付曉曦

（國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350003）

智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性探討

付曉曦

（國網(wǎng)福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350003）

隨著智能變電站技術(shù)的應(yīng)用推廣，大大提高了電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行水平，供電質(zhì)量及安全穩(wěn)定性都有了很好的改善。繼電保護(hù)系統(tǒng)作為保障變電站運(yùn)行安全的重要基礎(chǔ)，其可靠性直接關(guān)系著變電站的運(yùn)行安全及供電質(zhì)量。通過對保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行探討，將有助于我們進(jìn)一步提高變電站運(yùn)行質(zhì)量及安全。

智能變電站；繼電保護(hù)；可靠性；IEC61850

前言

隨著智能技術(shù)、自動化技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，變電站智能化運(yùn)行已成為現(xiàn)實。在保障變電站運(yùn)行安全及穩(wěn)定的過程中，繼電保護(hù)系統(tǒng)功不可沒，與傳統(tǒng)的變電站相比，智能變電站在繼電保護(hù)系統(tǒng)方面呈現(xiàn)出巨大的差異。鑒于繼電保護(hù)系統(tǒng)對于整個變電站運(yùn)行的重要性，對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析探討，將有助于進(jìn)一步的提高保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計水平。在下面文章里，我們將通過對智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的認(rèn)識，并對可靠性的分析和技術(shù)方法進(jìn)行探討。

1 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的組成

目前智能變電站自動化系統(tǒng)主要是基于IEC61850協(xié)議進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)體系分為“站控層+間隔層+過程層”，圖1為智能變電站與傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。[1]

圖1 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護(hù)的區(qū)別

通過對圖1的分析，我們可以清晰的發(fā)現(xiàn)兩者在設(shè)備、鏈路方面都存在很大差異。智能變電站中更多的應(yīng)用到新興設(shè)備，繼電保護(hù)系統(tǒng)主要是由電子式互感器、合并單元、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口、保護(hù)裝置、智能終端及同步時鐘源等元件構(gòu)成。下面對主要元件的功能進(jìn)行簡單了解：

1.1 電子式互感器

電子式互感器有效的克服了傳統(tǒng)電磁互感器的缺點，在運(yùn)行過程中無磁飽和現(xiàn)象，提高了測量的準(zhǔn)確性和保護(hù)正確動作率；同時其絕緣性能好，體積小，便于設(shè)備的集成。

1.2 合并單元

在保護(hù)系統(tǒng)中合并單元的作用是對互感器采集的信息進(jìn)行整合，并加入統(tǒng)一的時間標(biāo)簽，以特定的格式發(fā)送至保護(hù)裝置。是過程層采樣值傳輸技術(shù)的實現(xiàn)根本。

1.3 交換機(jī)

在系統(tǒng)中應(yīng)用交換機(jī)是智能變電站獨有的，這是變電站保護(hù)系統(tǒng)信息流中重要的一個環(huán)節(jié)。以它為核心的以太網(wǎng)代替了傳統(tǒng)電纜接線為主的信息傳輸通道，交換機(jī)相當(dāng)于智能變電站的中樞神經(jīng)。

1.4 智能終端

智能終端是保護(hù)系統(tǒng)在一次側(cè)的智能組件，其作用主要是：①接收保護(hù)裝置發(fā)送的分合閘命令并執(zhí)行操作；②將斷路器實時信息上傳至測控裝置或站控層，使工程師站可實時了解相關(guān)斷路器的運(yùn)行狀況。

1.5 同步時鐘

在基于IEC61850協(xié)議的智能變電站中，同步時鐘非常重要，這是由于變電站系統(tǒng)的信息是依靠網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行傳播，而數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠、有效必須以統(tǒng)一的時序和時鐘為基準(zhǔn)，這樣才能避免誤動作的發(fā)生，所采集的數(shù)據(jù)才能成為分析、控制的可靠依據(jù)。[2]

2 可靠性的分析原理

在這里我們所探討的可靠性，是針對智能變電站中繼電保護(hù)系統(tǒng)的完整性的最佳數(shù)量的度量，是指保護(hù)系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境、時間、條件下能夠無故障的完成其規(guī)定功能的概率。為了便于分析，根據(jù)故障后系統(tǒng)是否可恢復(fù)將系統(tǒng)劃分為可靠修復(fù)系統(tǒng)和不可修復(fù)系統(tǒng)。其中不可修復(fù)系統(tǒng)在失效后就無法再工作，其可靠性指標(biāo)主要是可靠度及平均失效時間（MTTF）；而可修復(fù)系統(tǒng)由于在故障后存在修復(fù)的可能，其可靠度的評價就非常復(fù)雜，指標(biāo)也就相對較多，具體有可靠度、平均失效時間、可用度、平均故障次數(shù)等。智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)屬于可修復(fù)系統(tǒng)。在一般的分析研究過程中，主要是針對可靠度、平均失效時間、可用度這三個指標(biāo)衡量繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。[3]

3 可靠性的分析方法和計算方法

在對變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析時，首先需要建立一個可靠性模型。經(jīng)過多次驗證，在建立模型時使用可靠性框圖法不但能保證模型中系統(tǒng)各個元件間邏輯關(guān)系的清晰，而且運(yùn)算極為簡便。

3.1 實例分析

下面我們以某個智能變電站為實例，根據(jù)其繼電保護(hù)配置情況，對可靠性這一問題進(jìn)行探討分析。在這一220kV變電站中，繼電保護(hù)系統(tǒng)主要是由線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)組成。為了提高保護(hù)可靠性，滿足保護(hù)系統(tǒng)“一備一用”的設(shè)計要求，由兩套彼此獨立的保護(hù)系統(tǒng)來實現(xiàn)對變電站運(yùn)行的繼電保護(hù)，同時還采用了雙網(wǎng)并行冗余協(xié)議來保證SV采樣信號和GOOSE保護(hù)跳閘信號在通信網(wǎng)絡(luò)中無損傳輸。

3.2 建立模型

可靠性框圖法適用于由相互獨立且可修復(fù)單元組成的系統(tǒng)。體現(xiàn)了所完成特定系統(tǒng)功能的所有單元之間的邏輯連接，其邏輯過程開始于框圖左側(cè)的輸入節(jié)點，結(jié)束于框圖右側(cè)的輸出節(jié)點?？煽啃钥驁D與實物連接圖的含義不同，可靠性框圖是以元件失效影響的分析為基礎(chǔ)。若己知了系統(tǒng)的可靠性框圖和每個元件的可靠性參數(shù)，利用恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)算方法，就能得出整個系統(tǒng)的可靠度、MTTF、可用度等可靠性指標(biāo)。研究繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的目標(biāo)是在已知元件故障數(shù)據(jù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行合理預(yù)測。

在建立邏輯框圖時，為了便于區(qū)分系統(tǒng)各個元件，我們以字母縮寫來表示相應(yīng)的元件（如表1～2）。[4]

表1 編號說明

3.3 可靠性計算

主變保護(hù)與智能終端、合并單元均采用組網(wǎng)方式鏈接，保護(hù)跨接GOOSE雙網(wǎng)，GOOSE網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，SV網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值，根據(jù)組網(wǎng)方案，主變保護(hù)可靠性框圖如圖2所示。

表2 元件可靠性參數(shù)

圖2主變保護(hù)可靠性框圖

圖2 中的方框代表元件工作，將元件從框圖中移出就代表元件失效。如果框圖中方塊被移去太多，導(dǎo)致輸入節(jié)點和輸出節(jié)點之間的連接出現(xiàn)斷開，則表明系統(tǒng)已失效。

表3 可靠性框圖標(biāo)號解釋

根據(jù)是主變保護(hù)框圖，并應(yīng)用最小路集法和不交化算法，并帶入各元件正常工作概率，我們得出主變保護(hù)的可靠性函數(shù)R主變（t）：

將各元件故障率帶入公式，并假設(shè)t為50，得到可靠度與時間的關(guān)系圖3。

圖3 主變可靠度與時間的關(guān)系

結(jié)合公式、并帶入各元件故障率，最后得到主變保護(hù)的TMTTF：

主變可用度函數(shù)A主變：

代入各元件可用度參數(shù)，最終得到可用度A及不可用度（1-A）

3.4 分析結(jié)論

上面我們根據(jù)實際案例中的組網(wǎng)方案及保護(hù)配置情況，建立了主變保護(hù)可靠性框圖，并對可靠度、TMTTF及可用度A進(jìn)行了計算。根據(jù)這一方法，我們能夠依次得到線路保護(hù)、母線保護(hù)的可靠度（如圖4所示）、TMTTF和可用度A（如表4所示）。

圖4 變電站繼電保護(hù)可靠性與時間關(guān)系

表4 保護(hù)可靠度參數(shù)

通過對計算所得的可靠度參數(shù)進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)220kV線路保護(hù)的可靠度最高，母線保護(hù)的可靠度最低。影響系統(tǒng)可靠性的除了所使用設(shè)備的正常工作概率外，還與保護(hù)組網(wǎng)方案、元件數(shù)量、系統(tǒng)復(fù)雜程度有關(guān)。不同的變電站運(yùn)行情況，應(yīng)根據(jù)需求選擇不同的組網(wǎng)方案。[5]

4 結(jié)束語

通過對智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的分析研究，可以使我們更準(zhǔn)確的了解保護(hù)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，為我們進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性提供了科學(xué)的依據(jù)。在上面文章里，我們主要是對可靠性分析的理論及方法進(jìn)行了探討，在實際的設(shè)計研究過程中，需要經(jīng)過大量的計算、比較、分析，才能更好的實現(xiàn)對系統(tǒng)可靠性的把握，隨著設(shè)備、理論技術(shù)的發(fā)展，繼電保護(hù)的可靠性必將更加優(yōu)秀。

[1]王同文，謝民，孫月琴，沈鵬.智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015（06）：59.

[2]丁修玲.基于信息流的智能變電站繼電保護(hù)可靠性分析模型與評估研究[C].華南理工大學(xué)，2014：26～33.

[3]景 琦.智能變電站繼電保護(hù)可靠性評估[C].華北電力大學(xué)，2015：10～20.

[4]何旭.智能變電站繼電保護(hù)可靠性的評估方法研究[C].上海交通大學(xué)，2015：6～13.

[5]谷 磊.智能變電站繼電保護(hù)可靠性研究[C].廣東工業(yè)大學(xué)，2014：20～30.

TM76

A

1004-7344（2016）10-0042-02

2016-3-20

付曉曦（1989-），女，助理工程師，本科，主要從事繼電保護(hù)工作。