吳煜昊

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

智能電網(wǎng)作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全性和穩(wěn)定性直接關(guān)系電力供應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)的“守護(hù)者”，其快速、準(zhǔn)確地識(shí)別并隔離故障對(duì)于保障電網(wǎng)安全至關(guān)重要；而電源作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行和高效供電是電網(wǎng)可靠性的基礎(chǔ)。隨著電力技術(shù)的快速發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，智能電網(wǎng)面臨著眾多挑戰(zhàn)，文章旨在研究繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化的集成策略，增強(qiáng)電網(wǎng)的故障應(yīng)對(duì)能力，提升電網(wǎng)的供電可靠性。

1 智能電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與問(wèn)題

1.1 智能電網(wǎng)的概念起源及其發(fā)展歷程

智能電網(wǎng)作為集成高效傳輸、智能控制及先進(jìn)信息技術(shù)的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)電能的可靠供應(yīng)和有效利用。1882 年，托馬斯·愛(ài)迪生在美國(guó)紐約建立了世界上第一個(gè)商業(yè)化的直流電力系統(tǒng)，標(biāo)志著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的誕生。隨后交流電的發(fā)展使得電力傳輸距離更遠(yuǎn)，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)展[1]。隨著信息技術(shù)和通信技術(shù)的快速進(jìn)步，智能電網(wǎng)的概念逐漸成熟，在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中繼電保護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了從機(jī)械式保護(hù)到微控制器保護(hù)，再到當(dāng)前的智能化保護(hù)的轉(zhuǎn)變。但是在智能電網(wǎng)發(fā)展環(huán)節(jié)中，繼電保護(hù)技術(shù)還面臨眾多挑戰(zhàn)，因此研發(fā)更成熟、方便及可信賴(lài)的繼電保護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為智能化電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。

1.2 繼電保護(hù)的理論基礎(chǔ)

繼電器保護(hù)理論是供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，主要涉及故障檢測(cè)、故障科學(xué)的分類(lèi)與保護(hù)動(dòng)作的挑選。故障檢測(cè)是繼電器保護(hù)的主要功能，常見(jiàn)的檢測(cè)方式有電流保護(hù)、工作電壓保護(hù)及差動(dòng)保護(hù)[2]。例如，過(guò)電流保護(hù)通過(guò)對(duì)比電流的真實(shí)值和設(shè)置的保護(hù)值判定系統(tǒng)軟件是否存在故障。故障歸類(lèi)是繼電器保護(hù)的重要組成部分，涉及故障種類(lèi)（短路故障、接地裝置等）和故障區(qū)域的分辨，對(duì)保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性挑選尤為重要。在智能電網(wǎng)中引進(jìn)支持向量算法（Support Vector Machines，SVM）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)可以提高故障歸類(lèi)準(zhǔn)確性。

1.3 智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

智能化電網(wǎng)的完成在于多種關(guān)鍵技術(shù)的整合和發(fā)展趨勢(shì)，感應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展為智能電網(wǎng)提供精確的數(shù)據(jù)采集能力，包含相量測(cè)量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）的應(yīng)用尤為明顯，可提供電網(wǎng)實(shí)時(shí)相量信息。計(jì)算公式為

式中：V(t)為瞬時(shí)電壓；Vm為電壓幅值；ω為角頻率；φ為相位角。通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)確保了信息的實(shí)時(shí)傳輸與處理，尤其在寬帶通信和無(wú)線傳輸技術(shù)的大力支持下，智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和管理越來(lái)越高效。數(shù)據(jù)處理方法與分析技術(shù)的發(fā)展也提升了智能電網(wǎng)的智能化程度，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的深度學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)，為電網(wǎng)的高效運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)論證[3]。

1.4 智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)面臨的挑戰(zhàn)

智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)面臨4 種挑戰(zhàn)：第一，隨著分布式發(fā)電和微電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)的復(fù)雜性不斷增加，對(duì)故障檢測(cè)與定位提出更高的要求；第二，電網(wǎng)的不斷變化和新設(shè)備的接入要求保護(hù)方案必須具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；第三，在智能電網(wǎng)的運(yùn)行中需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，保障這些數(shù)據(jù)的安全；第四，智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)必須能夠與其他系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)協(xié)同工作，確保整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致性。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，可采用4 種方法：第一，開(kāi)發(fā)基于人工智能的故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)快速和精準(zhǔn)的故障檢測(cè)與定位；第二，研究基于智能算法的自適應(yīng)保護(hù)方案應(yīng)對(duì)電網(wǎng)變化；第三，使用加密算法和安全協(xié)議保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸，防止數(shù)據(jù)篡改和黑客攻擊；第四，采用統(tǒng)一無(wú)線通信模塊、協(xié)議及高效協(xié)調(diào)控制方法確保系統(tǒng)間合理協(xié)調(diào)，達(dá)到協(xié)調(diào)一致性。

2 電源協(xié)同優(yōu)化策略在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 電源協(xié)同優(yōu)化的基本原理

電力工程協(xié)同優(yōu)化是智慧能源實(shí)現(xiàn)資源有效利用和電能質(zhì)量分析提高的關(guān)鍵對(duì)策，其基本原理是通過(guò)提高調(diào)度水平，完成傳統(tǒng)發(fā)電、可再生資源發(fā)電以及儲(chǔ)能設(shè)備等各個(gè)電源間的有效協(xié)同，從而達(dá)到電力負(fù)荷要求，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[4]。電源協(xié)同優(yōu)化可以使用數(shù)學(xué)分析模型來(lái)表示，其目標(biāo)函數(shù)通常為最小化系統(tǒng)的運(yùn)行成本或最大化經(jīng)濟(jì)效益。計(jì)算公式為

式中：C為系統(tǒng)成本；T為調(diào)度時(shí)段總數(shù)；N和M分別為發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備的數(shù)量；Ci和Cj分別為第i個(gè)發(fā)電設(shè)備和第j個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行成本函數(shù)；Pi,t和Qj,t分別為第t時(shí)段第i個(gè)發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量和第j個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備的充放電量。

2.2 智能電網(wǎng)中電源協(xié)同優(yōu)化的策略

在智能電網(wǎng)環(huán)境下，為有效配置和利用系統(tǒng)資源，實(shí)施電源協(xié)同優(yōu)化策略至關(guān)重要。第一，多能源協(xié)調(diào)策略綜合考慮電、熱、氣等多種能源的利用，促進(jìn)能源之間的互補(bǔ)轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)不同能源之間的高效協(xié)同[5]。第二，可再生能源優(yōu)先調(diào)度策略注重優(yōu)先選擇利用風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源，減少傳統(tǒng)動(dòng)物化石能源的應(yīng)用，從而減少空氣污染和系統(tǒng)運(yùn)行成本。第三，需求側(cè)管理策略通過(guò)激勵(lì)或控制用戶的電力消費(fèi)行為適應(yīng)電網(wǎng)的供電能力，進(jìn)而降低系統(tǒng)的負(fù)荷負(fù)擔(dān)。這一策略通常包括實(shí)時(shí)定價(jià)或設(shè)置需求響應(yīng)機(jī)制，以調(diào)整用戶的用電需求。第四，在應(yīng)對(duì)可再生能源的間歇性和不確定性方面，儲(chǔ)能設(shè)備發(fā)揮著關(guān)鍵作用，采用優(yōu)化模型可以有效地調(diào)配和儲(chǔ)存能量，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和供電的可靠性。靈活應(yīng)用這種策略既能提高能源利用效率和降低運(yùn)營(yíng)成本，又能保持智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而最大化經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 電源協(xié)同優(yōu)化對(duì)繼電保護(hù)的影響

電源協(xié)同優(yōu)化對(duì)智能電網(wǎng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，其顯著平衡電網(wǎng)負(fù)荷，減少運(yùn)行波動(dòng)，進(jìn)而降低繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，這得益于協(xié)同優(yōu)化對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的科學(xué)分配和調(diào)節(jié)，確保電網(wǎng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。電源協(xié)同優(yōu)化強(qiáng)化電網(wǎng)的容錯(cuò)與自愈能力，在故障發(fā)生時(shí)能迅速調(diào)整電源分布，為繼電保護(hù)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，加速故障隔離與供電恢復(fù)。優(yōu)化后的電源管理提升了繼電保護(hù)的靈敏度和準(zhǔn)確性，電源的精細(xì)調(diào)控繼電保護(hù)系統(tǒng)能更迅速、準(zhǔn)確地響應(yīng)異常情況，有效遏制故障擴(kuò)散。然而電源協(xié)同優(yōu)化也給繼電保護(hù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，尤其是在可再生能源并網(wǎng)和分布式發(fā)電情境下傳統(tǒng)保護(hù)策略可能失效，需要適應(yīng)性調(diào)整與優(yōu)化繼電保護(hù)系統(tǒng)，這要求繼電保護(hù)系統(tǒng)不斷適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的變革，以確保電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化的集成策略

3.1 集成策略的設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)先原則意味著在進(jìn)行電源協(xié)同優(yōu)化時(shí)必須充分考慮繼電保護(hù)的約束條件，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性不受損害。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的不斷變化，集成策略應(yīng)具備足夠的靈活性和適應(yīng)性，以便根據(jù)不同情況自動(dòng)調(diào)整和優(yōu)化。應(yīng)深入挖掘繼電保護(hù)和電源協(xié)同優(yōu)化之間的協(xié)同潛力，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。保留足夠的安全裕度，可以在電源調(diào)度優(yōu)化的同時(shí)確保繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠在意外情況下及時(shí)介入，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生。基于這些原則可以構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，通過(guò)求解該模型可以在確保繼電保護(hù)安全性的前提下，找到實(shí)現(xiàn)電源協(xié)同優(yōu)化的最佳策略。

3.2 集成策略的實(shí)現(xiàn)方法

集成繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化策略對(duì)于確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率起著至關(guān)重要的作用。具體的繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化集成策略的實(shí)現(xiàn)方法如表1所示。這些實(shí)現(xiàn)方法各具特色，能夠全面且深入地支持繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化的集成。通過(guò)綜合運(yùn)用這些策略可以綜合調(diào)度和保護(hù)電網(wǎng)，有效提升電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，為智能電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

表1 繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化集成策略的實(shí)現(xiàn)方法

3.3 集成策略的應(yīng)用效果

繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化的集成策略顯著提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，通過(guò)深度整合繼電保護(hù)和電源協(xié)同優(yōu)化的功能，能夠精準(zhǔn)識(shí)別并及時(shí)處理電網(wǎng)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，大幅降低故障發(fā)生的可能性。集成策略有效優(yōu)化電源的調(diào)度和利用，顯著提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)協(xié)同優(yōu)化發(fā)電、傳輸及消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)，不僅降低了運(yùn)行成本，還提高了能源利用效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。同時(shí)，集成策略顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，確保電網(wǎng)能夠快速響應(yīng)各種變化需求，從而保障系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。集成策略對(duì)于可再生能源的高效接入和利用起到積極的促進(jìn)作用，通過(guò)優(yōu)化可再生能源與傳統(tǒng)能源的協(xié)同調(diào)度，不僅提高可再生能源的利用率，還降低化石能源的消耗，減少環(huán)境污染，有力推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)。繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化的集成策略在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用效果顯著，不僅提升系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性及靈活性，還促進(jìn)可再生能源的利用，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

4 結(jié) 論

文章深入分析智能電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與問(wèn)題，提出一種集成繼電保護(hù)與電源協(xié)同優(yōu)化的策略，能夠有效增強(qiáng)系統(tǒng)的故障應(yīng)對(duì)能力，優(yōu)化能源資源的配置和利用，促進(jìn)可再生能源的高效接入和利用。未來(lái)，進(jìn)一步探索集成策略在不同電網(wǎng)條件下的應(yīng)用效果和進(jìn)一步優(yōu)化集成策略以適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求。