从而提高整个系统的效率和经济性。保留足够的安全裕度，可以在电源调度优化的同时确保继电保护系统能够在意外情况下及时介入，防止严重事故的发生。基于这些原则可以构建多目标优化模型，通过求解该模型可以在确保继电保护安全性的前提下，找到实现电源协同优化的最佳策略。

3.2 集成策略的实现方法

集成继电保护与电源协同优化策略对于确保系统的稳定性和效率起着至关重要的作用。具体的继电保护与电源协同优化集成策略的实现方法如表1所示。这些实现方法各具特色，能够全面且深入地支持继电保护与电源协同优化的集成。通过综合运用这些策略可以综合调度和保护电网，有效提升电网的安全性、稳定性及经济性，为智能电网的可持续发展提供有力保障。

表1 继电保护与电源协同优化集成策略的实现方法

3.3 集成策略的应用效果

继电保护与电源协同优化的集成策略显著提高系统的安全性和可靠性，通过深度整合继电保护和电源协同优化的功能，能够精准识别并及时处理电网中的潜在风险，大幅降低故障发生的可能性。集成策略有效优化电源的调度和利用，显著提升系统的经济性，通过协同优化发电、传输及消费等各个环节，不仅降低了运行成本，还提高了能源利用效率，实现经济效益的最大化。同时，集成策略显著增强系统的灵活性和适应性，确保电网能够快速响应各种变化需求，从而保障系统的长期稳定运行。集成策略对于可再生能源的高效接入和利用起到积极的促进作用，通过优化可再生能源与传统能源的协同调度，不仅提高可再生能源的利用率，还降低化石能源的消耗，减少环境污染，有力推动可持续发展的实现。继电保护与电源协同优化的集成策略在智能电网中的应用效果显著，不仅提升系统的安全性、经济性及灵活性，还促进可再生能源的利用，为电网的稳定运行和可持续发展提供有力支持。