基于故障樹分析法的繼電保護系統可靠性分析

王尚成

【摘要】隨著電力系統規模的擴大，網絡結構越來越復雜，電力系統可靠性問題受到越來越多的關注。電力系統其二次系統中繼電保護的可靠性直接關系到電力系統的安全運行。文中分析了繼電保護系統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，得出分析結果：運用故障樹分析法對電力繼電保護系統的可靠性進行分析是可行的，并且是準確的。

【關鍵詞】電力系統;可靠性;故障樹;繼電保護

1.引言

目前，國內外關于各類機組、變壓器、電網等電力系統一次設備的可靠性研究已逐步走向成熟。電力系統其二次系統的繼電保護、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中切除，直接關系到電力系統的安全運行與可靠性。在電力系統其二次系統可靠性的研究中，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的故障擴大，甚至可能發生不良連鎖反應而造成電力系統崩潰，導致大面積停電，造成重大經濟損失。因此，研究繼電保護系統的可靠性十分重要，本文運用故障樹分析法對電力繼電保護系統可靠性進行如下研究和分析。

2.繼電保護系統的可靠性模型

繼電保護系統是一個由繼電保護裝置、測量裝置、斷路器及其操作機構及二次回路，由繼電器、電器元件和連接不同電器設備的導線及電纜所組成.構成的統一整體，繼電保護系統簡化邏輯圖如圖1所示。

圖1 繼電保護系統簡化邏輯圖

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

2.1 保護系統硬件失效因素及模型

保護系統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：電源供應模塊、中央處理模塊、數字量輸人模塊、模擬量輸人模塊、數字量輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊。

（2）二次回路。保護系統二次回路主要包括測量回路、繼電保護回路、開關控制及信號回路、操作電源回路、斷路器和隔離開關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。高頻保護的收發訊機、縱聯差動保護的光纖、微波的通信接口及綜合自動化系統的通信網絡與接口是這些裝置系統的薄弱環節，容易發生通信阻斷故障，直接影響裝置的正確動作。

（6）斷路器及其操作機構。斷路器及其操作機構結構復雜，可靠性比較低，它與繼電保護系統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，把保護系統硬件失效分為兩部分，即保護的失效和斷路器的失效。設今表示保護正確，B表示斷路器正確。則系統失效可表示為：

（1）

因此，以保護系統硬件失效為頂事件建立的故障樹。設事件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失效可能性最大，所以在保護硬件系統中，保護裝置還是最薄弱的環節，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布的電子設備可靠性預計手冊MIL.HDBK-217E來計算裝置中元器件和各硬件模塊的失效率。

2.2 保護系統軟件失效及模型

在微機繼電保護中，軟件算法是實現保護功能的核心，軟件出錯將導致保護裝置出現誤動或拒動。導致軟件出錯的主要因素有：需求分析定義不夠準確，軟件開發人員和用戶對需求的理解不同;軟件結構設計失誤和算法原理誤差;編碼錯誤;測試不規范;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成的元器件，軟件由于其自身的復雜性和軟件設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 保護系統可靠性分析

隨機過程可以按照其狀態分為連續型或離散型。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的分布函數恰好等于X（tn-1）-Xn-1條件下的分布函數，則稱具有這種性質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，采用狀態空間法綜合求解繼電保護系統的可靠性指標。

3.算例及分析

本文以1個220kV繼電保護系統為例，收集有關可靠性材料，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，系統運行中累計發現的錯誤數u為22，故障減少率系數e為0.126。根據實際運行的經驗和統計數據，確定保護硬件失效自檢檢出的概率c=0.9。將上述參數代人式（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：保護系統的可用度A=Po=98.67%，失效度=1-A=1.33%。

4.結論

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

參考文獻

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