智能變電站繼電保護系統可靠性分析

曹 帥

（西山煤電電力公司，太原 030053）

0 引言

高壓供電線路中繼電保護系統是否能夠正常工作，對整個供電線路的可靠性具有關鍵作用，這也是電力工程師設計研究的主要方向之一。通過建立系統可靠性模型和可靠性評估模型，對繼電保護系統的可靠性進行分析。根據信號采集和跳閘控制方式的不同，智能繼電保護可以分為直采直跳、網采直跳、直采網跳、網采網跳4種控制模式。由于直采直跳模式結構簡單，線路中通過的元件數量相對其他幾種模式較少，被廣泛應用在大部分智能變電站繼電保護系統中。為此，本文所有的建模分析都建立在直采直跳模式下。首先對變電站基本結構和繼電保護基本原理進行分析，然后根據智能變電站繼電保護經常使用的直采直跳模式建立可靠性框圖，繪制線路保護電路圖進行解析，從電網維護日常記錄獲取基本的可靠數據，對繼電保護元件故障影響系統拒動和誤動的穩態概率進行評估。通過建模和評估優化繼電保護系統，大幅度提高繼電保護系統的可靠性評估效率[1]。

1 智能變電站繼電保護系統模型概述

1.1 智能變電站

將網絡通訊技術作為變電站的二次系統控制，對變電站進行數據采集、控制和檢測，進一步將電網數字化、智能化與自動化，即為變電站的智能化運行模式。智能變電站的主題模塊主要為高級設備維護模塊、數字信息采集模塊、集成信息應用程序與網絡信息交互模塊等。智能變電站的網絡模式對繼電保護系統進行控制，對繼電保護系統的穩定性和可靠性具有很大影響。使用網絡控制跳閘方式的智能變電站，具有較長的控制路徑，并且硬件較多，連接方式復雜，這就需要使用通過設備少、結構相對簡單的控制方式來提高繼電保護系統的穩定性[2]。

1.2 智能變電站繼電保護系統結構

合并單元通過接收帶時間戳的電子變壓器發送的采樣信息，實現對過程層的采樣和傳輸，并將數據傳輸至繼電保護裝置。從常規的電磁變壓器結構來看，電子變壓器的優勢很明顯，包括無磁飽和、測量精確度高、經濟性高、體積小巧、數字化程度高、安全可靠性高等[3]。根據傳感器頭的電源不同，電子變壓器可以分為主動型和被動型。合并單元后的電子變壓器發送的采樣數據，實現對過程層數字信息采集和傳輸，同時把信息傳輸到繼電保護系統中，通過交換機可以實現數據鏈路層與數據幀的數據交換[4]。近年來，交換技術在不斷地進步更新，數據傳輸技術也日益發展，同時網絡智能單元的通信效率也不斷地取得進步。若將電路中的邏輯開關進行適當地設置，智能化電網的可靠性也就會相應增加，這種智能化設備不僅可以對繼電器進行實時保護，也可以通過對設備參數的信息進行采集而對其運行情況進行反饋[5]。熔斷器的實時情況也可以反饋出設備的故障信息，而智能終端不僅能接受控制斷路器的分閘命令，也可以將斷路器的實時動作進行反饋。繼電保護直采直跳模式如圖1 所示。采樣和跳閘通過光纖直連完成，圖中所展示為光纖鏈路和部分支路。

圖1 直采直跳模式

2 繼電保護可靠性分析

2.1 模型建立

本文建立的模型建立在智能變電站通用設計標準的基礎之上。交流一次信息的采集通過常規互感器配合合并單元的方式；一次設備的智能化控制采取常規斷路器結合智能終端的方式；采用雙母線結構，包括2 回變壓器支路和4 回出線；網絡和過程層之間采用星型網組模式，并且對其冗余量進行配置，同時考慮共網傳輸問題；交換機采用間隔配置模式，由于該模式需要將多個單元接入母線，因此增設了中心交換機[6]。由于繼電保護直采模式相關標準中規定了保護裝置不依賴外部對時系統，因此不用考慮同步鐘源的影響，采用IEEE1588 全站集中對時方式。

2.2 可靠性評估數據

繼電保護系統可靠性評估的基礎條件是擁有準確的線路元件故障信息記錄。供電系統對關鍵系統元件具有標準的保養檢修記錄，在良好的檢修和維護體系下，對于可修復元件，在其使用期限內的故障率可視為常數。通常情況下，變電站的智能化設計是采用合并單元配合供電線路常規變壓器完成一次交流信息的傳輸和采集，利用智能控制系統配合線路中的常規斷路器完成供電線路的一次設備自動化控制[7]。根據智能變電站設計的相關標準，當使用信息直接采集方式對線路進行繼電保護時，保護系統不需要依賴外部時間同步，數據采集的靈敏度及其可靠性評估則不會受到同步鐘源限制；若采用了網絡采集控制信息的智能控制方式，則會受到同步鐘源的限制，需要采用IEEE1588 集中式時間同步方式。表1所示為保護元件的可靠性數據。

表1 保護元件的可靠性數據

繼電保護系統中的元件修復率統一設定為m＝365 次/y。故障和修復的參數全部符合指數分布規律，所以可以使用馬爾科夫鏈模型進行模擬。采用長期穩態概率作為此次繼電保護系統可靠性分析的指標。線路中所有元件失效率為Pxl；零件更換次數為l；穩態工作概率為Pt。根據公式：

不同位置、不同作用的元件，其故障對系統失效狀態的影響也都不一樣。Wire、SW、EM 作為信息處理傳輸元件，只會對系統產生保護拒動，而不會造成誤動現象；IED、TS、PR、MU、CB等元件的功能則為執行、產生和判斷數據，這些元件的故障不僅會造成拒動，也會讓系統產生誤動。因此，將元件失效對系統造成的影響劃分為誤動狀態和拒動狀態，并設定穩態拒動概率以及穩態誤動概率都為總損失概率的50%。根據以下公式：

式：PiJ為拒動概率；PiW為誤動概率；Piλ為總損失概率。繼電保護系統中元件穩態概率如表2所示。

表2 繼電保護系統元件穩態概率

2.3 可靠性框圖法

可靠性框圖法適用于結構簡單的系統分析，計算方法簡單、結構清晰。繪制繼電保護系統直采直跳模式下的可靠性框圖如圖2所示。

圖2 直采直跳模式下的可靠性

供電線路的繼電保護系統是由多個獨立的分散元件所構成，所以元件的維修保養都需要獨立完成，具有獨立性。任選兩個元件，其誤動概率設定為PW1和PW2；正確動作概率設定為P1和P2；拒動概率設定為PJ1和PJ2。根據概率運算的基本規則，并聯狀態下，若其中一個元件發生誤動，整個并聯環節則發生誤動，當兩個元件同時拒動時，整個環節才拒動。由此，根據以下公式：

式中：PW1OrW2為誤動概率；P1Or2為正確動作概率；PJ1OrJ2為拒動概率。

同理可得串聯環節下的概率公式為：

2.4 提高繼電保護系統可靠性分析

對于智能變電站繼電保護系統可靠性的措施，首先是構建對應的繼電保護系統計算模型，智能站間隔保護可采用直接采集和直接跳變方式；多間隔保護應采用傳輸網采集與跳網方式[8]。其次是從電流的具體限壓延時條件進行分析，必須要在電流過載時進行報警，這可以防止繼電保護過載發熱。再次是對站控層與機架層采取雙面繼電保護，這樣不僅可以保證斷路器實現自動斷連，也可以將后備的保護系統進行激活，從而防止開關有失靈情況發生。從電網的運行狀態上看，這種優化的運行方案，大大提高了繼電保護的安全性與可靠性[9]。最后是運用可視化智能技術，將智能變電站的故障信息第一時間反饋出來，這有助于及時發現和處理故障。

優化后的繼電保護設備的構成主要體現在3 個方面：（1）優化母線、輸電線路、控制系統、斷路器、變壓器等設備，確保變電站及供電線路的安全穩定；（2）繼電保護器的配置要進行優化，優化的配置可以減少高低壓對電網影響的概率，保證變壓器的差動保護時刻運行，使連接在斷路器的繼電器受到保護；（3）要加強電網線路的保護，這種措施主要針對光纜的穩定性、電子干擾以及對于線路的集中保護與后備保護，并要對整體系統進行實時監控[10]。

3 結束語

全面建設數字化智能電網工程項目，使高壓供電系統的運行更加安全，供電服務質量也更加高效，其中繼電保護系統的可靠性設計是最為重要的部分，是決定電網運行穩定性的一個重要因素。因此，必須分析其現場故障出現的具體原因，采取相應措施，確保智能電網安全、穩定、高效運行。本文為了提高繼電保護系統的可靠性，利用可靠性框圖法結合智能變電站繼電保護系統、精確合理的可靠性計算模型，根據系統元件的穩態拒動概率和穩態誤動概率，優化變電站繼電保護系統，發揮出系統組件的重要性，并簡化了系統的操作和維護，使供電線路繼電保護系統的運行更加可靠。