基于故障樹分析法的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析

王尚成

【摘要】隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越復雜，電力系統(tǒng)可靠性問題受到越來越多的關(guān)注。電力系統(tǒng)其二次系統(tǒng)中繼電保護的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行。文中分析了繼電保護系統(tǒng)硬件和軟件的失效因素，運用故障樹分析法對電力繼電保護系統(tǒng)可靠性進行分析，通過建立模型，并運用于具體算例，得出分析結(jié)果：運用故障樹分析法對電力繼電保護系統(tǒng)的可靠性進行分析是可行的，并且是準確的。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng);可靠性;故障樹;繼電保護

1.引言

目前，國內(nèi)外關(guān)于各類機組、變壓器、電網(wǎng)等電力系統(tǒng)一次設(shè)備的可靠性研究已逐步走向成熟。電力系統(tǒng)其二次系統(tǒng)的繼電保護、自動裝置等能自動、快速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行與可靠性。在電力系統(tǒng)其二次系統(tǒng)可靠性的研究中，繼電保護的可靠性顯得尤其重要，其不正確動作便會使電力系統(tǒng)的故障擴大，甚至可能發(fā)生不良連鎖反應(yīng)而造成電力系統(tǒng)崩潰，導致大面積停電，造成重大經(jīng)濟損失。因此，研究繼電保護系統(tǒng)的可靠性十分重要，本文運用故障樹分析法對電力繼電保護系統(tǒng)可靠性進行如下研究和分析。

2.繼電保護系統(tǒng)的可靠性模型

繼電保護系統(tǒng)是一個由繼電保護裝置、測量裝置、斷路器及其操作機構(gòu)及二次回路，由繼電器、電器元件和連接不同電器設(shè)備的導線及電纜所組成.構(gòu)成的統(tǒng)一整體，繼電保護系統(tǒng)簡化邏輯圖如圖1所示。

圖1 繼電保護系統(tǒng)簡化邏輯圖

電力系統(tǒng)微機繼電保護系統(tǒng)可以分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，按照軟硬件系統(tǒng)分類分別找出影響其可靠性的因素并建立相應(yīng)的計算模型，最后用馬爾科夫狀態(tài)法綜合求解出保護的可用度和失效率。

2.1 保護系統(tǒng)硬件失效因素及模型

保護系統(tǒng)硬件由電壓電流互感器、繼電保護裝置、二次回路、繼電保護的輔助裝置、裝置的通信、通道及接口、斷路器及其操作機構(gòu)組成。

（1）繼電保護裝置。繼電保護裝置實際上是1臺特殊的計算機，可分為7個模塊：電源供應(yīng)模塊、中央處理模塊、數(shù)字量輸人模塊、模擬量輸人模塊、數(shù)字量輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊。

（2）二次回路。保護系統(tǒng)二次回路主要包括測量回路、繼電保護回路、開關(guān)控制及信號回路、操作電源回路、斷路器和隔離開關(guān)的電氣閉鎖回路等全部低壓回路。二次回路因線路絕緣不良、老化、裸露容易導致接地或者元件連接接觸不良、松動而造成故障。

（3）電壓/電流互感器。電壓/電流互感器將高壓側(cè)的電壓電流變換成適用于二次回路的電壓電流。

其采集量的誤差主要在于二次接線錯誤和接線的連接松動，所以要求互感器引出端子的極性必須正確，從電流/電壓互感器二次端子引至保護裝置的接線也必須正確。

（4）繼電保護的輔助裝置。包括交流電壓切換箱、三相操作繼電器箱及分相操作繼電器箱等，其主要用作二次回路的切換及作為斷路器操作的輔助控制，以滿足斷路器的控制操作。

（5）裝置的通信、通道及接口。高頻保護的收發(fā)訊機、縱聯(lián)差動保護的光纖、微波的通信接口及綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與接口是這些裝置系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生通信阻斷故障，直接影響裝置的正確動作。

（6）斷路器及其操作機構(gòu)。斷路器及其操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，可靠性比較低，它與繼電保護系統(tǒng)是否配合完好直接影響著故障能否完全切除。

本文采用故障樹分析法，把保護系統(tǒng)硬件失效分為兩部分，即保護的失效和斷路器的失效。設(shè)今表示保護正確，B表示斷路器正確。則系統(tǒng)失效可表示為：

（1）

因此，以保護系統(tǒng)硬件失效為頂事件建立的故障樹。設(shè)事件a：表示斷路器可靠動作率b：表示斷路器失效;c：表示二次回路、接線失效;d：表示繼電保護輔助裝置失效事件e：表示電因電流互感器失效;f：表示裝置的通信、通道及接口失效;g：表示繼電保護裝置失效。

分別表示這7個事件的失效率，用下行法求最小割集，步驟如表1所示。

則硬件失效率為Y：

Y=a（c+d+e+f+g）+b=ac+ad+ae+af+ag+b （2）

各模塊的概率重要度見表2。從表2可以看出，保護裝置所占比例最大，其次為二次回路。所占比例越大對硬件系統(tǒng)的失效貢獻也就越大，反過來說由保護裝置引起的硬件系統(tǒng)失效可能性最大，所以在保護硬件系統(tǒng)中，保護裝置還是最薄弱的環(huán)節(jié)，其次是二次回路。

為了計算各個模塊的失效率，本文采用美國軍用標準中發(fā)布的電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊MIL.HDBK-217E來計算裝置中元器件和各硬件模塊的失效率。

2.2 保護系統(tǒng)軟件失效及模型

在微機繼電保護中，軟件算法是實現(xiàn)保護功能的核心，軟件出錯將導致保護裝置出現(xiàn)誤動或拒動。導致軟件出錯的主要因素有：需求分析定義不夠準確，軟件開發(fā)人員和用戶對需求的理解不同;軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計失誤和算法原理誤差;編碼錯誤;測試不規(guī)范;定值輸人出錯。在研究軟件可靠性時可以認為軟件可靠性也是一個隨機過程，可用概率分布來描述。但軟件可靠性與硬件可靠性的分析又有許多本質(zhì)的不同：硬件存在老化，其可靠性隨著時間增長而遞減，但軟件不會老化，而且軟件失效隱患在測試和運行過程中將會不斷被排除;硬件可靠性通常依賴于構(gòu)成的元器件，軟件由于其自身的復雜性和軟件設(shè)計錯誤而影響其可靠性，所以，對軟件可靠性的建模和測量問題比硬件可靠性更具挑戰(zhàn)性。針對微機保護軟件的這種特點，本文采用Logarithmic Exponential模型來研究保護軟件的可靠性。

2.3 保護系統(tǒng)可靠性分析

隨機過程可以按照其狀態(tài)分為連續(xù)型或離散型。一個隨機過程x（t），如果集合（t1，t2，…， tn）中的時刻按次序排列，在條件X（t1）=Xi，i=1，2，….，n-1下，X（tn）-Xn的分布函數(shù)恰好等于X（tn-1）-Xn-1條件下的分布函數(shù)，則稱具有這種性質(zhì)的隨機過程為馬爾科夫過程。繼電保護裝置的工作過程則是馬爾柯夫過程，采用狀態(tài)空間法綜合求解繼電保護系統(tǒng)的可靠性指標。

3.算例及分析

本文以1個220kV繼電保護系統(tǒng)為例，收集有關(guān)可靠性材料，并運用上述模型進行可靠性評估。其中，硬件模型中的繼電保護裝置模塊、二次回路模塊、輔助裝置模塊及通信模塊的失效率計算，得到保護裝置故障率為23.75×10-6電壓/電流互感器故障率為9.86×10-6，二次回路故障率為10.56x10-6，輔助裝置故障率為0.84×10-6，通信系統(tǒng)故障率為1.27×10-6，斷路器故障率為1.1244x10-4，硬件故障可自檢修復率m1為0.25，硬件故障不可自檢修復率腳為6.85×10-4，軟件修復率為0.25，初始故障概率m0為120.0×10-4，系統(tǒng)運行中累計發(fā)現(xiàn)的錯誤數(shù)u為22，故障減少率系數(shù)e為0.126。根據(jù)實際運行的經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定保護硬件失效自檢檢出的概率c=0.9。將上述參數(shù)代人式（2）和式（5）可得：

n=47.342×10-610-4

n1=cn=42.608×10-6

n1=（1-c）n=4.734×10-6

n3=n（u）=120×e0.126×222=7.5044×10-6

再將n，n1，n2，n3帶入公式9得：保護系統(tǒng)的可用度A=Po=98.67%，失效度=1-A=1.33%。

4.結(jié)論

對比之前的評估結(jié)果，其計算出的保護系統(tǒng)的可用度為97.87%，本文在考慮了更多的因素后算得繼電保護系統(tǒng)的可用度為98.67%。參考2000年—2003年全國220 kV系統(tǒng)的正確動作率數(shù)據(jù)：95.56%、99.19%、99.15%、99.14%、將上述數(shù)據(jù)與本文方法得出的結(jié)果相比較，可知本文方法更全面、更加符合實際情況、結(jié)果合理。

參考文獻

[1]鄭圣，趙舫.故障信息處理系統(tǒng)中繼電保護裝置的可靠性研究[J].繼電器，2005（11）：37-39.

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