戴志輝，張?zhí)煊?，?譞，焦彥軍

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面向狀態(tài)檢修的智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

戴志輝，張?zhí)煊?，?譞，焦彥軍

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

以狀態(tài)檢修為目的，研究了智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法。首先從智能變電站技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，提出一種考慮邏輯節(jié)點(diǎn)的保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法。根據(jù)狀態(tài)檢修的需要選取保護(hù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立了動(dòng)態(tài)Markov模型，利用該模型定量評(píng)估保護(hù)系統(tǒng)在給定條件下的檢修需求。最后以典型220 kV智能變電站為例說明了該評(píng)估模型的應(yīng)用方法并做了相關(guān)分析。算例結(jié)果表明，該方法具有一定的可操作性，能夠?yàn)橹悄茏冸娬颈Ｗo(hù)系統(tǒng)的檢修決策提供一些參考。

智能變電站；保護(hù)系統(tǒng)可靠性；動(dòng)態(tài)Markov模型；狀態(tài)檢修

0 引言

隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入全面發(fā)展階段，智能變電站技術(shù)得到大規(guī)模應(yīng)用。作為保障智能電網(wǎng)安全的第一道防線，保護(hù)系統(tǒng)是智能變電站的重要組成部分。保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)需要相關(guān)一次設(shè)備、二次回路以及保護(hù)裝置之間的協(xié)調(diào)配合，以發(fā)揮其整體性能。然而，不同廠商設(shè)備間存在的互操作性問題阻礙了保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展。為此國際電工委員會(huì)建立了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，規(guī)范了智能電子設(shè)備的工程實(shí)施，同時(shí)也為可靠性分析領(lǐng)域拓展了新的空間。

可靠性是智能變電站的首要性能指標(biāo)，智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的可靠性應(yīng)不低于常規(guī)保護(hù)。保護(hù)系統(tǒng)可靠性的相關(guān)研究可追溯到70年代[4]，發(fā)展到目前已有大量成果[5-6]，如文獻(xiàn)[7]提出一種考慮隱性故障和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化時(shí)的保護(hù)系統(tǒng)可靠性模型，并以此計(jì)算潮流變化對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)[8]在分析數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成基礎(chǔ)上，利用最小路集算法和串并聯(lián)模型對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的整體可靠性進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[9]結(jié)合元件可靠度和系統(tǒng)可靠度兩個(gè)可靠性指標(biāo)，提出了功效評(píng)估法用以分析保護(hù)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]依據(jù)數(shù)字保護(hù)系統(tǒng)的功能和工作特點(diǎn)，建立了Markov狀態(tài)空間法與動(dòng)態(tài)故障樹相結(jié)合的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性模型。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用可靠性框圖法構(gòu)建了保護(hù)系統(tǒng)完備的可靠性評(píng)估模型，并對(duì)“直采直跳”模式下保護(hù)系統(tǒng)的元件靈敏度和重要度進(jìn)行了評(píng)估。文獻(xiàn)[12]基于監(jiān)控系統(tǒng)和裝置自檢對(duì)保護(hù)裝置可靠性的影響，建立考慮裝置暫時(shí)性失效以及永久性失效的保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析模型。該方法將監(jiān)測(cè)技術(shù)和可靠性評(píng)估相結(jié)合，在智能變電站保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)分析中也有較大的參考價(jià)值。但由于上述文獻(xiàn)研究多數(shù)面向硬件設(shè)備相關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)可靠性問題，未能充分體現(xiàn)智能變電站功能為導(dǎo)向的建模特點(diǎn)。因此，智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析仍需進(jìn)一步完善。

針對(duì)上述問題，本文考慮智能變電站技術(shù)及其保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，在分析智能變電站保護(hù)系統(tǒng)具體構(gòu)成的基礎(chǔ)上對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了功能上的分解。其次選取合理的可靠性指標(biāo)，建立了面向狀態(tài)檢修的保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析模型。最后以典型220 kV智能變電站為例進(jìn)行了相關(guān)分析，并將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[12]計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證了方法的有效性。

1 ?智能變電站保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

總結(jié)智能變電站技術(shù)給保護(hù)系統(tǒng)可靠性帶來的變化，歸納如下所述。

1)?功能監(jiān)測(cè)的需求。保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析所關(guān)心的是保護(hù)系統(tǒng)完成功能的能力，但智能變電站中允許保護(hù)功能在不同的設(shè)備之間自由分配，并且保護(hù)系統(tǒng)的功能由硬件系統(tǒng)和邏輯系統(tǒng)共同完成，所以物理裝置的故障并不能完全反映系統(tǒng)功能的失效機(jī)理[13-14]。保護(hù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)需要同時(shí)考慮硬件系統(tǒng)和邏輯系統(tǒng)，涵蓋保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的各個(gè)運(yùn)行階段。

2)?基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集方式變化。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的提高，目前多數(shù)智能變電站自身具有二次設(shè)備的自動(dòng)診斷功能，克服了傳統(tǒng)保護(hù)中故障巡檢需要大量維護(hù)人員的缺點(diǎn)[15-16]。但另一方面，智能變電站二次系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生海量告警信息，導(dǎo)致可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析仍需較大的工作量，如何用較少的數(shù)據(jù)來反映較全面的保護(hù)系統(tǒng)可靠性有待進(jìn)一步研究。

3)?檢修方式的發(fā)展。由于目前以時(shí)間周期為特征的變電站計(jì)劃檢修存在“檢修過度”和“檢修不足”以及需要大量人力物力支撐等問題，已逐漸被建立在設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之上的變電站狀態(tài)檢修所取代[17-18]。針對(duì)這一變化，可靠性分析中應(yīng)當(dāng)考慮狀態(tài)檢修的需求特點(diǎn)。

從上述分析出發(fā)，本文將智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究劃分為三個(gè)步驟：a)?對(duì)保護(hù)系統(tǒng)功能分解，將實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的具體構(gòu)成作為監(jiān)測(cè)對(duì)象；b)?確定所需的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合智能變電站特點(diǎn)計(jì)算保護(hù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)；c)?基于前兩部份工作，利用動(dòng)態(tài)Markov模型分析智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性及其檢修需求。

2 ?保護(hù)系統(tǒng)功能分解

通常來說，保護(hù)系統(tǒng)的基本功能是在電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時(shí)發(fā)出跳閘命令且在電氣元件的不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。智能變電站保護(hù)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)保護(hù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，因此仍可根據(jù)繼電保護(hù)的基本原理[19]將智能變電站保護(hù)系統(tǒng)劃分為采樣、判斷、執(zhí)行三個(gè)獨(dú)立的子功能系統(tǒng)，三個(gè)子系統(tǒng)相互配合共同來完成保護(hù)系統(tǒng)的基本功能。對(duì)于智能變電站，保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)過程中的最大變化在于邏輯系統(tǒng)的影響：智能變電站中邏輯系統(tǒng)可分解為多個(gè)分布在不同硬件設(shè)備中相互通信的邏輯節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)或多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)不能正常工作時(shí)，功能可能被完全閉鎖或出現(xiàn)較大降級(jí)[2]?？梢?，智能變電站保護(hù)系統(tǒng)功能監(jiān)測(cè)需要兼顧邏輯系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)對(duì)保護(hù)功能的影響。故此本文參考文獻(xiàn)[3]確定了智能變電站保護(hù)硬件系統(tǒng)和邏輯系統(tǒng)的具體構(gòu)成，以此作為功能監(jiān)測(cè)的對(duì)象，保證可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集工作的順利進(jìn)行。

保護(hù)功能分解是指將保護(hù)的整體功能逐層細(xì)化，最終對(duì)應(yīng)到具體的系統(tǒng)構(gòu)成上。如表1所示。

保護(hù)功能分解將保護(hù)系統(tǒng)為4層，第1層為目標(biāo)層，代表保護(hù)系統(tǒng)的基本功能；第2層為子功能層，保護(hù)功能按運(yùn)行特點(diǎn)劃分為采樣子功能、判斷子功能和執(zhí)行子功能，三個(gè)子功能共同完成保護(hù)系統(tǒng)的基本功能；第3層為功能載體層，物理系統(tǒng)和邏輯系統(tǒng)作為載體承擔(dān)完成子功能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)；第4層為系統(tǒng)構(gòu)成層，該層詳細(xì)劃分了各子功能的物理系統(tǒng)和邏輯系統(tǒng)構(gòu)成，確定了保護(hù)功能監(jiān)測(cè)對(duì)象。

3 ?保護(hù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的獲取

3.1 可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

3.1.1 可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容

智能變電站的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)保護(hù)數(shù)據(jù)(裝置投運(yùn)時(shí)間、動(dòng)作記錄、維修記錄以及二次電纜缺陷、時(shí)間及類型[20])的基礎(chǔ)上增加了保護(hù)系統(tǒng)邏輯節(jié)點(diǎn)的降級(jí)運(yùn)行時(shí)間、邏輯節(jié)點(diǎn)降級(jí)次數(shù)等內(nèi)容。同時(shí)，由于二次電纜被通信網(wǎng)絡(luò)所代替，減少了二次電纜回路的相關(guān)數(shù)據(jù)[21]。

表1 保護(hù)系統(tǒng)功能分解

3.1.2 可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，傳統(tǒng)保護(hù)的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大多來自故障信息管理系統(tǒng)、維修檢修報(bào)告、調(diào)度中心運(yùn)行報(bào)告、能量管理系統(tǒng)信息、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信息、預(yù)試檢修信息、經(jīng)驗(yàn)信息以及故障錄波數(shù)據(jù)等[22]。智能變電站監(jiān)測(cè)技術(shù)的提高，應(yīng)增加網(wǎng)絡(luò)分析記錄儀、綜合應(yīng)用服務(wù)器信息等智能告警信息源[23]。

3.1.3 保護(hù)系統(tǒng)功能監(jiān)測(cè)

可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集通過保護(hù)系統(tǒng)功能監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)容和來源，保護(hù)功能監(jiān)測(cè)將分解后保護(hù)功能作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，從表1第4層出發(fā)按照?qǐng)D1的監(jiān)測(cè)流程進(jìn)行可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，以保護(hù)系統(tǒng)功能為對(duì)象的監(jiān)測(cè)方法旨在提高可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集效率，并更加準(zhǔn)確地獲得反應(yīng)保護(hù)系統(tǒng)性能的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 保護(hù)系統(tǒng)功能監(jiān)測(cè)流程圖

3.2 可靠性指標(biāo)計(jì)算

如上所述，可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集工作主要是確定影響保護(hù)系統(tǒng)可靠性的內(nèi)容和來源，并從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提取出所需數(shù)據(jù)的過程。收集的最終目的是為可靠性指標(biāo)的計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

可靠性指標(biāo)給可靠性評(píng)估提供更為科學(xué)的考核依據(jù)。但由于可靠性評(píng)估分析的角度不同，確定選取的可靠性指標(biāo)也應(yīng)有所區(qū)別，所選指標(biāo)是否科學(xué)、合理直接關(guān)系到可靠性評(píng)估質(zhì)量。

本文從故障原因出發(fā)統(tǒng)計(jì)智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，認(rèn)為保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)是由于保護(hù)系統(tǒng)中硬件或邏輯節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)突發(fā)性故障或者異常狀態(tài)觸發(fā)引起的。其中突發(fā)性故障是指嚴(yán)重程度能直接引起保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的故障，如電源損壞、通信中斷等情況。而異常狀態(tài)是指保護(hù)系統(tǒng)雖然存在故障隱患但仍能運(yùn)行一段時(shí)間的狀態(tài)，如邏輯節(jié)點(diǎn)丟失、硬件老化損壞等[24]。

總結(jié)智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如下。

保護(hù)系統(tǒng)功能異常的檢出率為

突發(fā)性故障導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)率為

(2)

突發(fā)性故障導(dǎo)致的保護(hù)拒動(dòng)率為

保護(hù)功能異常發(fā)生率為

(4)

保護(hù)功能異常觸發(fā)引起的保護(hù)誤動(dòng)率為

保護(hù)功能異常觸發(fā)引起的保護(hù)拒動(dòng)率為

(6)

保護(hù)功能異常后的修復(fù)率為

保護(hù)誤動(dòng)后的修復(fù)率為

(8)

保護(hù)拒動(dòng)后的修復(fù)率為

由歷史記錄或運(yùn)行維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可獲得保護(hù)系統(tǒng)自檢成功率，在此設(shè)為。若將未檢出的子功能系統(tǒng)異常視為潛在故障，則在已知的情況下可推導(dǎo)保護(hù)系統(tǒng)的潛在失效率[12]為

4 ?保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

4.1 異常狀態(tài)的描述

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展使智能變電站中的很多異常情況都能在故障發(fā)生前被發(fā)現(xiàn)[25]。根據(jù)這一特點(diǎn)本文引入了三態(tài)累進(jìn)模型，如圖2所示。三態(tài)累進(jìn)模型認(rèn)為保護(hù)系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)和完全失效外還具有一種可能的異常狀態(tài)，該狀態(tài)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)有了故障征兆但尚未出現(xiàn)真正故障。在可靠性分析理論中[26]，當(dāng)存在影響保護(hù)系統(tǒng)生存預(yù)知結(jié)果的中間事件時(shí)，三態(tài)累進(jìn)模型具有優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)三態(tài)累進(jìn)模型，保護(hù)系統(tǒng)處在異常狀態(tài)時(shí)仍能夠運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)自身功能，但此時(shí)保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)存在故障隱患，出現(xiàn)一定條件就會(huì)觸發(fā)真正的故障發(fā)生。由于異常狀態(tài)并非真正的故障，通常認(rèn)為異常狀態(tài)存在兩種情況：即被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢出的異常和未被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的異常。出現(xiàn)異常的原因是由于保護(hù)系統(tǒng)中存在受損硬件以及數(shù)據(jù)被破壞或丟失的邏輯節(jié)點(diǎn)。

圖2 三態(tài)累進(jìn)模型

4.2 動(dòng)態(tài)Markov可靠性分析模型

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中常采用狀態(tài)機(jī)來定義和描述智能電子設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)的功能行為[2]。本文沿用狀態(tài)機(jī)的思路應(yīng)用動(dòng)態(tài)Markov模型分析保護(hù)系統(tǒng)可靠性。

4.2.1 Markov動(dòng)態(tài)概率求解方法

(12)

(15)

4.2.2 保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)劃分

首先將保護(hù)系統(tǒng)分成三個(gè)獨(dú)立的子功能系統(tǒng)，并以三態(tài)累進(jìn)模型為基礎(chǔ)，區(qū)分兩種異常狀態(tài)。進(jìn)一步，將子功能系統(tǒng)故障原因歸為兩種，一是子功能異常在一定條件觸發(fā)引起的保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，二是突發(fā)性系統(tǒng)故障直接引起的保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

按以上思路，可將保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)劃分如下：

1)?保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)0，此時(shí)保護(hù)系統(tǒng)不存在任何異?；蚴А?/p>

2)?保護(hù)系統(tǒng)采樣子功能存在異常且被檢出的狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)1，保護(hù)系統(tǒng)判斷子功能存在異常且被檢出的狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)2，保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行子功能存在異常且被檢出的狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)3，保護(hù)系統(tǒng)采樣子功能存在異常但未被檢出的狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)4，保護(hù)系統(tǒng)判斷子功能存在異常但未被檢出的狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)5，保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行子功能存在異常但未被檢出的狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)6。

3)?保護(hù)誤動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)7，保護(hù)拒動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)狀態(tài)8。

4.2.3 基于保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)概率的檢修決策分析

圖3所示為保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，其中Up表示保護(hù)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，Du表示保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)了異常，Dn表示保護(hù)系統(tǒng)失效。保護(hù)系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于正常運(yùn)行狀態(tài)(狀態(tài)0)，此時(shí)各子功能共同完成保護(hù)系統(tǒng)的任務(wù)。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)性故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)會(huì)由正常運(yùn)行狀態(tài)直接進(jìn)入失效狀態(tài)引起保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)(狀態(tài)7、8)，經(jīng)修復(fù)之后保護(hù)系統(tǒng)恢復(fù)到狀態(tài)1重新開始運(yùn)行。當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)一部分異常(狀態(tài)1、2、3)，這部分異?？梢酝ㄟ^修復(fù)回到正常運(yùn)行狀態(tài)，而另一部份異常并未被發(fā)現(xiàn)(狀態(tài)4、5、6)，滿足一定條件后被觸發(fā)引起保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)(狀態(tài)7、8)。

圖3 保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

上述可靠性指標(biāo)由式(1)~式(10)計(jì)算得出后，可求得保護(hù)系統(tǒng)Markov轉(zhuǎn)移密度矩陣，如式(16)所示。

其中：

(17)

聯(lián)立方程組

可求得智能變電站保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)概率矩陣為

(19)

并確定保護(hù)系統(tǒng)檢修需求概率：

(21)

5 ?算例分析

5.1 可靠性指標(biāo)設(shè)定

根據(jù)DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能變電站的定義，智能化變電站分為過程層、間隔層和站控層，各層內(nèi)部以及層與層之間均采用高速以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。下面以圖4中典型智能變電站220?kV保護(hù)系統(tǒng)模型作為計(jì)算實(shí)例進(jìn)行分析。

圖4 典型220?kV智能變電站

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，可以根據(jù)保護(hù)的不正確動(dòng)作記錄、異常告警信息以及故障原因分析記錄等確定相應(yīng)的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文設(shè)定保護(hù)系統(tǒng)自檢成功率為90%，參考現(xiàn)有資料[12]并結(jié)合智能變電站的實(shí)際情況[2-3]設(shè)定保護(hù)系統(tǒng)失效率數(shù)據(jù)如表2及表3所示。

表2 失效率數(shù)據(jù)1

Table 2 Failure rate data 1

表2 失效率數(shù)據(jù)1

53.732.60.055.534.120.01130.5

表3 失效率數(shù)據(jù)2

Table 3 Failure rate data 2

表3 失效率數(shù)據(jù)2

4.523.785.137.364.587.13147.7

5.2 不同修復(fù)率下的檢修需求分析

修復(fù)率反映了設(shè)備維護(hù)水平和檢修效率。以下列舉了三組數(shù)量級(jí)的修復(fù)率數(shù)據(jù)來反映保護(hù)可靠性和檢修需求隨修復(fù)率的變化，各組數(shù)據(jù)記為第級(jí)，具體如表4所示。

表4 修復(fù)率數(shù)據(jù)

Table 4 Repair rate data

表4 修復(fù)率數(shù)據(jù)

修復(fù)率 第1級(jí)15.7316.8620.5413.7415.34 第2級(jí)157.3168.6205.4137.4153.4 第3級(jí)1 5731 6862 0541 3741 534

將表2~表4的數(shù)據(jù)代入式(18)可獲得穩(wěn)態(tài)的保護(hù)系統(tǒng)的檢修需求概率，見表5?？梢钥闯?，隨著修復(fù)率的提高，保護(hù)系統(tǒng)檢修需求概率逐漸減少，若將0.7視為的概率閾值(即保護(hù)系統(tǒng)大于該值時(shí)需要檢修)，則在修復(fù)率等級(jí)較低(第1、2級(jí))時(shí)保護(hù)系統(tǒng)有檢修的必要性。為了提高可靠性，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)盡量縮短維修時(shí)間。

表5 保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)概率

5.3 自檢成功率變化對(duì)檢修需求的影響

以5.2節(jié)中第3級(jí)修復(fù)率的計(jì)算結(jié)果作為初始狀態(tài)概率，通過保護(hù)系統(tǒng)Markov模型可得檢修需求概率隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上改變自檢成功率的大小，可進(jìn)一步分析對(duì)保護(hù)系統(tǒng)檢修需求的影響。

圖5為根據(jù)動(dòng)態(tài)Markov概率分析法計(jì)算得到的30天內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)檢修需求概率的變化曲線，在計(jì)算時(shí)將自檢成功率由90%降低到了50%?？梢钥闯?，隨著自檢成功率的降低，保護(hù)系統(tǒng)的檢修需求逐漸增加。此外，根據(jù)曲線變化趨勢(shì)，當(dāng)自檢成功率為90%時(shí)，所研究的保護(hù)系統(tǒng)約在4 000 h需要進(jìn)行一次檢修，這與文獻(xiàn)[12]中算例的結(jié)論一致。

綜合上述分析可以知：文中求出的保護(hù)系統(tǒng)檢修需求概率基本符合裝置運(yùn)行情況。因此，該指標(biāo)對(duì)于保護(hù)裝置檢修決策具有一定的參考價(jià)值。

圖5 檢修需求概率曲線

6 ?結(jié)論

智能變電站技術(shù)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)有著諸多方面的影響。本文從智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析的需求出發(fā)，在總結(jié)可靠性分析中以下幾個(gè)重要問題的基礎(chǔ)上研究了其定量評(píng)估模型。

1)?保護(hù)系統(tǒng)整體功能由采樣、判斷和執(zhí)行三個(gè)子功能相互配合完成，每個(gè)子功能出現(xiàn)問題均有可能引起保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)或者拒動(dòng)。

2)?導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)故障的情況有兩種，一種由突發(fā)性事故引起；一種由非突發(fā)性的異常狀態(tài)在一定條件下觸發(fā)引起。

3)?硬件設(shè)備能引起保護(hù)系統(tǒng)的異?；蚴В叨刃畔⒒闹悄茏冸娬局羞壿嬒到y(tǒng)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響同樣不可忽視。

算例分析結(jié)果表明，文中的智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析能夠?yàn)楫?dāng)前條件下的狀態(tài)檢修決策提供一些參考。但由于分析中對(duì)智能變電站通信系統(tǒng)的考慮尚不夠詳細(xì)，需進(jìn)一步關(guān)注其對(duì)保護(hù)的影響。

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(編輯 周金梅)

Research on smart substation protection system reliability for condition-based maintenance

DAI Zhihui, ZHANG Tianyu, LIU Xuan, JIAO Yanjun

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to realize the condition-based maintenance (CBM) of protection systems in smart substation, this paper proposes a new way to assess the reliability of protection systems. Based on the characteristics of smart substations, a monitoring method reflecting the changes of the protection system function in terms of logical nodes is presented. According to the needs of the condition-based maintenance, reliability indices of the protection system are chosen. Along with these indices, a dynamic Markov reliability assessment model is built to quantitatively calculate the maintenance requirement under given conditions. Finally, a typical 220 kV smart substation is utilized to illustrate the application method of the assessment model. The result shows that the method has certain operability, and could provide reference for maintenance decision-making of the protection system in smart substations. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51307059), Natural Science Foundation of Hebei Province (No. E2014502065), and Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 2014MS86).

smart substation; protection system reliability; dynamic Markov model; condition-based maintenance

10.7667/PSPC151518

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307059)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2014502065)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014MS86)

2015-08-27；

2015-12-04

戴志輝(1980-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: protectiverelaying@163.com 張?zhí)煊?1989-)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茏冸娬颈Ｗo(hù)可靠性；E-mail: smart_substation@ 163.com 劉 譞(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。