电力系统自动化继电保护装置的可靠性提升及新型技术研究

引言

在电力系统中，自动化继电保护装置承担着实时监测电网运行状态、快速识别故障并触发跳闸指令的重要职责，是防止故障扩大、保障电网安全的 “第一道防线”。随着我国电网规模的持续扩大，跨区域互联电网结构日益复杂，新能源发电、电动汽车等多元化负荷的接入使电网运行特性发生显著变化，对继电保护装置的可靠性和适应性提出了更高要求。

一、影响继电保护装置可靠性的关键因素

1.1 硬件因素

硬件是继电保护装置运行的物理基础，其质量直接决定装置的可靠性。元器件性能是核心影响因素，如继电器、互感器、电源模块等关键部件的稳定性。劣质电容、电阻在长期高温、潮湿环境下易发生参数漂移，导致装置测量精度下降；电流互感器（CT）、电压互感器（PT）的暂态特性不良，可能引发保护装置误判故障类型。装置结构设计不合理会降低可靠性。散热设计缺陷导致装置长期运行温度过高，加速元器件老化。

1.2 软件因素

继电保护装置智能化实现的软件是继电保护装置整个动作核心，可靠的算法和稳定程序是装置可靠运行的基本要求。算法中设计问题较普遍，基于传统原理的保护算法在电网暂态过程中，受非周期分量、谐波干扰较大，保护识别延时或误动作。程序设计问题也不利于提高可靠度。在代码设计上存在逻辑错误或考虑边界条件导致保护装置在某些工况下死循环和再启动；由于程序设计原因，数据处理模块不能对异常值进行错误处理，容易导致保护装置运行异常。

1.3 运行环境与运维因素

由于继电保护装置长期运行在变电站高温、高湿、强电磁干扰的工作环境下，会出现高温、高湿、辐射、电磁干扰等情况，保护设备容易老化；设备和线路遭受工业污染造成继电保护设备受污染腐蚀；空气污染造成电气设备的灰尘污染，腐蚀性物质的污染，污染物使二次电气元件表面产生氧化层，加速电路老化和绝缘性能的降低；变电站保护设备发生故障多发生在高压侧的断路器进行操作时，开关柜内部结构绝缘老化，强大的高频电磁脉冲通过传导或辐射途径进入保护装置采样回路，引发保护误动与拒动；长时间的运行导致保护设备存在隐性故障，也可能是由装置本身或线路等故障，使得保护设备功能异常；校验间隔周期过长，设备不能定期进行全面的检查和校验，校验过程中装置经常处于在线状态，部分模拟量输入的校验方式会使校验时电网运行情况脱离了装置工作环境，无法发现装置实际动作中存在的隐性缺陷，无法检验保护装置在复杂故障情况下动作逻辑是否正确等。

二、继电保护装置可靠性提升策略

2.1 硬件优化与升级

使用质量可靠的元器件是硬件“品质好”的关键。关键芯片选用工业级或车规级，能在-40℃~85℃的环境温度范围内可靠运行；电源模块采用冗余设计，双路电源之间能够自动切换，实现不间断供电；互感器选用宽频带、低暂态误差的电子式 CT/PT，提升故障采集信号精确度。优化装置结构设计，提升装置的环境适应性。采用模块化设计，利于相关部件替换升级；采用热管 + 风扇组合散热的优化方案，配合智能温控动态调节散热功率，确保装置核心部件的工作温度不超过 60℃；外壳选用抗电磁干扰 (EMI) 材料，内部电路增加浪涌保护器(SP 德、滤波器，隔离外部EMI 干扰。

2.2 软件算法改进与容错设计

设计自适应型保护算法，增强复杂环境下故障识别能力。暂态行波保护算法的故障识别利用行波信号来实现故障的快速定位，不受故障系统阻抗、负荷电流的影响，动作时间可以达到 10ms 以内；利用小波变换、希尔伯特- 黄变换(HHT) 等信号处理技术来提取高阻接地故障中隐藏在噪声中的微弱特征量，从而增强故障的检出灵敏度。提高软件容错性能，确保软件正常工作。添加软件故障自诊断功能，监控 CPU、内存、I/O 接口等状态，发生故障时将自动进行冗余切换。

2.3 运维管理体系强化

构建全生命周期运维模式，实现状态化管理。基于在线监测技术，实时采集装置的运行参数和环境数据，通过状态评估模型判断装置健康度，制定差异化校验计划，将传统 “定期校验” 转变为 “按需校验”。推广智能化运维工具，提高检修效率。采用便携式数字化校验仪，实现保护装置的自动测试和数据记录，减少人为操作误差；开发运维移动终端，集成装置台账、历史故障、校验标准等信息，支持现场数据查询和报告生成。

三、继电保护领域新型技术应用研究

3.1 人工智能技术的融合应用

大数据技术。大数据技术支持继电保护数据驱动的决策技术，例如，基于深度学习的故障辨识模型能够对海量故障样本进行训练以实现智能自动提取故障特征，完成复杂故障精准辨识，准确率在 98% 以上。例如，保护规则优化应用强化学习算法。保护规则的调整过程中，通过与电网数字孪生模型交互，智能体能够自主学习电网不同运行场景下保护动作的最优保护参数，在新能源并网、负荷突变等工况条件下自动调整动作门槛值，抑制保护误动。例如，知识图谱。基于保护规程、历史故障案例等保护知识建立知识图谱的继电保护智能决策支持技术，为运维人员提供故障分析和故障处理的建议。

3.2 数字孪生技术的虚实协同

数字孪生技术基于数字镜像手段仿真和闭环优化的继电保护装置和电网，构建继电保护装置和电网虚拟双胞胎，在虚拟环境下仿真保护装置的硬件架构、软件算法和电网拓扑，模拟各种极端故障、设备老化等场景下的保护装置反应特性，提前诊断出设计瑕疵点；基于数字镜像的保护装置全场景仿真技术，仿真CT 的饱和对差动保护的制动特性曲线，实现保护的优化，提升保护的可靠性。基于数字孪生的闭环控制框架下，可实时对保护策略进行迭代优化，虚拟模型实时接收来自物理装置的运行状态信息，通过仿真计算迭代最优参数并实时推送至物理装置，形成“感知—分析—判断—执行”的反馈机制。某 500kV 变电站的试验结果表明，保护装置应用了数字孪生技术后，保护装置实现自主优化调整的时间从原来的 1000ms 缩短至 50ms ，故障处理速度提升了 40% 。

3.3 边缘计算与物联网的协同防护

云边协同方案把部分数据运算、分析及决策能力移出云平台、下移到变电站就地，降低数据向云上传输时间，应对继电保护实时性的需求。云边协同方案在保护装置处部署边缘节点，可以第一时间处理采样信息，运行保护算法，较传统云处理降低保护动作响应时间超过 80% 。应用物联网技术对保护装置进行感知互联。通过在保护装置内布置的微型传感设备采集元器件的温度、振动、绝缘状况等数据，并利用大数据对潜在故障进行预判；借助5G 技术实现保护装置与断路器、测控设备之间低延时通讯，保障跳闸命令的快速执行。

结论

电力系统自动化继电保护装置的可靠性提升是一项系统工程，需要从硬件优化、软件改进、运维强化多维度协同发力。通过选用高可靠性元器件、开发自适应算法、构建状态化运维体系，可显著提升传统保护装置的运行稳定性。人工智能、数字孪生、边缘计算等新型技术的应用，为继电保护提供了智能化、自适应、高可靠的解决方案，是未来技术发展的重要方向。

参考文献

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