繼電保護可靠性及其風險評估

作者/陳大華，海南電網(wǎng)有限責任公司

繼電保護可靠性及其風險評估

作者/陳大華，海南電網(wǎng)有限責任公司

繼電保護系統(tǒng)是保障電網(wǎng)安全的第一道防線，其可靠運行對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有著重要意義。針對繼電保護的可靠性及其風險評估，本文分析了繼電保護可靠性定義及其指標，可靠性評估模型及求解以及繼電保護風險評估。

電網(wǎng)安全；繼電保護；可靠性；風險評估

引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運行效率不斷提高，與此同時，運行的復(fù)雜性和不確定性也在增加。在此背景下，電力系統(tǒng)對二次自動裝置的要求也在不斷提高。繼電保護系統(tǒng)是保障電網(wǎng)安全的第一道防線，但其不正確動作也是觸發(fā)或加速系統(tǒng)擾動的重要因素之一。繼電保護系統(tǒng)的某些故障或缺陷，如控制電路、絕緣、工作電源等硬件缺陷，或者接線、不合理定值、本身設(shè)計等[1]人為失誤，在線路故障或者電網(wǎng)擾動較大時，可能會導(dǎo)致繼電保護設(shè)備不正確動作，引起輸送功率損失，甚至導(dǎo)致連鎖故障，引起大范圍停電的嚴重后果。

繼電保護是根據(jù)監(jiān)測值來進行故障判斷，并自動進行保護動作，所以存在一定的安全風險，一旦判斷失誤，執(zhí)行了錯誤的保護操作，極易引發(fā)嚴重的電力事故。為此，對繼電保護進行必要的風險評估，提高其可靠性，對保障電網(wǎng)安全運行具有重要意義。

1.繼電保護可靠性及其指標

■1.1 繼電保護可靠性

關(guān)于繼電保護可靠性定義，我國的《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》GB/T 14285-2006的解釋是“保護該動作時應(yīng)動作，不該動作時不動作”，通常也稱為不拒動且不誤動。國外對繼電保護可靠性研究主要圍繞可依賴性和安全性[2]。根據(jù)IEEE標準IEEE Std. C37.2-2008，可依賴性是指保護或保護系統(tǒng)能夠正確動作，也即當在其保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時繼電器能夠發(fā)出跳鬧信號；安全性是指保護或保護系統(tǒng)不會發(fā)生無選擇性動作，也即當在被保護對象無故障、區(qū)外故障或異常運行時不會誤動。

■1.2 繼電保護可靠性指標

繼電保護可靠性指標是可靠性評估體系中的基本因素，大致可以分為以下幾類[3]：

(1)概率表示。如可靠性的典型定義即表述為“一個元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率”。

(2)時間表示。如平均故障前時間MTTF。即從幵始使用到發(fā)生故障的平均時間；故障間平均時間MTBF等。

(3)頻率表示。如正確動作率，即在一定期限內(nèi)被統(tǒng)計的可修復(fù)元件、設(shè)備或系統(tǒng)正確動作的次數(shù)與總動作次數(shù)之比。

此外，建立繼電保護可靠性指標的時候不僅要將繼電保護裝置自身功能考慮在內(nèi)，還要將繼電保護裝置的特定應(yīng)用條件以及環(huán)境條件反映出來。

2.繼電保護可靠性評估模型及求解

在保護可靠性評估建模及指標求解方面，系統(tǒng)級與裝置級采用的思路相似，主要有解析法和模擬法兩大類。解析法主要根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和元件的功能以及兩者之間的邏輯關(guān)系，建立可靠性概率模型[4],通過遞推或迭代等過程精確求解模型，從而計算出系統(tǒng)的可靠性指標。其優(yōu)點是物理概念清晰，模型精度高，但缺點是其計算量隨系統(tǒng)規(guī)模的增大而急劇增大。模擬法是通過對概率分布采樣來進行狀態(tài)的選擇和估計，是利用統(tǒng)計學(xué)的方法得到可靠性指標，包括蒙特卡羅模擬法等。模擬法比較直觀，但它具有明顯的統(tǒng)計性質(zhì)，且計算時間和計算精度緊密相關(guān)。

目前保護可靠性評估中廣泛采用的還是解析法，如Markov模型法[5]、故障樹法[6]等。故障樹法是以系統(tǒng)故障模式為出發(fā)點，以瞬間照相的方式進行演繹推理，通常需要先求出最小割集，然后通過最小割集的概率計算得出系統(tǒng)頂事件的概率。Markov模型法首先定義保護系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移空間圖，基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移空間圖，建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移密度矩陣，進而形成狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，求解狀態(tài)轉(zhuǎn)移密度矩陣和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣的線性方程，即可計算出系統(tǒng)各狀態(tài)的平穩(wěn)概率。

此外，在建立繼電保護可靠性模型時，還應(yīng)考慮繼電保護的隱性故障，提高可靠性模型的準確性。

3.繼電保護風險評估

起步較早的電力系統(tǒng)可靠性研究在國內(nèi)外大致經(jīng)歷了3個階段：確定性評估、概率評估和風險評估。其中，確定性評估注重對最嚴重事故的研究，如“N-1”安全分析，略顯保守；概率評估考慮了事故發(fā)生的概率，但并未考慮其造成的后果，因此容易忽視那些發(fā)生概率很小但后果嚴重的事件；風險評估綜合考慮了事故發(fā)生的概率及其產(chǎn)生的后果，能定量反映除概率以外的其它安全指標，是確定性分析方法和概率分析方法的延伸。在繼電保護可靠性研究中，確定性分析和概率分析方法已被普遍釆用，但風險分析仍然寥寥可數(shù)。

在電力系統(tǒng)運行風險評估中，由于對保護系統(tǒng)的可靠性模型欠缺考慮，因此影響了評估的效果。為提高電力系統(tǒng)風險評估的準確程度和保護系統(tǒng)本身風險評估的水平，應(yīng)該突破一次系統(tǒng)元件的范疇，建立涵蓋一、二次系統(tǒng)的保護風險評估模型。電力系統(tǒng)安全度和充裕度的概念也應(yīng)合理延伸至保護系統(tǒng)可靠性研究領(lǐng)域。目前在保護可靠性研究領(lǐng)域，諸如正確動作率、誤動率和拒動率等指標均是從保護動作失效后果統(tǒng)計的層面來反映繼電保護整體的長期可靠性，而對于繼電保護系統(tǒng)短期的動態(tài)可靠性考慮不夠。因為沒有計及繼電保護實際運行環(huán)境對其的影響，難以有效反映系統(tǒng)方式變化時繼電保護的實際風險。少數(shù)文獻闡述了距離保護、特殊保護系統(tǒng)(Special Protection System, SPS)的風險計算方法，但更注重保護失效概率的計算，風險評估的流程仍需改進。

概括起來，繼電保護風險評估還需進一步深入研究，例如：（1）保護風險評估的數(shù)學(xué)模型方面應(yīng)盡可能準確地反映保護特性和實際的運行風險。（2）在評估流程上，應(yīng)考慮繼電保護動作的時序特性，例如不同保護、同一保護不同階段可能發(fā)生拒動和誤動情況，以及繼電保護動作后潮流轉(zhuǎn)移引起的連鎖跳鬧等。

4.結(jié)論

繼電保護是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行關(guān)鍵所在，其存在拒動和誤動的風險。因此，需要建立科學(xué)和全面的繼電保護風險評估和可靠性評估模型，從設(shè)備、技術(shù)、管理等方面對繼電保護系統(tǒng)進行整體及細節(jié)的提升，進一步加強保護可靠性及運行水平，保障電網(wǎng)安全可靠運行的作用。

＊ [1]冉小康.電力系統(tǒng)中繼電保護事故原因分析及處理技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（3）：164.

＊ [2]戴志輝.繼電保護可靠性及其風險評估研究[D].華北電力大學(xué)，2012.

＊ [3]孫福壽.復(fù)雜廠區(qū)電網(wǎng)繼電保護智能化與可靠性研究[D].浙江大學(xué)，2006.

＊ [4]張沛.基于概率的可靠性評估方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2005，29（4）：92—96.

＊ [5]Anderson P M. Chintaluri G M，Magbuhat S M, and Ghajar R F. An improved reliability model for redundant protective system—Markov models [J]. IEEE Transactions on Power Syste ms，1997，12(2)： 573—578.

＊ [6]Castro L R，Crossley P A. Reliability evaluation of substati on control System [J]. IEE Proceedings—Generation, Transmissi on and Distribution, 1999，146(6)： 626—632.