繼電保護系統的可靠性分析

韓啟華++李愛玲

摘 要：隨著電力系統規模的不斷擴大，電網發生復雜故障的可能性也日益增加。作為保證電網安全運行的第一道防線，繼電保護系統在防止故障及擾動上發揮著極為重要的作用，其可靠性與電網運行的穩定性密切相關。對繼電保護系統進行可靠性分析與評估有利于及時發現繼電保護裝置存在的隱患。該文主要基于可靠性框圖的分析原理，結合數字化變電站繼電保護系統信息流特點，建立可靠性分析模型，開展繼電保護系統的可靠性分析。

關鍵詞：繼電保護系統 可靠性 可靠性框圖

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0193-02

＼電力工業是支撐國民經濟和社會發展的基礎產業，與國計民生息息相關，一旦在電力系統運行中出現重大故障，將會造成不可估量的損失。隨著我國經濟的快速發展，電網規模越來越大，電網結構日益復雜，發生復雜故障的可能性也日益增加，電力系統運行生產的安全性和可靠性備受關注。繼電保護系統是保護電力系統一次設備的哨兵，是防止故障及擾動對電力系統危害的第一道防線，當系統由于自然、人為或設備故障等原因使電網某處發生故障或不正常運行狀態，要求繼電保護系統將故障元件自動、快速、有選擇性地切除，因而其可靠性與電網的安全、可靠運行密切相關。與此同時，繼電保護系統的隱性故障也是電力災難發生的一種機理，很大程度上影響電力系統的安全。為保證繼電保護系統處于完好狀態，需及時發現其存在的故障和缺陷，并采取科學、有效的策略進行檢修和維護，這個時候對繼電保護系統的可靠性分析與研究就顯得異常重要。

2 繼電保護系統可靠性建模

數字化繼電保護系統由非常規互感器、合并單元、交換機、智能終端和同步時鐘源組成，為完成自身功能，繼電保護元件一方面要從互感器側進行信息采樣，從而判斷電力系統是否存在故障和隱患，另外還要與斷路器側保持聯系，以在發生故障使對斷路器進行正確的控制，其中，同步對時信息、SV報文信息、GOOSE報文信息這三種信息流對繼電保護系統的可靠性至關重要。該研究主要針對以上三種信息流，基于可靠性框圖的分析方法進行繼電保護系統的可靠性建模。

對于網絡對時的方式，借助交換機以及由交換機組成的以太網，可單獨組網，也可與其他信息流共用一個通信網，其拓撲采用樹狀路徑。SV報文可靠性模型見圖3。斷路器回路GOOSE與SV報文相同采用對點或組網方式連接，若采用對點方式，在每個保護單元與交換機網絡之間用專用光纖，對于需要與其他保護元件配合并接受這些元件發來的閉鎖重合閘、啟動失靈等信息的保護功能，在建模中將其定義為輔助保護單元，保證其與主保護單元之間信息通路的暢通。

3 可靠性框圖分析方法的繼電保護系統可靠性分析

3.1 可靠性分析

在數字化變電站繼電保護系統的可靠性模型中，若將其他元件看作節點，將傳輸介質看作是節點間的連線，那么系統就是一個連通的網絡系統，同步對時信息、SV報文信息、GOOSE報文信息回路可靠性計算，可用最小路集法，首先找出兩個端點之間的所有最小路徑，求出回路連通的概率，將其作為系統可靠性數值。

同步對時信息回路可靠性具有一定特殊性，只有保持對時回路連通，合并單元、保護單元以及智能終端等才能處于正常工作狀態。將同步對時信息回路可靠性加入系統本身可靠性，經過修正，合并單元、保護單元、智能終端可靠性相關表達公式為：

上述計算最小路集的過程相當復雜，即便是對于簡單的系統，計算量仍然較大，對于復雜網絡型系統，必須在建模的基礎上，依靠計算機編程實現最小路集的求解。首先，根據網絡拓撲找出上述信息流的最小路集，之后根據最小路集的信息利用計算機編程開展快速的計算。常用算法包括鄰接矩陣法、布爾行列式法、節點遍歷法等，對于數字化繼電保護系統的可靠性計算，建議采用具有清晰思路且計算速度快的節點遍歷法。可靠性的程序算法流程為：首先，獲取模型信息，對各信息流的路集矩陣形成總路集矩陣，之后對總路集矩陣進行同步時鐘信息的修正，并進行不交化運算，在運算過程中，代入數據后求出系統的可靠性數值。需注意的是，在整個不交化運算中，要消除相同元素，簡化大路集矩陣Matrix，然后再進行運算與代數計算。

3.2 算例分析

某220kV數字化變電站，對其繼電保護系統可靠性進行分析。首先進行可靠性建模，對時形式和對時網絡分別采用IRIG-B碼和星形網絡結構形式，包含1個電流互感器1個電壓互感器，各個單元及元件均雙重化配置。在SV采樣信息建模和傳遞中采用IEC6180標準統一建模，進行裝置的自由配置，以實現硬件平臺的綜合集成應用和軟件功能插接復用，對于交換機網絡，采用獨立雙網形式。GOOSE回路采用直連形式。首先，修正元件對時回路可靠性。因存在兩個冗余配置的保護單元而不存在輔助保護單元，因而在計算中先將單套繼電保護裝置的可靠性計算出來。對于保護1，包括兩條SV信息回路和一條GOOSE信息回路，各包含兩條最小路徑，兩SV信息回路之間的關系為串聯關系，依據公式（10）可得到單套繼電保護裝置可靠性。保護2按照相同方法計算單套繼電保護裝置的可靠性。經過計算，繼電保護系統系統中同步時鐘源、保護單元的可靠度各為0.9990，互感器、傳輸介質可靠度各為0.9999，合并單元為0.9960，斷路器為0.9900，交換機為0.9700，智能終端為0.9970，根據以上數據，最終計算得到整個保護系統的可靠度為0.9888。

上述為一個簡單繼電保護系統的可靠性計算算例，但其計算過程相對復雜。某500kV線路保護，對其繼電保護系統的可靠性通過計算機程序算法進行計算。首先，抽象其配置圖。在此套線路中，總共包含電流互感器2個和電壓互感器1個，每個互感器配有兩個合并單元。存在兩個冗余配置的保護單元，不存在輔助保護單元。SV網采用獨立雙網形式。GOOSE回路采用共享雙網結構形式。對時形式采用點對點式。利用最小路集法求解，最終得到64條最小路徑。最后進行代入計算，并將各個元件可靠度代入相關計算公式，得到整個保護系統的可靠度為0.987604。

3.3 軟件因素對繼電保護系統的影響

在網絡的流量控制方面，比如報文流量過大，很容易造成通信擁堵，而當交換機對轉發報文進行處理時，可能導致丟包，這對系統的可靠性有不利影響。數字化變電站繼電保護系統實時性要求很高，但其通信大多采用的是以太網結構，如果數據在傳遞過程中出現了沖突，必然會造成傳輸時延及其不確定性。應對虛擬局域網技術加以應用，規范流通數據的優先級。除此之外，網絡的開放性影響信息安全，一些重要信息在傳輸、使用過程中難免遭受泄露和破壞，為確保信息的完整性、可用性、保密性以及不可否認性，建議采用加密技術、防火墻技術等在變電站內部與外部之間建立起屏障，有效阻隔外來非法用戶入侵。

4 結語

總之，作為保證電網安全運行的第一道防線，繼電保護系統在防止故障及擾動上發揮著極為重要的作用，其可靠性與電網運行的穩定性密切相關。對繼電保護系統進行可靠性分析與評估有利于及時發現繼電保護裝置存在的隱患。該文主要基于可靠性框圖的分析原理，結合數字化變電站繼電保護系統信息流特點，建立可靠性分析模型，開展繼電保護系統的可靠性分析，以為變電站前期規劃提供依據。基于可靠性框圖的分析方法對于數字化變電站繼電保護系統可靠性分析與評估較為適用，而在可靠性分析過程中，有必要利用計算機編程算法，以簡化分析過程，提高分析結果精確性。

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