220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性探討

張 恒，李端煥

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000）

電網(wǎng)運(yùn)行可靠性研究是伴隨人類社會(huì)發(fā)展、電力事業(yè)發(fā)展的重要研究。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、用電需求量持續(xù)提升的大背景下，整個(gè)人類社會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的要求也有所提高。智能電網(wǎng)發(fā)展背景下做好220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性研究工作，并針對(duì)性地采取措施增強(qiáng)其可靠性，能為電網(wǎng)安全運(yùn)行、人們穩(wěn)定用電帶來(lái)有力支持與保障，故而有必要圍繞其展開(kāi)探討。

1 220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性概述

目前220kV 智能變電站往往是基于IEC61850 這種包含面向?qū)ο蟮膰?guó)際先進(jìn)建模技術(shù)而形成，并且配置有智能電子裝置以及后臺(tái)控制系統(tǒng)，具備信息分層、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)對(duì)象統(tǒng)一建模、數(shù)據(jù)自描述、抽象通信服務(wù)接口等功能與特點(diǎn)，并且能在電子式互感器、合并單元、智能終端等智能化電氣設(shè)備的支持下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化運(yùn)行和管理。智能變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)變電站有著一定的差別，主要體現(xiàn)為智能終端的引入以及電子式電流傳感器、電子式電壓傳感器的應(yīng)用。[1]

220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)置需根據(jù)保護(hù)對(duì)象的故障特征加以配置，并且要基于重要性以及所處電壓等級(jí)合理調(diào)整配置保護(hù)方案，盡可能簡(jiǎn)化二次回路，減少電流互感器與斷路器間的死區(qū)保護(hù)。繼電保護(hù)裝置的配置需要以直接支持IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并且應(yīng)當(dāng)做到滿足就地、獨(dú)立分散安裝要求，通過(guò)直接采樣的方式進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)高壓的雙重保護(hù)需維持相互獨(dú)立狀態(tài)，針對(duì)電子式傳感器本身特點(diǎn)對(duì)保護(hù)算法進(jìn)行優(yōu)化，確保保護(hù)裝置時(shí)鐘同步。目前智能變電站繼電保護(hù)方案主要有兩類，其中一種便是常規(guī)保護(hù)配置方案，其能有效推進(jìn)數(shù)字化繼電保護(hù)模式的過(guò)渡，不過(guò)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量過(guò)大等劣勢(shì)；第二種則是集中式保護(hù)配置方案，其能夠?qū)⒄麄€(gè)變電站所有元件的信息整合于統(tǒng)一的系統(tǒng)之中，從而兼具獨(dú)立設(shè)備保護(hù)作用和控制功能，另外還能依靠雙冗余配置計(jì)算機(jī)進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性及可靠性。

2 220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析

2.1 基于動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

故障樹(shù)主要用于結(jié)構(gòu)性的可靠性建模、評(píng)估以及故障判斷，在現(xiàn)代設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行可靠性分析中被廣泛應(yīng)用。故障樹(shù)本身作為一種邏輯方法，可通過(guò)邏輯分析的方式通過(guò)運(yùn)算結(jié)果兼顧定性與定量探究。故障樹(shù)能通過(guò)圖形化邏輯程序?qū)ο到y(tǒng)因果關(guān)系進(jìn)行分析與呈現(xiàn)，從而通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)不同元件的具體狀態(tài)對(duì)全系統(tǒng)狀態(tài)加以測(cè)量。故障樹(shù)具有靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種，其中靜態(tài)故障樹(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)變電站主要采取尋找、枚舉繼電保護(hù)系統(tǒng)中所有故障因素的方式，[2]對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行分析后再對(duì)故障樹(shù)加以描繪，從而對(duì)引發(fā)系統(tǒng)故障的成因以及相應(yīng)概率進(jìn)行分析與計(jì)算。而動(dòng)態(tài)故障樹(shù)和靜態(tài)故障樹(shù)相比在于能對(duì)反映故障事件的序列耦合現(xiàn)象進(jìn)行分析，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)探究，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地分析與反映故障，能大幅提升診斷效率。應(yīng)用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)對(duì)智能變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，能強(qiáng)化關(guān)于動(dòng)態(tài)的故障耦合因素的可靠性評(píng)估，同時(shí)可在一定程度上減少數(shù)值計(jì)算，也便于工作人員對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行直觀定位和有效分析，可支持后續(xù)診斷修理工作的良好開(kāi)展。目前智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)一般是基于不同邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)的主要有五種。第一種是順序相關(guān)門(mén)，其按照固定順序推動(dòng)系統(tǒng)中不同事件的發(fā)生；第二種是順序優(yōu)先門(mén)，依靠?jī)蓚€(gè)底層事件對(duì)系統(tǒng)中不同事件發(fā)生的優(yōu)先順序家已調(diào)整；第三種是熱備件門(mén)，依靠可變的多個(gè)底層事件配合系統(tǒng)對(duì)上層事件發(fā)生與否進(jìn)行判斷；第四種是冷備件門(mén)，只有在主件失效的情況下冷備件失效，對(duì)應(yīng)的上層事件才會(huì)發(fā)生；第五種是溫備件門(mén)，系統(tǒng)中的溫部件處于備用狀態(tài)與運(yùn)行狀態(tài)的失效率并不相同。而在220kV 智能變電站中應(yīng)用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性加以分析，需從三個(gè)維度進(jìn)行綜合考量。其一為硬件失效，即硬件拒動(dòng)、誤動(dòng)導(dǎo)致繼電保護(hù)動(dòng)作無(wú)法正常進(jìn)行；其二為軟件失效，即軟件拒動(dòng)、軟件誤動(dòng)導(dǎo)致繼電保護(hù)動(dòng)作無(wú)法正常進(jìn)行；其三為二次回路與輔助設(shè)備失效，即二次回路與輔助裝置存在拒動(dòng)、誤動(dòng)情況而影響繼電保護(hù)動(dòng)作的進(jìn)行。[3]

總體來(lái)看，基于動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析要點(diǎn)如下：

1.繼電保護(hù)硬件建模。應(yīng)用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性加以分析，自然需要基于系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)開(kāi)展建模工作，這是保障建模有效性以及分析結(jié)果精準(zhǔn)性的基礎(chǔ)。當(dāng)前220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中的MPU 裝置基本上都是采取的雙CPU 設(shè)計(jì)，主CPU 與從CPU 之間存在一定的邏輯關(guān)系。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)誤動(dòng)情況時(shí)，主CPU 和從CPU 均會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，而且后者優(yōu)于前者，故而此時(shí)二者之間構(gòu)成順序優(yōu)先門(mén)關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)拒絕動(dòng)作時(shí)，主CPU 或從CPU 會(huì)發(fā)生拒動(dòng)作，二者自然會(huì)形成或門(mén)事件關(guān)系。通過(guò)設(shè)定不同硬件失效事件的方式，對(duì)硬件誤動(dòng)作與拒動(dòng)作的情形進(jìn)行分析，同時(shí)考慮各組建的老化、封裝、材質(zhì)等因素影響，可列出相應(yīng)的失效率計(jì)算公式。

2.繼電保護(hù)軟件建模。軟件是支持硬件作用發(fā)揮的部分，同時(shí)也是控制硬件的部分。根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的軟件，是提升繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)手段。軟件層面因素導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，主要表現(xiàn)為程序員沒(méi)能準(zhǔn)確把握繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行要求、軟件本身存在BUG、通信編碼錯(cuò)誤、必要控制參數(shù)的輸入存在錯(cuò)誤等。對(duì)軟件的可靠性進(jìn)行分析，一般可利用John Maxis 算法，即通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算求解并得到軟件失效率與程序累計(jì)運(yùn)行時(shí)間以及執(zhí)行時(shí)間之間的關(guān)系。[4]

3.二次回路與輔助裝置建模。智能變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)中存在不少的二次回路以及輔助裝置，這些因素也可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性造成影響。通常而言，變電站規(guī)模越大，其中包含的二次回路就越復(fù)雜，另外人為因素也會(huì)對(duì)二次回路失效率造成影響。故而在對(duì)二次回路的失效率進(jìn)行分析時(shí)，往往需要用到統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方式對(duì)特征加以把握，進(jìn)而為后續(xù)的失效率計(jì)算提供依據(jù)。

4.定性分析和最小割集。運(yùn)用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的硬件、軟件、二次回路等建模后，需要進(jìn)一步落實(shí)定性分析工作。通過(guò)枚舉法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行列舉，然后通過(guò)最小割集的方式加以分析，能對(duì)系統(tǒng)故障的類型以及特點(diǎn)有所把握。實(shí)際上這就是通過(guò)逆向思維從頂事件對(duì)底事件進(jìn)行逆向分析與研究，并于此過(guò)程中得到底事件的最小元素?cái)?shù)目集合，進(jìn)而為失效率的研究提供必要支持，并且能在系統(tǒng)可靠性偏低的情況下快速定位問(wèn)題，進(jìn)而依靠簡(jiǎn)潔精準(zhǔn)的最小割集和下行法有效判斷系統(tǒng)不足并為后續(xù)的系統(tǒng)可靠性優(yōu)化提供依據(jù)。[5]

2.2 基于GO 法的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

GO 法同樣是系統(tǒng)可靠性分析的常見(jiàn)方法。應(yīng)用GO法對(duì)220kV 智能變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性加以分析，需要建立相應(yīng)的GO 模型并通過(guò)輸入模型對(duì)相應(yīng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行研究，即通過(guò)因果對(duì)應(yīng)的方式判斷系統(tǒng)失效率。GO 法與動(dòng)態(tài)故障樹(shù)法相比最大的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)在于能對(duì)狀態(tài)復(fù)雜、有時(shí)序的系統(tǒng)進(jìn)行有效分析，同時(shí)可靠性分析結(jié)果的精準(zhǔn)度極高。

總體來(lái)看，基于GO 法的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析需著重圍繞四大層面展開(kāi)。其一為操作符。繼電保護(hù)系統(tǒng)的指令可以被視作操作符，每條指令都需要對(duì)應(yīng)的操作符來(lái)驅(qū)動(dòng)與實(shí)現(xiàn)。而在GO 法運(yùn)算中，操作符同樣可用于表示系統(tǒng)配件和輸入輸出信號(hào)間的邏輯關(guān)系，能支持運(yùn)算工作開(kāi)展，故而是最基礎(chǔ)的部分。目前GO法運(yùn)算中會(huì)使用17 種標(biāo)準(zhǔn)操作符，不同操作符的屬性有所差異，在運(yùn)算過(guò)程中需要按照規(guī)范對(duì)各種操作符進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)與有效運(yùn)算；其二為信號(hào)流。繼電保護(hù)系統(tǒng)的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、系統(tǒng)單元間存在明顯的邏輯關(guān)系，而信號(hào)流則是描述這種邏輯關(guān)系的載體。對(duì)GO 算法而言，信號(hào)流主要用于連接操作符，通過(guò)信號(hào)流將不同操作符連接起來(lái)并對(duì)系統(tǒng)不同單元的狀態(tài)進(jìn)行表示，從而判斷系統(tǒng)單元是否存在故障；其三為GO 圖。GO 圖是基于操作符與信號(hào)流對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行表示的結(jié)果，而操作符與信號(hào)流則會(huì)在其中作為表示系統(tǒng)單元以及輸入、輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)的主要元素。GO 圖中所有操作符以及信號(hào)流都有明確的類型以及唯一的編號(hào)，并且圖中必須包含輸入操作符，信號(hào)流序列不得發(fā)生循環(huán)換，同時(shí)GO 圖必須與作為轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)圖模型維持一致；其四為GO 運(yùn)算?；诶^電保護(hù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換生成GO圖后，還需要基于既定規(guī)則完成相應(yīng)的GO 運(yùn)算。從GO圖中輸入操作符處開(kāi)始運(yùn)算，通過(guò)操作符與信號(hào)流的關(guān)系以及既定規(guī)則逐步推進(jìn)運(yùn)算，得到最終的運(yùn)算結(jié)果，從而判斷出圖中信號(hào)輸出的狀態(tài)以及成功概率，進(jìn)而為系統(tǒng)可靠性分析提供依據(jù)。如果GO 圖中存在一個(gè)輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)輸入信號(hào)的情況，需要對(duì)相應(yīng)的共有信號(hào)進(jìn)行修正計(jì)算，以免其影響系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與有效性。針對(duì)單個(gè)、兩個(gè)以及多個(gè)共有信號(hào)等不同情況，需要采取不同的修正計(jì)算公式進(jìn)行處理。需注意的是，運(yùn)用GO 法對(duì)智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性加以分析時(shí)，往往需要假設(shè)“忽略互感器單元對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響”“所有元件的故障分布符合指數(shù)分布特征”“系統(tǒng)處于理想同步狀態(tài)”“新型智能電子元件的運(yùn)行可靠性數(shù)據(jù)直接套用相關(guān)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”等條件，否則難以進(jìn)行有效分析與計(jì)算。

2.3 基于可靠性框圖法的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

可靠性框圖作為一種簡(jiǎn)單、清晰的可靠性分析方法，其主要適用于規(guī)模較小、復(fù)雜度較低的系統(tǒng)。針對(duì)部分規(guī)模較小的220kV 智能變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)，可嘗試運(yùn)用可靠性框圖對(duì)其系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性加以分析和研究。繼電保護(hù)系統(tǒng)包含多個(gè)相互獨(dú)立的元件，包括合并單元MU、智能保護(hù)設(shè)備IED、同步時(shí)鐘源TS、交換機(jī)SW 等，任何一個(gè)元件本身都具有對(duì)應(yīng)的故障率、工作概率、拒動(dòng)概率以及誤動(dòng)概率，運(yùn)用可靠性框圖法對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析實(shí)際上就是對(duì)各元件的拒動(dòng)概率、誤動(dòng)概率進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行總體分析，對(duì)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)元件進(jìn)行統(tǒng)一看待與分析，從而得到相應(yīng)的可靠性分析結(jié)果。運(yùn)用可靠性框圖法對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性加以分析，既能反映系統(tǒng)中不同部件間的串并聯(lián)關(guān)系，又能反映系統(tǒng)流程，從而以直觀的方式凸顯邏輯關(guān)系，依靠顯示系統(tǒng)的失效邏輯的方式對(duì)所有元件的失效率給系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行判定。[6]

2.4 運(yùn)行保障措施

隨著220kV 智能變電站在智能電網(wǎng)中的占比持續(xù)擴(kuò)大，強(qiáng)化對(duì)其繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行保障十分有必要。以合理運(yùn)用可靠性分析方法為基礎(chǔ)，得到科學(xué)、有效、準(zhǔn)確的可靠性運(yùn)行結(jié)果，并針對(duì)性地采取措施進(jìn)行處理，能明顯提高系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠水平。從實(shí)踐層面看，目前針對(duì)220kV 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行保障措施主要包括加強(qiáng)過(guò)程層的繼電保護(hù)、加強(qiáng)間隔層的繼電保護(hù)、基于ICE 61850 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)新的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)、借助以太網(wǎng)交換機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、借助交換機(jī)減少總線系統(tǒng)的接線、強(qiáng)化環(huán)形結(jié)構(gòu)母線可靠性、優(yōu)化運(yùn)行模式、完善系統(tǒng)異常處理體系等。

3 結(jié)語(yǔ)

220kV 智能變電站作為傳統(tǒng)變電站向數(shù)字化、智慧化方向發(fā)展的主要模式，其對(duì)于推動(dòng)智能電網(wǎng)的建設(shè)而言意義重大，加強(qiáng)對(duì)其繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的研究自然十分有必要。新時(shí)期背景下，根據(jù)智能變電站的特點(diǎn)采取合適的分析方法對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析與研究，針對(duì)性地采取措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，能大幅提升系統(tǒng)可靠性并支持智能電網(wǎng)的良好建設(shè)與發(fā)展。