继电保护系统的可靠性分析

韩启华++李爱玲

摘 要：随着电力系统规模的不断扩大，电网发生复杂故障的可能性也日益增加。作为保证电网安全运行的第一道防线，继电保护系统在防止故障及扰动上发挥着极为重要的作用，其可靠性与电网运行的稳定性密切相关。对继电保护系统进行可靠性分析与评估有利于及时发现继电保护装置存在的隐患。该文主要基于可靠性框图的分析原理，结合数字化变电站继电保护系统信息流特点，建立可靠性分析模型，开展继电保护系统的可靠性分析。

关键词：继电保护系统 可靠性 可靠性框图

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0193-02

＼电力工业是支撑国民经济和社会发展的基础产业，与国计民生息息相关，一旦在电力系统运行中出现重大故障，将会造成不可估量的损失。随着我国经济的快速发展，电网规模越来越大，电网结构日益复杂，发生复杂故障的可能性也日益增加，电力系统运行生产的安全性和可靠性备受关注。继电保护系统是保护电力系统一次设备的哨兵，是防止故障及扰动对电力系统危害的第一道防线，当系统由于自然、人为或设备故障等原因使电网某处发生故障或不正常运行状态，要求继电保护系统将故障元件自动、快速、有选择性地切除，因而其可靠性与电网的安全、可靠运行密切相关。与此同时，继电保护系统的隐性故障也是电力灾难发生的一种机理，很大程度上影响电力系统的安全。为保证继电保护系统处于完好状态，需及时发现其存在的故障和缺陷，并采取科学、有效的策略进行检修和维护，这个时候对继电保护系统的可靠性分析与研究就显得异常重要。

2 继电保护系统可靠性建模

数字化继电保护系统由非常规互感器、合并单元、交换机、智能终端和同步时钟源组成，为完成自身功能，继电保护元件一方面要从互感器侧进行信息采样，从而判断电力系统是否存在故障和隐患，另外还要与断路器侧保持联系，以在发生故障使对断路器进行正确的控制，其中，同步对时信息、SV报文信息、GOOSE报文信息这三种信息流对继电保护系统的可靠性至关重要。该研究主要针对以上三种信息流，基于可靠性框图的分析方法进行继电保护系统的可靠性建模。

对于网络对时的方式，借助交换机以及由交换机组成的以太网，可单独组网，也可与其他信息流共用一个通信网，其拓扑采用树状路径。SV报文可靠性模型见图3。断路器回路GOOSE与SV报文相同采用对点或组网方式连接，若采用对点方式，在每个保护单元与交换机网络之间用专用光纤，对于需要与其他保护元件配合并接受这些元件发来的闭锁重合闸、启动失灵等信息的保护功能，在建模中将其定义为辅助保护单元，保证其与主保护单元之间信息通路的畅通。

3 可靠性框图分析方法的继电保护系统可靠性分析

3.1 可靠性分析

在数字化变电站继电保护系统的可靠性模型中，若将其他元件看作节点，将传输介质看作是节点间的连线，那么系统就是一个连通的网络系统，同步对时信息、SV报文信息、GOOSE报文信息回路可靠性计算，可用最小路集法，首先找出两个端点之间的所有最小路径，求出回路连通的概率，将其作为系统可靠性数值。

同步对时信息回路可靠性具有一定特殊性，只有保持对时回路连通，合并单元、保护单元以及智能终端等才能处于正常工作状态。将同步对时信息回路可靠性加入系统本身可靠性，经过修正，合并单元、保护单元、智能终端可靠性相关表达公式为：

上述计算最小路集的过程相当复杂，即便是对于简单的系统，计算量仍然较大，对于复杂网络型系统，必须在建模的基础上，依靠计算机编程实现最小路集的求解。首先，根据网络拓扑找出上述信息流的最小路集，之后根据最小路集的信息利用计算机编程开展快速的计算。常用算法包括邻接矩阵法、布尔行列式法、节点遍历法等，对于数字化继电保护系统的可靠性计算，建议采用具有清晰思路且计算速度快的节点遍历法。可靠性的程序算法流程为：首先，获取模型信息，对各信息流的路集矩阵形成总路集矩阵，之后对总路集矩阵进行同步时钟信息的修正，并进行不交化运算，在运算过程中，代入数据后求出系统的可靠性数值。需注意的是，在整个不交化运算中，要消除相同元素，简化大路集矩阵Matrix，然后再进行运算与代数计算。

3.2 算例分析

某220kV数字化变电站，对其继电保护系统可靠性进行分析。首先进行可靠性建模，对时形式和对时网络分别采用IRIG-B码和星形网络结构形式，包含1个电流互感器1个电压互感器，各个单元及元件均双重化配置。在SV采样信息建模和传递中采用IEC6180标准统一建模，进行装置的自由配置，以实现硬件平台的综合集成应用和软件功能插接复用，对于交换机网络，采用独立双网形式。GOOSE回路采用直连形式。首先，修正元件对时回路可靠性。因存在两个冗余配置的保护单元而不存在辅助保护单元，因而在计算中先将单套继电保护装置的可靠性计算出来。对于保护1，包括两条SV信息回路和一条GOOSE信息回路，各包含两条最小路径，两SV信息回路之间的关系为串联关系，依据公式（10）可得到单套继电保护装置可靠性。保护2按照相同方法计算单套继电保护装置的可靠性。经过计算，继电保护系统系统中同步时钟源、保护单元的可靠度各为0.9990，互感器、传输介质可靠度各为0.9999，合并单元为0.9960，断路器为0.9900，交换机为0.9700，智能终端为0.9970，根据以上数据，最终计算得到整个保护系统的可靠度为0.9888。

上述为一个简单继电保护系统的可靠性计算算例，但其计算过程相对复杂。某500kV线路保护，对其继电保护系统的可靠性通过计算机程序算法进行计算。首先，抽象其配置图。在此套线路中，总共包含电流互感器2个和电压互感器1个，每个互感器配有两个合并单元。存在两个冗余配置的保护单元，不存在辅助保护单元。SV网采用独立双网形式。GOOSE回路采用共享双网结构形式。对时形式采用点对点式。利用最小路集法求解，最终得到64条最小路径。最后进行代入计算，并将各个元件可靠度代入相关计算公式，得到整个保护系统的可靠度为0.987604。

3.3 软件因素对继电保护系统的影响

在网络的流量控制方面，比如报文流量过大，很容易造成通信拥堵，而当交换机对转发报文进行处理时，可能导致丢包，这对系统的可靠性有不利影响。数字化变电站继电保护系统实时性要求很高，但其通信大多采用的是以太网结构，如果数据在传递过程中出现了冲突，必然会造成传输时延及其不确定性。应对虚拟局域网技术加以应用，规范流通数据的优先级。除此之外，网络的开放性影响信息安全，一些重要信息在传输、使用过程中难免遭受泄露和破坏，为确保信息的完整性、可用性、保密性以及不可否认性，建议采用加密技术、防火墙技术等在变电站内部与外部之间建立起屏障，有效阻隔外来非法用户入侵。

4 结语

总之，作为保证电网安全运行的第一道防线，继电保护系统在防止故障及扰动上发挥着极为重要的作用，其可靠性与电网运行的稳定性密切相关。对继电保护系统进行可靠性分析与评估有利于及时发现继电保护装置存在的隐患。该文主要基于可靠性框图的分析原理，结合数字化变电站继电保护系统信息流特点，建立可靠性分析模型，开展继电保护系统的可靠性分析，以为变电站前期规划提供依据。基于可靠性框图的分析方法对于数字化变电站继电保护系统可靠性分析与评估较为适用，而在可靠性分析过程中，有必要利用计算机编程算法，以简化分析过程，提高分析结果精确性。

参考文献

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