新型电力系统继电保护自动化检测及故障处理

引言

新型电力系统作为实现能源可持续发展的重要载体，正逐渐成为电力行业发展的焦点。新型电力系统以确保能源电力安全为基本前提，以满足经济社会发展的电力需求为首要目标，以新型储能为重要支撑，以坚强智能电网为枢纽平台，其核心特征是高比例新能源接入和高比例电力电子装备应用。这种变革性的系统架构对继电保护提出了前所未有的要求，传统继电保护技术难以适应新型电力系统复杂多变的运行特性与故障特征，因此，深入研究新型电力系统继电保护自动化检测及故障处理技术具有极其重要的现实意义。

1 新型电力系统特点

（1）高比例新能源接入。以太阳能、风能为代表的新能源发电在新型电力系统中的占比持续攀升。这些新能源具有间歇性、波动性和随机性等特点，其输出功率受自然条件（如光照强度、风速、温度等）影响显著，导致电力系统的电源结构和功率平衡特性发生深刻变化。（2）高度电力电子化。大量电力电子变换器被应用于新能源发电并网、柔性输电以及负荷控制等环节，使得电力系统呈现出高度电力电子化特征。电力电子设备的快速响应特性改变了系统故障时的暂态过程，故障电流的幅值、相位和波形等特征与传统电力系统有很大不同。（3）复杂的网络结构。随着分布式电源、微电网以及储能装置的广泛接入，配电网从传统的单电源辐射状结构向多源网络结构转变，网络拓扑结构更加复杂，潮流分布不再具有明显的方向性，这给继电保护的选择性、灵敏性和速动性带来了巨大挑战。

2 新型电力系统继电保护自动化检测技术

2.1 深度学习模型设计

为满足继电保护系统对故障识别的实时性和准确性要求，本文设计了一个双通道卷积神经网络模型。该模型将电压、电流信号分开处理，使用2 个独立的输入通道对信息进行并行处理。每个通道分别接收三相数据，每相采样 20 个点，形成完整的故障特征序列，总计 120 个输入节点，保证了故障特征信息的完整性。模型架构采用三层深度结构：第一层使用 16 个3^*3 卷积核，主要负责提取基础特征，例如电压突变、电流跳变等；第二层配置了 32 个 3^*3 卷积核，并引入 BatchNorm 层进行数据标准化，加快了模型的收敛速度，提高了泛化能力；第三层设计为双 256 节点的全连接层，采用 dropout 技术（设 dropout 率为 0.5）来防止过拟合现象，提高模型鲁棒性。为满足实际工程应用需求，本文采用知识蒸馏（Knowledge Distillation，KD）技术，将模型压缩至 INT8 精度。这种优化使模型存储空间 <10 MB，识别精度较高。

2.2 基于通信信息分析的检测方式

（1）告警信息分析。智能电子设备（IED）在运行过程中会产生各种告警信息和事件记录。通过收集来自不同 IED 的这些信息，并结合时间戳进行关联分析，可以初步判断故障发生的范围和性质。例如，当多个位于同一区域的 IED 同时发出与过流、过压相关的告警信息时，可推测该区域可能发生了短路故障。（2）状态信息分析。借助 IEC61850 等通信标准，IED 之间可以传输丰富的设备状态信息。通过对这些状态信息的实时监测和分析，能够及时发现设备的异常运行状态。例如，通过分析开关设备的分合闸状态、设备的温度、压力等状态量，若发现某设备的温度超出正常范围，可判断该设备可能存在过热故障隐患。

2.3 运行状态实时监测

采用分布式光纤测温系统对变压器和母线进行温度监测，在关键节点布设 8 个测温探头，设采样间隔为 5s。使用安装在开关柜的特高频局放传感器实时监测设备放电情况，灵敏度为 5pC。主变压器油色谱在线监测系统每 15min 进行一次数据采集，重点监测氢气、甲烷和乙炔含量。在所有监测量中，设置三级告警阈值：预警值、告警值和跳闸值。

3 新型电力系统继电保护自动化故障处理措施

3.1 支持向量机算法验证试验设计

试验首先在不同类型的电力设备如母线、发电机和变压器中，选取了典型的数据样本，每个设备类型选取 4 组样本，每组包含 100 个数据记录，涵盖电压、电流、功率等多个关键参数。利用支持向量机算法对这些数据进行训练和测试，以检验算法对不同类型设备继电保护故障的识别和分类能力。

3.2 加强对继电设备的保护及其自动化装置的管理

一是要建立完善的继电设备保护及其自动化装置的管理制度，规范继电设备保护及其自动化装置的使用和管理；二是要加强对继电设备保护及其自动化装置的维护和检修，及时发现和处理继电设备保护及其自动化装置出现的问题，确保电力系统安全稳定运行；三是要定期对继电设备保护及自动化装置进行检查，及时发现和处理存在的问题，确保继电设备保护及自动化装置运行良好；四是记录装置初始状态，为后续工作提供支持，可以进行数据对比，及时发现故障问题，处理故障问题，及时排除自动化装置中存在的问题；五是为了实现硬件冗余，必须要提高继电保护与自动化装置的容错性。这样可以确保当发生故障时，迅速恢复正常运行，从而避免对电力系统的影响。为了达到这一目的，需要采取一些措施，如增加数据采集系统、完善监控系统等，以提高对故障的检测和处理能力。

3.3 故障处理技术

（1）切换电源与负荷平衡。当检测到故障后，迅速切换到备用电源，以保障重要负荷的持续供电。同时，通过合理调整负荷分配，优化电力系统的运行状态，减轻故障设备的负担，尽快恢复系统的正常运行。例如，在配电网中，当某条馈线发生故障时，通过联络开关将故障馈线上的部分负荷转移到其他正常馈线上，同时启动备用电源为重要用户供电。（2）采用先进保护装置。选用具有更高灵敏度和更快速响应能力的保护装置，如数字化继电保护装置、自适应保护装置等。这些先进保护装置能够实时监测电力系统的运行状态，在故障发生的瞬间迅速切断故障部分，防止故障扩大。例如，自适应保护装置可以根据电力系统运行方式的变化自动调整保护动作参数，确保在不同工况下都能可靠动作。

（3）自动化控制系统。

构建自动化控制系统，实现对故障处理的快速响应和协同处理。该系统可以实时监测系统状态，并根据预设的策略自动执行相应操作。例如，当系统检测到故障后，自动化控制系统能够自动启动故障隔离程序，将故障区域与正常运行区域隔离，同时自动进行故障诊断和恢复供电操作，大大提高了故障处理的效率和准确性。

结语

采用人工智能技术对故障特征进行精确提取和快速识别。采用自适应保护策略提高了系统对各类复杂故障的适应能力。建立多区域协调保护机制，提高大规模电网的整体保护性能。试验结果表明，采用本方案提高了故障检测准确率和可靠性，加快了响应速度，为新型电力系统的继电保护技术发展提供了新思路。

参考文献

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