电力系统安全自动控制与继电保护研究

1、引言

本研究针对这些挑战系统地探究了电力系统安全自动控制与继电保护关键技术及其创新应用，在安全自动控制方面重点探究了系统架构、自适应控制算法以及智能决策支持系统，这些都以实时状态感知为基础，并且在继电保护领域深入剖析了数字化继电保护原理、自适应保护方案、宽区域保护技术以及人工智能辅助的故障识别方法。本研究想要构建更安全、可靠、高效的现代电力系统，所以把先进数据分析、人工智能跟传统电力工程技术相融合，从而提供理论支撑和技术指导，促使电力系统朝着更智能、自主的方向发展以应对未来能源转型的新挑战。

2、电力系统安全自动控制技术

2.1 安全自动控制系统架构

现代电力系统安全自动控制系统大都采用分层分布式架构，它有感知层、通信层、控制层和执行层这四个主要部分，其中分布在电网各个节点的传感器、量测装置以及智能终端构成感知层且其用来采集系统运行状态信息，通信层运用先进网络通信技术以保证数据能实时且可靠地传输，控制层是系统的中心部分且带有状态评估、安全分析和控制决策模块，各类执行机构组成执行层且该层负责执行控制指令，国家电网公司 2022 年技术报告显示新一代安全自动控制系统实时响应速度从传统秒级提高到毫秒级从而让系统对扰动的响应能力提高不少。

冗余性、可靠性、实时性原则被用于指导系统架构设计且着重关键节点的备份机制以及故障自愈能力。中国电科院 2023 年发布的《电力系统自动控制技术白皮书》表明，特高压交直流混合电网安全自动控制系统若采用新型分层协调架构，控制成功率能达到 99.8% ，比传统架构下的 95.3% 显著高出，并且这一架构能适应大电网复杂运行环境，也能有效应对分布式能源和微电网接入带来的挑战，从而给电力系统安全稳定运行提供扎实的技术保障。

2.2 实时监测与故障诊断

电力系统安全自动控制中，实时监测与故障诊断作为基础环节，主要靠广域测量系统（WAMS）、数字故障录波装置（DFR）和智能电子设备（IED）这类先进装置来实现，这些装置能采集系统电压、电流、有功功率、无功功率和频率等关键参数以构成全面的实时监测网络。中国南方电网 2022 年技术应用报告显示，新型广域监测系统采样率达每秒 120 帧且时间同步精度超1 微秒，使系统识别电力振荡的准确率提高 35% 从而大幅降低振荡失稳风险。

现代技术在故障诊断上大多运用模型和数据驱动相融合的混合方法，其中模型方法借助电力系统物理特性构建数学模型，数据驱动方法靠挖掘海量历史数据里的故障特征达成精准诊断，美国电力研究院 2023 年有研究表明混合诊断法让电力系统故障识别准确率达 92.6% 且诊断时长由传统方法的分钟量级缩减到秒量级从而大大提高系统快速恢复的能力，这些先进的实时监测与故障诊断技术给电力系统安全自动控制提供可靠的数据支撑和决策依据[2]。

2.3 自适应控制算法

电力系统自适应控制算法属于先进控制方法，在系统运行状态和外部环境发生变化时可自动调整控制参数或者策略，其包含基于模型参数识别的自适应控制、鲁棒自适应控制以及智能自适应控制等类型，这些算法靠在线参数估计和控制参数优化这两个关键步骤使控制系统能实时适应电网特性的变化，IEEE 电力与能源学会 2023 年研究数据显示，在新能源高渗透率条件下系统出现波动时自适应控制算法能让系统恢复时间缩短 40% 还多从而大大提高系统的抗扰动能力。

深度强化学习技术已被最新自适应控制算法所融合，其通过持续与环境交互来学习最优控制策略。中国电科院携手华北电力大学开发出一种新型自适应控制系统，2022 年实验验证时该系统表现优异，在极端气象下能保持稳定控制效果且系统暂态稳定裕度提升了 18.3% 。传统电力系统适用这些算法，并且接入可再生能源产生的随机性和波动性问题也能被它们很好应对，这为未来高比例新能源电力系统的稳定运行提供了重要的技术支持。

3、现代继电保护技术

3.1 数字化继电保护原理

现代电力系统保护技术以数字化继电保护为主，其核心原理借助数字信号处理技术快速检测和隔离电力系统故障，与传统机电式或者模拟式继电保护不同，它运用数字采样、数字滤波、数字比较等技术，精度和灵活性更高，基本工作流程有模拟量采集、A/D 转换、数字滤波、故障判别、动作逻辑执行这五个主要环节，ABB 集团 2023 年技术报告显示，最新一代数字化继电保护装置采样频率达到每周波 256 点且处理延时仅 5 毫秒，从而大幅提高保护的灵敏度和速动性。

3.2 自适应保护方案

电力系统运行模式多变且网络拓扑动态变化，基于这些特点有一种先进的保护技术叫作自适应保护方案，它能依据系统实时状态自动调整保护参数或者策略，其核心思想是保护装置不再用固定整定值，而是根据系统运行状态和故障特征动态调整整定值或者保护逻辑，一般包含网络拓扑识别、系统状态评估、保护策略库和参数优化算法这四个关键模块，美国电力研究院 2022 年研究报告显示，有了自适应保护方案后保护系统对故障的适应性可提高43% ，从而大大减少由于系统运行模式变化而出现的保护拒动或者误动情况。

大型风电场并网保护、柔性直流输电系统保护以及微电网保护等领域，在实际应用里自适应保护方案已有显著成效。德国西门子公司 2023 年公布数据表明，在风电高渗透率的情况下，带有自适应算法的智能变电站保护系统可把故障隔离时长压缩到 30 毫秒之内且保护正确率达 99.5%^[4 ]。

3.3 宽区域保护技术

宽区域保护技术是一种依据广域信息的先进保护理念的技术，在获取电力系统多个测点同步数据后能对大范围电网整体加以保护，这与仅依赖局部信息的传统保护技术不一样，由于宽区域保护技术可“看见”系统的全局状态，因此做出的保护判断更全面、更精准，其核心技术包含高精度时间同步、高速通信网络、分布式测量系统以及协调控制算法。

在长距离输电线路保护、系统振荡保护以及级联故障预防等领域，宽区域保护技术有着最为显著的应用，中国国家电网公司于青藏特高压直流工程运用新型宽区域保护系统后，使得该区域电网的防御范围从单一的一条线路一下子扩展到整个电网区域且系统稳定裕度提升22.7% ，从而有效阻止了 2022 年到 2023 年期间可能发生的 5 次大面积停电事故，这种能整体感知与协同控制的宽区域保护技术正在成为超大型电力系统安全运行的关键保障。

4、安全自动控制与继电保护协调

4.1 信息交互与共享机制

要让安全自动控制和继电保护协调起来，高效的信息交互与共享机制是关键的基础，随着电力物联网技术发展起来了，我国建成了覆盖全貌的电力通信网络，2023 年的数据表明国家电网光纤通信网总长度超 200 万公里，给系统间信息共享打下了坚实的基础，所以呢，先进信息交互架构得依照 IEC 61850 标准来构建统一的信息模型和通信协议，这样继电保护和安全自动控制系统之间就能实现实时数据共享并且协同决策了。

三类关键信息（状态信息、动作信息、决策信息）都应被信息共享机制覆盖，其中系统运行参数、设备状态和故障信息等属于状态信息，保护动作记录、控制执行状态等属于动作信息，而控制策略、协调方案等高级信息属于决策信息。中国电力科学研究院 2022 年的研究显示，建立基于边缘计算的分布式信息共享平台后，系统间数据交互延迟能降至 5ms 以内且信息共享准确率达到 99.8% ，从而大大提升协调控制的实时性和可靠性，并且用区块链技术保障信息传输安全可有效规避网络攻击风险，2023 年电力信息安全测评结果表明采用这项技术能使系统抵御高级网络攻击的能力提高 35% 。

4.2 安全性能评估方法

要验证安全自动控制与继电保护的协调效果，安全性能评估这一手段必不可少，并且随着电力系统的复杂性不断攀升，评估方法也愈发完善。中国电力企业联合会在 2022 年发布的电力系统安全运行评价报告显示，我国电网 N-1 安全准则执行率达 99.5% ，但在极端天气这类复杂状况下，N-k 安全问题仍有待攻克，所以现代安全性能评估方法得从静态安全、动态安全以及防御性这三个方面全面考量。

安全性能评估以定量评估指标体系为基础，该体系包含协调可靠性指标、响应时间指标以及控制效果指标，其中协调可靠性指标像误动率、拒动率、协调失效率等能对两系统的协调成功率予以评估，而响应时间指标可对故障出现至系统响应的时间延迟进行评估，控制效果指标能够评估协调控制给系统稳定性带来的改善程度[6]。2023 年，华北电力大学开发出一个依托数字孪生技术且全景式、全过程协调性能评估准确率达 95% 以上的评估平台，并且基于人工智能的评估方法也有显著发展，在国家电网 2021-2023 年的“智能电网安全防御体系建设”项目中，用深度学习算法预测协调控制效果，准确率较传统方法提升 18.3% ，从而为协调控制策略的优化提供科学依据。

5、结论

电力系统安全自动控制与继电保护协调的关键技术和实现方法被本研究系统地探讨了，研究发现构建多层次协调控制策略、建立高效信息交互与共享机制以及运用全面的安全性能评估方法能大幅提高电力系统应对故障和扰动的能力，并且随着人工智能、大数据、区块链这些新兴技术深入应用，安全自动控制与继电保护协调技术会朝着智能化、自适应和预测性的方向发展，从而给构建更安全可靠的现代电力系统提供强大的技术支撑，以后的研究需要进一步探寻分布式电源高渗透率时的协调控制新机制才能适应能源转型背景下电力系统的新特性和新需求。

参考文献：

[1] 王挺 ; 王书迪 ;. 电力系统安全自动控制与继电保护措施研究 [J]. 光源与照明 ,2024(08):177-179.

[2] 丁刚 ;. 电力系统安全自动控制与继电保护研究 [J]. 电气技术与经济 ,2024(01):150-152.

[3] 钱学鹏 ; 董迎朝 ;. 电力系统安全自动控制与继电保护研究 [J]. 模具制造 ,2023(10):216-218.

[4] 彭宇南 ; 王治宇 ;. 电力系统安全自动控制与继电保护研究 [J]. 模具制造 ,2023(12):255-257.

[5] 霍毓敏 ; 冯超 ; 李向军 ; 陈凌林 ; 宋桂军 ;. 电力系统安全自动控制与继电保护研究 [J].科技创新与应用 ,2023(10):145-148.

[6] 吴琪 ;. 电力系统安全自动控制与继电保护研究 [J]. 电子元器件与信息技术 ,2021(09):59-60+71.