變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析

王幸主，戚宣威，王 松，宣曉華，陸承宇，文明浩

（1.華中科技大學(xué)，武漢 430072；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

繼電保護(hù)作為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，其正常工作的前提條件是變電站二次直流電源可靠地為其供電[1-2]。一旦變電站發(fā)生二次直流電源消失的情況，且此時(shí)系統(tǒng)又發(fā)生了故障，則該變電站的所有保護(hù)裝置均無(wú)法正常工作，只能依靠相鄰變電站的遠(yuǎn)后備保護(hù)來(lái)切除故障。這樣不僅大大延長(zhǎng)故障切除時(shí)間，而且對(duì)于遠(yuǎn)后備保護(hù)整定困難的相鄰站來(lái)說(shuō)，其保護(hù)動(dòng)作的靈敏性和可靠性也大大降低[3-5]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，以及IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施[6-7]，相關(guān)學(xué)者提出了針對(duì)變電站二次直流失電的保護(hù)系統(tǒng)[8-9]。但是目前并沒(méi)有研究對(duì)提出的失電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行定量的可靠性分析，因此其可靠性無(wú)法驗(yàn)證。針對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，提出了一系列可靠性評(píng)估方法[10-14]。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于GO 法的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析方法，但是GO 法操作符類型多且使用復(fù)雜，不僅要求對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)原理非常熟悉，而且對(duì)GO 法也要有足夠的理解，使用起來(lái)有一定的難度。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于Markov 狀態(tài)空間法的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析方法，但是存在狀態(tài)空間“組合爆炸”的問(wèn)題，不適用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析。文獻(xiàn)[12]對(duì)傳統(tǒng)Markov 狀態(tài)空間法進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)依據(jù)保護(hù)邏輯建立的Markov 狀態(tài)空間進(jìn)行了模糊化處理，但是仍存在狀態(tài)空間組合復(fù)雜的問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]提出了基于蒙特卡羅模擬法的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，隨機(jī)模擬的次數(shù)與系統(tǒng)規(guī)模無(wú)關(guān)，適合對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性的定量計(jì)算，但是計(jì)算精度有待進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[14]基于可靠性框圖法對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估并分析了薄弱環(huán)節(jié)，但是可靠性框圖法是一種靜態(tài)的建模和分析方法，難以描述系統(tǒng)部件之間存在的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

本文以失電保護(hù)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性分析模型。采用基于故障樹(shù)的序貫蒙特卡羅算法分析其可靠性，并給出可靠性指標(biāo)，為失電保護(hù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)提供一種定量的分析方法。

1 失電保護(hù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，變電站C 發(fā)生二次直流失電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)目前變電站二次回路的設(shè)計(jì)規(guī)范，保護(hù)裝置的直流電源和通信電源相互獨(dú)立。基于此，文獻(xiàn)[3]提出了一種失電保護(hù)系統(tǒng)，其站內(nèi)接線如圖2 所示。

當(dāng)變電站C 發(fā)生二次直流失電時(shí)，其站內(nèi)的48 V 通信電源仍保持正常工作狀態(tài)，以保障MCD（失電檢測(cè)裝置）檢測(cè)到失電信息并發(fā)送失電信息給所有相鄰的變電站，然后相鄰變電站再結(jié)合本站檢測(cè)到的電氣量進(jìn)行故障判斷。綜合考慮失電保護(hù)裝置所需要的采樣、跳閘、失電檢測(cè)等環(huán)節(jié)，則變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 變電站站內(nèi)接線

圖3 失電保護(hù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 失電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性模型

根據(jù)故障樹(shù)分析法的符號(hào)規(guī)則[15]，下述可靠性模型中各個(gè)符號(hào)的分類和名稱如表1 所示。此外，在傳統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性評(píng)估中，根據(jù)繼電保護(hù)的動(dòng)作特性，保護(hù)系統(tǒng)的失效類型分為拒動(dòng)失效和誤動(dòng)失效，以下分析中也分為這兩類。

表1 故障樹(shù)事件和邏輯符號(hào)

2.1 失電保護(hù)系統(tǒng)整體

根據(jù)故障樹(shù)分析法，結(jié)合圖3 所示的失電保護(hù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立失電保護(hù)系統(tǒng)的整體可靠性模型如圖4 所示。其中，失電保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)失效主要包括2 種情況：跳閘回路發(fā)生誤動(dòng)失效；跳閘回路正常情況下失電保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)失效。失電保護(hù)系統(tǒng)的拒動(dòng)失效情況與誤動(dòng)失效類似，不再贅述。

圖4 失電保護(hù)系統(tǒng)整體可靠性模型

下面進(jìn)一步分析圖4 中的中間事件，直至各個(gè)底事件為止。

2.2 跳閘

從圖3 所示的失電保護(hù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，跳閘環(huán)節(jié)主要包括GOOSE 通信網(wǎng)絡(luò)、CB和ST 等部分。因此，跳閘誤動(dòng)失效包括2 種情況：CB 本身發(fā)生誤動(dòng)失效；在CB 正常的情況下，ST 發(fā)生誤動(dòng)失效。跳閘拒動(dòng)失效包括3 種情況：CB 本身發(fā)生拒動(dòng)失效；ST 和CB 正常情況下GOOSE 網(wǎng)絡(luò)失效，無(wú)法發(fā)送失電保護(hù)裝置的跳令至ST；CB 正常情況下，ST 本身發(fā)生拒動(dòng)失效。據(jù)此可得到跳閘環(huán)節(jié)的可靠性模型如圖5 所示。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

從圖3 可以看出，整個(gè)失電保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)包括3 部分，分別是：SV 通信，把采樣信息發(fā)送至失電保護(hù)裝置；GOOSE 通信，發(fā)送失電保護(hù)裝置的跳閘命令至ST；失電檢測(cè)通信，把失電站的失電信息發(fā)送至與之相鄰的變電站。其中SV和GOOSE 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似，都由OP（光纖）、SW（間隔交換機(jī)）、中心交換機(jī)等部件組成。當(dāng)SV和GOOSE 通信網(wǎng)絡(luò)中任一部件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)就發(fā)生了失效。因此，SV 和GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型如圖6 所示。

圖5 跳閘環(huán)節(jié)的可靠性模型

圖6 SV/GOOSE 通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型

把圖6 中SV 和GOOSE 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的SW 換成ODF（光纖配線架），即可得到失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型。

2.4 失電保護(hù)裝置

參考傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置本體的可靠性模型[16]，并結(jié)合失電保護(hù)裝置自身的特點(diǎn)，建立失電保護(hù)裝置誤動(dòng)失效和拒動(dòng)失效的可靠性模型如圖7 所示。圖7 中MEM，CU，PSU，QD，ACT 分別為存儲(chǔ)、通信、電源、啟動(dòng)、算法等部件。

2.4.1 失電檢測(cè)

從圖3 可以看出，失電檢測(cè)環(huán)節(jié)包括通信電源、MCD 以及失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)3 部分。對(duì)于失電檢測(cè)誤動(dòng)失效來(lái)說(shuō)，需要滿足失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)和通信電源正常，并且MCD 發(fā)生誤發(fā)失電信息的故障。而對(duì)于失電檢測(cè)拒動(dòng)失效來(lái)說(shuō)，失電檢測(cè)環(huán)節(jié)任一部件發(fā)生拒動(dòng)失效均會(huì)導(dǎo)致失電檢測(cè)環(huán)節(jié)發(fā)生拒動(dòng)失效。因此，失電檢測(cè)環(huán)節(jié)的可靠性模型如圖8 所示。

2.4.2 采樣

圖7 失電保護(hù)裝置可靠性模型

圖8 失電檢測(cè)環(huán)節(jié)可靠性模型

采樣環(huán)節(jié)可靠性的分析與2.2 節(jié)中跳閘環(huán)節(jié)可靠性分析類似。需要注意的是，由于信息流向的不同，對(duì)于采樣誤動(dòng)失效來(lái)說(shuō)，需要滿足SV通信網(wǎng)絡(luò)正常，這樣才能把MU，ECT 及EVT 的誤動(dòng)失效信息發(fā)送至失電保護(hù)裝置。因此，采樣環(huán)節(jié)的可靠性模型如圖9 所示。

圖9 采樣環(huán)節(jié)可靠性模型

3 可靠性指標(biāo)

3.1 平均無(wú)故障工作時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間

MTBF（平均無(wú)故障工作時(shí)間）和MTTR（平均修復(fù)時(shí)間）分別反映系統(tǒng)或者部件在整個(gè)生命周期過(guò)程中平均兩次故障之間的時(shí)間間隔和平均修復(fù)每次故障所需要的時(shí)間。

3.2 可用度

可用度表示系統(tǒng)或者部件在起始時(shí)刻完好的條件下，在時(shí)間區(qū)間[0，t）內(nèi)不發(fā)生失效的概率，用來(lái)評(píng)估系統(tǒng)或者部件長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性水平。定義為：

3.3 概率重要度

概率重要度用來(lái)定量地衡量各底事件發(fā)生概率的增減程度對(duì)頂事件發(fā)生概率的影響尺度，可用來(lái)確定每個(gè)底事件對(duì)系統(tǒng)整體的重要程度，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為提高系統(tǒng)的可靠性提出合理建議。其定義為：

式中：Q（t）為系統(tǒng)的不可用度；g[Q（t）]為系統(tǒng)的失效率；i 表示對(duì)應(yīng)部件的編號(hào)。

由式（2）可知，部件的概率重要度就是底事件狀態(tài)取1 時(shí)（底事件發(fā)生）系統(tǒng)失效率和底事件狀態(tài)取0 時(shí)（底事件未發(fā)生）系統(tǒng)失效率之差。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)圖4—圖9 建立的變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析模型，采用基于故障樹(shù)的序貫蒙特卡羅算法進(jìn)行可靠性評(píng)估。其中保護(hù)裝置各部件的失效率參數(shù)分別為[16]：λMEM=λCPU=36.738×10-6，λCU=22.562×10-6，λPSU=11.4×10-6，λQD=7×10-6，λACT=λ軟件=7.504×10-6，λ人為=4×10-6；除軟件的修復(fù)率為1/48 外，其他部件修復(fù)率參數(shù)均為1/24。其他設(shè)備的失效率和修復(fù)率參數(shù)如表2所示。假設(shè)所有部件的MTBF 和MTTR 均服從單參數(shù)的指數(shù)分布，且誤動(dòng)失效率和拒動(dòng)失效率各占部件失效率的1/2。

表2 部分設(shè)備失效率和修復(fù)率

取最大仿真時(shí)間為106h，經(jīng)過(guò)多次仿真，當(dāng)可靠性指標(biāo)收斂后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4.1 失電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，圖3 所示變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的MTBF，MTTR 及可用度等可靠性指標(biāo)如表3 所示。

表3 失電保護(hù)系統(tǒng)的MTBF，MTTR，可用度

從表3 分析可得，失電保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)MTBF遠(yuǎn)大于拒動(dòng)MTBF，這主要是由于失電檢測(cè)部分任一部件拒動(dòng)失效均會(huì)導(dǎo)致失電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生拒動(dòng)失效。然而誤動(dòng)失效發(fā)生的條件則要苛刻得多，需要同時(shí)滿足失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)和通信電源正常，并且MCD 誤發(fā)失電信息。下面的部件概率重要度分析也說(shuō)明了這一點(diǎn)。此外，不論是誤動(dòng)失效還是拒動(dòng)失效，失電保護(hù)系統(tǒng)的可用度都是比較高的。

對(duì)于失電保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它與傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于失電檢測(cè)，因此下面只分析了失電檢測(cè)部件的概率重要度，結(jié)果如表4 所示。

表4 失電檢測(cè)部件的概率重要度

從表4 分析可得，相比于失電檢測(cè)部件的拒動(dòng)概率重要度，其誤動(dòng)概率重要度要小得多。對(duì)于失電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)來(lái)說(shuō)，提高失電檢測(cè)保護(hù)裝置的誤動(dòng)可靠性可有效降低失電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)失效的概率。而對(duì)于拒動(dòng)來(lái)說(shuō)，失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)部件、通信電源以及失電保護(hù)檢測(cè)裝置對(duì)拒動(dòng)可靠性的影響都比較大，據(jù)此可以提出針對(duì)性的改進(jìn)措施。

4.2 改進(jìn)措施

根據(jù)4.1 中的仿真結(jié)果，下面對(duì)圖3 所示的失電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)措施，即分別雙重化配置失電保護(hù)裝置和失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。改進(jìn)以后失電保護(hù)系統(tǒng)的MTBF 如表5 所示。

表5 改進(jìn)后失電保護(hù)系統(tǒng)的MTBF

相比于表3，由于失電保護(hù)裝置雙重化配置后2 臺(tái)保護(hù)裝置任意1 臺(tái)誤動(dòng)都會(huì)造成失電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)，而2 臺(tái)保護(hù)裝置同時(shí)拒動(dòng)才會(huì)使失電保護(hù)系統(tǒng)拒動(dòng)，因此，表5 中誤動(dòng)的MTBF 降低，但是拒動(dòng)的MTBF 明顯增加，而且整體的MTBF也是增加的。此外，由于失電檢測(cè)部件誤動(dòng)的概率重要度很小，因此失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)雙重化配置以后對(duì)失電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)的MTBF 影響不大，但是明顯提升拒動(dòng)和整體的MTBF。

綜上，為了進(jìn)一步提高變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，可以考慮雙重化配置失電保護(hù)裝置和失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)語(yǔ)

為了定量評(píng)估變電站二次直流失電保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性，首先根據(jù)故障樹(shù)分析理論和失電保護(hù)系統(tǒng)的工作機(jī)制，對(duì)失電保護(hù)系統(tǒng)的采樣、跳閘、通信、失電檢測(cè)以及失電保護(hù)裝置等環(huán)節(jié)分別進(jìn)行可靠性建模。然后利用序貫蒙特卡羅算法對(duì)失電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出MTBF、可用度以及部件概率重要度等可靠性指標(biāo)。相關(guān)指標(biāo)表明，失電保護(hù)系統(tǒng)的可用度是非常高的，但是失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)是失電保護(hù)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。最后，根據(jù)仿真結(jié)果針對(duì)性地提出了失電保護(hù)裝置和失電檢測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)雙重化等措施，經(jīng)驗(yàn)證相關(guān)措施可以進(jìn)一步提高失電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。