Сравнительная оптимизация координации электрозапорных реле в распределительных сетях с интегрированной распределённой генерацией: алгоритм водного цикла против генетического алгоритма и «большого взрыва–большого сжатия»

Как сохранять свет, когда энергия течёт в обе стороны

По мере того как дома и предприятия устанавливают солнечные панели на крышах, небольшие ветряные турбины и другие локальные генераторы, электричество перестаёт течь только от крупных электростанций наружу. Теперь энергия может двигаться сразу в нескольких направлениях, особенно когда части сети работают как изолированные «микросети», отключённые от основной системы. Этот сдвиг полезен для чистой энергетики, но он существенно усложняет задачу — нужно быстро обнаруживать и изолировать повреждения (например, короткие замыкания), не обесточивая больше потребителей, чем необходимо. В этом исследовании рассматривается, как современные поисковые алгоритмы могут настраивать защитные устройства сети, чтобы они надёжно работали в этом новом, более сложном окружении.

Почему новые источники энергии сбивают с толку старую защиту

Традиционные распределительные сети строились с простой идеей: энергия течёт от главной сети по линиям и трансформаторам к потребителям. Защитные устройства, называемые токовыми реле перегрузки, отслеживают величину проходящего тока. Если он внезапно возрастает, сигнализируя о повреждении, ближайшее реле срабатывает первым, а остальные ожидают чуть дольше, обеспечивая резервный автоматический отвод. Такая тщательная выдержка времени, называемая координацией, предполагает, что токи повреждения всегда приходят в одном направлении. С появлением локальных генераторов — солнечных полей и ветряков — это предположение перестаёт быть верным. Токи повреждения теперь могут поступать из нескольких точек и в обоих направлениях, меняя свою величину и путь в зависимости от конфигурации генераторов и линий в данный момент.

Когда сеть превращается в остров

Задача становится ещё сложнее, когда микрорайон отключается от большей системы и работает автономно, в режиме, известном как островной режим. В этом случае генераторы на основе инверторов дают лишь ограниченный ток повреждения, что делает разницу между нормальным и аварийным состоянием гораздо меньше. Это оставляет меньше пространства для ошибки в выдержках реле: если сработать слишком быстро, можно отключить здоровые части сети, если слишком медленно — рискуете повреждением оборудования и длительными отключениями. Авторы исследуют две тестовые сети — простой радиальный вариант с 9 узлами и более сложную ячеистую сеть на 30 узлов — чтобы проверить, насколько удачно разные методы оптимизации подбирают настройки реле для работы в сетевом режиме, при наличии распределённой генерации и в островном состоянии.

Даем алгоритмам искать лучшие настройки

Вместо ручной подстройки настроек реле исследователи рассматривают координацию как задачу оптимизации. Цель — минимизировать время срабатывания первичных реле при сохранении безопасного временного запаса до срабатывания резервного реле. Они используют расчёты токов повреждения из специализированного программного обеспечения для энергосистем, а затем применяют три метаэвристических алгоритма — генетический алгоритм (GA), алгоритм водного цикла (WCA) и «большой взрыв–большое сжатие» (BB‑BC) — для поиска возможных значений множителей времени для каждого реле. Эти методы имитируют природные процессы, такие как эволюция, движение воды или космическое расширение и сжатие, чтобы исследовать большое число комбинаций без необходимости детальных градиентных расчётов.

Что происходит в простых и сложных сетях

Для простой 9‑узловой системы в обычном, сетевом режиме без локальной генерации все три метода быстро находят хорошие решения с коротким общим временем отключения и надлежащей координацией. С добавлением распределённых генераторов и появлением двунаправленных токов повреждения задача усложняется. GA находит самое короткое суммарное время отключения, но в некоторых случаях границы безопасности между первичным и резервным реле оказываются закрытыми или слегка превышенными. WCA и BB‑BC дают несколько более длительное суммарное время отключения, но сохраняют более здоровые запасы координации. В островном режиме, где токи повреждения минимальны и запасы времени самые узкие, GA снова показывает наименьшее общее время, но фиксируется нарушение координации как минимум в одной паре реле, тогда как WCA удерживает координацию ценой слегка более медленного срабатывания, а BB‑BC испытывает наибольшие трудности. В более сложной 30‑узловой ячеистой системе, где используются реле, различающие направление повреждения (прямое и обратное), все три метода успешны, при этом WCA даёт наименьшее суммарное время отключения.

Что это значит для будущих сетей

Для неспециалистов вывод таков: сохранение энергетической системы одновременно чистой и надёжной — это искусство баланса. Стремление сделать выдержки реле максимально короткими не всегда оптимально, когда задействованы локальные генераторы на инверторах и токи повреждения невелики. Вместо этого подходы вроде алгоритма водного цикла, которые уравновешивают скорость, устойчивость и соблюдение запасов безопасности, могут предложить более надёжную защиту по мере того, как сети становятся более динамичными и децентрализованными. Исследование показывает, что тщательно подобранные инструменты оптимизации в сочетании с реалистичными моделями поведения при повреждениях помогут обеспечить избирательное отключение отказов и сохранить питание для большинства потребителей, даже когда потоки энергии усложняются.

Цитирование: Mohamed, R.E., Saleh, S.M. & Ahmad, A.G. Comparative optimization of overcurrent relay coordination in DG-integrated distribution networks: water cycle algorithm versus genetic algorithm and big bang–big crunch. Sci Rep 16, 10529 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43242-z

Ключевые слова: распределённая генерация, защита микросетей, токовые реле перегрузки, координация реле, метаэвристическая оптимизация