基于GO法的在線式繼電保護(hù)跳閘回路可靠性分析

張麗，江輝，施銘濤

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671000）

0 前言

繼電保護(hù)裝置作為保障電網(wǎng)安全的第一道防線，其可靠運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定有著重要意義，其誤動(dòng)、拒動(dòng)也是觸發(fā)或加速系統(tǒng)擾動(dòng)并導(dǎo)致電網(wǎng)大面積崩潰的重要因素。電力系統(tǒng)中多數(shù)繼電保護(hù)不正確動(dòng)作都是由于二次回路異常導(dǎo)致的，繼電保護(hù)二次回路之繁瑣，不但有開(kāi)關(guān)控制和信號(hào)系統(tǒng)回路，還有測(cè)量回路等內(nèi)容。

研究繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，二次回路可靠性是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前在研究繼電保護(hù)專業(yè)可靠性方面的成果有：

1）設(shè)備方面：繼電保護(hù)中的靜態(tài)保護(hù)裝置中復(fù)雜的原件運(yùn)行可靠性，多用概率測(cè)算方式和可靠性理論進(jìn)行分析；

2）人員方面：不當(dāng)?shù)脑O(shè)置和操作給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患分析；

3）系統(tǒng)方面：電力系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性分析。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，繼電保護(hù)裝置及系統(tǒng)的智能運(yùn)維也成了主要研究趨勢(shì)，因此在線對(duì)運(yùn)行的二次回路情況可靠性分析亟待解決。

目前無(wú)針對(duì)繼電保護(hù)二次回路的可靠性分析研究，為了研究斷路器控制回路的可靠性概率，本文探索了一種在線式繼電保護(hù)跳閘回路可靠性分析方法，首先對(duì)繼電保護(hù)裝置二次回路及斷路器跳閘回路進(jìn)行了解析，然后按照動(dòng)作邏輯關(guān)系生成了各功能回路的系統(tǒng)原理圖，再基于GO 法的系統(tǒng)可靠性分析方法[1]，按照規(guī)則將系統(tǒng)原理圖翻譯成GO 圖，將回路中各元件的運(yùn)行數(shù)據(jù)（缺陷率、故障率等）進(jìn)行提取，結(jié)合給出的跳閘回路的可靠性指標(biāo)計(jì)算公式，分析得出回路運(yùn)行的可靠性。

1 GO法可靠性分析原理

GO 法是以成功為導(dǎo)向的系統(tǒng)可靠性分析方法[2]，適用于多狀態(tài)、有時(shí)序功能變化、有環(huán)境因素影響的可靠性系統(tǒng)故障問(wèn)題的解決，其基本思想是把系統(tǒng)原理圖按規(guī)則翻譯成GO 圖。GO 圖中操作符號(hào)代表具體的部件，如繼電器、觸點(diǎn)等，信號(hào)連接操作符代表具體的物流，如電流等，或者代表邏輯上的進(jìn)程，然后按操作符的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行GO 運(yùn)算，經(jīng)過(guò)一個(gè)GO 模型的計(jì)算，確定系統(tǒng)（二次回路）的最終概率，該最終概率是把系統(tǒng)（二次回路）運(yùn)行情況的事件概率綜合起來(lái)，并通過(guò)事件樹(shù)的特定處理得到。GO 法可靠性分析可以定性分析也可以定量分析：

定性分析：模型中的每一個(gè)事件代表一個(gè)部件的一種特定運(yùn)行方式，例如，某一個(gè)繼電器的狀態(tài)可能是“正常運(yùn)行”或“故障狀態(tài)”。

定量分析：由操作符號(hào)的可靠性數(shù)據(jù)直接計(jì)算系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，得到精確的計(jì)算結(jié)果，此時(shí)模型中的每一個(gè)事件代表一個(gè)部件的可靠性參數(shù)，如某一繼電器可靠運(yùn)行的概率是95%等。下面介紹一種基于GO 法的繼電保護(hù)跳閘回路可靠性分析方法[3]，以三相跳閘回路為例。

串聯(lián)關(guān)系（為最小路徑），如式（1）：

式中，Pi(1) 為第i個(gè)元件的正常運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生的概率，多個(gè)相同的元件狀態(tài)可以相乘以后合為一個(gè)Ai(1)。

因?yàn)橄到y(tǒng)由各個(gè)串聯(lián)的最小路徑集并聯(lián)而成，各個(gè)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)函數(shù)的并聯(lián)表達(dá)式（2）：

2 一種基于GO法的在線式繼電保護(hù)三相跳閘回路可靠性分析方法

2.1 繼電保護(hù)跳閘回路解析

1）保護(hù)裝置端子。引起斷路器分相跳閘的保護(hù)有線路保護(hù)單相故障，引起斷路器三相同時(shí)跳閘的保護(hù)有母線差動(dòng)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、線路遠(yuǎn)方跳閘啟動(dòng)。

2）操作箱二次回路端子。斷路器操作箱三跳相關(guān)回路[4]包括STJ、TJR、TJF、TJQ 繼電器，及跳閘保持繼電器TBJ。斷路器操作箱單相跳閘回路包括分相跳閘保持繼電器TBJ。

斷路器操作箱三相合位監(jiān)視回路由跳閘回路完成，包括合閘位置繼電器HWJ 以及整個(gè)機(jī)構(gòu)箱跳閘回路組成。

3）斷路器匯控箱跳閘回路、相關(guān)繼電器

機(jī)構(gòu)跳閘回路包括3 部分：第一部分為就地手動(dòng)分閘回路，涉及到的元件有就地分閘按鈕SB、遠(yuǎn)方就地切換把手Local、Remote；第二部分為本體三相不一致分閘回路，涉及到的元件有三相不一致保護(hù)壓板LP、三相不一致時(shí)間繼電器K16、三相不一致出口繼電器K61、斷路器三相不一致輔助觸點(diǎn)SBL，第三部分為公共跳閘回路，涉及到的元器件有分閘線圈Y1、斷路器常開(kāi)輔助觸點(diǎn)S1L、SF6壓力繼電器“SF6低氣壓閉鎖”輔助觸點(diǎn)。

2.2 建立GO模型，形成GO圖

下面分析跳閘回路系統(tǒng)中的跳閘回路和合位監(jiān)視回路。跳閘回路包括保護(hù)裝置啟動(dòng)跳閘回路、遠(yuǎn)方手跳回路、就地分閘回路、本體三相不一致保護(hù)跳閘回路及斷路器本體機(jī)構(gòu)箱閉鎖回路。合位監(jiān)視回路包括由合閘位置繼電器，SF6氣壓低、斷路器輔助觸點(diǎn)，分閘線圈組成的回路。

依照以上要素不難繪制繼電保護(hù)合位監(jiān)視回路原理圖1及跳閘回路原理圖2。

圖1 合位監(jiān)視回路原理圖

圖2 繼電保護(hù)跳閘回路原理圖

圖2中TA、TB、TC：A 相、B 相、C 相跳閘繼電器；TJA、TJB、TJC：A 相、B 相、C相跳閘繼電器動(dòng)作接點(diǎn)；TJR 起失靈閉鎖重合閘三相跳閘繼電器；TJF 不起失靈閉鎖重合閘三相跳閘繼電器；TJQ 起動(dòng)重合閘三相跳閘繼電器；TBJ 跳閘保持繼電器；Remote：遠(yuǎn)方就地切換把手在遠(yuǎn)方位置；Local：遠(yuǎn)方就地切換把手在就地位置；STJ 遠(yuǎn)方手跳繼電器；SB 就地分閘按鈕；SBL：斷路器三相不一致觸點(diǎn)開(kāi)入；K16：本體三相不一致時(shí)間繼電器；K61：本體三相不一致出口繼電器；LP：本體三相不一致功能及出口壓板；S1L：斷路器輔助觸點(diǎn)；Y1：斷路器分閘線圈。

繼電保護(hù)三相跳閘回路，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、二次回路清晰，但是當(dāng)動(dòng)作回路中某元件出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)影響斷路器正確動(dòng)作性。應(yīng)用GO法，建立GO 模型，將上述原理圖按照規(guī)則生成GO 圖，以繼電保護(hù)跳閘回路GO 圖[5]為例說(shuō)明。合閘回路GO 圖相對(duì)簡(jiǎn)單，這里不做介紹。

此次原理圖生成GO 圖規(guī)則：

1）輸入用類型S 表示，圖中用三角形表示，其中線路保護(hù)作為系統(tǒng)單相跳閘輸入標(biāo)記為“S-9”，母線保護(hù)、失靈保護(hù)、遠(yuǎn)眺保護(hù)作為保護(hù)裝置三相跳閘輸入分別標(biāo)記為“S-1”、“S-3”、“S-4”，遠(yuǎn)方手跳作為遙控?cái)嗦菲鞣珠l輸入標(biāo)記為“S-10”、就地分閘、本體三相不一致保護(hù)作為系統(tǒng)三相跳閘輸入分別標(biāo)記為“S-15”、“S-16”。

2）其他中間元件用類型Z 表示，途中用圓圈表示，其中TA、TB、TC：Z-11、Z-12、Z-13；TJR：Z-5；TJF：Z-6；TJQ：Z-7；TBJ：Z-8；Remote：Z-14；Local：Z-21；K16：Z-17；K61：Z-18、LP：：Z-19；SF6 壓力低：Z-20；S1L：Z-22；Y1：Z-23。

3）箭頭連線表示各元件的信號(hào)流及動(dòng)作邏輯關(guān)系，具有指向性。

依照以上規(guī)則及圖2繼電保護(hù)跳閘回路原理圖生成圖3繼電保護(hù)跳閘回路GO 圖。

圖3 繼電保護(hù)跳閘回路GO圖

每個(gè)元件都有兩個(gè)狀態(tài)，即正常狀態(tài)（用1 表示），和故障狀態(tài)（用0 表示），每個(gè)狀態(tài)都有發(fā)生的概率，例如，P1(1)=0.98，則P1(0)=0.02。

2.3 回路各二次元件運(yùn)行數(shù)據(jù)提取分類

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的二次回路，可以根據(jù)缺陷率、故障發(fā)生情況等歷史數(shù)據(jù)，加權(quán)計(jì)算故障發(fā)生率如表1，主要提取數(shù)據(jù)可以有：元件缺陷采集、報(bào)警信息、故障錄波器信號(hào)采集、報(bào)信子站信號(hào)采集、保護(hù)裝置報(bào)告、直流電源系統(tǒng)異常報(bào)警等。將采集到數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算輸入到GO模型，計(jì)算回路的可靠性指標(biāo)。該輸入為動(dòng)態(tài)變化的，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新可靠性數(shù)據(jù)。

表1 回路各二次元件運(yùn)行數(shù)據(jù)提取

2.4 GO模型的計(jì)算

對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，GO 運(yùn)算的這狀態(tài)組合非常龐大，可跳過(guò)定性分析，直接按照信息流和系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生的概率定量計(jì)算，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的二次回路，可以根據(jù)缺陷率、故障發(fā)生情況等歷史數(shù)據(jù)，實(shí)際計(jì)算概率。

本方案以繼電保護(hù)跳閘回路GO 圖為例，計(jì)算可靠性。假設(shè)三相不一致時(shí)間繼電器故障概率為P17(0)=0.02，其他元件故障概率為Pi(0)=0.01，Ai(1)為編號(hào)i 的信息流正常運(yùn)行的概率，假設(shè)電氣量三相不一致保護(hù)動(dòng)作可靠性A8(1)=0.99。

1）計(jì)算斷路器三相不一致保護(hù)回路運(yùn)行可靠性

三相不一致保護(hù)回路信號(hào)流的狀態(tài)累計(jì)依據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算公式如下：

由此得到斷路器三相不一致保護(hù)及斷路器跳閘回路可靠度為0.969，基本滿意。

2）計(jì)算斷路器就地分閘回路運(yùn)行可靠性

由此得到斷路器就地分閘回路可靠度為0.95，基本滿意。

此指標(biāo)可以用來(lái)評(píng)估回路可靠性。設(shè)定滿意度標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足要求，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，及時(shí)提醒運(yùn)維人員關(guān)注該回路。

3 可靠性分析方法優(yōu)點(diǎn)

繼電保護(hù)廣泛采用微機(jī)保護(hù)，裝置運(yùn)行非?？煽?，保護(hù)裝置主要通過(guò)斷路器的跳閘、合閘回路來(lái)控制斷路器，同時(shí)跳合閘回路也是斷路器控制回路中最復(fù)雜的，據(jù)統(tǒng)計(jì)繼電保護(hù)不正確動(dòng)作多數(shù)是由于回路異常造成的，研究繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，二次回路可靠性是其中一項(xiàng)及其重要內(nèi)容，目前研究成果匱乏。而且隨著智能化運(yùn)維的發(fā)展，在線分析繼電保護(hù)二次回路運(yùn)行可靠性已成為主要研究方向。

本文探索了一種基于GO 法計(jì)算繼電保護(hù)跳閘回路可靠性的分析方法，本方法也可以使用于繼電保護(hù)合閘回路等二次回路可靠性研究。既可以整體分析回路動(dòng)作可靠性，也可以按照實(shí)際需要分子系統(tǒng)分別分析各元件異常對(duì)斷路器造成的影響，靈活可靠，同時(shí)可以識(shí)別引起斷路器異常跳閘的關(guān)鍵元器件，指導(dǎo)運(yùn)行人員有針對(duì)性的對(duì)重要設(shè)備加強(qiáng)維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）繼電保護(hù)二次回路對(duì)繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作起著極其重要的作用，且回路具有相對(duì)簡(jiǎn)單、原理清晰的特點(diǎn)，本分析方法基于GO 法的可靠性分析思路，通過(guò)對(duì)二次回路解析，按照規(guī)則生成信息流GO 圖。

2）本分析方法實(shí)現(xiàn)了回路的可靠性分析，填補(bǔ)了繼電保護(hù)二次回路可靠性研究的空白，不僅為繼電保護(hù)裝置及其回路的在線運(yùn)維提供依據(jù)，同時(shí)可以識(shí)別引起斷路器異常跳閘的關(guān)鍵元器件，方便運(yùn)行人員有針對(duì)性的對(duì)重要設(shè)備加強(qiáng)維護(hù)。