繼電保護可靠性研究綜述

鐘慧貞

廣東電網有限責任公司東莞供電局 523120

摘要：研究繼電保護可靠性對于研究新的保護原理與配置方案、為保護系統(tǒng)設計及運行提供參考依據(jù)具有重要意義。對國內外繼電保護可靠性指標和評估模型方面的研究進展進行了綜述。通過比較不同的繼電保護可靠性評價指標及評估方法，總結了仍然存在的不足。根據(jù)目前的研究成果簡要分析了全數(shù)字化繼電保護系統(tǒng)、廣域保護等新技術、新原理給繼電保護可靠性研究帶來的新問題。

關鍵詞：繼電保護；可靠性；廣域保護；

引言

隨著我國電力需求的與日俱增，電力市場改革的深化與發(fā)展以及電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)日漸接近極限運行，其運行與控制更為復雜，發(fā)生擾動以及故障的可能性更大，這些都對電力系統(tǒng)安全提出了更高的要求，對我國的繼電保護以及安全穩(wěn)定控制帶來了新的挑戰(zhàn)。

一、繼電保護可靠性評估體系

無論是研究繼電保護的長期平均可靠性水平，還是從運行角度預測短期內的實時風險，都需要對其可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)從可能性（概率）和后果（嚴重程度）兩方面進行量化評估。迄今對繼電保護可靠性評估體系的研究主要以繼電保護系統(tǒng)或繼電保護裝置為研究對象，綜合考慮其正確動作、誤動與拒動、經濟效益等，運用狀態(tài)空間法、概率法或其他方法建立可靠性模型，并依據(jù)模型進行定性或定量的分析評估。其中，繼電保護系統(tǒng)根據(jù)不同的可靠性評估模型，包含繼電保護裝置、通訊通道，相關的一次設備如電流、電壓互感器、斷路器、自動重合閘裝置，甚至一次系統(tǒng)的運行狀況。

1、繼電保護可靠性指標

作為可靠性評估體系中的基本因素，保護可靠性指標是研究重點之一，文獻普遍依據(jù)保護系統(tǒng)工作的特點，以拒動和誤動為主線，從設備可靠性、功能可靠性和系統(tǒng)完好度等方面進行指標確定。在研究繼電保護可靠性的起步階段，我國普遍使用“正確動作率”即一定期限內被統(tǒng)計繼電保護裝置的正確動作次數(shù)與總動作次數(shù)之比來描述繼電保護的可靠性，這為提高我國繼電保護水平起過很大的指導作用，但其沒有考慮諸如區(qū)外故障正確不動作的次數(shù)等因素，因此不能全面地反映保護的可靠性，比如當被保護對象的故障頻率很低，或者在

一段統(tǒng)計時間內并未發(fā)生區(qū)內故障時，按傳統(tǒng)的計算正確動作率的方法得出的結果必然很低，而實際上保護裝置可能經過了若干次區(qū)外故障而未誤動，這一事實不能被該統(tǒng)計方法所反映。此外，統(tǒng)計對象的數(shù)量對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響在該指標中無法體現(xiàn)，難以有效反映保護系統(tǒng)的可靠性水平。針對上述問題，建議采用“平均無誤動作時間”和“無誤動工作概率”來評價保護可靠性。文獻基于繼電保護的工作特點，將其可靠性分為保護系統(tǒng)可靠性和保護動作可靠性兩個方面，保護系統(tǒng)可靠性主要用來衡量保護系統(tǒng)自身可靠性水平，主要指標為保護拒動失效率、保護誤動失效率；保護動作可靠性則綜合了保護和一次設備的情況，主要指標為保護拒動頻率、保護誤動頻率等。從繼電保護的特點出發(fā)，提出了一些新的統(tǒng)計評價方法與指標，同時指出被保護設備的事故頻率之間可能存在的較大差別。

國外最初在一些輸電系統(tǒng)可靠性研究模型中已初步考慮了保護系統(tǒng)的影響，可是大部分是借修正被保護元件的故障率來反映保護系統(tǒng)故障的影響，因而不能全面、真實地反映保護系統(tǒng)可靠性及其對輸電系統(tǒng)的影響。60 年代以來多個國家的大停電事故為電力系統(tǒng)可靠性研究的發(fā)展提供了契機，可靠性評估的理論方法和工程應用技術開始成熟，鑒于繼電保護及安全控制裝置對系統(tǒng)可靠性的重要影響及裝置本身可靠性問題的復雜性，保護系統(tǒng)可靠性逐漸被作為子系統(tǒng)單獨進行分析，如文獻[10-12]均對繼電保護裝置的最佳檢修周期問題進行了探討。闡述了繼電保護裝置故障率與預防測試實驗周期的關系，用概率方法確定優(yōu)化預防測試實驗周期。研究保護故障和保護配置對系統(tǒng)可靠性影響并分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。文獻普遍采用的指標還是失效率、可用度、保護系統(tǒng)故障造成的期望收益損失等。這些研究成果為繼電保護可靠性評估的研究探索提供了有益的思路和方法，但由于主要是沿用一次設備可靠性的分析思想，加之繼電保護拒動和誤動機理的復雜性，其保護可靠性評估指標的定義并不統(tǒng)一和明確。

上述工作對更為深入地研究繼電保護可靠性做出了重要貢獻，但由于評價指標缺乏統(tǒng)一的選取標準，在一定程度上給保護可靠性建模和評估工作增加了難度。另一方面，電網中的繼電保護以一個完整的系統(tǒng)存在，分析繼電保護拒動和誤動事件及其后果應該考慮大多數(shù)裝置在動作上有配合關系，一個保護裝置的拒動或誤動，往往會引起其他保護裝置的動作，而可靠性指標例如拒動率、誤動率、正確動作率、不正確動作率、故障頻率、可用度、平均失效時間、平均失效前時間等反映的是繼電保護裝置長期平均可靠水平，難以有效地反映電網因為繼電保護運行中可靠性變化所面臨的實際風險。繼電保護可靠性研究的新進展在傳統(tǒng)保護可靠性模型需要繼續(xù)完善的同時，全數(shù)字化保護、廣域保護的理論及應用研究已然在電力系統(tǒng)中展開，可靠性研究作為其中重要的一個方面仍然不容忽視。傳統(tǒng)保護可靠性模型是否能夠直接在全數(shù)字化保護系統(tǒng)、廣域保護等新技術、新理論模式下直接應用值得進一步探索。

2、全數(shù)字化保護系統(tǒng)可靠性

IEC61850 標準的頒布、高速以太網交換技術的發(fā)展及非常規(guī)互感器技術的實用化使保護系統(tǒng)乃至電力系統(tǒng)逐步向全數(shù)字化方向發(fā)展。在全數(shù)字化保護系統(tǒng)中，非常規(guī)互感器的數(shù)字信號輸出通過合并單元以多播方式發(fā)布到過程總線，保護等智能電子裝置從過程總線獲取采樣和控制信息。全數(shù)字化保護系統(tǒng)在具有一系列突出優(yōu)點的同時，其可靠性問題受到普遍關注。與常規(guī)保護系統(tǒng)相比，全數(shù)字化保護系統(tǒng)在系統(tǒng)結構、構成元件及工作模式等方面都存在很大差異。建立全數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性模型，對于系統(tǒng)的設計和運行具有重要意義。

在傳統(tǒng)保護系統(tǒng)中，更注重對保護系統(tǒng)總體可靠性的研究。而對于全數(shù)字化保護系統(tǒng)，由于其包含更多的電子裝置，總體可靠性指標已不足以全面刻畫系統(tǒng)的可靠性，分別從系統(tǒng)與元件兩個層面，對全數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性進行了研究。在系統(tǒng)層面，利用可靠性框圖、鄰接矩陣和最小路集技術建立了全數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性模型，分析了不同冗余技術對系統(tǒng)可靠性的影響；在元件層面，將元件重要度分析引入到保護系統(tǒng)中，利用概率重要度和關鍵重要度建立了全數(shù)字化保護系統(tǒng)的元件重要度評價指標，并給出了這兩個重要度的選擇原則。但總體上，該方面的研究文獻還較少見到。

3、廣域保護可靠性

廣域保護一經提出便受到廣泛關注，國內外學者提出了多種廣域或區(qū)域保護理論。目前廣域保護算法的研究主要分為3類：基于電網中多個保護元件的判斷結果、依靠專家系統(tǒng)集中決策的廣域后備保護算法；基于廣域電流差動的廣域繼電保護算法；基于縱聯(lián)比較原理的廣域繼電保護算法。廣域繼電保護系統(tǒng)的基本結構也可分為3 類：區(qū)域調度中心集中式廣域繼電保護系統(tǒng)；變電站集中式廣域繼電保護系統(tǒng)；分散式廣域繼電保護系統(tǒng)。由于目前廣域保護及裝置尚處于探索、研發(fā)階段，故鮮見討論其可靠性的文獻。廣域保護的可靠性研究主要面臨以下幾方面的新問題：

（1）廣域保護本身較之傳統(tǒng)保護，在保護原理、實現(xiàn)方式、作用域等方面都有了較大變化，影響其可靠性的因

素和環(huán)節(jié)增加，而這些因素可能彼此并不獨立，這一特征可能使得不少無此前提的模型或方法在應用過程中受到制約。因此，確定廣域保護系統(tǒng)及其裝置的可靠性指標、數(shù)學模型都還有待研究。

（2）作為廣域保護的重要支撐技術的廣域測量系統(tǒng)（WAMS）的可靠性、其時滯等因素對保護系統(tǒng)可靠性的影響值得思考。

（3）當保護裝置或保護系統(tǒng)及相關的通訊設備采用備用冗余設計時，該系統(tǒng)成為一個單元件或多元件備用系統(tǒng)，多元件備用系統(tǒng)的可靠性研究[42]也值得關注。

二、結論

在復雜大電網環(huán)境下，繼電保護系統(tǒng)的可靠性研究已日益顯得重要。本文在對國內外繼電保護可靠性指標和評估模型方面的研究進展進行綜述的基礎上，

總結了現(xiàn)有保護可靠性評價指標及評估模型存在的不足，主要表現(xiàn)在指標的確立和選取依據(jù)、可靠性評估所需要的基礎數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、評估方法、保護系統(tǒng)動態(tài)可靠性研究等都還有待完善。特別在廣域保護、全數(shù)字化保護等新原理、新技術模式下，由于繼電保護裝置及相關一次設備構成復雜化，保護可靠性研究需要涉及的因素多、評估難度大，如何有效分析保護系統(tǒng)的可靠性，需要進一步深入研究。

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