智能變電站繼電保護系統可靠性分析

摘 要：智能變電站繼電保護系統在結構和內涵上不同于傳統的變電站，其工作的安全可靠性對智能變電站安全穩定運行具有重要作用。本文闡述了智能變電站繼電保護系統結構，對其系統可靠性進行分析，探討智能繼電保護系統的薄弱環節，明確系統元件重要度區分，以為智能化變電站繼電保護系統優化設計及運行維護提供借鑒。

關鍵詞：智能變電站；繼電保護系統；可靠性

1 智能變電站繼電保護系統結構

智能變電站的基本特點是信息數字化和通信網絡化，其繼電保護系統不同于傳統變電站點對點方式連接的互感器、斷路器和保護單元，而是具備更多元件。合并單元將多個互感器采樣數據匯集后合并，進行格式處理后把數據幀傳遞給交換機。智能終端是一次設備如斷路器等的智能功能體現者，接受跳合閘及閉鎖信息已控制斷路器動作，同時采集斷路器開關位置信息傳遞給保護單元。交換機及其相關網絡替代了傳統二次電纜，作為二次設備與合并單元之間的信息傳遞平臺，實現各系統設備之間信息共享。與此同時，為實現繼電保護對發生事件的時間序列上的準確性要求，需要滿足全站設備的統一對時功能，配置同步時鐘源。通信介質和接口必不可少，其連通性對保護系統運行正常與否產生直接影響，通常采用光纖，接口故障和通信故障效果相同，可以將接口視作通信介質組成部分。所以，完整的智能化繼電保護功能通常具備八大功能模塊，傳輸介質（TM）、互感器（MI）、合并單元（MU）、交換機（SW）、保護單元（PR）、智能終端（IT）、斷路器（BR）、同步時鐘源（TS）。

2 智能變電站繼電保護系統可靠性分析方法

智能變電站繼電保護系統功能實現是由信息流來完成的，通路順暢，各類信息準確可靠的在始端和終端之間傳遞，才能有效完成繼電保護功能。同步對時功能、SV報文以及GOOSE報文信息回路連通的效果是影響繼電保護系統可靠性的決定因素。

2.1 系統可靠性計算一般方法

對于多元件或是多個子系統形成的系統，任一元件或是子系統故障就會使系統功能實現失敗，它們處于串聯關系，其可靠性計算公式為： R=R。

其中，R為全系統可靠性；m為系統元件或是子系統個數；Rj（j=1，2...，m）為第j個元件或是子系統可靠性。

系統中如果元件或子系統存在備用或是冗余配置時，只有所有組成部分全部失效使才會形成系統故障，這時它們之間處于并聯狀態，其可靠性計算公式為： R=1-（1-R）

系統通常構造復雜，各組件之間并非處于實質上的串并聯關系，在必要回路無障礙連通時，即能實現系統功能。因此，對于復雜系統，通常進行節點間連通概率計算，所采用的方法為最小路集法，即所有最小路徑集合，其中任意節點或是線段均不可缺乏。最小路集算法中每條路徑可靠性計算公式為： P（Li）=R；

其中，P（Li）為最小路徑Li連通概率；Rj（j=1，2...，m）為Li中第j個元件可靠性，所有最小路徑處于并聯關系，一條可以連通，則系統正常工作。因此，推導出系統可靠性公式為：R=1-（1-P（Li））；將式中相乘項展開得到系統可靠性計算公式：R=P（L）-P（LL）+P（LLL）-...+（-1）P（LL...L）。式中，P（LL）是最小路徑L和L同時連通概率，依此類推。

2.2 智能變電站繼電保護系統可靠性計算方法 將智能繼電保護系統中的傳輸介質視為線段，各元件視為節點，使之作為一個連通網絡系統進行最小路集法運算。

2.2.1 智能繼電保護系統對時回路可靠性分析方法 對時回路相關元件可靠性是對時回路可靠性的計算依據之一，需要進行對時的有合并單元、智能終端及保護單元等元件，加入時鐘源進行修正后的元件可靠性計算公式為

R′=1-（1-P（L））

R′=1-（1-P（L））

R′=1-（1-P（L））

式中，R′、R′和R′表示修正后合并單元、保護單元及智能單元可靠度，p屬表示同步時鐘源到相關設備第i條最小路徑；n表示最小路徑。

2.2.2 SV回路和GOOSE回路可靠性分析方法

這兩個回路計算與對時回路有所區別，其計算公式為：

R=1-（1-P（L））

R=1-（1-P（L））

式中，R和R表示SV和GOOSE回路可靠性，P屬表示互感器、保護單元到斷路器第i條最小路徑。

2.2.3 智能變電站繼電保護系統可靠性計算

全套保護系統的正常運行，需要SV回路和GOOSE回路同時正常工作，兩者之間的關系為串聯，其可靠性計算公式為：R=R·R

保護單元冗余配置，計算每套保護所對應SV回路及GOOSE回路可靠性，處于并聯關系的各套保護系統可靠性即為全套保護系統可靠性，其計算公式為：R=1-（1-R）。其中，R表示第i套保護中系統可靠性。

可靠性計算如果通過手工進行最小路集法計算會產生較大計算量，運算較為復雜，通過計算機編程軟件來計算，簡化計算過程。

3 智能變電站繼電保護系統可靠性分析

3.1 變壓器配置保護 變電站配電過程中，電壓額度需要限定，電壓過載或是不足，就會對電力系統正常運行產生嚴重影響，電壓調節控制功能由變壓器系統完成，其是變電站繼電保護系統重要對象之一，其正常運行是繼電保護系統功能實現的表現之一，因而是影響繼電系統可靠性的重要因素之一。為提升繼電保護系統可靠性，變壓器進行配電保護過程中，進行分布式配置，實現變壓器差動功能繼電保護。而其后備裝置的繼電保護，則采用集中式配置手段以降低系統復雜程度，避免降低保護系統可靠性。

3.2 過流電限定保護 智能變電站運行中，受電流過載等外部因素影響，易出現外部斷路，引發電流過負荷現象，過負荷電流雖在電流大小上與正常電流相比沒有較明顯差距，但是容易導致外部故障發生時的跳閘現象，降低了智能變電站繼電保護系統可靠性。配置中采用電壓限定延時方式，準確測量各變電線路中電流量，過負荷電流現象一旦發生，可以及時向智能終端發出警報并由智能系統執行保護命令，有效提升繼電保護系統可靠性。

3.3 繼電保護系統線路保護 智能化變電站中，對線路的保護采用縱聯差動保護方式，通常主要的裝置方式分為集中式和后備式，通過合理的配置，使繼電保護功能更為有效地發揮出來。該部分的保護，是繼電保護系統的重要內容，它控制和保護各級電壓間的間隔單元，同時完成對電力系統運行狀態檢測控制，是提升繼電保護系統可靠性的有效方法。

4 結束語

智能變電站繼電保護系統的可靠性，對電力系統安全穩定運行具備重要作用，通過有效的方法分析其可靠性，采取科學合理的系統配置手段，加強薄弱環節，有效保護系統重點部位，以保證繼電保護系統安全可靠，促進智能電網建設工作順利進行。

參考文獻：

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[2]閻忠富.關于智能變電站繼電保護的可靠性探索[J].科技視界，2015，16：250.

作者簡介：付洪偉（1981-），男，國網冀北電力有限公司遷西縣分公司，助理工程師，本科，研究方向：繼電保護及變電站運維檢修。