變電站二次直流失電保護系統的可靠性分析

王幸主，戚宣威，王 松，宣曉華，陸承宇，文明浩

（1.華中科技大學，武漢 430072；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

繼電保護作為保障電力系統安全穩定運行的第一道防線，其正常工作的前提條件是變電站二次直流電源可靠地為其供電[1-2]。一旦變電站發生二次直流電源消失的情況，且此時系統又發生了故障，則該變電站的所有保護裝置均無法正常工作，只能依靠相鄰變電站的遠后備保護來切除故障。這樣不僅大大延長故障切除時間，而且對于遠后備保護整定困難的相鄰站來說，其保護動作的靈敏性和可靠性也大大降低[3-5]。

隨著計算機技術和光纖通信技術的發展，以及IEC 61850 標準的實施[6-7]，相關學者提出了針對變電站二次直流失電的保護系統[8-9]。但是目前并沒有研究對提出的失電保護系統進行定量的可靠性分析，因此其可靠性無法驗證。針對傳統繼電保護系統的可靠性評估，相關文獻已經進行了大量的研究，提出了一系列可靠性評估方法[10-14]。文獻[10]提出了一種基于GO 法的繼電保護系統可靠性分析方法，但是GO 法操作符類型多且使用復雜，不僅要求對繼電保護系統原理非常熟悉，而且對GO 法也要有足夠的理解，使用起來有一定的難度。文獻[11]提出了一種基于Markov 狀態空間法的繼電保護系統可靠性分析方法，但是存在狀態空間“組合爆炸”的問題，不適用于大型復雜系統的可靠性分析。文獻[12]對傳統Markov 狀態空間法進行了改進，對依據保護邏輯建立的Markov 狀態空間進行了模糊化處理，但是仍存在狀態空間組合復雜的問題。文獻[13]提出了基于蒙特卡羅模擬法的電力系統可靠性評估方法，隨機模擬的次數與系統規模無關，適合對復雜系統進行可靠性的定量計算，但是計算精度有待進一步提高。文獻[14]基于可靠性框圖法對數字化繼電保護系統進行了可靠性評估并分析了薄弱環節，但是可靠性框圖法是一種靜態的建模和分析方法，難以描述系統部件之間存在的動態關系。

本文以失電保護系統為研究對象，建立了變電站二次直流失電保護系統各個環節的可靠性分析模型。采用基于故障樹的序貫蒙特卡羅算法分析其可靠性，并給出可靠性指標，為失電保護系統的評價和改進提供一種定量的分析方法。

1 失電保護系統的拓撲結構

假設系統結構如圖1 所示，變電站C 發生二次直流失電。

圖1 系統結構

根據目前變電站二次回路的設計規范，保護裝置的直流電源和通信電源相互獨立。基于此，文獻[3]提出了一種失電保護系統，其站內接線如圖2 所示。

當變電站C 發生二次直流失電時，其站內的48 V 通信電源仍保持正常工作狀態，以保障MCD（失電檢測裝置）檢測到失電信息并發送失電信息給所有相鄰的變電站，然后相鄰變電站再結合本站檢測到的電氣量進行故障判斷。綜合考慮失電保護裝置所需要的采樣、跳閘、失電檢測等環節，則變電站二次直流失電保護系統的結構如圖3 所示。

圖2 變電站站內接線

圖3 失電保護系統拓撲結構

2 失電保護系統的可靠性模型

根據故障樹分析法的符號規則[15]，下述可靠性模型中各個符號的分類和名稱如表1 所示。此外，在傳統的繼電保護系統可靠性評估中，根據繼電保護的動作特性，保護系統的失效類型分為拒動失效和誤動失效，以下分析中也分為這兩類。

表1 故障樹事件和邏輯符號

2.1 失電保護系統整體

根據故障樹分析法，結合圖3 所示的失電保護系統拓撲結構，建立失電保護系統的整體可靠性模型如圖4 所示。其中，失電保護系統的誤動失效主要包括2 種情況：跳閘回路發生誤動失效；跳閘回路正常情況下失電保護裝置發生誤動失效。失電保護系統的拒動失效情況與誤動失效類似，不再贅述。

圖4 失電保護系統整體可靠性模型

下面進一步分析圖4 中的中間事件，直至各個底事件為止。

2.2 跳閘

從圖3 所示的失電保護系統的拓撲結構可以看出，跳閘環節主要包括GOOSE 通信網絡、CB和ST 等部分。因此，跳閘誤動失效包括2 種情況：CB 本身發生誤動失效；在CB 正常的情況下，ST 發生誤動失效。跳閘拒動失效包括3 種情況：CB 本身發生拒動失效；ST 和CB 正常情況下GOOSE 網絡失效，無法發送失電保護裝置的跳令至ST；CB 正常情況下，ST 本身發生拒動失效。據此可得到跳閘環節的可靠性模型如圖5 所示。

2.3 通信網絡

從圖3 可以看出，整個失電保護系統通信網絡包括3 部分，分別是：SV 通信，把采樣信息發送至失電保護裝置；GOOSE 通信，發送失電保護裝置的跳閘命令至ST；失電檢測通信，把失電站的失電信息發送至與之相鄰的變電站。其中SV和GOOSE 通信網絡結構類似，都由OP（光纖）、SW（間隔交換機）、中心交換機等部件組成。當SV和GOOSE 通信網絡中任一部件出現問題時，整個通信網絡就發生了失效。因此，SV 和GOOSE通信網絡的可靠性模型如圖6 所示。

圖5 跳閘環節的可靠性模型

圖6 SV/GOOSE 通信網絡的可靠性模型

把圖6 中SV 和GOOSE 通信網絡結構中的SW 換成ODF（光纖配線架），即可得到失電檢測通信網絡的可靠性模型。

2.4 失電保護裝置

參考傳統繼電保護裝置本體的可靠性模型[16]，并結合失電保護裝置自身的特點，建立失電保護裝置誤動失效和拒動失效的可靠性模型如圖7 所示。圖7 中MEM，CU，PSU，QD，ACT 分別為存儲、通信、電源、啟動、算法等部件。

2.4.1 失電檢測

從圖3 可以看出，失電檢測環節包括通信電源、MCD 以及失電檢測通信網絡3 部分。對于失電檢測誤動失效來說，需要滿足失電檢測通信網絡和通信電源正常，并且MCD 發生誤發失電信息的故障。而對于失電檢測拒動失效來說，失電檢測環節任一部件發生拒動失效均會導致失電檢測環節發生拒動失效。因此，失電檢測環節的可靠性模型如圖8 所示。

2.4.2 采樣

圖7 失電保護裝置可靠性模型

圖8 失電檢測環節可靠性模型

采樣環節可靠性的分析與2.2 節中跳閘環節可靠性分析類似。需要注意的是，由于信息流向的不同，對于采樣誤動失效來說，需要滿足SV通信網絡正常，這樣才能把MU，ECT 及EVT 的誤動失效信息發送至失電保護裝置。因此，采樣環節的可靠性模型如圖9 所示。

圖9 采樣環節可靠性模型

3 可靠性指標

3.1 平均無故障工作時間和平均修復時間

MTBF（平均無故障工作時間）和MTTR（平均修復時間）分別反映系統或者部件在整個生命周期過程中平均兩次故障之間的時間間隔和平均修復每次故障所需要的時間。

3.2 可用度

可用度表示系統或者部件在起始時刻完好的條件下，在時間區間[0，t）內不發生失效的概率，用來評估系統或者部件長期運行的可靠性水平。定義為：

3.3 概率重要度

概率重要度用來定量地衡量各底事件發生概率的增減程度對頂事件發生概率的影響尺度，可用來確定每個底事件對系統整體的重要程度，發現系統的薄弱環節，為提高系統的可靠性提出合理建議。其定義為：

式中：Q（t）為系統的不可用度；g[Q（t）]為系統的失效率；i 表示對應部件的編號。

由式（2）可知，部件的概率重要度就是底事件狀態取1 時（底事件發生）系統失效率和底事件狀態取0 時（底事件未發生）系統失效率之差。

4 仿真結果

根據圖4—圖9 建立的變電站二次直流失電保護系統的可靠性分析模型，采用基于故障樹的序貫蒙特卡羅算法進行可靠性評估。其中保護裝置各部件的失效率參數分別為[16]：λMEM=λCPU=36.738×10-6，λCU=22.562×10-6，λPSU=11.4×10-6，λQD=7×10-6，λACT=λ軟件=7.504×10-6，λ人為=4×10-6；除軟件的修復率為1/48 外，其他部件修復率參數均為1/24。其他設備的失效率和修復率參數如表2所示。假設所有部件的MTBF 和MTTR 均服從單參數的指數分布，且誤動失效率和拒動失效率各占部件失效率的1/2。

表2 部分設備失效率和修復率

取最大仿真時間為106h，經過多次仿真，當可靠性指標收斂后進行統計。

4.1 失電保護系統的可靠性指標

經過仿真計算，圖3 所示變電站二次直流失電保護系統的MTBF，MTTR 及可用度等可靠性指標如表3 所示。

表3 失電保護系統的MTBF，MTTR，可用度

從表3 分析可得，失電保護系統的誤動MTBF遠大于拒動MTBF，這主要是由于失電檢測部分任一部件拒動失效均會導致失電保護系統發生拒動失效。然而誤動失效發生的條件則要苛刻得多，需要同時滿足失電檢測通信網絡和通信電源正常，并且MCD 誤發失電信息。下面的部件概率重要度分析也說明了這一點。此外，不論是誤動失效還是拒動失效，失電保護系統的可用度都是比較高的。

對于失電保護系統來說，它與傳統保護系統的主要區別在于失電檢測，因此下面只分析了失電檢測部件的概率重要度，結果如表4 所示。

表4 失電檢測部件的概率重要度

從表4 分析可得，相比于失電檢測部件的拒動概率重要度，其誤動概率重要度要小得多。對于失電保護系統誤動來說，提高失電檢測保護裝置的誤動可靠性可有效降低失電保護系統發生誤動失效的概率。而對于拒動來說，失電檢測通信網絡部件、通信電源以及失電保護檢測裝置對拒動可靠性的影響都比較大，據此可以提出針對性的改進措施。

4.2 改進措施

根據4.1 中的仿真結果，下面對圖3 所示的失電保護系統結構提出改進措施，即分別雙重化配置失電保護裝置和失電檢測通信網絡，并進行仿真驗證。改進以后失電保護系統的MTBF 如表5 所示。

表5 改進后失電保護系統的MTBF

相比于表3，由于失電保護裝置雙重化配置后2 臺保護裝置任意1 臺誤動都會造成失電保護系統誤動，而2 臺保護裝置同時拒動才會使失電保護系統拒動，因此，表5 中誤動的MTBF 降低，但是拒動的MTBF 明顯增加，而且整體的MTBF也是增加的。此外，由于失電檢測部件誤動的概率重要度很小，因此失電檢測通信網絡雙重化配置以后對失電保護系統誤動的MTBF 影響不大，但是明顯提升拒動和整體的MTBF。

綜上，為了進一步提高變電站二次直流失電保護系統的可靠性，可以考慮雙重化配置失電保護裝置和失電檢測通信網絡。

5 結語

為了定量評估變電站二次直流失電保護系統系統的可靠性，首先根據故障樹分析理論和失電保護系統的工作機制，對失電保護系統的采樣、跳閘、通信、失電檢測以及失電保護裝置等環節分別進行可靠性建模。然后利用序貫蒙特卡羅算法對失電保護系統進行仿真，得出MTBF、可用度以及部件概率重要度等可靠性指標。相關指標表明，失電保護系統的可用度是非常高的，但是失電檢測通信網絡是失電保護系統的薄弱環節。最后，根據仿真結果針對性地提出了失電保護裝置和失電檢測通信網絡雙重化等措施，經驗證相關措施可以進一步提高失電保護系統的可靠性。