廣域保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析初探

肖 嘉

（汕頭供電局 廣東 汕頭 515041）

0 引言

廣域保護(hù)系統(tǒng)由于其保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)形式都不同于傳統(tǒng)保護(hù)裝置，隨著通信系統(tǒng)的加入，在對(duì)其進(jìn)行可靠性分析時(shí)需要考慮更多因素。由于廣域保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)階段還未大規(guī)模投運(yùn)，使得對(duì)其進(jìn)行可靠性分析時(shí)也需要借助于設(shè)計(jì)階段的容錯(cuò)性分析。隨著廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）和數(shù)字化變電站的普及，基于此兩者的廣域保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的情況有保護(hù)元件失效或誤判，信息丟失錯(cuò)誤等。

本文利用現(xiàn)有研究中對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)容錯(cuò)性的分析，分析廣域保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行中將要出現(xiàn)的不同運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合可靠性分析常用理論，對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析進(jìn)行初步討論。

1 廣域保護(hù)容錯(cuò)性要求

廣域保護(hù)系統(tǒng)由于基于對(duì)廣域范圍內(nèi)保護(hù)元件故障信息的收集，并通過對(duì)廣域范圍內(nèi)各斷路器進(jìn)行控制，完成廣域保護(hù)動(dòng)作策略。這一系列的采集控制流程與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)有很大的差別，不僅要求保護(hù)方案無保護(hù)死區(qū)，也對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性有很高的要求。由于廣域保護(hù)系統(tǒng)無論基于方向比較原理還是廣域差動(dòng)原理都受采集系統(tǒng)的影響，在主保護(hù)受采集傳輸回路影響未能快速動(dòng)作時(shí)，廣域后備的快速近后備也很有可能無法動(dòng)作。不僅如此，廣域保護(hù)系統(tǒng)受通信系統(tǒng)的影響更甚于傳統(tǒng)主保護(hù)系統(tǒng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的故障都可能使得保護(hù)無法及時(shí)動(dòng)作，甚至于誤動(dòng)作。對(duì)于廣域保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中考慮其容錯(cuò)性能，從保護(hù)原理、動(dòng)作策略和系統(tǒng)軟硬件等方面提高保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

1.1 保護(hù)原理容錯(cuò)性

由于目前各類廣域保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建和算法流程還處于仿真實(shí)驗(yàn)階段，很少在實(shí)際大電網(wǎng)系統(tǒng)中投入使用，對(duì)于保護(hù)原理實(shí)際效果未有具體的實(shí)例予以分析，因此本節(jié)通過分析常規(guī)算法，將其擴(kuò)展至廣域保護(hù)系統(tǒng)中來，分析在將其引入廣域保護(hù)系統(tǒng)中所帶來的新問題。

廣域方向原理的保護(hù)范圍

通過比較被保護(hù)元件各端的故障信息方向，綜合判斷其指向以確定是否為故障元件，這是廣域方向保護(hù)原理的基本思想?？v聯(lián)方向比較保護(hù)原理在電力系統(tǒng)中已有廣泛成熟的應(yīng)用，包括常見的線路保護(hù)和母線保護(hù)[1]。由于該原理簡(jiǎn)單可靠，基于單端量的故障方向判別算法[2]也很成熟，因此很多研究均將該原理擴(kuò)展至廣域保護(hù)范疇。

然而實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同于單一元件，功率環(huán)流的存在使得方向保護(hù)在擴(kuò)展至廣域保護(hù)后面臨著新的問題。對(duì)于擴(kuò)大了保護(hù)范圍的方向比較式原理，在環(huán)形區(qū)域內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，環(huán)流的存在導(dǎo)致擴(kuò)大了的保護(hù)范圍邊界的IED故障方向并非都指向故障區(qū)域。如圖1中IEEE5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，圖中B2，B3和B5構(gòu)成一簡(jiǎn)單環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，并假定線路L5為一短線路。當(dāng)線路L4點(diǎn)K1處發(fā)生短路故障時(shí)，由于線路L4長(zhǎng)于線路L5，極易出現(xiàn)母線B2電壓高于母線B3的電壓，使得D3中故障功率流向?yàn)橹赶蚓€路L2。此時(shí)對(duì)于虛線區(qū)域的B2&L4擴(kuò)大保護(hù)區(qū)而言，D3不僅可能輸出無故障的判別，甚至有可能輸出為反方向的故障，誤判的結(jié)果將導(dǎo)致該擴(kuò)大區(qū)域的保護(hù)失效或拒動(dòng)。對(duì)于簡(jiǎn)單發(fā)散式樹形網(wǎng)絡(luò)，由于無環(huán)流則不會(huì)受該問題影響。

圖1 IEEE5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

結(jié)合上述分析，在應(yīng)用廣域方向比較原理時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎擴(kuò)大其保護(hù)范圍，避免出現(xiàn)由于誤判而閉鎖后備保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。在配合整定時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)利用其他保護(hù)原理（如阻抗距離保護(hù)）將故障方向有效性限制在一定的區(qū)域內(nèi)，發(fā)揮廣域方向比較原理的功能。

1.2 動(dòng)作原件容錯(cuò)性

對(duì)于采樣通信系統(tǒng)的故障，往往可通過自檢、備用等措施，使其不在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)，保證保護(hù)方案按預(yù)想正常執(zhí)行。但對(duì)于斷路器拒動(dòng)的情況往往很難在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)便發(fā)現(xiàn)，因而需要設(shè)定特定的處理方案。

在保護(hù)裝置判別故障發(fā)生動(dòng)作于跳閘時(shí)，可能發(fā)生故障元件的斷路器拒動(dòng)，也稱為斷路器失靈。該故障的切除一般通過相鄰元件遠(yuǎn)后備或?qū)Ｓ玫臄嗦菲魇ъ`保護(hù)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上相比于遠(yuǎn)后備動(dòng)作，斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作可加快故障隔離時(shí)間與減小停電范圍，因此將失靈保護(hù)納入廣域保護(hù)系統(tǒng)很有意義。該保護(hù)主要完成以下功能：

1）利用廣域保護(hù)原理判別故障并制定快速近后備的跳閘策略，相關(guān)斷路器動(dòng)作于跳閘切除故障；

2）利用站層保護(hù)信息矩陣分析搜索相關(guān)聯(lián)的所有斷路器，并監(jiān)測(cè)斷路器狀態(tài)及故障信息量；

3）延時(shí)后判斷，若該斷路器是否失靈，則跳開相關(guān)聯(lián)所有斷路器。

以上問題在廣域保護(hù)系統(tǒng)建設(shè)過程中是不能回避的，解決的方法除了以上對(duì)具體問題的分析解決外，一般還可通過引入自檢機(jī)制和投入備用設(shè)備兩個(gè)手段解決。

2 廣域保護(hù)可靠性分析

目前對(duì)于廣域保護(hù)系統(tǒng)的研究大多仍處于理論分析和裝置研發(fā)階段，因此很少有文獻(xiàn)涉及廣域保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析。本節(jié)通過結(jié)合上兩節(jié)中對(duì)于廣域保護(hù)容錯(cuò)性的分析，討論廣域保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析的特點(diǎn)。

廣域保護(hù)系統(tǒng)在保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)方法上都有別于傳統(tǒng)保護(hù)，而這其中最重要的變化就是它的實(shí)現(xiàn)是基于廣域測(cè)量技術(shù)（WAMS）[3]上。由于廣域保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)有很高的依賴性，因此需要在可靠性分析建模時(shí)充分考慮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障帶來的影響。結(jié)合第一部分中對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)容錯(cuò)性處理所分析的可能出現(xiàn)的故障情況，可在狀態(tài)空間法分析時(shí)添加相對(duì)應(yīng)狀態(tài)，并構(gòu)建新的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖分析相應(yīng)可靠性。

通過對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行容錯(cuò)性措施的分析，可將其運(yùn)行狀態(tài)分類六類。

狀態(tài)0：正常運(yùn)行；

狀態(tài)1：自檢檢出系統(tǒng)設(shè)備故障，故障分區(qū)通過投入備用中心站后部分運(yùn)行，故障站點(diǎn)自動(dòng)轉(zhuǎn)入傳統(tǒng)保護(hù)模式；

狀態(tài)2：分區(qū)重構(gòu)后運(yùn)行，即故障分區(qū)中出現(xiàn)故障的站點(diǎn)過多，以至于需要改變分區(qū)策略；

狀態(tài)3：自檢未檢出的系統(tǒng)設(shè)備故障，指的是保護(hù)原理失誤造成保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)；

狀態(tài)4：定期檢修；

狀態(tài)5：大面積網(wǎng)絡(luò)癱瘓，由于網(wǎng)絡(luò)通信故障，造成的廣域保護(hù)系統(tǒng)無法正常完成功能，需要退出。

圖2 廣域保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖2可得轉(zhuǎn)移概率矩陣Q和平穩(wěn)概率矩陣

方程組可解得

式中 K=（μ2+λ52）（μ1+λ2）。

對(duì)于廣域保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析而言，狀態(tài)0是完整運(yùn)行狀態(tài)，而狀態(tài)1和狀態(tài)2下系統(tǒng)仍然為電網(wǎng)中大部分元件提供保護(hù)，因此在評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性時(shí)綜合三個(gè)狀態(tài)的運(yùn)行概率，得到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的可靠性。

A=P0+P1+P2(3-6)

同時(shí)狀態(tài)5反映了系統(tǒng)的狀態(tài)3和狀態(tài)5表示系統(tǒng)失效的概率，是對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行于不可預(yù)知或故障超出承受能力下兩類狀態(tài)的反映。

3 結(jié)語

本文通過分析廣域保護(hù)系統(tǒng)中對(duì)容錯(cuò)性能的基本要求，列舉了包括保護(hù)原理和系統(tǒng)設(shè)備中可能會(huì)產(chǎn)生的一些問題，并給出相應(yīng)的處理方案；結(jié)合廣域保護(hù)系統(tǒng)中新出現(xiàn)的容錯(cuò)性要求和可靠性分析理論，對(duì)廣域保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析方法做了初步試探，介紹其分析過程中對(duì)于通信故障和算法失效等情況下處理，利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移分析法對(duì)以上分析進(jìn)行研究。

［1］郭永基.電力系統(tǒng)可靠性分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］戴志輝，王增平.繼電保護(hù)可靠性研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2010，38(15)：162－167.

［3］孫福壽，汪雄海.一種分析繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(16)：32－35，76.