曹 帥

（西山煤電電力公司，太原 030053）

0 引言

高壓供電線路中繼電保護系統(tǒng)是否能夠正常工作，對整個供電線路的可靠性具有關鍵作用，這也是電力工程師設計研究的主要方向之一。通過建立系統(tǒng)可靠性模型和可靠性評估模型，對繼電保護系統(tǒng)的可靠性進行分析。根據(jù)信號采集和跳閘控制方式的不同，智能繼電保護可以分為直采直跳、網采直跳、直采網跳、網采網跳4種控制模式。由于直采直跳模式結構簡單，線路中通過的元件數(shù)量相對其他幾種模式較少，被廣泛應用在大部分智能變電站繼電保護系統(tǒng)中。為此，本文所有的建模分析都建立在直采直跳模式下。首先對變電站基本結構和繼電保護基本原理進行分析，然后根據(jù)智能變電站繼電保護經常使用的直采直跳模式建立可靠性框圖，繪制線路保護電路圖進行解析，從電網維護日常記錄獲取基本的可靠數(shù)據(jù)，對繼電保護元件故障影響系統(tǒng)拒動和誤動的穩(wěn)態(tài)概率進行評估。通過建模和評估優(yōu)化繼電保護系統(tǒng)，大幅度提高繼電保護系統(tǒng)的可靠性評估效率[1]。

1 智能變電站繼電保護系統(tǒng)模型概述

1.1 智能變電站

將網絡通訊技術作為變電站的二次系統(tǒng)控制，對變電站進行數(shù)據(jù)采集、控制和檢測，進一步將電網數(shù)字化、智能化與自動化，即為變電站的智能化運行模式。智能變電站的主題模塊主要為高級設備維護模塊、數(shù)字信息采集模塊、集成信息應用程序與網絡信息交互模塊等。智能變電站的網絡模式對繼電保護系統(tǒng)進行控制，對繼電保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有很大影響。使用網絡控制跳閘方式的智能變電站，具有較長的控制路徑，并且硬件較多，連接方式復雜，這就需要使用通過設備少、結構相對簡單的控制方式來提高繼電保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

1.2 智能變電站繼電保護系統(tǒng)結構

合并單元通過接收帶時間戳的電子變壓器發(fā)送的采樣信息，實現(xiàn)對過程層的采樣和傳輸，并將數(shù)據(jù)傳輸至繼電保護裝置。從常規(guī)的電磁變壓器結構來看，電子變壓器的優(yōu)勢很明顯，包括無磁飽和、測量精確度高、經濟性高、體積小巧、數(shù)字化程度高、安全可靠性高等[3]。根據(jù)傳感器頭的電源不同，電子變壓器可以分為主動型和被動型。合并單元后的電子變壓器發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對過程層數(shù)字信息采集和傳輸，同時把信息傳輸?shù)嚼^電保護系統(tǒng)中，通過交換機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層與數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)交換[4]。近年來，交換技術在不斷地進步更新，數(shù)據(jù)傳輸技術也日益發(fā)展，同時網絡智能單元的通信效率也不斷地取得進步。若將電路中的邏輯開關進行適當?shù)卦O置，智能化電網的可靠性也就會相應增加，這種智能化設備不僅可以對繼電器進行實時保護，也可以通過對設備參數(shù)的信息進行采集而對其運行情況進行反饋[5]。熔斷器的實時情況也可以反饋出設備的故障信息，而智能終端不僅能接受控制斷路器的分閘命令，也可以將斷路器的實時動作進行反饋。繼電保護直采直跳模式如圖1 所示。采樣和跳閘通過光纖直連完成，圖中所展示為光纖鏈路和部分支路。

圖1 直采直跳模式

2 繼電保護可靠性分析

2.1 模型建立

本文建立的模型建立在智能變電站通用設計標準的基礎之上。交流一次信息的采集通過常規(guī)互感器配合合并單元的方式；一次設備的智能化控制采取常規(guī)斷路器結合智能終端的方式；采用雙母線結構，包括2 回變壓器支路和4 回出線；網絡和過程層之間采用星型網組模式，并且對其冗余量進行配置，同時考慮共網傳輸問題；交換機采用間隔配置模式，由于該模式需要將多個單元接入母線，因此增設了中心交換機[6]。由于繼電保護直采模式相關標準中規(guī)定了保護裝置不依賴外部對時系統(tǒng)，因此不用考慮同步鐘源的影響，采用IEEE1588 全站集中對時方式。

2.2 可靠性評估數(shù)據(jù)

繼電保護系統(tǒng)可靠性評估的基礎條件是擁有準確的線路元件故障信息記錄。供電系統(tǒng)對關鍵系統(tǒng)元件具有標準的保養(yǎng)檢修記錄，在良好的檢修和維護體系下，對于可修復元件，在其使用期限內的故障率可視為常數(shù)。通常情況下，變電站的智能化設計是采用合并單元配合供電線路常規(guī)變壓器完成一次交流信息的傳輸和采集，利用智能控制系統(tǒng)配合線路中的常規(guī)斷路器完成供電線路的一次設備自動化控制[7]。根據(jù)智能變電站設計的相關標準，當使用信息直接采集方式對線路進行繼電保護時，保護系統(tǒng)不需要依賴外部時間同步，數(shù)據(jù)采集的靈敏度及其可靠性評估則不會受到同步鐘源限制；若采用了網絡采集控制信息的智能控制方式，則會受到同步鐘源的限制，需要采用IEEE1588 集中式時間同步方式。表1所示為保護元件的可靠性數(shù)據(jù)。

表1 保護元件的可靠性數(shù)據(jù)

繼電保護系統(tǒng)中的元件修復率統(tǒng)一設定為m＝365 次/y。故障和修復的參數(shù)全部符合指數(shù)分布規(guī)律，所以可以使用馬爾科夫鏈模型進行模擬。采用長期穩(wěn)態(tài)概率作為此次繼電保護系統(tǒng)可靠性分析的指標。線路中所有元件失效率為Pxl；零件更換次數(shù)為l；穩(wěn)態(tài)工作概率為Pt。根據(jù)公式：

不同位置、不同作用的元件，其故障對系統(tǒng)失效狀態(tài)的影響也都不一樣。Wire、SW、EM 作為信息處理傳輸元件，只會對系統(tǒng)產生保護拒動，而不會造成誤動現(xiàn)象；IED、TS、PR、MU、CB等元件的功能則為執(zhí)行、產生和判斷數(shù)據(jù)，這些元件的故障不僅會造成拒動，也會讓系統(tǒng)產生誤動。因此，將元件失效對系統(tǒng)造成的影響劃分為誤動狀態(tài)和拒動狀態(tài)，并設定穩(wěn)態(tài)拒動概率以及穩(wěn)態(tài)誤動概率都為總損失概率的50%。根據(jù)以下公式：

式：PiJ為拒動概率；PiW為誤動概率；Piλ為總損失概率。繼電保護系統(tǒng)中元件穩(wěn)態(tài)概率如表2所示。

表2 繼電保護系統(tǒng)元件穩(wěn)態(tài)概率

2.3 可靠性框圖法

可靠性框圖法適用于結構簡單的系統(tǒng)分析，計算方法簡單、結構清晰。繪制繼電保護系統(tǒng)直采直跳模式下的可靠性框圖如圖2所示。

圖2 直采直跳模式下的可靠性

供電線路的繼電保護系統(tǒng)是由多個獨立的分散元件所構成，所以元件的維修保養(yǎng)都需要獨立完成，具有獨立性。任選兩個元件，其誤動概率設定為PW1和PW2；正確動作概率設定為P1和P2；拒動概率設定為PJ1和PJ2。根據(jù)概率運算的基本規(guī)則，并聯(lián)狀態(tài)下，若其中一個元件發(fā)生誤動，整個并聯(lián)環(huán)節(jié)則發(fā)生誤動，當兩個元件同時拒動時，整個環(huán)節(jié)才拒動。由此，根據(jù)以下公式：

式中：PW1OrW2為誤動概率；P1Or2為正確動作概率；PJ1OrJ2為拒動概率。

同理可得串聯(lián)環(huán)節(jié)下的概率公式為：

2.4 提高繼電保護系統(tǒng)可靠性分析

對于智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性的措施，首先是構建對應的繼電保護系統(tǒng)計算模型，智能站間隔保護可采用直接采集和直接跳變方式；多間隔保護應采用傳輸網采集與跳網方式[8]。其次是從電流的具體限壓延時條件進行分析，必須要在電流過載時進行報警，這可以防止繼電保護過載發(fā)熱。再次是對站控層與機架層采取雙面繼電保護，這樣不僅可以保證斷路器實現(xiàn)自動斷連，也可以將后備的保護系統(tǒng)進行激活，從而防止開關有失靈情況發(fā)生。從電網的運行狀態(tài)上看，這種優(yōu)化的運行方案，大大提高了繼電保護的安全性與可靠性[9]。最后是運用可視化智能技術，將智能變電站的故障信息第一時間反饋出來，這有助于及時發(fā)現(xiàn)和處理故障。

優(yōu)化后的繼電保護設備的構成主要體現(xiàn)在3 個方面：（1）優(yōu)化母線、輸電線路、控制系統(tǒng)、斷路器、變壓器等設備，確保變電站及供電線路的安全穩(wěn)定；（2）繼電保護器的配置要進行優(yōu)化，優(yōu)化的配置可以減少高低壓對電網影響的概率，保證變壓器的差動保護時刻運行，使連接在斷路器的繼電器受到保護；（3）要加強電網線路的保護，這種措施主要針對光纜的穩(wěn)定性、電子干擾以及對于線路的集中保護與后備保護，并要對整體系統(tǒng)進行實時監(jiān)控[10]。

3 結束語

全面建設數(shù)字化智能電網工程項目，使高壓供電系統(tǒng)的運行更加安全，供電服務質量也更加高效，其中繼電保護系統(tǒng)的可靠性設計是最為重要的部分，是決定電網運行穩(wěn)定性的一個重要因素。因此，必須分析其現(xiàn)場故障出現(xiàn)的具體原因，采取相應措施，確保智能電網安全、穩(wěn)定、高效運行。本文為了提高繼電保護系統(tǒng)的可靠性，利用可靠性框圖法結合智能變電站繼電保護系統(tǒng)、精確合理的可靠性計算模型，根據(jù)系統(tǒng)元件的穩(wěn)態(tài)拒動概率和穩(wěn)態(tài)誤動概率，優(yōu)化變電站繼電保護系統(tǒng)，發(fā)揮出系統(tǒng)組件的重要性，并簡化了系統(tǒng)的操作和維護，使供電線路繼電保護系統(tǒng)的運行更加可靠。