基于高電壓電網(wǎng)繼電保護可靠性的研究

陳金林，陳平耕

（1.國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210008；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

近幾年，在電力系統(tǒng)中發(fā)展最快的是自動化技術，同時相關的設備零部件也有所增加，使得整體的結構變得更加復雜，提升了設備性能和功能，也增加了電力風險因素。電力系統(tǒng)中的繼電保護系統(tǒng)能夠發(fā)揮作用，在故障以及風險發(fā)生時，能在最短時間與最小范圍內(nèi)自動將故障機器從系統(tǒng)中抽出或是向工作人員發(fā)出信號。

1 我國繼電保護系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于我國工業(yè)起步較晚，在發(fā)展過程中一直處于相對落后的狀態(tài)。電力系統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)歷經(jīng)了十幾年的發(fā)展。20世紀40年代創(chuàng)辦了電氣保障學科與電氣保護設計，創(chuàng)辦了繼電保護制造業(yè)與電氣機械保護技術團隊。20世紀50年代初，晶體管電保障的研究興起，在20世紀60年代與80年代得到了廣泛使用。從20世紀70年代中期以后，人們開始分析集成運算放大器的集成電路保障，在80年代初產(chǎn)生了替代晶體管保障的比較完備的系統(tǒng)[1-2]。我國的繼電保護技術從20世90年代進入計算機保障時代，研發(fā)了計算機保護軟件。由于繼電保護系統(tǒng)中計算機技術和通信技術的使用，使得我國的繼電保護系統(tǒng)逐漸向智能化、自動化以及網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。

2 繼電保護系統(tǒng)的可靠性分析

2.1 繼電保護系統(tǒng)的可靠性分析

電力系統(tǒng)中，繼電保護裝置以保護為重點。在電力系統(tǒng)爆發(fā)故障時，繼電保護裝置穩(wěn)定工作，展開相應隔離故障操作，避免事故區(qū)間沖擊穩(wěn)定行駛部分。所以，在繼電保護系統(tǒng)中，最應該考慮的是相關的繼電保護裝置是否具有良好的可靠性。可靠性可使用特定的數(shù)值來展現(xiàn)。在電力系統(tǒng)中，繼電保護裝置的可靠性評估主要包括信賴度、改建率、替換活動以及平均擴建時間等[3]。對于繼電設備展開合理的性能分析，能夠有效提高設備的可靠性，還能夠及時發(fā)現(xiàn)影響設備可靠性的因素。目前，微機繼電保護裝置在高壓輸電網(wǎng)系統(tǒng)中十分常見，并且被廣泛應用于現(xiàn)代輸電線保護。現(xiàn)階段，隨著社會的發(fā)展，電力系統(tǒng)越來越復雜。微機繼電保護裝置可以根據(jù)目前的一些復雜狀況做出改變，以便更好地滿足現(xiàn)階段的電力系統(tǒng)需要。微機繼電保護系統(tǒng)和現(xiàn)代計算機的應用有關，能不同程度影響繼電保護系統(tǒng)的可靠性可靠性。為了確保微機傳送保障的穩(wěn)定運行，避免與掌控內(nèi)部干擾十分必要。

2.2 基于故障樹法分析繼電保護系統(tǒng)的可靠性

故障樹分析法是1962年美國貝爾電報公司的電話實驗室研發(fā)的。本課題的主要分析方法之一是對安全性系統(tǒng)工程的系統(tǒng)、精確和計算的研究。

組成繼電保護硬件系統(tǒng)的裝置主要包含電力變壓器、繼電保護裝置以及電力通信裝置等。由于裝置以及系統(tǒng)較多，所以可以采取故障樹的方法逐層分析，以便可以更好地發(fā)現(xiàn)繼電保護系統(tǒng)中存在的故障。如圖1所示，把系統(tǒng)硬件系統(tǒng)分成繼電器保障老舊與阻斷器故障兩部分，A指出保障是準確的，B指出截斷器是準確的，則繼電保護系統(tǒng)的硬件故障用AB+AB=AB+B指出[4]。通過準確測量，清楚了解繼電保護系統(tǒng)硬件各部件的概率性和重要性。

圖1 繼電保護系統(tǒng)硬件失效故障樹

3 繼電保護系統(tǒng)在高壓電網(wǎng)中的應用案例

3.1 繼電保護的配置

從運行狀態(tài)看，繼電器保障分為穩(wěn)定運行和異常行駛兩種狀態(tài)。異常行為中包括錯誤操作與拒絕。假如電力系統(tǒng)爆發(fā)了故障，相關的繼電保護系統(tǒng)會對出現(xiàn)故障的部件發(fā)出斷路命令并執(zhí)行，對出現(xiàn)故障的部件進行處理，確保繼電系統(tǒng)中的裝置能夠穩(wěn)定運行，增強電力運行過程中的穩(wěn)定性，對提升高壓輸電網(wǎng)裝置行駛的安全性與穩(wěn)定性具有關鍵作用。

繼電保護配置策略如下[5]。第一，線路繼電保護。以此中性點直接接地系統(tǒng)為例，敘述高壓電力網(wǎng)110 kV線路的繼電器保障的結構。對于系統(tǒng)連接線、發(fā)電站接入線、短線路與光纖通道，適當使用光纖垂直插值保障，以構建所有線路的高速動作保護。第二，母線繼電保護。建設高壓輸電網(wǎng)的過程中，110 kV母線與雙母接線形式的關鍵母線需安裝相關的保護系統(tǒng)。如果母線爆發(fā)故障，應急速拆毀和工廠相連的母線。有必要給母線提供繼電保護系統(tǒng)，除母線保障之外，也可當作變壓器來保障，提升母線之上零件的運行安全性。第三，變壓器的繼電保護，在電力系統(tǒng)中變壓器占據(jù)著重要地位，會不同程度影響電力系統(tǒng)的安全性。目前，變壓器的使用主要是對電力系統(tǒng)進行保護，如電流插值保障、電流迅速截止保障、零序電流保障等。第四，母聯(lián)（橋）保護。對使用雙母線布線、單母線斷線以及橋布線等布線方式的變電所，有必要考量母線（橋）區(qū)間的保護。重要是在母線充電時出現(xiàn)故障時，能夠在最快的時間內(nèi)隔絕故障母線。一般狀況下，都安裝有自我充電保障與短時間過電流保障。

3.2 配高壓電網(wǎng)可靠性指標

通常，SAIGI、CAIGI與ASAI能夠充分決定繼電保護系統(tǒng)的可靠性狀況，其中SAIGI是指用戶在使用電力的過程中出現(xiàn)的停電次數(shù)，而CAIGI是指每個用戶在用電過程中一年中出現(xiàn)的斷電次數(shù)總和。平均電力供應可用性指標稱作ASAI，是指總實際電力供應時間與被明定為總電力供應時間之比。采用網(wǎng)絡等展開高壓電力網(wǎng)的可靠性分析：（1）向上等效過程，即基本上采用上一電力線的等效節(jié)點元件表示分支電力線對于上一電力線的影響；（2）向下等效過程，基本思想是通過下送器的后端設立等效節(jié)點元件用以表示上送器對下送器的影響[6]。

4 提升高壓電網(wǎng)中繼電保護系統(tǒng)運行可靠性的策略

4.1 制約繼電保護系統(tǒng)可靠性的幾個方面

4.1.1 硬件系統(tǒng)裝置方面

電力系統(tǒng)主要包含有信道、繼電保護系統(tǒng)、設備通信系統(tǒng)以及二次電路等關鍵組成部分[7]。這些關鍵部件的可靠性直接沖擊繼電器保障的可靠性，而且對整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定行駛的安全性與可靠性影響巨大。假如其中一個關鍵部件出現(xiàn)性能問題，那么整個電力系統(tǒng)便會直接爆發(fā)故障。比如，繼電保護裝置會因觸電而斷裂或是松動，繼電器的負載轉換操作會爆發(fā)深遠故障。這些故障是因為繼電器尺寸不恰當造成的，對整個電力系統(tǒng)造成了嚴重影響。

4.1.2 軟件系統(tǒng)方面

相關的軟件系統(tǒng)如果出現(xiàn)問題，也會不同程度對繼電保護系統(tǒng)產(chǎn)生影響。如果軟件出現(xiàn)問題，易爆發(fā)拒絕繼電保護或是錯誤操作。比如，假如系統(tǒng)軟件瓦解，繼電保護裝置的邏輯認定直接爆發(fā)，指令混亂，信賴度大幅度下降，嚴重沖擊電力系統(tǒng)的安全性運行。為了確保可信運行，保障高壓輸電網(wǎng)絡的傳遞系統(tǒng)，檢驗年度檢查、軟件升級理論等保護裝置的功能，必要時給予完善、管理與維護。需要注意，作為電力系統(tǒng)核心組成部分的繼電器保障，其程序與邏輯應實行嚴苛措施，避免黑客與病毒入侵，防止毀壞高壓電網(wǎng)。

4.1.3 技術操作方面

除硬件因素與軟件因素之外，相關工作人員對于技術操作的熟練程度也會不同程度地影響繼電保護系統(tǒng)。在現(xiàn)在的電力系統(tǒng)中，為了防止因人員疏忽引發(fā)的繼電保護事故，實行了很多措施。但是，電路的關閉與誤鎖等事故也是存在的，主要是由于在電力系統(tǒng)中每一階段都會涉及輸電線路的建設，建設中如果沒有按照標準進行操作，繼電保護系統(tǒng)的二次布線錯誤與設備的調(diào)整泄漏會影響繼電保護系統(tǒng)的運行可靠性，從而造成繼電器安全事故。因此，需從高壓輸電網(wǎng)絡的建設全過程展開運行保障。

4.2 提升高壓電網(wǎng)中繼電保護系統(tǒng)運行可靠性的策略

4.2.1 全面提升微機化與信息化水準

社會的快速發(fā)展，促進了很多新技術的誕生。其中，信息技術快速發(fā)展，使得我國的微計算機保護技術系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的關鍵技術系統(tǒng)被普遍重視。繼電保護系統(tǒng)裝置的基本功能是排除故障部件，進而確認其功能，導致難以符合電力系統(tǒng)的要求。為了確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，可利用計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能，精確保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.2.2 提升繼電保護系統(tǒng)的智能化

近年來，智能高壓輸電網(wǎng)的建設已經(jīng)廣泛應用于電力系統(tǒng)。電力繼電保護系統(tǒng)逐漸網(wǎng)絡化和集成化。繼電保護系統(tǒng)中使用智能化技術，能使繼電操作更加便利，還能夠有效提高繼電保護系統(tǒng)的可靠性。但是，要更好地提高繼電系統(tǒng)的智能化，需要進一步強化電力系統(tǒng)整體的智能化，充分發(fā)揮人工智能技術的作用[8]。利用智能化技術便于研究高壓電網(wǎng)的故障處置，進一步提高裝置行駛的安全性與可靠性。通常，要提升繼電保護系統(tǒng)工作的可靠性，需從各種影響因素著手，針對各種沖擊可靠性的問題提交精確的解決方案，確保高壓電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。為此，有必要強化繼電保護系統(tǒng)的技術研究，提升繼電保護系統(tǒng)的智能化水平。

5 結 論

本文重要研究繼電器保障的可靠性，探討高壓輸電網(wǎng)絡繼電器保障的應用，以避免各種電力事故的發(fā)生，減少事故導致的各種經(jīng)濟損失。需強化繼電保護系統(tǒng)的可靠性研究，不斷改進可靠性評估方法，從而不斷提高電力系統(tǒng)的工作效率。