智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性研究

于 靜（國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

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智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性研究

于 靜
（國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

〔摘 要〕在對智能變電站簡要介紹的基礎(chǔ)上分析了其繼電保護系統(tǒng)的構(gòu)成，然后以某電網(wǎng)智能變電站的網(wǎng)絡(luò)接線方案為原型，采用可靠性框圖法對變電站的穩(wěn)定性加以分析。研究了實際變電站主變保護、母線保護、110 kV及220 kV線路保護的可靠性，提出了提高其可靠性的措施，為智能變電站繼電保護系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供了保障。

〔關(guān)鍵詞〕智能變電站；繼電保護；可靠性；冗余度

0 引言

隨著智能電網(wǎng)概念的逐漸火熱，智能變電站概念也被提出。智能變電站是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的匯集點，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。智能變電站通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，能夠智能地完成信號的采集、實時監(jiān)控、動作保護等功能。在智能變電站保護系統(tǒng)中，使用光纖來替代電纜連接一次設(shè)備與二次設(shè)備，同時輸出的模擬信號也變?yōu)閿?shù)字信號。由于這些不同，智能變電站保護系統(tǒng)也與傳統(tǒng)變電站有較大差異。

1 智能變電站繼電保護系統(tǒng)的組成

基于IEC61850協(xié)議的智能變電站“站控層+間隔層+過程層”的分層模式與傳統(tǒng)變電站采用的“站控層+間隔層”自動化體系不同，傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)在間隔層實現(xiàn)了過程層的功能。然而隨著現(xiàn)代智能化的發(fā)展，越來越多的間隔層功能被設(shè)置到過程層中。結(jié)構(gòu)的改變使得基于IEC61850協(xié)議的智能變電站繼電保護系統(tǒng)的主要功能集中在過程層與間隔層及2層之間的過程層網(wǎng)絡(luò)。智能變電站繼電保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電子式互感器、網(wǎng)絡(luò)接口、合并單元、保護裝置、交換機、智能終端及同步時鐘等元件構(gòu)成。

從圖1可以看出，在智能變電站繼電保護系統(tǒng)中，使用電子式互感器對數(shù)據(jù)進行采集后，通過合并單元對數(shù)據(jù)進行合并匯總，并加入同步時鐘傳來的對時信號，加密后以特定的密文形式經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖Ｗo端。在保護控制側(cè)，智能終端是一次設(shè)備，主要用來接收測控裝置和保護裝置發(fā)送的跳合閘命令，經(jīng)過系統(tǒng)的判斷后發(fā)出控制指令控制斷路器，同時將斷路器的動作信號采集并發(fā)送到保護裝置中。

圖1 智能變電站繼電保護系統(tǒng)

2 智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性分析方法

要對智能變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性進行分析，需要先建立系統(tǒng)的可靠性模型。可靠性模型的建模方法較多：蒙特卡羅模擬法的思想是利用計算機隨機選擇元件，并對其失效事件進行抽樣檢測來構(gòu)成系統(tǒng)失效概率，再通過統(tǒng)計來計算系統(tǒng)可靠性的，此方法不太適合元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且眾多的智能變電站；使用馬爾柯夫模型時，如果系統(tǒng)包含過多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致模型變得復(fù)雜而龐大，難以求解；故障樹法對分析人員的要求較高，并且不能對不同人員的分析結(jié)果進行橫向?qū)Ρ龋虼穗y以得到統(tǒng)一的意見；可靠性框圖法是對復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性進行建模和分析的一種強有力的工具，其結(jié)構(gòu)簡單，能夠清晰地列出系統(tǒng)各元件之間的邏輯關(guān)系，計算較為簡單。

所以，針對某電網(wǎng)智能變電站中采用的過程層SV與GOOSE報文分網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，運用了可靠性框圖法，建立其保護系統(tǒng)的可靠性評價模型。

3 智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性計算

該智能變電站的保護系統(tǒng)由主變保護、線路保護、母聯(lián)保護和母線保護構(gòu)成。與常規(guī)保護系統(tǒng)相似，該智能變電站保護系統(tǒng)采用雙重配置，2套保護系統(tǒng)相互獨立且互不干擾，同時采用雙網(wǎng)并行冗余協(xié)議（PRP）保證了SV采樣信號和GOOSE保護跳閘信號能在過程層網(wǎng)絡(luò)中無損傳輸。采用雙重配置使得繼電保護在結(jié)構(gòu)和裝置上都滿足保護系統(tǒng)“一備一用”的要求，提高了保護系統(tǒng)的可靠性。

主變保護與智能終端、合并單元都是采用組網(wǎng)的方式連接，保護跨接GOOSE雙網(wǎng)，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)采集開關(guān)量信息以及傳輸跳閘命令；采用IEC61850-9-2協(xié)議，通過SV網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值信息。為了充分發(fā)揮智能變電站在應(yīng)用層面的“智能化”，智能變電站中的主變壓器保護裝置采用保護CPU和測控CPU分別完成相應(yīng)的功能，測控采樣可作為保護啟動判別的輔助判據(jù)，提高保護整體的可靠性。圖2為主變保護的組網(wǎng)方案。

圖3是根據(jù)主變保護組網(wǎng)方案得出的可靠性框圖。其中，MU1，MU2為220 kV母線PT合并單元1和110 kV母線PT合并單元1；MU3，MU4為220 kV母線PT合并單元2和110 kV母線PT合并單元2；IED1，IED2，IED3為220 kV，110 kV和35 kV側(cè)斷路器智能操作箱l；IED4，IED5，IED6為冗余配置的220 kV，110 kV和35 kV側(cè)斷路器智能操作箱2；SW1為SV交換機A1，SW2為SV交換機B1，SW3為SV交換機A2，SW4為SV交換機B2；SW5為GOOSE交換機A，SW6為GOOSE交換機B；EM1-EM20為光纖；PR1為主變保護1，PR2為主變保護2。

根據(jù)主變保護可靠性框圖，用最小路集法和最小割集不交化算法，代入各元件的正常工作概率，可得出主變保護的可靠性函數(shù)：

式中：Pit——智能終端正常工作的概率；Pem——網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)正常工作的概率；Psw——交換機正常工作的概率；Ppr——繼電保護裝置正常工作的概率；Pmu——合并單元正常工作的概率。代入各元件的故障率，取t=50年，可得主變保護可靠度隨時間變化的曲線，如圖4所示。

根據(jù)公式，計算出主變的可用度結(jié)果為：

則主變保護的不可用度為：

為了能夠驗證最小路集法得出的可靠性函數(shù)的正確性，對各個保護可靠性框圖進行串并聯(lián)化簡，并轉(zhuǎn)化為公式進行計算。再通過MATLAB仿真，得出主變保護、線路保護和母線保護的可靠度隨時間變化的曲線，如圖5所示。保護系統(tǒng)可靠性參數(shù)MTTF（mean time to failure，平均失效前時間）如表1所示。

分析以上結(jié)果可知，與110 kV線路保護的可靠性相比，雖然220 kV線路保護組成單元較多，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但由于220 kV線路保護的SV網(wǎng)絡(luò)采用并行冗余結(jié)構(gòu)，使用4臺SV交換機，而110 kV線路保護只使用2臺SV交換機，因而220 kV線路保護的可靠性更高。主變保護和220 kV線路保護的網(wǎng)絡(luò)配置相同，但由于主變保護需要連接35 kV，110 kV和220 kV側(cè)的斷路器操作箱，單元數(shù)目略多，因此主變保護比220 kV線路保護的可靠性低。而由于母線保護需要連接眾多間隔，合并單元和智能終端數(shù)目多，光纖連接單元也成倍數(shù)增加，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使其可靠性比其他3類保護低得多。

圖2 主變保護組網(wǎng)方案

圖3 主變保護可靠性框圖

圖4 主變保護的可靠性曲線

圖5 各保護的可靠性曲線

表1 保護系統(tǒng)可靠性參數(shù)MTTF

4 提高智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性措施

由以上分析結(jié)果可知，該電網(wǎng)智能變電站母線保護的可靠性較低，而母線保護作為變電站保護系統(tǒng)重要組成部分，其較低的可靠性直接影響智能變電站的可用性。提高智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性的主要途徑就是增加系統(tǒng)的冗余性。系統(tǒng)冗余性主要由裝置冗余度和網(wǎng)絡(luò)的冗余度決定。

（1） 智能變電站系統(tǒng)和常規(guī)變電站系統(tǒng)一樣需要利用裝置冗余提高系統(tǒng)可靠性，由圖2可知，圖中各類保護都具有2套保護系統(tǒng)，并且2套保護系統(tǒng)具有獨立的合并單元、交換機以及保護裝置，從而實現(xiàn)了裝置冗余。

（2） 在物理結(jié)構(gòu)上，智能變電站最重要的1個優(yōu)點就是可以靈活選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。由圖2可知，圖中采用的雙以太網(wǎng)并行冗余技術(shù)，并未充分利用以太網(wǎng)絡(luò)冗余性優(yōu)點。變電站網(wǎng)絡(luò)拓撲可以選擇總線型、星型以及環(huán)型來提高冗余度。

5 結(jié)束語

以上首先對220 kV智能變電站繼電保護系統(tǒng)進行了介紹，然后利用可靠性框圖構(gòu)建了各個保護在其組網(wǎng)方案下的可靠性模型，緊接著利用最小路集和不交化算法對模型進行計算。同時，為了驗證最小路集法得出的可靠性函數(shù)的正確性，利用了串、并聯(lián)法對各保護可靠性進行計算，所得結(jié)果與最小路算法得出的結(jié)果一致，但運算過程隨著模型的增大而變得復(fù)雜。最后對結(jié)果進行了分析，由結(jié)果可知：220 kV線路保護由于其網(wǎng)絡(luò)配置合理，其可靠性較其他保護類型高；母線保護由于元件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致其可靠性最低，這為研究如何提高母線保護可靠性提供了較好的依據(jù)。

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收稿日期：2015-10-12；修回日期：2016-01-15。

作者簡介：

于 靜（1990-），女，助理工程師，主要從事220 kV及以下變電站內(nèi)保護裝置定檢、技改工程、新建站驗收等工作，email：wangzcumt@163.com。