220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性探討

張 恒，李端煥

（國網湖北省電力有限公司黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000）

電網運行可靠性研究是伴隨人類社會發(fā)展、電力事業(yè)發(fā)展的重要研究。在社會經濟快速發(fā)展、用電需求量持續(xù)提升的大背景下，整個人類社會對電網運行可靠性的要求也有所提高。智能電網發(fā)展背景下做好220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)運行可靠性研究工作，并針對性地采取措施增強其可靠性，能為電網安全運行、人們穩(wěn)定用電帶來有力支持與保障，故而有必要圍繞其展開探討。

1 220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性概述

目前220kV 智能變電站往往是基于IEC61850 這種包含面向對象的國際先進建模技術而形成，并且配置有智能電子裝置以及后臺控制系統(tǒng)，具備信息分層、面向對象的數據對象統(tǒng)一建模、數據自描述、抽象通信服務接口等功能與特點，并且能在電子式互感器、合并單元、智能終端等智能化電氣設備的支持下實現(xiàn)自動化、智能化運行和管理。智能變電站的繼電保護系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)變電站有著一定的差別，主要體現(xiàn)為智能終端的引入以及電子式電流傳感器、電子式電壓傳感器的應用。[1]

220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)的設置需根據保護對象的故障特征加以配置，并且要基于重要性以及所處電壓等級合理調整配置保護方案，盡可能簡化二次回路，減少電流互感器與斷路器間的死區(qū)保護。繼電保護裝置的配置需要以直接支持IEC 61850 標準為基礎，并且應當做到滿足就地、獨立分散安裝要求，通過直接采樣的方式進行保護，同時高壓的雙重保護需維持相互獨立狀態(tài)，針對電子式傳感器本身特點對保護算法進行優(yōu)化，確保保護裝置時鐘同步。目前智能變電站繼電保護方案主要有兩類，其中一種便是常規(guī)保護配置方案，其能有效推進數字化繼電保護模式的過渡，不過具有網絡結構復雜、設備數量過大等劣勢；第二種則是集中式保護配置方案，其能夠將整個變電站所有元件的信息整合于統(tǒng)一的系統(tǒng)之中，從而兼具獨立設備保護作用和控制功能，另外還能依靠雙冗余配置計算機進一步提升系統(tǒng)運行的安全性及可靠性。

2 220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性分析

2.1 基于動態(tài)故障樹的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析

故障樹主要用于結構性的可靠性建模、評估以及故障判斷，在現(xiàn)代設施設備的運行可靠性分析中被廣泛應用。故障樹本身作為一種邏輯方法，可通過邏輯分析的方式通過運算結果兼顧定性與定量探究。故障樹能通過圖形化邏輯程序對系統(tǒng)因果關系進行分析與呈現(xiàn)，從而通過系統(tǒng)內不同元件的具體狀態(tài)對全系統(tǒng)狀態(tài)加以測量。故障樹具有靜態(tài)與動態(tài)兩種，其中靜態(tài)故障樹應用于傳統(tǒng)變電站主要采取尋找、枚舉繼電保護系統(tǒng)中所有故障因素的方式，[2]對相關因素進行分析后再對故障樹加以描繪，從而對引發(fā)系統(tǒng)故障的成因以及相應概率進行分析與計算。而動態(tài)故障樹和靜態(tài)故障樹相比在于能對反映故障事件的序列耦合現(xiàn)象進行分析，從而對系統(tǒng)運行狀態(tài)以及性能進行動態(tài)探究，實現(xiàn)實時、準確地分析與反映故障，能大幅提升診斷效率。應用動態(tài)故障樹對智能變電站的繼電保護系統(tǒng)進行可靠性分析，能強化關于動態(tài)的故障耦合因素的可靠性評估，同時可在一定程度上減少數值計算，也便于工作人員對故障問題進行直觀定位和有效分析，可支持后續(xù)診斷修理工作的良好開展。目前智能變電站繼電保護系統(tǒng)中的動態(tài)故障樹一般是基于不同邏輯門實現(xiàn)的主要有五種。第一種是順序相關門，其按照固定順序推動系統(tǒng)中不同事件的發(fā)生；第二種是順序優(yōu)先門，依靠兩個底層事件對系統(tǒng)中不同事件發(fā)生的優(yōu)先順序家已調整；第三種是熱備件門，依靠可變的多個底層事件配合系統(tǒng)對上層事件發(fā)生與否進行判斷；第四種是冷備件門，只有在主件失效的情況下冷備件失效，對應的上層事件才會發(fā)生；第五種是溫備件門，系統(tǒng)中的溫部件處于備用狀態(tài)與運行狀態(tài)的失效率并不相同。而在220kV 智能變電站中應用動態(tài)故障樹對繼電保護系統(tǒng)的可靠性加以分析，需從三個維度進行綜合考量。其一為硬件失效，即硬件拒動、誤動導致繼電保護動作無法正常進行；其二為軟件失效，即軟件拒動、軟件誤動導致繼電保護動作無法正常進行；其三為二次回路與輔助設備失效，即二次回路與輔助裝置存在拒動、誤動情況而影響繼電保護動作的進行。[3]

總體來看，基于動態(tài)故障樹的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析要點如下：

1.繼電保護硬件建模。應用動態(tài)故障樹對繼電保護系統(tǒng)可靠性加以分析，自然需要基于系統(tǒng)硬件結構與特點開展建模工作，這是保障建模有效性以及分析結果精準性的基礎。當前220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)中的MPU 裝置基本上都是采取的雙CPU 設計，主CPU 與從CPU 之間存在一定的邏輯關系。當發(fā)生系統(tǒng)誤動情況時，主CPU 和從CPU 均會發(fā)生誤動作，而且后者優(yōu)于前者，故而此時二者之間構成順序優(yōu)先門關系。當系統(tǒng)拒絕動作時，主CPU 或從CPU 會發(fā)生拒動作，二者自然會形成或門事件關系。通過設定不同硬件失效事件的方式，對硬件誤動作與拒動作的情形進行分析，同時考慮各組建的老化、封裝、材質等因素影響，可列出相應的失效率計算公式。

2.繼電保護軟件建模。軟件是支持硬件作用發(fā)揮的部分，同時也是控制硬件的部分。根據繼電保護系統(tǒng)實際情況進行編程，開發(fā)出對應的軟件，是提升繼電保護系統(tǒng)運行可靠性的基礎手段。軟件層面因素導致系統(tǒng)可靠性降低，主要表現(xiàn)為程序員沒能準確把握繼電保護系統(tǒng)運行要求、軟件本身存在BUG、通信編碼錯誤、必要控制參數的輸入存在錯誤等。對軟件的可靠性進行分析，一般可利用John Maxis 算法，即通過公式進行計算求解并得到軟件失效率與程序累計運行時間以及執(zhí)行時間之間的關系。[4]

3.二次回路與輔助裝置建模。智能變電站的繼電保護系統(tǒng)中存在不少的二次回路以及輔助裝置，這些因素也可能對整個系統(tǒng)的運行可靠性造成影響。通常而言，變電站規(guī)模越大，其中包含的二次回路就越復雜，另外人為因素也會對二次回路失效率造成影響。故而在對二次回路的失效率進行分析時，往往需要用到統(tǒng)計學模型，通過統(tǒng)計分析的方式對特征加以把握，進而為后續(xù)的失效率計算提供依據。

4.定性分析和最小割集。運用動態(tài)故障樹對繼電保護系統(tǒng)的硬件、軟件、二次回路等建模后，需要進一步落實定性分析工作。通過枚舉法對整個系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種故障進行列舉，然后通過最小割集的方式加以分析，能對系統(tǒng)故障的類型以及特點有所把握。實際上這就是通過逆向思維從頂事件對底事件進行逆向分析與研究，并于此過程中得到底事件的最小元素數目集合，進而為失效率的研究提供必要支持，并且能在系統(tǒng)可靠性偏低的情況下快速定位問題，進而依靠簡潔精準的最小割集和下行法有效判斷系統(tǒng)不足并為后續(xù)的系統(tǒng)可靠性優(yōu)化提供依據。[5]

2.2 基于GO 法的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析

GO 法同樣是系統(tǒng)可靠性分析的常見方法。應用GO法對220kV 智能變電站的繼電保護系統(tǒng)可靠性加以分析，需要建立相應的GO 模型并通過輸入模型對相應的可靠性指標進行研究，即通過因果對應的方式判斷系統(tǒng)失效率。GO 法與動態(tài)故障樹法相比最大的特點與優(yōu)勢在于能對狀態(tài)復雜、有時序的系統(tǒng)進行有效分析，同時可靠性分析結果的精準度極高。

總體來看，基于GO 法的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析需著重圍繞四大層面展開。其一為操作符。繼電保護系統(tǒng)的指令可以被視作操作符，每條指令都需要對應的操作符來驅動與實現(xiàn)。而在GO 法運算中，操作符同樣可用于表示系統(tǒng)配件和輸入輸出信號間的邏輯關系，能支持運算工作開展，故而是最基礎的部分。目前GO法運算中會使用17 種標準操作符，不同操作符的屬性有所差異，在運算過程中需要按照規(guī)范對各種操作符進行準確表達與有效運算；其二為信號流。繼電保護系統(tǒng)的輸入信號、輸出信號、系統(tǒng)單元間存在明顯的邏輯關系，而信號流則是描述這種邏輯關系的載體。對GO 算法而言，信號流主要用于連接操作符，通過信號流將不同操作符連接起來并對系統(tǒng)不同單元的狀態(tài)進行表示，從而判斷系統(tǒng)單元是否存在故障；其三為GO 圖。GO 圖是基于操作符與信號流對系統(tǒng)進行表示的結果，而操作符與信號流則會在其中作為表示系統(tǒng)單元以及輸入、輸出信號關聯(lián)的主要元素。GO 圖中所有操作符以及信號流都有明確的類型以及唯一的編號，并且圖中必須包含輸入操作符，信號流序列不得發(fā)生循環(huán)換，同時GO 圖必須與作為轉換的系統(tǒng)圖模型維持一致；其四為GO 運算。基于繼電保護系統(tǒng)轉換生成GO圖后，還需要基于既定規(guī)則完成相應的GO 運算。從GO圖中輸入操作符處開始運算，通過操作符與信號流的關系以及既定規(guī)則逐步推進運算，得到最終的運算結果，從而判斷出圖中信號輸出的狀態(tài)以及成功概率，進而為系統(tǒng)可靠性分析提供依據。如果GO 圖中存在一個輸出信號對應多個輸入信號的情況，需要對相應的共有信號進行修正計算，以免其影響系統(tǒng)可靠性分析結果的準確性與有效性。針對單個、兩個以及多個共有信號等不同情況，需要采取不同的修正計算公式進行處理。需注意的是，運用GO 法對智能變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性加以分析時，往往需要假設“忽略互感器單元對系統(tǒng)可靠性的影響”“所有元件的故障分布符合指數分布特征”“系統(tǒng)處于理想同步狀態(tài)”“新型智能電子元件的運行可靠性數據直接套用相關的歷史統(tǒng)計數據”等條件，否則難以進行有效分析與計算。

2.3 基于可靠性框圖法的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析

可靠性框圖作為一種簡單、清晰的可靠性分析方法，其主要適用于規(guī)模較小、復雜度較低的系統(tǒng)。針對部分規(guī)模較小的220kV 智能變電站的繼電保護系統(tǒng)，可嘗試運用可靠性框圖對其系統(tǒng)運行穩(wěn)定性加以分析和研究。繼電保護系統(tǒng)包含多個相互獨立的元件，包括合并單元MU、智能保護設備IED、同步時鐘源TS、交換機SW 等，任何一個元件本身都具有對應的故障率、工作概率、拒動概率以及誤動概率，運用可靠性框圖法對系統(tǒng)可靠性進行分析實際上就是對各元件的拒動概率、誤動概率進行分析的基礎上進行總體分析，對同時運動的多個元件進行統(tǒng)一看待與分析，從而得到相應的可靠性分析結果。運用可靠性框圖法對繼電保護系統(tǒng)可靠性加以分析，既能反映系統(tǒng)中不同部件間的串并聯(lián)關系，又能反映系統(tǒng)流程，從而以直觀的方式凸顯邏輯關系，依靠顯示系統(tǒng)的失效邏輯的方式對所有元件的失效率給系統(tǒng)造成的影響進行判定。[6]

2.4 運行保障措施

隨著220kV 智能變電站在智能電網中的占比持續(xù)擴大，強化對其繼電保護系統(tǒng)的可靠性運行保障十分有必要。以合理運用可靠性分析方法為基礎，得到科學、有效、準確的可靠性運行結果，并針對性地采取措施進行處理，能明顯提高系統(tǒng)整體運行可靠水平。從實踐層面看，目前針對220kV 智能變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性運行保障措施主要包括加強過程層的繼電保護、加強間隔層的繼電保護、基于ICE 61850 標準設計新的過程層網絡、借助以太網交換機的數據鏈路層技術實現(xiàn)實時監(jiān)控、借助交換機減少總線系統(tǒng)的接線、強化環(huán)形結構母線可靠性、優(yōu)化運行模式、完善系統(tǒng)異常處理體系等。

3 結語

220kV 智能變電站作為傳統(tǒng)變電站向數字化、智慧化方向發(fā)展的主要模式，其對于推動智能電網的建設而言意義重大，加強對其繼電保護系統(tǒng)可靠性的研究自然十分有必要。新時期背景下，根據智能變電站的特點采取合適的分析方法對繼電保護系統(tǒng)可靠性進行分析與研究，針對性地采取措施對系統(tǒng)進行調整與優(yōu)化，能大幅提升系統(tǒng)可靠性并支持智能電網的良好建設與發(fā)展。