集中式重合閘及其可靠性分析

戚宣威，王幸主，裘愉濤，王 松，朱可凡，文明浩

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

0 引言

電力系統長期運行經驗表明，發生在架空線路上的故障大多為瞬時性故障，而自動重合閘能在斷路器動作后實現自動重合，大大提高了瞬時性故障下電力系統的可靠性和穩定性，極大縮短了停電時間，減少了線路的停電次數[1-4]。目前自動重合閘功能通常配置在斷路器保護中[5-8]。隨著大量智能變電站的設計建設，繼電保護已從就地化布置逐漸發展為多層級布置，且采用雙重化配置，使繼電保護的性能大大得到提升[9-11]。然而自動重合閘裝置仍采用按斷路器分散式布置，在雙重化保護配置下，存在著重合閘配合困難等問題[8-9]。

已有文獻針對自動重合閘裝置的工作原理、配合策略等方面開展了相關研究。文獻[7]分析了兩起由于現場重合閘裝置與操作回路不一致，導致斷路器保護的重合閘功能未正常動作的事故。文獻[8]分析論證了斷路器重合閘的配合方法，并改進現場回路接線，優化重合閘與其他保護的配合。文獻[9]指出在已有雙重化保護配置下自動重合閘裝置存在誤動的可能性，應在保持2 套重合閘操作回路獨立性的基礎上，設計必要的閉鎖回路。文獻[12]則指出在現場運行中，由于線路保護壓板投退與自動重合閘裝置的配合不當，造成系統運行中存在不少安全隱患。

然而上述研究均是基于自動重合閘按斷路器分散式布置提出的改進措施，對從根本上改進重合閘布置方式的研究較少。本文提出一種集中式重合閘布置方式，可在一套裝置中實現多個斷路器的重合閘功能。然后基于故障樹的序貫蒙特卡羅算法對比分析了分散式重合閘、單重集中式重合閘與雙重集中式重合閘配置方式的可靠性，并針對集中式重合閘系統的薄弱環節，論證了采用雙重集中式重合閘配置方式的可行性。

1 集中式重合閘

現有重合閘裝置通常與斷路器保護配置在一起，以單間隔為例，傳統重合閘配置如圖1 所示。

圖1 傳統重合閘配置示意

由圖1 可知，分散式布置的自動重合閘裝置采用“直采直跳”的方式。所采集的信息包括母線三相電壓、線路側電流、線路側一相電壓以及斷路器狀態量。另外，保護裝置通過點對點光纜連接，傳輸閉鎖GOOSE（面向通用對象的變電站事件）信號。若滿足重合閘條件，則發送合閘指令至相應斷路器。

雙重集中式重合閘則采用“網采網跳”的方式實現重合閘功能，以一個間隔為例，其構建模式如圖2 所示。

圖2 雙重集中式重合閘示意

集中式重合閘裝置與傳輸網絡均采用雙重化配置，通過SV（采樣值）網絡獲取線路間隔與母線合并單元中所采集的電氣量信息，通過GOOSE網絡獲取ST（智能終端）所采集斷路器位置信息及其他保護跳閘開入量，進行重合閘邏輯判斷。對于多間隔而言，各間隔可通過相同方式接入SV 和GOOSE 網中，由采用雙重化配置的集中式重合閘裝置實現多間隔重合閘功能。當滿足重合閘條件后，通過GOOSE 網絡向相應ST 發出斷路器重合閘命令。每個間隔可以實現單相重合閘、三相重合閘、禁止重合閘和停用重合閘4 種運行方式。

為了驗證采用集中式重合閘配置方式并不會降低原有重合閘系統的可靠性，下面對集中式重合閘的配置方式進行可靠性分析。

2 集中式重合閘的可靠性模型

分析中采用FTA（故障樹分析法）對集中式重合閘系統的各個環節進行可靠性建模。FTA 是一種將系統故障形成原因按樹枝狀逐級細化的圖形演繹方法，系統故障的頂事件與中間事件和底層事件之間的邏輯關系用邏輯門分層聯結起來，形成樹形圖，建模過程中需要用到符號及含義如表1 所示[13]。

表1 故障樹符號及含義

2.1 整體可靠性

在目前繼電保護的功能配置中，重合閘作為繼電保護系統的一個功能模塊，和繼電保護系統共用一套硬件系統，如TA（電流互感器）、TV（電壓互感器）、MU（合并單元）、CB（斷路器）、ST 以及保護裝置等。相關學者基于FTA 已經對繼電保護系統的可靠性建模進行了大量研究，為集中式重合閘系統的可靠性建模提供了思路[14-15]。

根據繼電保護系統失效類型的劃分，集中式重合閘的失效類型也分為誤動失效和拒動失效。不同的是，在電力系統的運行中，重合閘的作用是判斷是否滿足合閘條件然后發出合閘命令合上斷路器，而繼電保護裝置則是判斷系統發生故障然后發出跳閘命令跳開斷路器。因此重合閘的誤動失效是指重合閘在運行過程中因某環節失效導致斷路器誤閉合，而拒動失效則是指重合閘在運行過程中因某環節失效導致斷路器合閘失敗。因此，基于FTA 建立集中式重合閘系統的整體可靠性模型如圖3 所示。

圖3 集中式重合閘的整體可靠性模型

下面對圖3 中的合閘、采樣以及重合閘功能模塊等中間事件進一步進行可靠性建模。

2.2 合閘和采樣

對集中式重合閘的合閘系統來說，其可靠性評估范圍為重合閘輸出至斷路器。因此，合閘系統誤動失效包括2 種情況：斷路器本身發生誤動失效；在CB 正常的情況下，ST 發生誤動失效。合閘拒動失效包括3 種情況：斷路器本身發生拒動失效；GOOSE 通信網絡失效，無法發送合閘命令至智能終端；ST 本身發生拒動失效。因此合閘系統的可靠性模型如圖4 所示。

重合閘的啟動需要滿足斷路器在分位和線路無流2 個條件，啟動之后進一步進行檢無壓和檢同期操作，以判斷是否滿足合閘條件。因此重合閘在運行過程中需要采集電壓、電流等信息量以及斷路器的實時狀態信息，故可建立采樣系統的可靠性模型如圖5 所示。

圖4 合閘系統的可靠性模型

圖5 采樣系統的可靠性模型

2.3 通信網絡

通信網絡分為SV 和GOOSE 兩種，其中SV通信網絡范圍是從MU 的輸出到重合閘的輸入，而GOOSE 網絡則是從重合閘輸出到ST 的輸入，兩者在SW（交換機）和OP（光纖）布置上具有對稱性。以SV 通信網絡為例，在雙重化配置的情況下，2 個間隔配置2 臺間隔SV 交換機，1 個間隔的MU 分別接入2 臺間隔SV 交換機，全站配置2 臺SV 中心交換機，分別接至2 臺集中式重合閘裝置。因此，對于SV 通信網絡來說，從MU至重合閘共有4 條通信路徑，4 條通信路徑全部失效則SV 通信網絡失效。GOOSE 網絡類似。SV通信網絡的一條通信路徑如圖6 所示，圖中OP、間隔SV 交換機、中心SV 交換機是一種串聯關系，因此其可靠性模型如圖7 所示。

圖6 一條SV 通信路徑的結構

圖7 一條SV 通信路徑的可靠性模型

2.4 重合閘功能模塊

由于重合閘功能模塊和繼電保護裝置共用一套硬件系統，參考相關文獻對繼電保護裝置本體的可靠性模型研究[16]，則重合閘功能模塊可分為CPU（處理器模塊）、MEM（存儲模塊）、SI（開關量輸入模塊）、SO（開關量輸出模塊）、EI（電氣量輸入模塊）、PSU（電源模塊），以及由于軟件失效和人為失效導致重合閘功能模塊失效。因此重合閘功能模塊的誤動和拒動失效模型如圖8 所示。

3 基于FTA 的蒙特卡羅算法

圖8 重合閘功能模塊失效模型

蒙特卡羅方法開創于20 世紀40 年代，它以大數定理為理論依據，以模擬抽樣反映系統可靠性行為，屬于模擬法。與可靠性框圖、馬爾科夫狀態空間法等傳統可靠性分析法相比，蒙特卡羅方法具有以下優點：在一定的精度要求下，蒙特卡羅方法的抽樣次數與系統的規模無關，對系統的維數不敏感；用蒙特卡羅方法評估可靠性，不但能夠獲得概率性指標，而且能夠得到頻率和持續時間指標，得到的可靠性信息更加豐富、實用；基于蒙特卡羅方法的程序數學模型相對簡單，對故障樹底事件的失效分布類型也沒有限制，并且容易模擬隨機因素和系統的校正控制措施，因此計算結果更加符合工程實際[17-18]。

下面以兩組件構成的串聯系統為例，說明基于FTA 的蒙特卡羅算法評估系統可靠性的思路。兩組件系統的故障樹模型如圖9 所示，由于是串聯關系，則組件1 失效和組件2 失效任一底事件發生時都會導致頂事件系統T 失效發生。

圖9 兩組件串聯系統的故障樹模型

組件或系統失效狀態用“1”表示，正常狀態用“0”表示，則基于FTA 的序貫蒙特卡羅仿真過程示意如圖10 所示。各個底事件初始時刻均為正常狀態，之后底事件的狀態變化時間通過抽樣得到，得到最大仿真時間Tmax內各個底事件的狀態變化時序，然后根據系統故障樹的結構函數，代入各個時間段內所有底事件的狀態參數，得到系統狀態的變化時序。

圖10 基于FTA 的序貫蒙特卡羅仿真過程示意

假設系統所有底事件的失效時間和修復時間均服從單參數的指數分布，參數分別為λ 和μ，則底事件在一次“正常-失效”的周期變化中失效抽樣時間t 和修復抽樣時間t′，分別為：

式中：ε1和ε2分別為區間[0，1]上均勻分布的隨機數。

則在仿真過程中第j 個底事件在第i 次仿真的狀態變化時間為：

將tij按式（3）進行排序，當tmj＞Tmax時，則結束本次仿真。

綜上，基于FTA 的蒙特卡羅算法步驟為：

（1）根據底事件失效時間和修復時間服從的分布類型，輸入所有底事件的參數，設置最大仿真時間為Tmax。

（2）令仿真時間tsim=0，記錄系統正常的時間tOP=0 和次數Am=0；記錄系統失效的時間位tFL=0和次數Rm=0，設置各底事件正常。

（3）按式（1）—式（2）開始仿真，令m=1。

（4）m=m+1，tsim∈（tm-1，tm），確定各底事件在此區間的狀態，根據系統結構函數判斷系統狀態。若結構函數值為“0”，則系統正常，記錄tOP，Am=1；反之記錄tFL，Rm=1。

（5）令tsim=tsim+tm-tm-1，若式（3）成立，則執行步驟（4），否則結束本次仿真。

（6）根據式（4）進行可靠性指標計算。

經過多次仿真，可靠性指標收斂后進行最終的統計分析。

4 仿真結果

圖3—圖8 所示可靠性模型中各個底事件的失效率和修復率參數如表2 所示[14，16]。所有部件的MTBF（平均無故障工作時間）和平均修復時間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，最大仿真時間為106h。

表2 集中式重合閘系統各底事件的失效率和修復率

4.1 不同重合閘方式的對比

一般認為繼電保護系統屬于可修復系統[18]，本文認為重合閘作為繼電保護系統的功能之一，也屬于可修復系統。對于可修復系統，MTBF 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，是表征系統可靠性的重要指標之一。

為了說明采用集中式重合閘的配置方式并不會降低傳統分散式重合閘系統的可靠性，下面對比分析兩者的MTBF。傳統分散式重合閘的可靠性模型以及底事件的失效率和修復率參數可以參考文獻[16]；集中式重合閘根據配置情況又進一步分為單重配置集中式重合閘和雙重配置集中式重合閘，基于故障樹的可靠性模型，單重集中式與雙重集中式的區別在于單重式的SV 網絡、GOOSE 網絡以及重合閘功能模塊都是單重配置，配置如圖11 所示。由圖11 分析可得，基于FTA的單重集中式重合閘的可靠性模型底事件會減少，但是底事件之間邏輯關系與第2 節中類似，底事件的失效率和修復率參數仍如表2 所示。

圖11 單重集中式重合閘示意

經仿真計算，得到傳統分散式重合閘、單重集中式重合閘和雙重集中式重合閘的MTBF 如表3 所示。

表3 3 種類型重合閘的MTBF

根據表3 可得，相比于分散式重合閘和單重集中式重合閘，雙重集中式重合閘的拒動MTBF要高得多，而誤動MTBF 相對較低?？紤]到系統運行對重合閘的要求是保證在斷路器因故障跳開的情況下可靠發出合閘命令，因此可以適當降低對誤動的可靠性要求。此外，就全站而言，雙重集中式重合閘的MTBF 最高，它并不會降低原有重合閘系統的可靠性，因此該配置方案是可行的。

4.2 部件概率重要度

部件的概率重要度就是底事件狀態取“1”時、系統失效率和底事件狀態取“0”時系統失效率之差，用來定量衡量各底事件對系統整體的重要程度。集中式重合閘系統部分部件的概率重要度如表4 所示。

表4 集中式重合閘系統部分部件的概率重要度

從表4 可得，相比于誤動概率重要度，各個部件的拒動概率重要度要大得多。此外，由于重合閘在運行過程中需要實時監測斷路器的狀態信息，因此ST 的概率重要度最高，故在實際操作中可以有針對性地對ST 制定檢修策略。

5 結語

針對傳統按斷路器布置的分散式重合閘存在的接線復雜、可靠性不高等問題，本文提出了一種基于多間隔信息的集中式重合閘布置方式。該系統通過SV 網絡獲取線路與母線合并單元中所采集的電氣量信息，通過GOOSE 網絡獲取ST 所采集斷路器位置信息及其他保護跳閘開入量，進行重合閘邏輯判斷。此外，通過基于故障樹的序貫蒙特卡羅算法對比分析了分散式重合閘、單重集中式重合閘與雙重集中式重合閘配置方式的可靠性，并分析了集中式重合閘系統的薄弱環節，論證了采用雙重集中式重合閘配置方式的可行性。