智能變電站繼電保護系統可靠性分析

閔寬

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

智能變電站繼電保護系統可靠性分析

閔寬

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

先對智能變電站繼電保護系統進行分析，然后構建可靠性模型，并且采用最小路集及不交化算法計算模型。為了能夠有效驗證可靠性函數正確與否，采用串聯法和并聯法計算保護可靠性，結果與最小路算法一致。智能變電站線路保護因網絡合理，其可靠性得以提高；母線保護因元件眾多，且結構復雜，其可靠性受到影響，同時這也為提高母線保護可靠性，提供了重要參考依據。

智能變電站；繼電保護；可靠性；不交化算法

1 系統構成

對于智能變電站而言，其主要包括站控層、間隔層和過程層等幾個層次，傳統變電站則與之不同，主要由站控層和間隔層2部分組成。較之于傳統的變電站，智能變電站實現了自動化管理。隨著智能技術的快速發展和應用范圍的不斷擴大，間隔層功能逐漸被應用到過程層。由于組成結構發生了變換，智能變電站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。智能變電站系統采用電子式互感器采集數據信息，經合并單元合并和匯總數據，加入同步時鐘對時信號；經過加密，以密文形式（特定形式）經網絡傳輸至保護端。在系統保護控制側，終端作為一次設備，負責接收測控、保護設備傳來的跳合閘命令，經系統判斷以后，根據實際情況發出控制指令，以此來實現對斷路器的有效控制，并且采集斷路器動作信號，將其發送至保護設備和系統之中。

2 可靠性分析法

在分析智能變電站繼電保護系統可靠性過程中，應當先建立可靠性模型。在此過程中，建模方法非常多，比如蒙特卡羅法是隨機選擇一種元件，對失效事件抽樣檢測，計算出系統的失效可能性，再對計算系統的可靠性進行統計，該方法在一些元件結構相對比較簡單的智能變電站中應用效果比較好；再如，馬爾柯夫模型，若系統的結構比較復雜，則會使模型變得非常龐雜，求解難度較大。此外，還有故障樹法，采用該種方法時，對分析人員有較高的要求，而且不能對各分析結果橫向比照，無法有效形成統一意見。同時，還可以采用可靠性框圖法對智能變電站繼電保護系統的可靠性進行分析，這是一種可對復雜系統建模和可進行可靠性分析的有力工具和手段。對于目前的智能變電站而言，其過程層采用了SV及GOOSE類型的報文分網傳輸結構，對其采用可靠性框圖法進行分析，并對系統運行可靠性進行評價。

3 可靠性計算

主變保護組網如圖1所示，現代智能變電站繼電保護系統由主變、線路及母線和母聯保護等構成，類似于常規的保護系統。該系統采用的是雙重配置方式，2套保護系統獨立運行，彼此互不干擾。與此同時，還采用了雙網并行冗余協議（即PRP），有利于SV采樣信號與GOOSE保護跳閘信號，在過程層無損傳輸。雙重配置模式，使得智能變電站繼電保護在裝置與結構上均滿足了“一備一用”的保護要求，大大提高了系統運行的安全性和可靠性。系統中的主變保護、合并單元以及智能終端，均采用組網模式進行連接，實現了對跨接GOOSE雙網的保護，基于GOOSE采集開關量和傳輸跳閘信息與命令；基于協議，比如IEC61850-9-2協議，通過SV對采樣值信息進行傳輸。實踐中，為了能夠有效發揮智能變電站系統應用過程中的“智能”功能，變電站系統中的主變壓器保護設備采用保護、測控2種CPU，完成預期功能。在測控采樣過程中，可起到保護啟動判別的作用，用于輔助判據，有利于系統可靠性的提高。

圖1 主變保護組網示意圖

根據圖1和主變保護可靠性框圖，本文采用最小路集法及最小割集不交化法進行計算，然后代入元件運行過程中的正常概率，可得出以下主變保護系統可靠函數公式：

式（1）中：Pit，Pem，Psw，Ppr，Pmu分別為智能變電站終端正常運行過程中的概率、網絡介質概率、交換機正常功率、繼電保護設備正常概率和合并單元概率。

代入元件的運行故障發生的概率，t＝50年。主變可用度的計算結果為A主變＝0.999 999 991，主變保護系統的不可用度為了能夠對最小路集法應用所得的可靠性函數正確性進行驗證，建議對各保護可靠性框圖作串并聯簡化，然后將其轉化成公式計算。采用MATLAB仿真模型，繪制主變、線路及母線保護的安全可靠度曲線圖。較之于110 kV變電站線路保護安全性、可靠性而言，220 kV變電站線路保護雖然有較多的組成單元，而且其組成結構相對比較復雜，但因后者的V網絡為并行冗余結構，同時采用4臺SV交換機，由此可見，220 kV變電站線路保護效果更好。從實踐中可以看到，主變保護、220 kV線路保護配置一致，但由于主變保護需對35 kV及110 kV、220 kV斷路器操作箱進行連接，而且單元數目相對較多，所以影響了主變保護的可靠性。對于母線保護而言，其需要連接很多個間隔，而且合并單元及智能終端的數量也比較多，尤其是光纖連接單元成倍增加，加之結構龐雜，致使其可靠性不如其他3種類型。

4 增強系統可靠性的有效措施

基于以上分析，本文研究的智能變電站母線保護安全性、可靠性相對較低，而且母線保護作為系統的主要組成部分，可靠性較低必然會影響變電站系統的運行效率。為了能夠有效提高變電站繼電保護的可靠性，建議增強繼電保護系統的冗余性，有效利用以太網絡冗余性優勢，對于智能變電站網絡拓撲，建議選擇星型、總線型和環型等，進一步提高冗余度，這樣才能有效提高變電站系統的可靠性。

［1］林捷.關于智能變電站繼電保護系統的一些優化策略研究［J］.通訊世界，2017（11）.

［2］王明亮.智能電網的繼電保護系統研究［J］.電子技術與軟件工程，2016（03）.

〔編輯：劉曉芳〕

TM63；TM77

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.069

2095-6835（2017）24-0069-02