繼電保護系統可靠性影響因素及保護失效問題研究

閆桂娟

(國電大武口熱電有限公司，寧夏 石嘴山753000)

0 引言

隨著工業發展和經濟增長，以“大機組、大容量、高電壓、遠距離、新技術、智能化”為特征的現代電力系統在運行效率不斷提高的同時，運行的復雜性和不確定性也在增加，主要表現在：第一，系統運行特性隨著電網規模、電網結構、電網組成、地域分布的變化而呈現出更加復雜的多樣性，同一電網因為電氣聯系又呈整體性，在多種可能的運行狀態和故障狀態下的表征既有差異性又有相似性；第二，電力市場的逐漸發展，對電力系統的安全運行帶來了一定影響，一是最大限度開展的市場交易可能使安全裕度縮小到極限；二是眾多市場參與方所起的作用日益重要，給電網運行增加了多變和不確定因素。第三，近年來大規模新能源電力的接入，進一步加劇了隨機性因素對電力系統的影響。而這些因素最終可能會干擾電力系統二次自動裝置的正常工作，在此背景下，鑒于二次設備對電網安全運行的重要作用，電力系統對二次自動裝置的要求也在不斷提高。

1 繼電保護系統可靠性特點

繼電保護系統屬于可修復系統，深入分析其可靠性的特點是選取指標、建立模型、進行可靠性分析的前提。

（1）因為工作環境、自身狀況的可變性，繼電保護系統的可靠度、失效發生時間具有一定的隨機性和概率性。

（2）保護系統可靠性涉及因素多，其建模、指標選取及計算具有難度。從廣義上說，影響保護系統可靠性的因素不僅包括保護裝置，還包括與其關系緊密的通訊通道、一次設備、一次系統的運行狀況及人為因素等；保護的設計原理、配置方案、整定方式和電網實際運行方式也極大地影響保護的動作情況。就保護裝置而言，又涵蓋復雜的軟、硬件及其冗余邏輯等。其中，軟件的可靠性很難根據物理要素進行預計，而主要取決于系統輸入、系統的使用和軟件設計等；硬件的可靠性則主要取決于其各個基本部件及電路設計的可靠性等。

（3）保護系統的失效可以分為誤動失效和拒動失效，在制定可靠性指標時應綜合考慮這兩種失效情況，每種失效又可分為可被檢測的和不可被檢測的2類。

2 繼電保護系統可靠性影響因素

2.1 裝置硬件

無論是微機保護還是全數字化保護裝置，實際上都是由若干電子設備和軟件構成的有機整體，而電子設備的老化和損壞會直接影響保護裝置和系統在規定條件下完成規定功能的能力。例如，全數字化保護裝置的硬件結構雖較微機保護的簡單，但其裝置增加了較多光纖輸入、輸出接口，也帶來了新的可靠性問題，若光口因為發熱等原因損壞，將直接影響釆樣值的輸入和保護跳閘的輸出。

影響繼電保護硬件系統可靠性的因素還包括運行維護水平及運行環境的干擾等。

2.2 裝置軟件

硬件是實現保護功能的平臺，軟件算法是實現保護功能的核心，因此軟件的可靠性對繼電保護系統能否正常工作具有極大影響。軟件的可靠性很難根據物理要素進行預計，而主要取決于原理性能、系統輸入、系統的使用和軟件設計等。

2.3 互感器等相關一次設備

CT、PT等互感器及斷路器等一次設備通過傳變輸入量和執行輸出而直接影響著保護系統正確反映一次系統狀態、不拒動、不誤動的能力。微機保護一般采用電磁式互感器，其接線正確性、傳變誤差等均會影響保護的正確動作；全數字化保護中一般采用電子式互感器或光學互感器，這些新型互感器在抗飽和等方面具有明顯優勢，但其可靠性在現階段還待提高，相應保護的可靠性也會受此影響。

2.4 二次回路

二次回路絕緣老化、線路裸露導致接地或者元件連接接觸不良、松動均可能給保護的正確動作造成不利影響。全數字化保護系統采用高速網絡通信代替了二次電纜，二次回路具備了自我監測的能力。電子式互感器與保護裝置之間的光纖鏈路、交換機若出現斷鏈或故障，保護裝置接收不到報文就會及時發出告警。同理，保護裝置與斷路器之間出現斷鏈或故障，斷路器的智能終端也會及時告警，這為克服二次回路給保護可靠性帶來的影響提供了技術條件。

2.5 繼電保護定值

理論上，保護原理、保護特性、保護定值及一次系統運行狀況對繼電保護可靠性都有較大影響，實際運行情況表明，離線整定的保護定值是該類因素中影響保護正確動作的主要因素。

常規繼電保護系統一般通過離線計算定值并在運行中保持不變。隨著電力系統的發展，電網結構日益復雜、交直流混合運行，也經常出現臨時運行方式，加之后備保護配合關系復雜、動作時間長、易受系統運行方式影響，離線整定模式的弊端日益突出。其次，整定計算過程中的諸如可靠系數、返回系數等的確定會在一定程度上影響保護的性能。第三，在配電網中，由于分布式電源接入導致的雙向潮流、多電源網絡等新特性對保護定值整定甚至保護原理提出了更高要求。

保護定值的在線整定和校驗是克服離線定值弊端的有效手段之一，近年來保護在線整定計算需要的技術條件取得了很大進展，主要體現在三個方面：首先，微機保護在電力系統中得到廣泛應用，基本取代了模擬式保護，為在線整定、校驗及修改打下了基礎；其次，IEC61850標準應用研究、網絡化二次設備和光纖網絡二次回路技術的應用研究，為繼電保護在線整定及校驗系統的研究、應用和推廣積累了寶貴經驗，電力通信技術與通信手段的不斷進步，使得整定計算所需要的電網信息和保護信息能快捷有效地釆集和傳送；第三，現有在線實時應用軟件的成功開發和應用，為繼電保護在線整定校驗系統的發積累了豐富經驗，變電站自動化系統成功運行的經驗也為繼電保護在線整定及校驗系統的應用提供了參考和借鑒。但是，在線整定和校驗的實用化進程中還有諸多理論和實際的問題需要解決。

3 繼電保護失效分類

對繼電保護失效進行科學分類，是進行保護系統可靠性數據收集、可靠性評估及風險分析的基礎，根據影響保護可靠性的主要因素，將保護失效分為3類：

（1）繼電保護硬件系統失效，主要包括保護裝置程序本身的問題(與保護原理正確與否無關的程序設計、編制等問題）、裝置硬件失效及二次回路故障、互感器故障、斷路器機構故障等因素導致的保護系統失效。

（2）繼電保護原理性失效，第一類失效已經考慮了軟件程序本身的問題，因此，這里的軟件原理主要涉及與系統運行狀態密切相關的保護原理、邏輯流程，離線整定的定值及相關的隱性故障等。

（3）運行維護失誤及運行環境干擾等引起的保護失效。運行維護失誤如誤操作、誤接線等，在保護誤動原因統計中占有較大比例，是影響保護可靠性的一個重要而復雜的因素。另外，其它如環境、天氣等因素亦須考慮。

4 結束語

總之，繼電保護往往是以保護系統的形式存在于電網中，且多數后備保護裝置有配合關系，一個保護裝置的拒動或誤動，可能會引起其它保護裝置的順序動作，甚至引發連鎖跳閘風險。因此，建立科學的、能夠分別或綜合定量反映保護系統各種失效模式的可靠性和風險評估模型，對于提高相關研究的準確性和可信度具有積極作用。

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