電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性評(píng)估

李科翰

摘 要：繼電保護(hù)是整個(gè)電力系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性也是防止電網(wǎng)事故發(fā)生、擴(kuò)大以及連鎖反應(yīng)發(fā)生的有效措施。但是，繼電保護(hù)裝置如若存在缺陷或在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的安全性、可靠性降低，使其應(yīng)用效果不佳，影響電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。所以公平公正、規(guī)范合理的評(píng)估電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的可靠性是非常必要的。本文將以概述可靠性評(píng)估理論為切入點(diǎn)，了解繼電保護(hù)的可靠性特點(diǎn)及影響因素，進(jìn)而探究如何有效進(jìn)行繼電保護(hù)可靠性評(píng)估。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；繼電保護(hù)；可靠性；評(píng)估

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著人們生產(chǎn)生活用電的不斷增多，電力系統(tǒng)的危險(xiǎn)程度頻頻攀升。對(duì)此，強(qiáng)化電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是非常重要的。繼電保護(hù)作為保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，能夠在電力設(shè)備異常時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，并在電力設(shè)備故障的第一時(shí)間切除故障設(shè)備，有效保護(hù)電力系統(tǒng)。當(dāng)然，要想保證繼電保護(hù)能夠在電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮作用，需要對(duì)繼電保護(hù)可靠性進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而有針對(duì)性的優(yōu)化繼電保護(hù)。

一、可靠性評(píng)估理論分析

（一）故障樹(shù)法

它是一種圖形演繹法，即通過(guò)故障事件在一定條件下的邏輯推理，自上而下地進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分析。故障樹(shù)法是一種有效的評(píng)估方法，但要想充分發(fā)揮其作用，需要按照其流程（如圖1所示），有序應(yīng)用：

（1）設(shè)置分析對(duì)象的故障模式，并對(duì)其進(jìn)行分析，從中選取故障樹(shù)頂事件。

（2）建立故障樹(shù)，從中找出系統(tǒng)故障與導(dǎo)致故障發(fā)生的因素之間的邏輯關(guān)系，用特定圖形加以表示。

（3）對(duì)故障樹(shù)定性分析，也就是分析引發(fā)故障樹(shù)頂事件發(fā)生的原因，進(jìn)而識(shí)別故障樹(shù)頂時(shí)間發(fā)生的故障模式，從而判斷其存在的潛在故障。

（4）故障樹(shù)定量分析，即利用基本事件發(fā)生概率，計(jì)算出故障樹(shù)頂事件發(fā)生概率、基本事件的關(guān)鍵重要度和概率重要度等，評(píng)估系統(tǒng)的可靠性。

（二）馬爾科夫狀態(tài)空間法

它是指系統(tǒng)中的元件按其工作、失效、維修的過(guò)程劃分為不同狀態(tài)，那么元件的狀態(tài)及工作環(huán)境的狀態(tài)都會(huì)直接或間接影響系統(tǒng)的狀態(tài)。以此為準(zhǔn)，可以準(zhǔn)確的評(píng)估系統(tǒng)。當(dāng)然，要想利用馬爾可夫狀態(tài)空間法來(lái)評(píng)估系統(tǒng)，需要注意以下幾點(diǎn)。

其一，系統(tǒng)有任一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)的概率，只與當(dāng)前所處的狀態(tài)有關(guān)而與該過(guò)程以前發(fā)生過(guò)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。

其二，系統(tǒng)發(fā)生故障等事件的時(shí)間一般呈指數(shù)分布，轉(zhuǎn)移率與常數(shù)相等。但在實(shí)際中，因某些因素的影響，使得轉(zhuǎn)移率與常數(shù)不相等，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行特殊處理，使其符合馬爾可夫過(guò)程。

二、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性分析

（一）繼電保護(hù)可靠性特點(diǎn)

繼電保護(hù)可靠性，是在電力系統(tǒng)發(fā)生保護(hù)范圍內(nèi)，故障應(yīng)該動(dòng)作時(shí)不拒動(dòng)，不允許該保護(hù)動(dòng)作時(shí)不誤動(dòng)。就以微機(jī)保護(hù)來(lái)說(shuō)，微機(jī)保護(hù)可靠性特點(diǎn)為：（1）有可靠性理論做基石。由可靠性理論予以支持，保證微機(jī)保護(hù)可靠性分析中，面對(duì)繁多的元件及復(fù)雜的制造工藝，及時(shí)且準(zhǔn)確的分析出質(zhì)量不佳的元件，進(jìn)而分析出微機(jī)保護(hù)失效的概率。（2）容易受到多種因素影響。保護(hù)裝置及其外圍設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行情況、人為因素等都可能影響微機(jī)保護(hù)的可靠性。

（二）繼電保護(hù)可靠性影響因素分析

結(jié)合繼電保護(hù)可靠性特點(diǎn)及我國(guó)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)運(yùn)行情況，可以確定影響繼電保護(hù)可靠性的因素有：

其一，保護(hù)裝置硬件。由電子設(shè)備及相關(guān)軟件構(gòu)成的繼電保護(hù)裝置，其硬件部分容易老化、損壞，將直接導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置工作可靠性降低。

其二，保護(hù)裝置軟件。繼電保護(hù)裝置軟件設(shè)置包括程序設(shè)計(jì)、編制等環(huán)節(jié)，而這些環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)使繼電保護(hù)裝置軟件存在缺陷，進(jìn)而會(huì)使繼電保護(hù)裝置可靠性受到影響。

其三，保護(hù)系統(tǒng)的配置。保護(hù)系統(tǒng)是由多個(gè)設(shè)備配套組成的，如若某個(gè)設(shè)備存在故障或設(shè)備配套不合理，均會(huì)影響保護(hù)系統(tǒng)的配置，使其可靠性受到影響。

三、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性評(píng)估

為了能夠深入的分析電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性評(píng)估，本文從二次系統(tǒng)角度出發(fā)，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)本身的可靠性進(jìn)行評(píng)估，即單個(gè)微機(jī)繼電保護(hù)裝置可靠性評(píng)估和外圍設(shè)備的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性評(píng)估。

（一）微機(jī)繼電保護(hù)裝置可靠性評(píng)估

對(duì)微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件可靠性進(jìn)行評(píng)估，主要是從以下幾方面展開(kāi)。

1 硬件可靠性評(píng)估

以典型微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件為例，包括電源模塊，其主要是為裝置提供電源；中央處理單元主要是支持繼電保護(hù)各項(xiàng)功能充分發(fā)揮作用；模擬量采集模塊，則是將電壓和電流等模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以便人們更好的運(yùn)用數(shù)字信息；開(kāi)關(guān)量輸入模塊，主要是采集節(jié)點(diǎn)或觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量信息，以便繼電保護(hù)裝置根據(jù)信息，適時(shí)與外部電氣隔離等。利用失效率函數(shù)來(lái)計(jì)算裝置硬件結(jié)構(gòu)的功能模塊，得到浴盆曲線，由此可以確定，裝置設(shè)計(jì)制造、偶然因素、長(zhǎng)期消耗均會(huì)造成裝置硬件各模塊的可靠性降低，失效率提高。利用失效率計(jì)算公式計(jì)算可以得到失效率為：

失效率計(jì)算公式為：

各模塊可靠度為：Ri=e-λit

各模塊失效概率為：

P（Bi）=1-Ri=1-e-λit

由此可以確定故障樹(shù)頂事件T發(fā)生概率為：

由此可以確定誤動(dòng)與拒動(dòng)失效概率，即為：

保護(hù)裝置硬件可靠度為：

Rh=1-P（T）

按照以上公式計(jì)算裝置硬件拒動(dòng)失效率、誤動(dòng)失效率、總失效率、可靠度，由此可以確定微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件會(huì)受元件壽命影響，使其可靠度降低。所以，適時(shí)的檢修、更新裝置，可以提高裝置硬件應(yīng)用性。

2 軟件可靠性評(píng)估

因?yàn)槲C(jī)繼電保護(hù)裝置軟件更多的是受軟件設(shè)計(jì)人員對(duì)用戶需求理解誤差、設(shè)計(jì)失誤、特殊情況考慮不到位、測(cè)試不規(guī)范、程序調(diào)試不合理等因素所影響。所以危機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件可靠性主要受軟件設(shè)計(jì)缺陷所影響，當(dāng)然軟件測(cè)試能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或漏洞，但在對(duì)軟件進(jìn)行糾正和改進(jìn)的過(guò)程中，可能會(huì)引出新缺陷，使得軟件的失效率依舊沒(méi)有降低。利用Logarithmic exponential模型來(lái)構(gòu)建危機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件可靠性模型，進(jìn)而可以得到失效率表達(dá)式，即為：

λ（t）=λ0e-θt

利用此公式來(lái)計(jì)算微機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件的失效率，可以確定軟件失效均會(huì)導(dǎo)致裝置誤動(dòng)和拒動(dòng)。

（二）外圍設(shè)備的繼電保護(hù)裝置可靠性評(píng)估

因?yàn)橥鈬^電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中運(yùn)行，需要與其他外圍設(shè)備配合，所以為了保證繼電保護(hù)裝置能夠在電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮作用，還要對(duì)外圍設(shè)備的可靠性進(jìn)行評(píng)估。具體的做法是：

1 基于單端信息原理保護(hù)的可靠性模型

電流增多、電壓紊亂、相位差變動(dòng)等均是電力系統(tǒng)中元件故障的表現(xiàn)。為了盡量避免此種情況的發(fā)生，在對(duì)繼電保護(hù)裝置的外圍設(shè)備可靠性評(píng)估中，首先構(gòu)建基于單端信息原理的保護(hù)系統(tǒng)，由此可以確定電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）、斷路器（CB）等設(shè)備均需要進(jìn)行可靠性評(píng)估。對(duì)于外圍設(shè)備可靠性評(píng)估，采用故障樹(shù)法來(lái)評(píng)估，即設(shè)置關(guān)于保護(hù)系統(tǒng)的故障樹(shù)，計(jì)算故障樹(shù)頂事件發(fā)生概率，也就是計(jì)算保護(hù)系統(tǒng)失效率，用公式表示為：

由此可以推得保護(hù)系統(tǒng)的可用度，即為：

As=1-P（Ts）

2 基于雙端信息原理保護(hù)的可靠性模型

一次系統(tǒng)的故障或異常狀態(tài)能否被成功切除或反映，不僅取決于保護(hù)裝置本身，同時(shí)也在很大程度上要受通信通道的工作情況的影響。為了保證外圍設(shè)備不會(huì)影響繼電保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，還需要設(shè)置基于雙端信息原理的保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)而構(gòu)建其可靠性模型評(píng)估保護(hù)系統(tǒng)。如圖1所示，由此可以確定整個(gè)系統(tǒng)中包含多種外圍設(shè)備，其拒動(dòng)失效和誤動(dòng)失效都會(huì)影響系統(tǒng)可靠性。同樣利用故障樹(shù)法來(lái)構(gòu)建可靠性模型評(píng)估外圍設(shè)備的可靠性。

保護(hù)裝置拒動(dòng)失效率為：

保護(hù)裝置誤動(dòng)失效率為：

3 故障樹(shù)求解分析

基于以上公式對(duì)外圍設(shè)備故障概率進(jìn)行計(jì)算，可以確定的各項(xiàng)外圍設(shè)備故障狀態(tài)概率為：

P（B）=λi/（λi+μi）

對(duì)其進(jìn)一步計(jì)算，可以確定外圍設(shè)備自身的可靠性及相關(guān)可靠性是需要慎重考慮的，其容易影響繼電保護(hù)裝置的可靠性。

結(jié)語(yǔ)

在電力系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的情況下，其危險(xiǎn)程度持續(xù)攀升。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)科學(xué)、合理的評(píng)估繼電保護(hù)裝置可靠性，也就是利用故障樹(shù)法或馬爾可夫狀態(tài)空間法等評(píng)估方法對(duì)繼電保護(hù)裝置硬件、軟件及外圍設(shè)備可靠性評(píng)估，并以此為依據(jù)來(lái)優(yōu)化和維護(hù)繼電保護(hù)裝置，可以提高繼電保護(hù)裝置的可靠性、安全性、有效性、應(yīng)用性，使其在繼電保護(hù)裝置中，充分發(fā)揮作用，使電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。所以，對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置可靠性進(jìn)行評(píng)估是非常必要的。

參考文獻(xiàn)

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