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        智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

        2023-09-11 01:07:48國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司王士明
        電力設(shè)備管理 2023年15期
        關(guān)鍵詞:電子式系統(tǒng)可靠性光纜

        國網(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)備的支持下實現(xiàn)信號自動采集、保護(hù)跳閘、實時監(jiān)控等動作。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、高效地對繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析勢在必行。

        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)勢主要體現(xiàn)在以下幾點。

        一是與普通的互感器相比,因為鐵芯的缺乏,使得電子式互感器并不會出現(xiàn)諸如磁飽、鐵磁諧振等問題。

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

        三是在結(jié)構(gòu)方面,電子式互感器因為設(shè)計相對簡單,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,并不會發(fā)生爆炸等安全事故。

        經(jīng)分析論證,當(dāng)前重點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”制度和計劃用水管理。對節(jié)水立法的重點問題應(yīng)分析存在的原因,給出改進(jìn)的對策,在節(jié)水法不能很快出臺的情況下,可以考慮分批分層次對節(jié)水立法中面對的這些重點問題制定節(jié)水管理單項制度,一步步完善節(jié)水立法。

        六是在連接方式上,由于能同時連接多個智能設(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采樣值數(shù)字量的接收,大大簡化了繼電保護(hù)裝置的采樣程序,轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵?、高效的通信傳輸。除此之外,由于合并單元的加入,在降低造價的基礎(chǔ)上實現(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),以實現(xiàn)對過去電纜的替代,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)在連接各個智能單元以及各元件之間的網(wǎng)絡(luò)信息通道作用,實現(xiàn)了帶寬的合理分配以及對數(shù)字信號傳輸?shù)母咝Э刂?。而想要確保交換機(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)先傳輸級別更高的用戶;二是需完成對流量的監(jiān)測與控制;三是需確保交換機(jī)的冗余性;四是需具備自動修復(fù)與自動故障診斷的能力;五是需利用網(wǎng)絡(luò)保證對時系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。除此之外,在實際應(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,這樣便能實現(xiàn)整個一次設(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便程度,第二種方式均占據(jù)優(yōu)勢,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,從而實現(xiàn)對斷路器動作的控制;而在智能變電站中,其跳合閘模式則是避免了對電纜的使用,主要借助光纖網(wǎng)絡(luò)完成對智能終端的接入。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,還需要對斷路器的正確動作進(jìn)行控制,并實時向站控層傳輸信息。

        3.1.5 同步時鐘源

        對于智能變電站中繼電保護(hù)系統(tǒng)來說,如何實現(xiàn)對時間的精確計量是影響其穩(wěn)定性的重要因素之一,如果未能保證這一點很容易造成故障的發(fā)生,尤其會對向量測量裝置造成較大影響。就目前來看,當(dāng)前我國智能變電站普遍將GPS 以及北斗時鐘作為基準(zhǔn)源,通過接收機(jī)的設(shè)置,經(jīng)由主時鐘完成對其他設(shè)備裝置的時鐘同步信號傳輸,以此保證變電站內(nèi)所有設(shè)備裝置均在同一時間標(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明的邏輯關(guān)系,可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔清楚,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,以實現(xiàn)對繼保系統(tǒng)可靠性的分析。在對可靠性進(jìn)行計算時,選擇了可靠度、平均失效前時間以及誤動概率等指標(biāo)[3]。

        3.3 繼電保護(hù)可靠性評價依據(jù)

        在對可靠性進(jìn)行評價時,主要的參考指標(biāo)為可靠度平均失效時間以及實用性。其中,可靠度指的是在所指定的時間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:

        實用性則是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時,能夠自動修復(fù)的能力。平均失效時間指的是系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下再次發(fā)生故障的時間。通過參量即可對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,對于部分處于特殊位置的交換機(jī),其作用與功能在整個繼電保護(hù)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。這是因為繼電保護(hù)系統(tǒng)十分依賴交換機(jī)物理編碼、錯誤查詢等功能,如果一旦發(fā)生故障,就會使整個系統(tǒng)處于失靈狀態(tài)。因此,為有效避免單個交換機(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)單個交換機(jī)處于失靈狀態(tài)時,雙重化配置就能避免整個系統(tǒng)崩潰,從而實現(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對系統(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信息數(shù)據(jù)傳輸造成影響[4]。因此在對線路進(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現(xiàn)對光纜的有效防護(hù)。同時,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),實現(xiàn)對線路的保護(hù)。此外,還需加強(qiáng)對光纜端部的保養(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產(chǎn)生延時過長的情況,從而導(dǎo)致斷路器難以及時工作,危害整個系統(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,這對于整個繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性十分重要,因為這一技術(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

        為有效提升智能變電站運行穩(wěn)定性,實現(xiàn)更高效的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析,就需要強(qiáng)化對內(nèi)部電子元件的研究,借助建模分析手段以及可靠性評價依據(jù)對系統(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)運行提供更有效的保障,從而推動我國變電站智能化的發(fā)展。

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