智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

國(guó)網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司 王士明

1 引言

智能變電站的規(guī)劃與建設(shè)是我國(guó)能源改革與創(chuàng)新的重要發(fā)展方向，指的是借助以太網(wǎng)絡(luò)完成信息傳輸，在智能化設(shè)備的支持下實(shí)現(xiàn)信號(hào)自動(dòng)采集、保護(hù)跳閘、實(shí)時(shí)監(jiān)控等動(dòng)作。在不斷地技術(shù)發(fā)展中，許多新型電子式互感器以及智能終端開始在智能變電站中得到應(yīng)用，這雖然促進(jìn)了變電站信息共享以及智能化的發(fā)展，但是復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也降低了繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，如何更快速、高效地對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析勢(shì)在必行。

2 智能變電站繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)變電站繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，由于電子式互感器、智能終端等元件、設(shè)備的引入，使得繼保系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，尤其是過程層設(shè)備的增多，加大了對(duì)繼電保護(hù)可靠性的影響。智能變電站的繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能變電站的繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 智能變電站系統(tǒng)可靠性分析

3.1 智能變電站繼保系統(tǒng)中影響可靠性的元件

3.1.1 電子式互感器

在智能變電站繼保系統(tǒng)中，電子式互感器并沒有十分明確的界定，概念范圍較寬泛，除了部分常規(guī)的互感器外，還包括了一系列半常規(guī)及非常規(guī)的互感器。在實(shí)際應(yīng)用中，大部分智能變電站繼保系統(tǒng)采用的均是基于光電轉(zhuǎn)換和電磁感應(yīng)原理的互感器。其中，有源式電子互感器需對(duì)高壓傳感部分進(jìn)行電源供電，反之則是無源式電子互感器。相比于一般的互感器，電子式互感器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

一是與普通的互感器相比，因?yàn)殍F芯的缺乏，使得電子式互感器并不會(huì)出現(xiàn)諸如磁飽、鐵磁諧振等問題。

二是在測(cè)量準(zhǔn)度、反應(yīng)速度方面，電子式互感器均存在優(yōu)勢(shì)。

三是在結(jié)構(gòu)方面，電子式互感器因?yàn)樵O(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此成本較低，加之絕緣性較強(qiáng)，故有助于普遍裝設(shè)。

四是由于ECT 高低壓間采用的是光纖連接方式，因此能對(duì)電磁干擾現(xiàn)象形成有效防護(hù)。

五是由于電子式互感器避免了運(yùn)用放置油的方式進(jìn)行絕緣，且采用的是光纖，因此在安全性能方面得到了顯著提高，并不會(huì)發(fā)生爆炸等安全事故。

經(jīng)分析論證，當(dāng)前重點(diǎn)需要分析和研究的節(jié)約用水立法問題主要是節(jié)水“三同時(shí)”制度和計(jì)劃用水管理。對(duì)節(jié)水立法的重點(diǎn)問題應(yīng)分析存在的原因，給出改進(jìn)的對(duì)策，在節(jié)水法不能很快出臺(tái)的情況下，可以考慮分批分層次對(duì)節(jié)水立法中面對(duì)的這些重點(diǎn)問題制定節(jié)水管理單項(xiàng)制度，一步步完善節(jié)水立法。

六是在連接方式上，由于能同時(shí)連接多個(gè)智能設(shè)備，使得電子式互感器在一體化程度方面表現(xiàn)更好，方便數(shù)字量的傳輸。

3.1.2 合并單元

在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，合并單元的功能作用主要是形成與電子式互感器之間的配合。在過去傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置中，采樣功能的實(shí)現(xiàn)主要是借助電纜完成與互感器的直接接入；而在智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中，由于合并單元的存在使得采樣方式出現(xiàn)了很大的變化，即借助通信接口完成對(duì)采樣值數(shù)字量的接收，大大簡(jiǎn)化了繼電保護(hù)裝置的采樣程序，轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單、高效的通信傳輸。除此之外，由于合并單元的加入，在降低造價(jià)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信息的共享。智能變電站信息采集過程如圖2所示。

圖2 智能變電站信息采集過程

3.1.3 交換機(jī)

相比于傳統(tǒng)變電站，雖然由于合并單元的加入，使得智能變電站信息采集過程出現(xiàn)了變化，但是也間接使得交換機(jī)相比原來需要承擔(dān)起更多的功能，即除了基礎(chǔ)的通信功能外，還需要以交換機(jī)為核心搭建專門的網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)過去電纜的替代，組成一、二次設(shè)備的核心部分，使得交換機(jī)在智能變電站中的重要性得到了充分提升，也給其功能的可靠性提出了更高、更嚴(yán)格的要求。

從交換機(jī)在智能變電站中的功能作用來看，主要體現(xiàn)在連接各個(gè)智能單元以及各元件之間的網(wǎng)絡(luò)信息通道作用，實(shí)現(xiàn)了帶寬的合理分配以及對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)母咝Э刂啤６胍_保交換機(jī)功能正常且穩(wěn)定地發(fā)揮，就需要嚴(yán)格遵守《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》，并滿足相應(yīng)要求。

一是需優(yōu)先傳輸級(jí)別更高的用戶；二是需完成對(duì)流量的監(jiān)測(cè)與控制；三是需確保交換機(jī)的冗余性；四是需具備自動(dòng)修復(fù)與自動(dòng)故障診斷的能力；五是需利用網(wǎng)絡(luò)保證對(duì)時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。除此之外，在實(shí)際應(yīng)用中，交換機(jī)的工作環(huán)境也需得到嚴(yán)格控制，盡可能避免溫濕度、絕緣性能以及電源等因素所造成的負(fù)面影響。

3.1.4 智能終端

在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)斷路器智能化的路徑主要有兩條，一是在智能組件安裝中，將其完全內(nèi)置在斷路器里，從而形成智能化的控制；二是在傳統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上，加入智能終端并進(jìn)行連接，這樣便能實(shí)現(xiàn)整個(gè)一次設(shè)備的智能化。相較而言，無論是經(jīng)濟(jì)性還是智能化改造的簡(jiǎn)便程度，第二種方式均占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此在大部分的智能變電站中，使用的均為這種改造方式。

過去傳統(tǒng)的跳合閘的模式主要通過將繼電器與斷路器經(jīng)過電纜進(jìn)行接通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器動(dòng)作的控制；而在智能變電站中，其跳合閘模式則是避免了對(duì)電纜的使用，主要借助光纖網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)智能終端的接入。因此在智能變電站中，智能終端除了需要接收由保護(hù)單元傳輸?shù)奶祥l命令外，還需要對(duì)斷路器的正確動(dòng)作進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)向站控層傳輸信息。

3.1.5 同步時(shí)鐘源

對(duì)于智能變電站中繼電保護(hù)系統(tǒng)來說，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的精確計(jì)量是影響其穩(wěn)定性的重要因素之一，如果未能保證這一點(diǎn)很容易造成故障的發(fā)生，尤其會(huì)對(duì)向量測(cè)量裝置造成較大影響。就目前來看，當(dāng)前我國(guó)智能變電站普遍將GPS 以及北斗時(shí)鐘作為基準(zhǔn)源，通過接收機(jī)的設(shè)置，經(jīng)由主時(shí)鐘完成對(duì)其他設(shè)備裝置的時(shí)鐘同步信號(hào)傳輸，以此保證變電站內(nèi)所有設(shè)備裝置均在同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)[2]。

3.2 可靠性分析方法

建立分析模型是完成可靠性分析的前提與基礎(chǔ)，當(dāng)下的建模研究方法大致包括模擬法與分析法兩類，本文所選擇可靠性框圖分析法應(yīng)歸屬于解析法范疇。由于可靠性框圖法具備簡(jiǎn)明的邏輯關(guān)系，可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔清楚，便于工作人員更高效地得到系統(tǒng)和其內(nèi)部智能元件之間的邏輯關(guān)系，故選擇了以可靠性框圖法為基礎(chǔ)的建模方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼保系統(tǒng)可靠性的分析。在對(duì)可靠性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，選擇了可靠度、平均失效前時(shí)間以及誤動(dòng)概率等指標(biāo)[3]。

3.3 繼電保護(hù)可靠性評(píng)價(jià)依據(jù)

在對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要的參考指標(biāo)為可靠度平均失效時(shí)間以及實(shí)用性。其中，可靠度指的是在所指定的時(shí)間t 以及特定的條件下，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定功能的概率。

如果將系統(tǒng)或元件壽命通過變量（非負(fù)數(shù)）來表示，通過預(yù)期壽命分布函數(shù)，便可以得到繼電保護(hù)系統(tǒng)在所指定的時(shí)間t 內(nèi)發(fā)生故障的概率，其可靠度函數(shù)則可表示為：

實(shí)用性則是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，能夠自動(dòng)修復(fù)的能力。平均失效時(shí)間指的是系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下再次發(fā)生故障的時(shí)間。通過參量即可對(duì)智能變電站中繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行有效判斷。

4 提升繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的方法研究

4.1 提高交換機(jī)冗余度

從交換機(jī)的分析來看，對(duì)于部分處于特殊位置的交換機(jī)，其作用與功能在整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。這是因?yàn)槔^電保護(hù)系統(tǒng)十分依賴交換機(jī)物理編碼、錯(cuò)誤查詢等功能，如果一旦發(fā)生故障，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)處于失靈狀態(tài)。因此，為有效避免單個(gè)交換機(jī)故障而導(dǎo)致的整體系統(tǒng)崩潰，就需要采取雙重化配置，提升交換機(jī)的冗余度。這樣一來，當(dāng)單個(gè)交換機(jī)處于失靈狀態(tài)時(shí)，雙重化配置就能避免整個(gè)系統(tǒng)崩潰，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的提高。

4.2 提升光纜線路的可靠性

相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站由于將光纜線路取代了電纜，使得光纜線路的部分特征會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。由于光纜魯棒性較弱，一旦遭遇輕微折損就有可能對(duì)信息數(shù)據(jù)傳輸造成影響[4]。因此在對(duì)線路進(jìn)行鋪設(shè)的過程中，需確保光纜線路的筆直度，從而通過減小曲度實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜的有效防護(hù)。同時(shí)，還可以專門將阻燃的樹脂槽盒置于光纜支架上，然后再將光纜鋪設(shè)在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的保護(hù)。此外，還需加強(qiáng)對(duì)光纜端部的保養(yǎng)，定期做好清潔工作，以此確保光纜的傳輸能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的提高。

4.3 盡可能采取直采直跳”技術(shù)

由于交換機(jī)頻繁使用難以避免地會(huì)產(chǎn)生延時(shí)過長(zhǎng)的情況，從而導(dǎo)致斷路器難以及時(shí)工作，危害整個(gè)系統(tǒng)。因此在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，需要盡可能地減少交換機(jī)使用頻率，通過采取“直采直跳”技術(shù)實(shí)現(xiàn)采樣速度、跳閘可靠性的提高。

在Q/GDW441—2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中確立了“直采直跳”技術(shù)的優(yōu)先性，這對(duì)于整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性十分重要，因?yàn)檫@一技術(shù)的應(yīng)用能使交換機(jī)避開回路中的網(wǎng)絡(luò)交流，從而降低交換機(jī)的使用頻率，具體傳輸路線如圖3所示。“直采直跳”技術(shù)如圖3所示。

圖3 “直采直跳”技術(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

為有效提升智能變電站運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更高效的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析，就需要強(qiáng)化對(duì)內(nèi)部電子元件的研究，借助建模分析手段以及可靠性評(píng)價(jià)依據(jù)對(duì)系統(tǒng)不斷進(jìn)行調(diào)整，并通過提高交換機(jī)冗余度、提升光纜線路可靠性、采用“直采直跳”技術(shù)為繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行提供更有效的保障，從而推動(dòng)我國(guó)變電站智能化的發(fā)展。