智能變電站集中式站域保護系統(tǒng)的可靠性分析

劉海峰 ，肖 繁 ，趙永生，曹力行 ，張 哲，尹項根

（1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.華中科技大學(xué) 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

傳統(tǒng)繼電保護一般采用按間隔分散配置的方式，其可利用的信息有限，使得保護性能的改善受到制約；此外還存在設(shè)備硬件重復(fù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地空間大、成本高等諸多問題。近年來，隨著通信和計算機技術(shù)的發(fā)展，以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實施，以二次系統(tǒng)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化為主要特征的智能變電站受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注［1-3］，并已步入工程化應(yīng)用的快速發(fā)展階段。智能變電站二次系統(tǒng)的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化以及信息易于共享的獨特優(yōu)勢，極大地促進了繼電保護技術(shù)的發(fā)展。其中，基于全站信息的集中式站域保護系統(tǒng)研究受到了高度重視。與傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)相比，站域保護可以獲得更多的故障特征信息，不僅有助于解決傳統(tǒng)繼電保護存在的問題，而且通過合理的集成設(shè)計，可有效降低投資成本和簡化保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進而提高運行維護管理水平。

繼電保護承擔(dān)著保證電力設(shè)備運行安全以及電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重任，要求具有高度的可靠性。站域保護作為一種新型保護系統(tǒng)，其構(gòu)建模式與分散獨立設(shè)置的傳統(tǒng)保護系統(tǒng)存在較大差異，特別是站域保護對各間隔保護功能進行了集成化設(shè)計，對其運行的可靠性提出了更高要求。因此，站域保護可靠性分析和評估是其工程化應(yīng)用中亟待解決的重要問題。目前，針對保護系統(tǒng)的可靠性分析開展了多方面的研究工作：文獻［4］對傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)進行了可靠性評估，并對繼電保護系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行了比較；文獻［5］對基于集中備用和交叉?zhèn)溆玫臄?shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的2種冗余結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟性進行了評估；文獻［6］提出了一種求解復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的最小割集方法；文獻［7］基于概率行為樹對保護系統(tǒng)的可靠性進行了分析評估。文獻［8］提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繼電保護裝置的可靠性評估方法；文獻［9］提出以動態(tài)故障樹法評估通信系統(tǒng)的可靠性。但以上分析主要針對的是分散獨立配置的保護裝置，并不適用于基于站域信息的集中式站域保護系統(tǒng)。

本文根據(jù)站域保護的結(jié)構(gòu)和運行特點，建立了站域保護系統(tǒng)的可靠性分析模型和評估指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種利用故障樹與蒙特卡羅法進行聯(lián)合求解的可靠性計算方法，綜合考慮了通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、集中式保護系統(tǒng)的動作特征和容錯性能，以及各元件的失效和修復(fù)過程。以實際工程為例，采用所提方法對站域保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進行了分析計算，并與傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進行了對比研究，為站域保護系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供參考。

1 集中式站域保護系統(tǒng)構(gòu)建模式

所謂集中式站域保護是指綜合利用變電站全站數(shù)據(jù)信息，將站內(nèi)各保護功能進行整合集成的新型保護系統(tǒng)，以實現(xiàn)簡化保護配置和改善現(xiàn)有保護性能的目的。集中式站域保護主要應(yīng)用于110 kV及以下電壓等級的變電站，通過站域信息共享，進行保護集中決策判斷和跳閘控制，統(tǒng)一實現(xiàn)各間隔主保護、后備保護和母線保護功能。由于集中式站域保護需要獲取各間隔的電氣量和開關(guān)量信息進行故障的檢測判斷，并完成各間隔開關(guān)的操作控制，因此，站域保護系統(tǒng)一般采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的構(gòu)建模式。同時，為了保證保護系統(tǒng)所需的高度可靠性，并便于運行維護，過程層網(wǎng)絡(luò)采用雙星型冗余結(jié)構(gòu)，站域保護裝置采用雙重化配置方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)《智能變電站繼電保護系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》［2］相關(guān)設(shè)計要求，采樣值（SV）網(wǎng)和面向變電站的通用對象事件（GOOSE）網(wǎng)獨立組網(wǎng)，單臺交換機連接2個及以上的間隔。在下文的分析中，單臺間隔層交換機按連接2個間隔考慮。由于集中式站域保護的構(gòu)建模式與按間隔分散獨立配置的傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的構(gòu)建模式存在較大差異，特別是將各間隔保護功能進行集成化設(shè)計，其可靠性評估更為復(fù)雜，需采用不同的分析方法。

圖1 集中式站域保護網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology of centralized substation protection

2 站域保護系統(tǒng)可靠性模型

2.1 站域保護子系統(tǒng)分類

由于站域保護系統(tǒng)由多個不同組件構(gòu)成，為不失一般性且方便計算，在可靠性分析中，將保護系統(tǒng)分為采樣子系統(tǒng)、跳閘子系統(tǒng)、保護裝置子系統(tǒng)和對時子系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，其模型統(tǒng)一框架如圖2所示。

圖2 站域保護系統(tǒng)統(tǒng)一框架Fig.2 Unified framework of centralized substation protection system

采樣子系統(tǒng)可靠性表示SV信息從合并單元（MU）經(jīng)SV通信網(wǎng)絡(luò)至保護裝置入口的可靠性；跳閘子系統(tǒng)可靠性表示保護信息從保護裝置出口經(jīng)GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)至智能終端（ST）的可靠性；保護裝置子系統(tǒng)可靠性表示站域保護裝置本體的可靠性；對時子系統(tǒng)可靠性表示同步時鐘和對時鏈路的可靠性。鑒于對時子系統(tǒng)對站域保護的影響主要體現(xiàn)在采樣同步性方面，在實際可靠性分析中，可只考慮其對MU采樣同步的影響。

2.2 站域保護系統(tǒng)整體可靠性模型

由于站域保護系統(tǒng)包含較多的二次組件和復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文將利用故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)建立站域保護系統(tǒng)的可靠性分析模型。故障樹是一種圖示模型，利用各種邏輯門來反映系統(tǒng)與組件的因果關(guān)系，即從頂事件出發(fā)，通過中間事件到各有關(guān)的基本事件有機地連成一棵倒置的事件樹。根據(jù)事件樹，可進一步建立整個系統(tǒng)的可靠性分析模型。

2.2.1 采樣子系統(tǒng)和跳閘子系統(tǒng)

采樣子系統(tǒng)失效和跳閘子系統(tǒng)失效均將導(dǎo)致站域保護系統(tǒng)失效。保護的失效包括誤動失效和拒動失效2類特性，因此采樣子系統(tǒng)和跳閘子系統(tǒng)的可靠性分析也需分別考慮誤動可靠性和拒動可靠性。其中，導(dǎo)致采樣子系統(tǒng)誤動的原因包括SV網(wǎng)絡(luò)正常情況下MU誤動；采樣子系統(tǒng)拒動的原因包括MU拒動和SV網(wǎng)絡(luò)故障。采樣子系統(tǒng)的誤動失效和拒動失效的可靠性模型如圖3所示。在圖3中， 表示失效基本事件；表示中間事件；MU11表示MU1失效引起的誤動事件；MU21表示MU1失效引起的拒動事件，其他元件失效造成的誤動事件和拒動事件的表征方法類似。

圖3 采樣子系統(tǒng)可靠性模型Fig.3 Reliability models of sampling subsystem

站域保護可獲取全站各間隔電氣量信息，因此具有一定的信息冗余度，通過合理的設(shè)計有助于改善在某間隔信息缺失或錯誤情況下的繼電保護性能，這也是站域保護相較于傳統(tǒng)保護的一大優(yōu)點，在這方面已開展了相關(guān)的研究工作。例如，當(dāng)一組電壓互感器（TV）斷線或SV失效，可由另一組TV的SV代替，無需閉鎖保護；在變電站正常運行條件下某間隔的電流互感器（TA）采樣信息發(fā)生錯誤時，可以結(jié)合其他線路的TA采樣信息，通過基爾霍夫定律檢測出該間隔的SV錯誤，并用由基爾霍夫定律得到的計算值代替該間隔的SV，從而使得站域保護做出正確的決策。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，且單間隔SV錯誤時，也可通過相關(guān)處理措施，保證保護動作的正確性［15-17］。因此，采樣子系統(tǒng)的可靠性模型可采用表決門實現(xiàn)，如圖3所示，X/N表決門表示保護系統(tǒng)在 N個MU信息中有X及以上個MU信息錯誤時，采樣子系統(tǒng)不能正常工作。對于站域保護，由于任意1條線路信息錯誤或缺失，一般不影響保護系統(tǒng)的正常決策，因此，取X=2。

跳閘子系統(tǒng)的誤動失效為ST誤動失效。跳閘子系統(tǒng)拒動失效分為2種情況：GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)故障；ST拒動失效。因此，跳閘子系統(tǒng)的可靠性模型可用圖4表示。

圖4 跳閘子系統(tǒng)可靠性模型Fig.4 Reliability models of tripping subsystem

2.2.2 通信子系統(tǒng)

SV網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)的可靠性通過建立網(wǎng)絡(luò)的最小路集進行評估。網(wǎng)絡(luò)中能使源宿點連通的一組鏈路的集合稱為網(wǎng)絡(luò)的一個路集，如果某個路集中任意1條鏈路發(fā)生故障就會造成源宿點不能連通，則此路集是一個最小路集。最小路集中任一組件失效則此路集失效，所有最小路集失效，則該通信網(wǎng)絡(luò)失效。由交換機和光纖元件的失效機理可知，通信子系統(tǒng)故障即為拒動失效。因此，假設(shè)某一通信網(wǎng)絡(luò)的最小路集為個數(shù)為n，則該通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型如圖5所示，其中SW、FI分別表示交換機和光纖。

圖5 通信網(wǎng)絡(luò)可靠性模型Fig.5 Reliability model of communication subsystem

2.2.3 保護裝置子系統(tǒng)

站域保護系統(tǒng)的保護本體裝置包括電源供應(yīng)元件（PSU）、通信功能元件（CU）、保護裝置內(nèi)的中央處理器（CPU）、存儲器功能元件（MEM）［11］4 類主要功能元件。依照保護裝置硬件系統(tǒng)的構(gòu)成特點，建立保護裝置誤動和拒動可靠性模型，如圖6所示。

圖6中QD表示啟動元件，ACT表示保護算法，二者與保護原理有關(guān)。保護裝置為雙重化配置，則保護裝置子系統(tǒng)只需任意1套保護裝置誤動則誤動失效，而保護裝置子系統(tǒng)拒動失效則需2套保護裝置同時拒動。在分析時，假設(shè)各模塊誤動失效和拒動失效率各占模塊失效率的50%。

圖6 保護裝置可靠性模型Fig.6 Reliability models of protection device

2.2.4 對時子系統(tǒng)

目前，智能變電站采用的對時方式主要有B碼對時和IEEE1588對時［22-24］，而B碼對時又可進一步分為單時鐘單鏈路、雙時鐘（主、備用時鐘）單鏈路和雙時鐘雙鏈路等不同模式，其中單時鐘單鏈路結(jié)構(gòu)由于其可靠性較低，一般不適用于網(wǎng)采方式的站域保護。因此，主要針對雙時鐘單鏈路和雙時鐘雙鏈路的B碼對時方式，分析其對站域保護可靠性的影響。

對時系統(tǒng)故障會使得MU采樣失步，一般處理措施是閉鎖相關(guān)保護，即對時系統(tǒng)故障不會造成站域保護誤動，但可能導(dǎo)致站域保護部分功能或全部功能失效而發(fā)生拒動。下面以最嚴(yán)重的站域保護全部功能拒動失效為例，分別建立對時系統(tǒng)在雙時鐘單鏈路和雙時鐘雙鏈路2種模式下的可靠性模型，如圖7所示。圖中，TS表示同步時鐘。

圖7 對時子系統(tǒng)的可靠性模型Fig.7 Reliability models of synchronous subsystem

對于站域保護系統(tǒng)的整體可靠性而言，對時系統(tǒng)故障將導(dǎo)致MU采樣失步，此時，站域保護將直接閉鎖，即站域保護系統(tǒng)發(fā)生拒動失效。因此，可以將對時系統(tǒng)失效事件直接等效為站域保護發(fā)生拒動失效事件。對于站域保護系統(tǒng)在間隔的等效可靠性而言，對時系統(tǒng)失效將導(dǎo)致整個站域保護系統(tǒng)拒動失效，則站域保護系統(tǒng)在該間隔也將拒動失效。因此，可將對時系統(tǒng)失效等效為站域保護系統(tǒng)在間隔的等效拒動失效。

2.2.5 站域保護系統(tǒng)整體可靠性模型

根據(jù)以上各子系統(tǒng)的可靠性模型（3個及以上元件同時失效的概率不予考慮），可得保護系統(tǒng)整體可靠性模型如圖8所示。

圖8 集中式站域保護系統(tǒng)的整體可靠性模型Fig.8 Overall reliability model of centralized substation protection system

如圖8所示，保護系統(tǒng)誤動失效考慮了以下2個方面。

a.采樣子系統(tǒng)或保護裝置子系統(tǒng)誤動失效。當(dāng)跳閘子系統(tǒng)工作正常，而保護裝置子系統(tǒng)或采樣子系統(tǒng)誤動失效時，保護系統(tǒng)誤動失效。

b.跳閘子系統(tǒng)誤動失效導(dǎo)致保護系統(tǒng)誤動失效。保護系統(tǒng)拒動失效可能的原因包括：采樣子系統(tǒng)拒動失效、跳閘子系統(tǒng)拒動失效、保護裝置子系統(tǒng)拒動失效、對時子系統(tǒng)失效4個方面。在其他條件正常的情況下，這4個方面中任何一方面發(fā)生，則保護系統(tǒng)拒動失效。

2.3 站域保護單間隔等效可靠性分析模型

站域保護系統(tǒng)作為集中式保護，對各間隔保護進行了集成化設(shè)計，上述可靠性體現(xiàn)的是涵蓋所有間隔保護的整體可靠性，不能直接反映單間隔保護的可靠性水平。為比較集中式站域保護系統(tǒng)與傳統(tǒng)按間隔獨立配置保護系統(tǒng)之間的可靠性差異，建立站域保護系統(tǒng)單間隔的等效可靠性分析模型，以便實現(xiàn)站域保護系統(tǒng)在單間隔的可靠性評估。

由圖2可知，站域保護系統(tǒng)在第k個間隔的動作指令流向為采樣子系統(tǒng)、保護裝置子系統(tǒng)、GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)和第k個ST。因此，站域保護系統(tǒng)在第k個間隔等效誤動失效包括：

a.第k個ST發(fā)生誤動；

b.第k個ST與GOOSE網(wǎng)絡(luò)正常，站域保護裝置子系統(tǒng)誤動；

c.第k個ST、GOOSE網(wǎng)絡(luò)、保護裝置子系統(tǒng)均正常，采樣子系統(tǒng)誤動。

其中，站域保護裝置子系統(tǒng)失效誤動的情況較復(fù)雜，可能導(dǎo)致單間隔開關(guān)跳閘或多間隔開關(guān)跳閘，本文分析時考慮最嚴(yán)重情況，即一旦保護裝置誤動失效，將造成所有間隔開關(guān)誤跳。

與保護裝置誤動失效類似，采樣子系統(tǒng)誤動失效也可能造成單間隔誤跳（誤判某間隔保護動作）或多間隔誤跳（誤判母線故障）。鑒于在集中式站域保護設(shè)計中，為降低保護裝置誤動造成全站誤跳的風(fēng)險，在軟件決策設(shè)計時，通常采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，如單間隔保護和母線保護同時動作時，優(yōu)先跳單間隔保護，或閉鎖母線保護等。因此，在采樣子系統(tǒng)誤動失效分析中，以某一時刻的故障率為例，可近似假設(shè)其導(dǎo)致單間隔誤動的概率與導(dǎo)致多間隔誤動的概率相等。如若變電站間隔數(shù)為N個，保護采樣子系統(tǒng)誤動失效概率為Pw，則采樣子系統(tǒng)直接導(dǎo)致間隔開關(guān)元件誤動失效的概率為Pw/（N+1）；同時，當(dāng)采樣子系統(tǒng)失效導(dǎo)致母線誤動時，同樣將影響間隔的可靠性。因此，采樣子系統(tǒng)誤動失效導(dǎo)致間隔誤動失效的概率為 2Pw/（N+1）。

站域保護系統(tǒng)在第k個間隔等效拒動失效包括采樣子系統(tǒng)拒動失效、保護裝置子系統(tǒng)拒動失效、GOOSE網(wǎng)絡(luò)失效、第k個ST拒動失效和對時子系統(tǒng)失效。

根據(jù)以上分析，站域保護系統(tǒng)在第k個間隔的等效可靠性模型可用圖9表征。

圖9 集中式站域保護單間隔等效可靠性模型Fig.9 Equivalent single-bay reliability models of centralized substation protection

3 站域保護系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和計算方法

3.1 站域保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

繼電保護系統(tǒng)屬于可修復(fù)系統(tǒng)，其可靠性分析包括失效率λ和修復(fù)率μ這2個最基本指標(biāo)［12］。鑒于保護系統(tǒng)存在拒動與誤動失效2種不同性質(zhì)的失效模型，因此系統(tǒng)中每個元件均定義保護誤動失效率λw和保護拒動失效率λj。繼電保護可靠性分析中，通常假定各元件的可靠度函數(shù)和維修度函數(shù)服從指數(shù)分布，于是可得元件的平均無故障工作時間（MTBF）為 tMTBF=1 /λ，其平均修復(fù)時間 tMTTR=1 /μ。同時，根據(jù)繼電保護系統(tǒng)具有拒動和誤動2類失效特征，定義繼電保護系統(tǒng)的誤動平均無故障工作時間為twMTBF，拒動平均無故障工作時間為tjMTBF。

3.2 站域保護系統(tǒng)可靠性計算方法

站域保護系統(tǒng)的可靠性分析分為誤動可靠性分析和拒動可靠性分析兩部分，且包含整體可靠性和單間隔等效可靠性兩方面。站域保護的可靠性分析流程如圖10所示。

圖10 集中式站域保護系統(tǒng)可靠性分析流程圖Fig.10 Flowchart of reliability evaluation for centralized substation protection system

基于故障樹建立的可靠性模型主要反映站域保護系統(tǒng)的靜態(tài)邏輯，難以準(zhǔn)確體現(xiàn)系統(tǒng)的修復(fù)性能［12］。站域保護系統(tǒng)為可修復(fù)系統(tǒng)，對其直接進行解析分析一般可采用馬爾科夫狀態(tài)空間方法，但由于站域保護系統(tǒng)元件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其馬爾科夫模型存在狀態(tài)組合空間爆炸而無法求解的問題［13］。序貫蒙特卡羅法［14］可以仿真系統(tǒng)元件故障、運行的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程和時序變化因素對系統(tǒng)的影響，可得到相應(yīng)的具有時序特性的可靠性指標(biāo)。因此，本文采用基于故障樹的蒙特卡羅仿真方法對站域保護系統(tǒng)的可靠性進行分析評估。

采用序貫蒙特卡羅仿真系統(tǒng)狀態(tài)的過程中，通過產(chǎn)生的隨機數(shù)和元件的故障及修復(fù)參數(shù)的概率分布函數(shù)可以確定各元件的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程（運行時間和故障時間），從而由各元件的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程導(dǎo)出系統(tǒng)的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。序貫概率仿真中，對元件的誤動失效和修復(fù)狀態(tài)以及拒動失效和修復(fù)狀態(tài)依次抽樣進行仿真。假定元件的無故障工作時間和維修時間是t和t′，且均服從負(fù)指數(shù)分布的隨機變量，則t和t′的值按式（1）進行抽樣。

其中，ε1、ε2為［0，1］上均勻分布的隨機數(shù)；λ、μ 分別為序貫蒙特卡羅算法中元件失效率和修復(fù)率參數(shù)。

基于故障樹的序貫蒙特卡羅仿真流程如下：

a.輸入各元件數(shù)據(jù)，形成系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，確定系統(tǒng)的初始狀態(tài)（一般假設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為所有元件都正常運行）；

b.確定仿真最大時間和仿真步長；

c.在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，參照式（1）采用序貫蒙特卡羅法，根據(jù)元件的故障率和修復(fù)率仿真系統(tǒng)各元件在仿真最大時間內(nèi)的時序狀態(tài)變化過程；

d.根據(jù)元件的狀態(tài)變化過程導(dǎo)出系統(tǒng)在最大仿真時間內(nèi)的狀態(tài)變化過程；

e.仿真多次后，求仿真結(jié)果平均值，計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

4 仿真結(jié)果比較

根據(jù)建立的站域保護系統(tǒng)可靠性模型及間隔等效可靠性模型，通過序貫蒙特卡羅方法對圖1中的站域保護系統(tǒng)的整體可靠性指標(biāo)與站域保護系統(tǒng)在單間隔的等效可靠性指標(biāo)進行仿真計算。由于站域保護裝置的基本結(jié)構(gòu)與微機保護裝置類同，故其故障率按照微機保護裝置的故障率進行取值；而其他相關(guān)組件，如MU、交換機、ST等元件的故障率參數(shù)則按照國家電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定。

a.綜合考慮保護實際運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定保護裝置硬件部件無故障工作時間服從單參數(shù)指數(shù)分布［13］，各部件的失效率為：λCPU=36.738×10-6h-1；λCU=22.562 × 10-6h-1；λMEM=36.738 × 10-6h-1；λPSU=11.4 ×10-6h-1；λQD=7 × 10-6h-1；軟件失效率 λsf=7.504 ×10-6h-1；人員失效率 λhm=7.2×10-7h-1。

b.變電站內(nèi)部分IED和通信網(wǎng)絡(luò)各元件的平均無故障時間和失效率如表1所示［18-20］。

表1 集中式站域保護系統(tǒng)各元件失效率Table1 Component failure rates of centralized substation protection system

c.假設(shè)保護系統(tǒng)各元件與通信子系統(tǒng)中光纖元件的平均修復(fù)時間tMTTR為24 h。

d.根據(jù)南方電網(wǎng)變電站時間同步系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［21］：同步時鐘的平均無故障時間取為 25000 h，其平均修復(fù)時間為0.5 h。

e.假定變電站的間隔個數(shù)為5個，仿真最大時間為1000000 h，多次循環(huán)，取各可靠性指標(biāo)的平均值。

4.1 集中式站域保護系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

集中式站域保護系統(tǒng)失效的原因包括采樣子系統(tǒng)失效、保護裝置子系統(tǒng)失效和跳閘子系統(tǒng)失效。根據(jù)各子系統(tǒng)的可靠性模型，通過蒙特卡羅方法多次仿真取平均值，得到集中式站域保護系統(tǒng)的誤動、拒動和整體（全站）的平均無故障時間和失效率如表2所示。

表2 集中式站域保護的平均無故障時間和失效率Table 2 MTBF and failure rate of centralized substation protection system

從表2可以看出，在不考慮時鐘影響的情況下，集中式站域保護系統(tǒng)的誤動平均無故障時間大于拒動平均無故障時間。這是因為站域保護系統(tǒng)保護裝置為雙重化配置，且保護的邏輯出口為或門，只有2套保護裝置同時拒動，才會使站域保護系統(tǒng)拒動失效。此外，站域保護系統(tǒng)具有一定的容錯功能，單一間隔失效不影響保護系統(tǒng)動作正確性。其中，本文在2套保護裝置誤動失效時，取最惡劣的情況進行分析，即令所有間隔均誤動失效。實際上，由于站域保護系統(tǒng)具有閉鎖功能，2套保護裝置誤動將不會導(dǎo)致變電站所有間隔均發(fā)生誤動失效，實際誤動失效率應(yīng)低于理論值。此外，考慮對時系統(tǒng)對站域保護系統(tǒng)可靠性的影響時，站域保護系統(tǒng)的拒動失效率將高于誤動失效率，這是因為保護系統(tǒng)發(fā)生同步失效時，將直接導(dǎo)致站域保護閉鎖，即站域保護系統(tǒng)發(fā)生拒動失效，由此可見對時系統(tǒng)是影響站域保護系統(tǒng)可靠性的重要因素。同時，由表2可以看出，對時系統(tǒng)配置雙鏈路的組網(wǎng)方式，能有效提高站域保護系統(tǒng)的可靠性。

4.2 集中式站域保護與傳統(tǒng)保護可靠性比較

根據(jù)2.3節(jié)建立的集中式站域保護系統(tǒng)單間隔等效可靠性模型，通過蒙特卡羅仿真方法計算其可靠性指標(biāo)，并與傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)進行比較。其中，傳統(tǒng)繼電保護采用典型的單重化配置方案，即各間隔保護由單套MU、ST、光纖通信和保護裝置單元構(gòu)成。表3和表4分別為傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)和站域保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)計算結(jié)果。

表3 傳統(tǒng)保護系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Table 3 Reliability indexes of traditional protection system

表4 集中式站域保護系統(tǒng)單間隔等效可靠性指標(biāo)Table 4 Equivalent single-bay reliability indexes of centralized substation protection system

從表3可以得出，傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)的誤動失效概率小于拒動失效率，這是因為傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)的光纖元件故障將導(dǎo)致MU與保護裝置的誤動信息傳送失效，這有效減小了保護系統(tǒng)的誤動失效率；同時，保護裝置誤動失效率也小于保護裝置拒動失效率。

從表3和表4對比可以得出：在對時系統(tǒng)采用雙時鐘雙鏈路的對時方式時，集中式站域保護系統(tǒng)單間隔的等效防拒動性能和防誤動性能均優(yōu)于傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)。站域保護防誤動性能提升的主要原因在于，雖然集中式站域保護系統(tǒng)的保護裝置為雙重化冗余，邏輯出口為或門，任一保護動作將使保護系統(tǒng)動作，使保護系統(tǒng)誤動可能性增加，但集中式站域保護系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護系統(tǒng)相比具有一定的容錯性能，單一間隔的信息錯誤不影響保護系統(tǒng)動作的正確性，這在很大程度上減小了MU誤動失效對保護系統(tǒng)的影響，有效提高了集中式站域保護系統(tǒng)的防誤動性能。計算結(jié)果表明，站域保護系統(tǒng)的容錯功能對保護系統(tǒng)誤動失效的影響比保護裝置雙重化冗余對保護系統(tǒng)誤動失效的影響更為明顯。站域保護與傳統(tǒng)保護相比，其更突出的優(yōu)點是防拒動能力得到了顯著改善。主要原因是：一方面集中式站域保護系統(tǒng)具有容錯功能，而2個及以上間隔同時發(fā)生信息錯誤的概率極低，因此單間隔MU拒動失效不影響集中式站域保護系統(tǒng)正常動作；另一方面，集中式站域保護系統(tǒng)的保護裝置、通信網(wǎng)絡(luò)以及對時系統(tǒng)均采用雙重化配置方式，較傳統(tǒng)保護的單重化配置相比，其防拒動能力明顯增強。

需要指出的是，表2和表4的分析結(jié)果表明，對時系統(tǒng)可靠性對站域保護的整體可靠性有較大影響。在實際應(yīng)用中，站域保護除可采用B碼對時方式外，也可采用IEEE1588對時方式，而后者是依附于智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的對時方式，其精確時鐘同步協(xié)議（PTP）時鐘同步網(wǎng)可在一定時間內(nèi)實現(xiàn)各節(jié)點的互備授時，特別是采用冗余設(shè)計的PTP時鐘同步網(wǎng)［25］，能有效減小因根時鐘或通信網(wǎng)絡(luò)故障對變電站時間同步的影響。因此，相較于B碼對時，IEEE1588對時方式有其獨特優(yōu)勢，有助于進一步提高站域保護系統(tǒng)的整體可靠性。

綜上，集中式站域保護系統(tǒng)采用冗余化設(shè)計等技術(shù)措施，防誤動和防拒動的能力均優(yōu)于傳統(tǒng)按間隔獨立配置的保護方式，具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

本文根據(jù)智能變電站集中式站域保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，將保護系統(tǒng)分解成采樣子系統(tǒng)、保護裝置子系統(tǒng)、跳閘子系統(tǒng)和對時子系統(tǒng)，分別建立了各子系統(tǒng)以及站域保護整體可靠性分析模型。所提出的可靠性分析模型可較全面地反映站域保護系統(tǒng)的容錯功能，以及冗余、修復(fù)等相關(guān)特性。此外，為方便與傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的可靠性進行比較，根據(jù)站域保護系統(tǒng)在各間隔的失效動作機制，建立了其間隔等效可靠性模型。在上述理論研究的基礎(chǔ)上，利用蒙特卡羅仿真方法，對集中式站域保護和傳統(tǒng)保護的可靠性指標(biāo)進行了仿真對比分析。結(jié)果表明，集中式站域保護系統(tǒng)由于保護裝置、通信網(wǎng)絡(luò)以及對時系統(tǒng)采用冗余配置，且具有良好的信息容錯性能，其防拒動與防誤動能力均優(yōu)于傳統(tǒng)按間隔獨立配置的保護系統(tǒng)，可較好地滿足工程應(yīng)用要求。

同時，本文提出的可靠性計算方法也可用于分析影響繼電保護系統(tǒng)整體可靠性的主要因素，以便有針對性地采取相應(yīng)措施，提高保護系統(tǒng)的可靠性。

需要指出的是，集中式站域保護較之常規(guī)的間隔保護，間隔的獨立性受到一定影響，其檢修和運維方式與單間隔保護相比存在較大差異，進而可能對保護系統(tǒng)的可靠性帶來一定影響，相關(guān)研究工作還有待進一步深入。

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