智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

摘 要：智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵上不同于傳統(tǒng)的變電站，其工作的安全可靠性對智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。本文闡述了智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對其系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，探討智能繼電保護(hù)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，明確系統(tǒng)元件重要度區(qū)分，以為智能化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：智能變電站；繼電保護(hù)系統(tǒng)；可靠性

1 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站的基本特點(diǎn)是信息數(shù)字化和通信網(wǎng)絡(luò)化，其繼電保護(hù)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)變電站點(diǎn)對點(diǎn)方式連接的互感器、斷路器和保護(hù)單元，而是具備更多元件。合并單元將多個(gè)互感器采樣數(shù)據(jù)匯集后合并，進(jìn)行格式處理后把數(shù)據(jù)幀傳遞給交換機(jī)。智能終端是一次設(shè)備如斷路器等的智能功能體現(xiàn)者，接受跳合閘及閉鎖信息已控制斷路器動(dòng)作，同時(shí)采集斷路器開關(guān)位置信息傳遞給保護(hù)單元。交換機(jī)及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)替代了傳統(tǒng)二次電纜，作為二次設(shè)備與合并單元之間的信息傳遞平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)設(shè)備之間信息共享。與此同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)對發(fā)生事件的時(shí)間序列上的準(zhǔn)確性要求，需要滿足全站設(shè)備的統(tǒng)一對時(shí)功能，配置同步時(shí)鐘源。通信介質(zhì)和接口必不可少，其連通性對保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常與否產(chǎn)生直接影響，通常采用光纖，接口故障和通信故障效果相同，可以將接口視作通信介質(zhì)組成部分。所以，完整的智能化繼電保護(hù)功能通常具備八大功能模塊，傳輸介質(zhì)（TM）、互感器（MI）、合并單元（MU）、交換機(jī)（SW）、保護(hù)單元（PR）、智能終端（IT）、斷路器（BR）、同步時(shí)鐘源（TS）。

2 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析方法

智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)是由信息流來完成的，通路順暢，各類信息準(zhǔn)確可靠的在始端和終端之間傳遞，才能有效完成繼電保護(hù)功能。同步對時(shí)功能、SV報(bào)文以及GOOSE報(bào)文信息回路連通的效果是影響繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的決定因素。

2.1 系統(tǒng)可靠性計(jì)算一般方法

對于多元件或是多個(gè)子系統(tǒng)形成的系統(tǒng)，任一元件或是子系統(tǒng)故障就會(huì)使系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)失敗，它們處于串聯(lián)關(guān)系，其可靠性計(jì)算公式為： R=R。

其中，R為全系統(tǒng)可靠性；m為系統(tǒng)元件或是子系統(tǒng)個(gè)數(shù)；Rj（j=1，2...，m）為第j個(gè)元件或是子系統(tǒng)可靠性。

系統(tǒng)中如果元件或子系統(tǒng)存在備用或是冗余配置時(shí)，只有所有組成部分全部失效使才會(huì)形成系統(tǒng)故障，這時(shí)它們之間處于并聯(lián)狀態(tài)，其可靠性計(jì)算公式為： R=1-（1-R）

系統(tǒng)通常構(gòu)造復(fù)雜，各組件之間并非處于實(shí)質(zhì)上的串并聯(lián)關(guān)系，在必要回路無障礙連通時(shí)，即能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。因此，對于復(fù)雜系統(tǒng)，通常進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間連通概率計(jì)算，所采用的方法為最小路集法，即所有最小路徑集合，其中任意節(jié)點(diǎn)或是線段均不可缺乏。最小路集算法中每條路徑可靠性計(jì)算公式為： P（Li）=R；

其中，P（Li）為最小路徑Li連通概率；Rj（j=1，2...，m）為Li中第j個(gè)元件可靠性，所有最小路徑處于并聯(lián)關(guān)系，一條可以連通，則系統(tǒng)正常工作。因此，推導(dǎo)出系統(tǒng)可靠性公式為：R=1-（1-P（Li））；將式中相乘項(xiàng)展開得到系統(tǒng)可靠性計(jì)算公式：R=P（L）-P（LL）+P（LLL）-...+（-1）P（LL...L）。式中，P（LL）是最小路徑L和L同時(shí)連通概率，依此類推。

2.2 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法 將智能繼電保護(hù)系統(tǒng)中的傳輸介質(zhì)視為線段，各元件視為節(jié)點(diǎn)，使之作為一個(gè)連通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行最小路集法運(yùn)算。

2.2.1 智能繼電保護(hù)系統(tǒng)對時(shí)回路可靠性分析方法 對時(shí)回路相關(guān)元件可靠性是對時(shí)回路可靠性的計(jì)算依據(jù)之一，需要進(jìn)行對時(shí)的有合并單元、智能終端及保護(hù)單元等元件，加入時(shí)鐘源進(jìn)行修正后的元件可靠性計(jì)算公式為

R′=1-（1-P（L））

R′=1-（1-P（L））

R′=1-（1-P（L））

式中，R′、R′和R′表示修正后合并單元、保護(hù)單元及智能單元可靠度，p屬表示同步時(shí)鐘源到相關(guān)設(shè)備第i條最小路徑；n表示最小路徑。

2.2.2 SV回路和GOOSE回路可靠性分析方法

這兩個(gè)回路計(jì)算與對時(shí)回路有所區(qū)別，其計(jì)算公式為：

R=1-（1-P（L））

R=1-（1-P（L））

式中，R和R表示SV和GOOSE回路可靠性，P屬表示互感器、保護(hù)單元到斷路器第i條最小路徑。

2.2.3 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性計(jì)算

全套保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要SV回路和GOOSE回路同時(shí)正常工作，兩者之間的關(guān)系為串聯(lián)，其可靠性計(jì)算公式為：R=R·R

保護(hù)單元冗余配置，計(jì)算每套保護(hù)所對應(yīng)SV回路及GOOSE回路可靠性，處于并聯(lián)關(guān)系的各套保護(hù)系統(tǒng)可靠性即為全套保護(hù)系統(tǒng)可靠性，其計(jì)算公式為：R=1-（1-R）。其中，R表示第i套保護(hù)中系統(tǒng)可靠性。

可靠性計(jì)算如果通過手工進(jìn)行最小路集法計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大計(jì)算量，運(yùn)算較為復(fù)雜，通過計(jì)算機(jī)編程軟件來計(jì)算，簡化計(jì)算過程。

3 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

3.1 變壓器配置保護(hù) 變電站配電過程中，電壓額度需要限定，電壓過載或是不足，就會(huì)對電力系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，電壓調(diào)節(jié)控制功能由變壓器系統(tǒng)完成，其是變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)重要對象之一，其正常運(yùn)行是繼電保護(hù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的表現(xiàn)之一，因而是影響繼電系統(tǒng)可靠性的重要因素之一。為提升繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性，變壓器進(jìn)行配電保護(hù)過程中，進(jìn)行分布式配置，實(shí)現(xiàn)變壓器差動(dòng)功能繼電保護(hù)。而其后備裝置的繼電保護(hù)，則采用集中式配置手段以降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，避免降低保護(hù)系統(tǒng)可靠性。

3.2 過流電限定保護(hù) 智能變電站運(yùn)行中，受電流過載等外部因素影響，易出現(xiàn)外部斷路，引發(fā)電流過負(fù)荷現(xiàn)象，過負(fù)荷電流雖在電流大小上與正常電流相比沒有較明顯差距，但是容易導(dǎo)致外部故障發(fā)生時(shí)的跳閘現(xiàn)象，降低了智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性。配置中采用電壓限定延時(shí)方式，準(zhǔn)確測量各變電線路中電流量，過負(fù)荷電流現(xiàn)象一旦發(fā)生，可以及時(shí)向智能終端發(fā)出警報(bào)并由智能系統(tǒng)執(zhí)行保護(hù)命令，有效提升繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性。

3.3 繼電保護(hù)系統(tǒng)線路保護(hù) 智能化變電站中，對線路的保護(hù)采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方式，通常主要的裝置方式分為集中式和后備式，通過合理的配置，使繼電保護(hù)功能更為有效地發(fā)揮出來。該部分的保護(hù)，是繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，它控制和保護(hù)各級電壓間的間隔單元，同時(shí)完成對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測控制，是提升繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的有效方法。

4 結(jié)束語

智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具備重要作用，通過有效的方法分析其可靠性，采取科學(xué)合理的系統(tǒng)配置手段，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，有效保護(hù)系統(tǒng)重點(diǎn)部位，以保證繼電保護(hù)系統(tǒng)安全可靠，促進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)工作順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：付洪偉（1981-），男，國網(wǎng)冀北電力有限公司遷西縣分公司，助理工程師，本科，研究方向：繼電保護(hù)及變電站運(yùn)維檢修。