继电保护可靠性研究综述

钟慧贞

广东电网有限责任公司东莞供电局 523120

摘要：研究继电保护可靠性对于研究新的保护原理与配置方案、为保护系统设计及运行提供参考依据具有重要意义。对国内外继电保护可靠性指标和评估模型方面的研究进展进行了综述。通过比较不同的继电保护可靠性评价指标及评估方法，总结了仍然存在的不足。根据目前的研究成果简要分析了全数字化继电保护系统、广域保护等新技术、新原理给继电保护可靠性研究带来的新问题。

关键词：继电保护；可靠性；广域保护；

引言

随着我国电力需求的与日俱增，电力市场改革的深化与发展以及电力系统规模的不断扩大，电力系统日渐接近极限运行，其运行与控制更为复杂，发生扰动以及故障的可能性更大，这些都对电力系统安全提出了更高的要求，对我国的继电保护以及安全稳定控制带来了新的挑战。

一、继电保护可靠性评估体系

无论是研究继电保护的长期平均可靠性水平，还是从运行角度预测短期内的实时风险，都需要对其可能出现的各种状态从可能性（概率）和后果（严重程度）两方面进行量化评估。迄今对继电保护可靠性评估体系的研究主要以继电保护系统或继电保护装置为研究对象，综合考虑其正确动作、误动与拒动、经济效益等，运用状态空间法、概率法或其他方法建立可靠性模型，并依据模型进行定性或定量的分析评估。其中，继电保护系统根据不同的可靠性评估模型，包含继电保护装置、通讯通道，相关的一次设备如电流、电压互感器、断路器、自动重合闸装置，甚至一次系统的运行状况。

1、继电保护可靠性指标

作为可靠性评估体系中的基本因素，保护可靠性指标是研究重点之一，文献普遍依据保护系统工作的特点，以拒动和误动为主线，从设备可靠性、功能可靠性和系统完好度等方面进行指标确定。在研究继电保护可靠性的起步阶段，我国普遍使用“正确动作率”即一定期限内被统计继电保护装置的正确动作次数与总动作次数之比来描述继电保护的可靠性，这为提高我国继电保护水平起过很大的指导作用，但其没有考虑诸如区外故障正确不动作的次数等因素，因此不能全面地反映保护的可靠性，比如当被保护对象的故障频率很低，或者在

一段统计时间内并未发生区内故障时，按传统的计算正确动作率的方法得出的结果必然很低，而实际上保护装置可能经过了若干次区外故障而未误动，这一事实不能被该统计方法所反映。此外，统计对象的数量对统计数据的影响在该指标中无法体现，难以有效反映保护系统的可靠性水平。针对上述问题，建议采用“平均无误动作时间”和“无误动工作概率”来评价保护可靠性。文献基于继电保护的工作特点，将其可靠性分为保护系统可靠性和保护动作可靠性两个方面，保护系统可靠性主要用来衡量保护系统自身可靠性水平，主要指标为保护拒动失效率、保护误动失效率；保护动作可靠性则综合了保护和一次设备的情况，主要指标为保护拒动频率、保护误动频率等。从继电保护的特点出发，提出了一些新的统计评价方法与指标，同时指出被保护设备的事故频率之间可能存在的较大差别。

国外最初在一些输电系统可靠性研究模型中已初步考虑了保护系统的影响，可是大部分是借修正被保护元件的故障率来反映保护系统故障的影响，因而不能全面、真实地反映保护系统可靠性及其对输电系统的影响。60 年代以来多个国家的大停电事故为电力系统可靠性研究的发展提供了契机，可靠性评估的理论方法和工程应用技术开始成熟，鉴于继电保护及安全控制装置对系统可靠性的重要影响及装置本身可靠性问题的复杂性，保护系统可靠性逐渐被作为子系统单独进行分析，如文献[10-12]均对继电保护装置的最佳检修周期问题进行了探讨。阐述了继电保护装置故障率与预防测试实验周期的关系，用概率方法确定优化预防测试实验周期。研究保护故障和保护配置对系统可靠性影响并分析系统的薄弱环节。文献普遍采用的指标还是失效率、可用度、保护系统故障造成的期望收益损失等。这些研究成果为继电保护可靠性评估的研究探索提供了有益的思路和方法，但由于主要是沿用一次设备可靠性的分析思想，加之继电保护拒动和误动机理的复杂性，其保护可靠性评估指标的定义并不统一和明确。

上述工作对更为深入地研究继电保护可靠性做出了重要贡献，但由于评价指标缺乏统一的选取标准，在一定程度上给保护可靠性建模和评估工作增加了难度。另一方面，电网中的继电保护以一个完整的系统存在，分析继电保护拒动和误动事件及其后果应该考虑大多数装置在动作上有配合关系，一个保护装置的拒动或误动，往往会引起其他保护装置的动作，而可靠性指标例如拒动率、误动率、正确动作率、不正确动作率、故障频率、可用度、平均失效时间、平均失效前时间等反映的是继电保护装置长期平均可靠水平，难以有效地反映电网因为继电保护运行中可靠性变化所面临的实际风险。继电保护可靠性研究的新进展在传统保护可靠性模型需要继续完善的同时，全数字化保护、广域保护的理论及应用研究已然在电力系统中展开，可靠性研究作为其中重要的一个方面仍然不容忽视。传统保护可靠性模型是否能够直接在全数字化保护系统、广域保护等新技术、新理论模式下直接应用值得进一步探索。

2、全数字化保护系统可靠性

IEC61850 标准的颁布、高速以太网交换技术的发展及非常规互感器技术的实用化使保护系统乃至电力系统逐步向全数字化方向发展。在全数字化保护系统中，非常规互感器的数字信号输出通过合并单元以多播方式发布到过程总线，保护等智能电子装置从过程总线获取采样和控制信息。全数字化保护系统在具有一系列突出优点的同时，其可靠性问题受到普遍关注。与常规保护系统相比，全数字化保护系统在系统结构、构成元件及工作模式等方面都存在很大差异。建立全数字化保护系统的可靠性模型，对于系统的设计和运行具有重要意义。

在传统保护系统中，更注重对保护系统总体可靠性的研究。而对于全数字化保护系统，由于其包含更多的电子装置，总体可靠性指标已不足以全面刻画系统的可靠性，分别从系统与元件两个层面，对全数字化保护系统的可靠性进行了研究。在系统层面，利用可靠性框图、邻接矩阵和最小路集技术建立了全数字化保护系统的可靠性模型，分析了不同冗余技术对系统可靠性的影响；在元件层面，将元件重要度分析引入到保護系统中，利用概率重要度和关键重要度建立了全数字化保护系统的元件重要度评价指标，并给出了这两个重要度的选择原则。但总体上，该方面的研究文献还较少见到。

3、广域保护可靠性

广域保护一经提出便受到广泛关注，国内外学者提出了多种广域或区域保护理论。目前广域保护算法的研究主要分为3类：基于电网中多个保护元件的判断结果、依靠专家系统集中决策的广域后备保护算法；基于广域电流差动的广域继电保护算法；基于纵联比较原理的广域继电保护算法。广域继电保护系统的基本结构也可分为3 类：区域调度中心集中式广域继电保护系统；变电站集中式广域继电保护系统；分散式广域继电保护系统。由于目前广域保护及装置尚处于探索、研发阶段，故鲜见讨论其可靠性的文献。广域保护的可靠性研究主要面临以下几方面的新问题：

（1）广域保护本身较之传统保护，在保护原理、实现方式、作用域等方面都有了较大变化，影响其可靠性的因

素和环节增加，而这些因素可能彼此并不独立，这一特征可能使得不少无此前提的模型或方法在应用过程中受到制约。因此，确定广域保护系统及其装置的可靠性指标、数学模型都还有待研究。

（2）作为广域保护的重要支撑技术的广域测量系统（WAMS）的可靠性、其时滞等因素对保护系统可靠性的影响值得思考。

（3）当保护装置或保护系统及相关的通讯设备采用备用冗余设计时，该系统成为一个单元件或多元件备用系统，多元件备用系统的可靠性研究[42]也值得关注。

二、结论

在复杂大电网环境下，继电保护系统的可靠性研究已日益显得重要。本文在对国内外继电保护可靠性指标和评估模型方面的研究进展进行综述的基础上，

总结了现有保護可靠性评价指标及评估模型存在的不足，主要表现在指标的确立和选取依据、可靠性评估所需要的基础数据的统计、评估方法、保护系统动态可靠性研究等都还有待完善。特别在广域保护、全数字化保护等新原理、新技术模式下，由于继电保护装置及相关一次设备构成复杂化，保护可靠性研究需要涉及的因素多、评估难度大，如何有效分析保护系统的可靠性，需要进一步深入研究。

参考文献：

[1] 郭永基. 电力系统可靠性分析[M]. 北京：清华大学出版社，2003.

[2] 尹项根，陈德树. 主设备保护运行情况评价方法的讨论[J]. 电力自动化设备，1996，60（4）：17-19.

[3] 洪梅，丁明，戴仁赦. 保护系统的概率模型及其对组合系统可靠性的影响[J]. 电网技术，1997，21（8）：44-48.

[4] 陈德树. 继电保护运行状况评价方法的探讨[J]. 电网技术，2000，24