繼電保護(hù)裝置對電網(wǎng)安全防御能力的探討

張杰

【摘要】電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大和使用年限的增加，電網(wǎng)發(fā)生故障的可能性大大增加。作為保障電網(wǎng)安全的重要部件，繼電保護(hù)裝置的可靠性和穩(wěn)定性在電網(wǎng)系統(tǒng)中顯得尤為重要。為了確保電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對繼電保護(hù)電路存在的隱患有效快速的評估，從而避免電網(wǎng)故障的蔓延。為了評估繼電保護(hù)裝置的可靠性，提出了基于使用成本的元件重要度分析模型，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，最終提出基于判據(jù)的繼電保護(hù)裝置可靠性評估模型。

【關(guān)鍵詞】繼電保護(hù)；電網(wǎng)安全

1、引言

電網(wǎng)是關(guān)系到國計(jì)民生的基礎(chǔ)保障工業(yè)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的電力供應(yīng)方式并入電網(wǎng)，為國家的能源安全保駕護(hù)航。然而隨著電網(wǎng)使用年限的增加，以及新舊不同的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施并網(wǎng)運(yùn)行，導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障的可能性日益增加。繼電保護(hù)裝置是保障電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的第一道防線，其可靠性直接決定著電網(wǎng)能否安全運(yùn)行，因此如何保障繼電保護(hù)裝置的穩(wěn)定性一直電力工業(yè)的研究重點(diǎn)。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，傳統(tǒng)的可靠性檢測方法無法滿足以電子信號為主的智能電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的需求。為了評估繼電保護(hù)裝置的可靠性，提出了基于使用成本的元件重要度分析模型，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，最終提出基于判據(jù)的繼電保護(hù)裝置可靠性評估模型。

2、數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)元件重要度分析

2.1 繼電保護(hù)裝置可靠性分析

保護(hù)系統(tǒng)通常包括三部分：保護(hù)交流輸入回路，數(shù)字繼電保護(hù)裝置和輸出操作回路。數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)一般包括非常規(guī)互感器、合并單元、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口、保護(hù)裝置、同步時鐘源及電源模塊等構(gòu)成。在數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)中，非常規(guī)互感器對數(shù)字信號的印象很小，因此在考慮系統(tǒng)的可能性并不將該裝置考慮在內(nèi)。

跟上數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可以有保護(hù)系統(tǒng)的可靠性圖，如圖1所示。

在圖1中，TS表示同步時鐘源，MU表示合并單元，PR為繼電保護(hù)單元，SW表示交換機(jī)，EM表示網(wǎng)絡(luò)接口。一般來說，數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)主要包括兩種模型：串聯(lián)系統(tǒng)模型和并聯(lián)系統(tǒng)模型。串聯(lián)系統(tǒng)模型只有在任意一個部件故障時，斷路器就會發(fā)生作用，而并聯(lián)系統(tǒng)模型只有在所有部件都故障時才會發(fā)生作用。

2.2 元件重要度分析

所謂的可靠性就是指在某個時間段t中，所有完好的原件在單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率，故障主要包括三種類型誤動，拒動和總失，與之相對應(yīng)的誤動失效率，拒動失效率和保護(hù)總失效率。保護(hù)總失效率是指保護(hù)裝置正常工作到時刻t后，在單位時間內(nèi)失效的概率，即誤動失效率和拒動失效率之和。

為了便于表述，本文假設(shè)在同一個電網(wǎng)系統(tǒng)中，所有相同類型的元件都具有相同的失效率，因此圖3中的TS1和TS2，PR1和PR2可以分別合并，設(shè)圖3中各模塊的失效率為，誤動失效率為，拒動失效率為。假設(shè)上述元件采用串聯(lián)模式，而不同的路集之間采用并聯(lián)模式，系統(tǒng)中的路集集合為，表示系統(tǒng)中第i個元件的可靠性，因此整個結(jié)構(gòu)的可靠性函數(shù)為

假設(shè)系統(tǒng)的組件TS，MU，EM，SM，PR的可靠性分別為，則圖3的可靠性函數(shù)為

從上式可以看出影響系統(tǒng)可靠性的主要依賴于元件在系統(tǒng)中的位置以及元件的可靠性。

基于使用成本的重要度分析主要是根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)在使用過程中的成本來評斷某個元件的重要程度。一般來說系統(tǒng)的使用成本主要包括三類，誤動造成的經(jīng)濟(jì)損失，拒動造成的經(jīng)濟(jì)損失以及系統(tǒng)的恢復(fù)成本，因此有

為了計(jì)算誤動拒動造成的經(jīng)濟(jì)損失，需要設(shè)定各模塊的誤動和拒動的概率，假設(shè)各元件的誤動和拒動的概率為和，在上述保護(hù)系統(tǒng)中，元件是分別通過串聯(lián)組成路集，而路集之間是采用并聯(lián)的方式，因此有保護(hù)系統(tǒng)的誤動函數(shù)和拒動函數(shù)分別為

由于系統(tǒng)誤動和拒動造成的經(jīng)濟(jì)損失隨著時間的增加而增加，而系統(tǒng)的檢修時間固定，所以系統(tǒng)的誤動和拒動次數(shù)直接決定了系統(tǒng)拒動和誤動造成的經(jīng)濟(jì)損失，因此有

系統(tǒng)的檢修成本主要包括維修費(fèi)用和檢修費(fèi)用，其中維修費(fèi)用取決于系統(tǒng)的故障次數(shù)，而檢修成本取決于系統(tǒng)檢測的頻率，系統(tǒng)的維修頻率為

設(shè)系統(tǒng)的檢修頻率為，其中T為檢修周期。因此有系統(tǒng)的修復(fù)成本為

3、基于繼電保護(hù)判據(jù)的可靠性評估

通過元件來判斷系統(tǒng)的使用成本只能在系統(tǒng)維護(hù)上指導(dǎo)檢修，但是并不能從根本上來評估系統(tǒng)的可靠性，從某種意義上來說，系統(tǒng)的可靠性評估是保證電網(wǎng)安全和穩(wěn)定的第一道防線，只有在建設(shè)之初就考慮到電網(wǎng)的可靠性，才能保證電網(wǎng)在運(yùn)行期間的使用成本等。變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)之一是基于二次諧波制動原理的差動保護(hù)。該保護(hù)的原理是通過判別差動電流中的二次諧波含量來識別內(nèi)部故障情況。當(dāng)變壓器空載合閘時，產(chǎn)生的勵磁涌流中的二次諧波含量很高，差動保護(hù)制動；當(dāng)變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時，此時的差動電流呈正弦波狀，二次諧波含量很低，差動保護(hù)能夠動作。

傳統(tǒng)的二次諧波閉鎖原理是根據(jù)三相電中二次諧波與基波之間的比例作為判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，有

其中是二次諧波分量，是基波分量，是二次諧波制動閾值，當(dāng)兩者之間的比例大于閾值的情況說明系統(tǒng)中出現(xiàn)強(qiáng)烈的涌波，可以直接判斷是否出現(xiàn)故障。

一般情況下來說，系統(tǒng)制動主要包括或門閉鎖，按相閉鎖，分相制動，綜合相制動，按故障相制動，三取二原則制動原則。

由于保護(hù)系統(tǒng)中可能會發(fā)生多種狀況導(dǎo)致的系統(tǒng)閉鎖，按照前一節(jié)的介紹，系統(tǒng)閉鎖有可能是元件的誤動和拒動導(dǎo)致的，因此在制定系統(tǒng)閉鎖標(biāo)準(zhǔn)是，采用了新的閉鎖概率來評判。

在系統(tǒng)中，當(dāng)有兩相電流的差值的二次諧波比值大于閾值時，系統(tǒng)的必然發(fā)生閉鎖，因此閉鎖概率為1，當(dāng)至少兩相差值小于閾值時，說明系統(tǒng)的安全性可以得到保證，此時系統(tǒng)不會發(fā)生閉鎖，統(tǒng)計(jì)不同二次諧波含量與基波比例超過閾值與系統(tǒng)閉鎖的情況，可以得到二次諧波與基波的比例與系統(tǒng)閉鎖的對應(yīng)關(guān)系表為：

在概率密度不同是，系統(tǒng)保護(hù)判據(jù)的范圍也各不相同，因此系統(tǒng)的可靠性結(jié)果也相差極大，假設(shè)系統(tǒng)的閾值為0.25，P為閉鎖概率，因此有

其中三相電的差流的二次諧波均在取值范圍[m，n]之間，則閉鎖概率為

根據(jù)二次諧波的判斷依據(jù)，可以計(jì)算出三相電各相的閉鎖概率，當(dāng)至少有兩個概率大于0.5時，則判為勵磁涌流，閉鎖比率差動保護(hù)；如果至少有兩相差流的閉鎖概率小于0.5，判為故障電流，開放比率差動保護(hù)。

4、結(jié)束語

為了確保電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對繼電保護(hù)電路存在的隱患有效快速的評估，從而避免電網(wǎng)故障的蔓延。首先根據(jù)系統(tǒng)元件在保障期間內(nèi)可能發(fā)生的誤動和拒動的概率，評估出現(xiàn)這種情況時對電網(wǎng)安全性，尤其是對電網(wǎng)造成的損失導(dǎo)致的問題，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后基于上述情況提出了基于繼電保護(hù)判據(jù)的可靠性評估，從設(shè)計(jì)階段來評估系統(tǒng)的安全性，從根本上減少系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。

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