于 靜（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

?

智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究

于 靜
（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

〔摘 要〕在對(duì)智能變電站簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上分析了其繼電保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成，然后以某電網(wǎng)智能變電站的網(wǎng)絡(luò)接線方案為原型，采用可靠性框圖法對(duì)變電站的穩(wěn)定性加以分析。研究了實(shí)際變電站主變保護(hù)、母線保護(hù)、110 kV及220 kV線路保護(hù)的可靠性，提出了提高其可靠性的措施，為智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

〔關(guān)鍵詞〕智能變電站；繼電保護(hù)；可靠性；冗余度

0 引言

隨著智能電網(wǎng)概念的逐漸火熱，智能變電站概念也被提出。智能變電站是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的匯集點(diǎn)，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。智能變電站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，能夠智能地完成信號(hào)的采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、動(dòng)作保護(hù)等功能。在智能變電站保護(hù)系統(tǒng)中，使用光纖來(lái)替代電纜連接一次設(shè)備與二次設(shè)備，同時(shí)輸出的模擬信號(hào)也變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。由于這些不同，智能變電站保護(hù)系統(tǒng)也與傳統(tǒng)變電站有較大差異。

1 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的組成

基于IEC61850協(xié)議的智能變電站“站控層+間隔層+過(guò)程層”的分層模式與傳統(tǒng)變電站采用的“站控層+間隔層”自動(dòng)化體系不同，傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)在間隔層實(shí)現(xiàn)了過(guò)程層的功能。然而隨著現(xiàn)代智能化的發(fā)展，越來(lái)越多的間隔層功能被設(shè)置到過(guò)程層中。結(jié)構(gòu)的改變使得基于IEC61850協(xié)議的智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的主要功能集中在過(guò)程層與間隔層及2層之間的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電子式互感器、網(wǎng)絡(luò)接口、合并單元、保護(hù)裝置、交換機(jī)、智能終端及同步時(shí)鐘等元件構(gòu)成。

從圖1可以看出，在智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中，使用電子式互感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，通過(guò)合并單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并匯總，并加入同步時(shí)鐘傳來(lái)的對(duì)時(shí)信號(hào)，加密后以特定的密文形式經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)端。在保護(hù)控制側(cè)，智能終端是一次設(shè)備，主要用來(lái)接收測(cè)控裝置和保護(hù)裝置發(fā)送的跳合閘命令，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的判斷后發(fā)出控制指令控制斷路器，同時(shí)將斷路器的動(dòng)作信號(hào)采集并發(fā)送到保護(hù)裝置中。

圖1 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)

2 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析方法

要對(duì)智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，需要先建立系統(tǒng)的可靠性模型?？煽啃阅Ｐ偷慕７椒ㄝ^多：蒙特卡羅模擬法的思想是利用計(jì)算機(jī)隨機(jī)選擇元件，并對(duì)其失效事件進(jìn)行抽樣檢測(cè)來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)失效概率，再通過(guò)統(tǒng)計(jì)來(lái)計(jì)算系統(tǒng)可靠性的，此方法不太適合元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且眾多的智能變電站；使用馬爾柯夫模型時(shí)，如果系統(tǒng)包含過(guò)多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致模型變得復(fù)雜而龐大，難以求解；故障樹(shù)法對(duì)分析人員的要求較高，并且不能對(duì)不同人員的分析結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，因此難以得到統(tǒng)一的意見(jiàn)；可靠性框圖法是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行建模和分析的一種強(qiáng)有力的工具，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠清晰地列出系統(tǒng)各元件之間的邏輯關(guān)系，計(jì)算較為簡(jiǎn)單。

所以，針對(duì)某電網(wǎng)智能變電站中采用的過(guò)程層SV與GOOSE報(bào)文分網(wǎng)傳輸結(jié)構(gòu)，運(yùn)用了可靠性框圖法，建立其保護(hù)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)模型。

3 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性計(jì)算

該智能變電站的保護(hù)系統(tǒng)由主變保護(hù)、線路保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)和母線保護(hù)構(gòu)成。與常規(guī)保護(hù)系統(tǒng)相似，該智能變電站保護(hù)系統(tǒng)采用雙重配置，2套保護(hù)系統(tǒng)相互獨(dú)立且互不干擾，同時(shí)采用雙網(wǎng)并行冗余協(xié)議（PRP）保證了SV采樣信號(hào)和GOOSE保護(hù)跳閘信號(hào)能在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中無(wú)損傳輸。采用雙重配置使得繼電保護(hù)在結(jié)構(gòu)和裝置上都滿足保護(hù)系統(tǒng)“一備一用”的要求，提高了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

主變保護(hù)與智能終端、合并單元都是采用組網(wǎng)的方式連接，保護(hù)跨接GOOSE雙網(wǎng)，通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)采集開(kāi)關(guān)量信息以及傳輸跳閘命令；采用IEC61850-9-2協(xié)議，通過(guò)SV網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值信息。為了充分發(fā)揮智能變電站在應(yīng)用層面的“智能化”，智能變電站中的主變壓器保護(hù)裝置采用保護(hù)CPU和測(cè)控CPU分別完成相應(yīng)的功能，測(cè)控采樣可作為保護(hù)啟動(dòng)判別的輔助判據(jù)，提高保護(hù)整體的可靠性。圖2為主變保護(hù)的組網(wǎng)方案。

圖3是根據(jù)主變保護(hù)組網(wǎng)方案得出的可靠性框圖。其中，MU1，MU2為220 kV母線PT合并單元1和110 kV母線PT合并單元1；MU3，MU4為220 kV母線PT合并單元2和110 kV母線PT合并單元2；IED1，IED2，IED3為220 kV，110 kV和35 kV側(cè)斷路器智能操作箱l；IED4，IED5，IED6為冗余配置的220 kV，110 kV和35 kV側(cè)斷路器智能操作箱2；SW1為SV交換機(jī)A1，SW2為SV交換機(jī)B1，SW3為SV交換機(jī)A2，SW4為SV交換機(jī)B2；SW5為GOOSE交換機(jī)A，SW6為GOOSE交換機(jī)B；EM1-EM20為光纖；PR1為主變保護(hù)1，PR2為主變保護(hù)2。

根據(jù)主變保護(hù)可靠性框圖，用最小路集法和最小割集不交化算法，代入各元件的正常工作概率，可得出主變保護(hù)的可靠性函數(shù)：

式中：Pit——智能終端正常工作的概率；Pem——網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)正常工作的概率；Psw——交換機(jī)正常工作的概率；Ppr——繼電保護(hù)裝置正常工作的概率；Pmu——合并單元正常工作的概率。代入各元件的故障率，取t=50年，可得主變保護(hù)可靠度隨時(shí)間變化的曲線，如圖4所示。

根據(jù)公式，計(jì)算出主變的可用度結(jié)果為：

則主變保護(hù)的不可用度為：

為了能夠驗(yàn)證最小路集法得出的可靠性函數(shù)的正確性，對(duì)各個(gè)保護(hù)可靠性框圖進(jìn)行串并聯(lián)化簡(jiǎn)，并轉(zhuǎn)化為公式進(jìn)行計(jì)算。再通過(guò)MATLAB仿真，得出主變保護(hù)、線路保護(hù)和母線保護(hù)的可靠度隨時(shí)間變化的曲線，如圖5所示。保護(hù)系統(tǒng)可靠性參數(shù)MTTF（mean time to failure，平均失效前時(shí)間）如表1所示。

分析以上結(jié)果可知，與110 kV線路保護(hù)的可靠性相比，雖然220 kV線路保護(hù)組成單元較多，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但由于220 kV線路保護(hù)的SV網(wǎng)絡(luò)采用并行冗余結(jié)構(gòu)，使用4臺(tái)SV交換機(jī)，而110 kV線路保護(hù)只使用2臺(tái)SV交換機(jī)，因而220 kV線路保護(hù)的可靠性更高。主變保護(hù)和220 kV線路保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)配置相同，但由于主變保護(hù)需要連接35 kV，110 kV和220 kV側(cè)的斷路器操作箱，單元數(shù)目略多，因此主變保護(hù)比220 kV線路保護(hù)的可靠性低。而由于母線保護(hù)需要連接眾多間隔，合并單元和智能終端數(shù)目多，光纖連接單元也成倍數(shù)增加，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使其可靠性比其他3類保護(hù)低得多。

圖2 主變保護(hù)組網(wǎng)方案

圖3 主變保護(hù)可靠性框圖

圖4 主變保護(hù)的可靠性曲線

圖5 各保護(hù)的可靠性曲線

表1 保護(hù)系統(tǒng)可靠性參數(shù)MTTF

4 提高智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性措施

由以上分析結(jié)果可知，該電網(wǎng)智能變電站母線保護(hù)的可靠性較低，而母線保護(hù)作為變電站保護(hù)系統(tǒng)重要組成部分，其較低的可靠性直接影響智能變電站的可用性。提高智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的主要途徑就是增加系統(tǒng)的冗余性。系統(tǒng)冗余性主要由裝置冗余度和網(wǎng)絡(luò)的冗余度決定。

（1） 智能變電站系統(tǒng)和常規(guī)變電站系統(tǒng)一樣需要利用裝置冗余提高系統(tǒng)可靠性，由圖2可知，圖中各類保護(hù)都具有2套保護(hù)系統(tǒng)，并且2套保護(hù)系統(tǒng)具有獨(dú)立的合并單元、交換機(jī)以及保護(hù)裝置，從而實(shí)現(xiàn)了裝置冗余。

（2） 在物理結(jié)構(gòu)上，智能變電站最重要的1個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以靈活選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖2可知，圖中采用的雙以太網(wǎng)并行冗余技術(shù)，并未充分利用以太網(wǎng)絡(luò)冗余性優(yōu)點(diǎn)。變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢赃x擇總線型、星型以及環(huán)型來(lái)提高冗余度。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上首先對(duì)220 kV智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，然后利用可靠性框圖構(gòu)建了各個(gè)保護(hù)在其組網(wǎng)方案下的可靠性模型，緊接著利用最小路集和不交化算法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，為了驗(yàn)證最小路集法得出的可靠性函數(shù)的正確性，利用了串、并聯(lián)法對(duì)各保護(hù)可靠性進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果與最小路算法得出的結(jié)果一致，但運(yùn)算過(guò)程隨著模型的增大而變得復(fù)雜。最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，由結(jié)果可知：220 kV線路保護(hù)由于其網(wǎng)絡(luò)配置合理，其可靠性較其他保護(hù)類型高；母線保護(hù)由于元件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致其可靠性最低，這為研究如何提高母線保護(hù)可靠性提供了較好的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

1 李孟超，王允平，李獻(xiàn)偉，等.智能變電站及技術(shù)特點(diǎn)分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010， 38（18）：59-62.

2 樊 陳，倪益民，竇仁暉，等.智能變電站信息模型的討論［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012， 36（13）：15-19.

3 曹 楠，李 剛，王冬青.智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及其構(gòu)建方式的探討［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（5）：63-68.

4 王冬青，李 剛，曹 楠.智能變電站保護(hù)功能自動(dòng)校驗(yàn)研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（1）：7-11.

5 陳文升，錢唯克，樓曉東.智能變電站實(shí)現(xiàn)方式研究及展望［J］.華東電力，2010，38（10）：1 570-1 573.

6 熊 劍，劉陳鑫，鄧 烽.智能變電站集中式保護(hù)測(cè)控裝置［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（12）：100-103.

收稿日期：2015-10-12；修回日期：2016-01-15。

作者簡(jiǎn)介：

于 靜（1990-），女，助理工程師，主要從事220 kV及以下變電站內(nèi)保護(hù)裝置定檢、技改工程、新建站驗(yàn)收等工作，email：wangzcumt@163.com。