繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析

韓啟華++李愛玲

摘 要：隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)發(fā)生復(fù)雜故障的可能性也日益增加。作為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的第一道防線，繼電保護(hù)系統(tǒng)在防止故障及擾動(dòng)上發(fā)揮著極為重要的作用，其可靠性與電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性密切相關(guān)。對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析與評(píng)估有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置存在的隱患。該文主要基于可靠性框圖的分析原理，結(jié)合數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)信息流特點(diǎn)，建立可靠性分析模型，開展繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)系統(tǒng) 可靠性 可靠性框圖

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0193-02

＼電力工業(yè)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)，一旦在電力系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)重大故障，將會(huì)造成不可估量的損失。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，發(fā)生復(fù)雜故障的可能性也日益增加，電力系統(tǒng)運(yùn)行生產(chǎn)的安全性和可靠性備受關(guān)注。繼電保護(hù)系統(tǒng)是保護(hù)電力系統(tǒng)一次設(shè)備的哨兵，是防止故障及擾動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)危害的第一道防線，當(dāng)系統(tǒng)由于自然、人為或設(shè)備故障等原因使電網(wǎng)某處發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，要求繼電保護(hù)系統(tǒng)將故障元件自動(dòng)、快速、有選擇性地切除，因而其可靠性與電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行密切相關(guān)。與此同時(shí)，繼電保護(hù)系統(tǒng)的隱性故障也是電力災(zāi)難發(fā)生的一種機(jī)理，很大程度上影響電力系統(tǒng)的安全。為保證繼電保護(hù)系統(tǒng)處于完好狀態(tài)，需及時(shí)發(fā)現(xiàn)其存在的故障和缺陷，并采取科學(xué)、有效的策略進(jìn)行檢修和維護(hù)，這個(gè)時(shí)候?qū)^電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析與研究就顯得異常重要。

2 繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性建模

數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)由非常規(guī)互感器、合并單元、交換機(jī)、智能終端和同步時(shí)鐘源組成，為完成自身功能，繼電保護(hù)元件一方面要從互感器側(cè)進(jìn)行信息采樣，從而判斷電力系統(tǒng)是否存在故障和隱患，另外還要與斷路器側(cè)保持聯(lián)系，以在發(fā)生故障使對(duì)斷路器進(jìn)行正確的控制，其中，同步對(duì)時(shí)信息、SV報(bào)文信息、GOOSE報(bào)文信息這三種信息流對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。該研究主要針對(duì)以上三種信息流，基于可靠性框圖的分析方法進(jìn)行繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性建模。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的方式，借助交換機(jī)以及由交換機(jī)組成的以太網(wǎng)，可單獨(dú)組網(wǎng)，也可與其他信息流共用一個(gè)通信網(wǎng)，其拓?fù)洳捎脴錉盥窂健V報(bào)文可靠性模型見圖3。斷路器回路GOOSE與SV報(bào)文相同采用對(duì)點(diǎn)或組網(wǎng)方式連接，若采用對(duì)點(diǎn)方式，在每個(gè)保護(hù)單元與交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間用專用光纖，對(duì)于需要與其他保護(hù)元件配合并接受這些元件發(fā)來(lái)的閉鎖重合閘、啟動(dòng)失靈等信息的保護(hù)功能，在建模中將其定義為輔助保護(hù)單元，保證其與主保護(hù)單元之間信息通路的暢通。

3 可靠性框圖分析方法的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

3.1 可靠性分析

在數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性模型中，若將其他元件看作節(jié)點(diǎn)，將傳輸介質(zhì)看作是節(jié)點(diǎn)間的連線，那么系統(tǒng)就是一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同步對(duì)時(shí)信息、SV報(bào)文信息、GOOSE報(bào)文信息回路可靠性計(jì)算，可用最小路集法，首先找出兩個(gè)端點(diǎn)之間的所有最小路徑，求出回路連通的概率，將其作為系統(tǒng)可靠性數(shù)值。

同步對(duì)時(shí)信息回路可靠性具有一定特殊性，只有保持對(duì)時(shí)回路連通，合并單元、保護(hù)單元以及智能終端等才能處于正常工作狀態(tài)。將同步對(duì)時(shí)信息回路可靠性加入系統(tǒng)本身可靠性，經(jīng)過(guò)修正，合并單元、保護(hù)單元、智能終端可靠性相關(guān)表達(dá)公式為：

上述計(jì)算最小路集的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，即便是對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，計(jì)算量仍然較大，對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)型系統(tǒng)，必須在建模的基礎(chǔ)上，依靠計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)最小路集的求解。首先，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔页錾鲜鲂畔⒘鞯淖钚÷芳?，之后根?jù)最小路集的信息利用計(jì)算機(jī)編程開展快速的計(jì)算。常用算法包括鄰接矩陣法、布爾行列式法、節(jié)點(diǎn)遍歷法等，對(duì)于數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性計(jì)算，建議采用具有清晰思路且計(jì)算速度快的節(jié)點(diǎn)遍歷法。可靠性的程序算法流程為：首先，獲取模型信息，對(duì)各信息流的路集矩陣形成總路集矩陣，之后對(duì)總路集矩陣進(jìn)行同步時(shí)鐘信息的修正，并進(jìn)行不交化運(yùn)算，在運(yùn)算過(guò)程中，代入數(shù)據(jù)后求出系統(tǒng)的可靠性數(shù)值。需注意的是，在整個(gè)不交化運(yùn)算中，要消除相同元素，簡(jiǎn)化大路集矩陣Matrix，然后再進(jìn)行運(yùn)算與代數(shù)計(jì)算。

3.2 算例分析

某220kV數(shù)字化變電站，對(duì)其繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析。首先進(jìn)行可靠性建模，對(duì)時(shí)形式和對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)分別采用IRIG-B碼和星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，包含1個(gè)電流互感器1個(gè)電壓互感器，各個(gè)單元及元件均雙重化配置。在SV采樣信息建模和傳遞中采用IEC6180標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建模，進(jìn)行裝置的自由配置，以實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的綜合集成應(yīng)用和軟件功能插接復(fù)用，對(duì)于交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，采用獨(dú)立雙網(wǎng)形式。GOOSE回路采用直連形式。首先，修正元件對(duì)時(shí)回路可靠性。因存在兩個(gè)冗余配置的保護(hù)單元而不存在輔助保護(hù)單元，因而在計(jì)算中先將單套繼電保護(hù)裝置的可靠性計(jì)算出來(lái)。對(duì)于保護(hù)1，包括兩條SV信息回路和一條GOOSE信息回路，各包含兩條最小路徑，兩SV信息回路之間的關(guān)系為串聯(lián)關(guān)系，依據(jù)公式（10）可得到單套繼電保護(hù)裝置可靠性。保護(hù)2按照相同方法計(jì)算單套繼電保護(hù)裝置的可靠性。經(jīng)過(guò)計(jì)算，繼電保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)中同步時(shí)鐘源、保護(hù)單元的可靠度各為0.9990，互感器、傳輸介質(zhì)可靠度各為0.9999，合并單元為0.9960，斷路器為0.9900，交換機(jī)為0.9700，智能終端為0.9970，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，最終計(jì)算得到整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠度為0.9888。

上述為一個(gè)簡(jiǎn)單繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性計(jì)算算例，但其計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。某500kV線路保護(hù)，對(duì)其繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性通過(guò)計(jì)算機(jī)程序算法進(jìn)行計(jì)算。首先，抽象其配置圖。在此套線路中，總共包含電流互感器2個(gè)和電壓互感器1個(gè)，每個(gè)互感器配有兩個(gè)合并單元。存在兩個(gè)冗余配置的保護(hù)單元，不存在輔助保護(hù)單元。SV網(wǎng)采用獨(dú)立雙網(wǎng)形式。GOOSE回路采用共享雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式。對(duì)時(shí)形式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式。利用最小路集法求解，最終得到64條最小路徑。最后進(jìn)行代入計(jì)算，并將各個(gè)元件可靠度代入相關(guān)計(jì)算公式，得到整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠度為0.987604。

3.3 軟件因素對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響

在網(wǎng)絡(luò)的流量控制方面，比如報(bào)文流量過(guò)大，很容易造成通信擁堵，而當(dāng)交換機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文進(jìn)行處理時(shí)，可能導(dǎo)致丟包，這對(duì)系統(tǒng)的可靠性有不利影響。數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求很高，但其通信大多采用的是以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如果數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中出現(xiàn)了沖突，必然會(huì)造成傳輸時(shí)延及其不確定性。應(yīng)對(duì)虛擬局域網(wǎng)技術(shù)加以應(yīng)用，規(guī)范流通數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。除此之外，網(wǎng)絡(luò)的開放性影響信息安全，一些重要信息在傳輸、使用過(guò)程中難免遭受泄露和破壞，為確保信息的完整性、可用性、保密性以及不可否認(rèn)性，建議采用加密技術(shù)、防火墻技術(shù)等在變電站內(nèi)部與外部之間建立起屏障，有效阻隔外來(lái)非法用戶入侵。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，作為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的第一道防線，繼電保護(hù)系統(tǒng)在防止故障及擾動(dòng)上發(fā)揮著極為重要的作用，其可靠性與電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性密切相關(guān)。對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析與評(píng)估有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置存在的隱患。該文主要基于可靠性框圖的分析原理，結(jié)合數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)信息流特點(diǎn)，建立可靠性分析模型，開展繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析，以為變電站前期規(guī)劃提供依據(jù)。基于可靠性框圖的分析方法對(duì)于數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析與評(píng)估較為適用，而在可靠性分析過(guò)程中，有必要利用計(jì)算機(jī)編程算法，以簡(jiǎn)化分析過(guò)程，提高分析結(jié)果精確性。

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