电力系统继电保护可靠性评估

李科翰

摘 要：继电保护是整个电力系统的重要组成部分，其可靠性也是防止电网事故发生、扩大以及连锁反应发生的有效措施。但是，继电保护装置如若存在缺陷或在长期使用中出现故障，会导致继电保护装置的安全性、可靠性降低，使其应用效果不佳，影响电力系统安全、稳定、高效的运行。所以公平公正、规范合理的评估电力系统继电保护的可靠性是非常必要的。本文将以概述可靠性评估理论为切入点，了解继电保护的可靠性特点及影响因素，进而探究如何有效进行继电保护可靠性评估。

关键词：电力系统；继电保护；可靠性；评估

中图分类号：TM77 文献标识码：A

随着人们生产生活用电的不断增多，电力系统的危险程度频频攀升。对此，强化电力系统继电保护是非常重要的。继电保护作为保障电网安全、稳定运行的第一道防线，能够在电力设备异常时发出警告信号，并在电力设备故障的第一时间切除故障设备，有效保护电力系统。当然，要想保证继电保护能够在电力系统中充分发挥作用，需要对继电保护可靠性进行评估，进而有针对性的优化继电保护。

一、可靠性评估理论分析

（一）故障树法

它是一种图形演绎法，即通过故障事件在一定条件下的逻辑推理，自上而下地进行系统的可靠性分析。故障树法是一种有效的评估方法，但要想充分发挥其作用，需要按照其流程（如图1所示），有序应用：

（1）设置分析对象的故障模式，并对其进行分析，从中选取故障树顶事件。

（2）建立故障树，从中找出系统故障与导致故障发生的因素之间的逻辑关系，用特定图形加以表示。

（3）对故障树定性分析，也就是分析引发故障树顶事件发生的原因，进而识别故障树顶时间发生的故障模式，从而判断其存在的潜在故障。

（4）故障树定量分析，即利用基本事件发生概率，计算出故障树顶事件发生概率、基本事件的关键重要度和概率重要度等，评估系统的可靠性。

（二）马尔科夫状态空间法

它是指系统中的元件按其工作、失效、维修的过程划分为不同状态，那么元件的状态及工作环境的状态都会直接或间接影响系统的状态。以此为准，可以准确的评估系统。当然，要想利用马尔可夫状态空间法来评估系统，需要注意以下几点。

其一，系统有任一状态转移到另一状态的概率，只与当前所处的状态有关而与该过程以前发生过的状态无关。

其二，系统发生故障等事件的时间一般呈指数分布，转移率与常数相等。但在实际中，因某些因素的影响，使得转移率与常数不相等，此时需要对其进行特殊处理，使其符合马尔可夫过程。

二、电力系统继电保护可靠性分析

（一）继电保护可靠性特点

继电保护可靠性，是在电力系统发生保护范围内，故障应该动作时不拒动，不允许该保护动作时不误动。就以微机保护来说，微机保护可靠性特点为：（1）有可靠性理论做基石。由可靠性理论予以支持，保证微机保护可靠性分析中，面对繁多的元件及复杂的制造工艺，及时且准确的分析出质量不佳的元件，进而分析出微机保护失效的概率。（2）容易受到多种因素影响。保护装置及其外围设备、系统运行情况、人为因素等都可能影响微机保护的可靠性。

（二）继电保护可靠性影响因素分析

结合继电保护可靠性特点及我国电力系统中继电保护运行情况，可以确定影响继电保护可靠性的因素有：

其一，保护装置硬件。由电子设备及相关软件构成的继电保护装置，其硬件部分容易老化、损坏，将直接导致继电保护装置工作可靠性降低。

其二，保护装置软件。继电保护装置软件设置包括程序设计、编制等环节，而这些环节容易出现错误，会使继电保护装置软件存在缺陷，进而会使继电保护装置可靠性受到影响。

其三，保护系统的配置。保护系统是由多个设备配套组成的，如若某个设备存在故障或设备配套不合理，均会影响保护系统的配置，使其可靠性受到影响。

三、电力系统继电保护可靠性评估

为了能够深入的分析电力系统继电保护可靠性评估，本文从二次系统角度出发，对继电保护系统本身的可靠性进行评估，即单个微机继电保护装置可靠性评估和外围设备的继电保护系统可靠性评估。

（一）微机继电保护装置可靠性评估

对微機继电保护装置硬件可靠性进行评估，主要是从以下几方面展开。

1 硬件可靠性评估

以典型微机继电保护装置硬件为例，包括电源模块，其主要是为装置提供电源；中央处理单元主要是支持继电保护各项功能充分发挥作用；模拟量采集模块，则是将电压和电流等模拟量转化为数字量，以便人们更好的运用数字信息；开关量输入模块，主要是采集节点或触点的开关量信息，以便继电保护装置根据信息，适时与外部电气隔离等。利用失效率函数来计算装置硬件结构的功能模块，得到浴盆曲线，由此可以确定，装置设计制造、偶然因素、长期消耗均会造成装置硬件各模块的可靠性降低，失效率提高。利用失效率计算公式计算可以得到失效率为：

失效率计算公式为：

各模块可靠度为：Ri=e-λit

各模块失效概率为：

P（Bi）=1-Ri=1-e-λit

由此可以确定故障树顶事件T发生概率为：

由此可以确定误动与拒动失效概率，即为：

保护装置硬件可靠度为：

Rh=1-P（T）

按照以上公式计算装置硬件拒动失效率、误动失效率、总失效率、可靠度，由此可以确定微机继电保护装置硬件会受元件寿命影响，使其可靠度降低。所以，适时的检修、更新装置，可以提高装置硬件应用性。

2 软件可靠性评估

因为微机继电保护装置软件更多的是受软件设计人员对用户需求理解误差、设计失误、特殊情况考虑不到位、测试不规范、程序调试不合理等因素所影响。所以危机继电保护装置软件可靠性主要受软件设计缺陷所影响，当然软件测试能够及时发现设计错误或漏洞，但在对软件进行纠正和改进的过程中，可能会引出新缺陷，使得软件的失效率依旧没有降低。利用Logarithmic exponential模型来构建危机继电保护装置软件可靠性模型，进而可以得到失效率表达式，即为：

λ（t）=λ0e-θt

利用此公式来计算微机继电保护装置软件的失效率，可以确定软件失效均会导致装置误动和拒动。

（二）外围设备的继电保护装置可靠性评估

因为外围继电保护装置在电力系统中运行，需要与其他外围设备配合，所以为了保证继电保护装置能够在电力系统中充分发挥作用，还要对外围设备的可靠性进行评估。具体的做法是：

1 基于单端信息原理保护的可靠性模型

电流增多、电压紊乱、相位差变动等均是电力系统中元件故障的表现。为了尽量避免此种情况的发生，在对继电保护装置的外围设备可靠性评估中，首先构建基于单端信息原理的保護系统，由此可以确定电流互感器（TA）、电压互感器（TV）、断路器（CB）等设备均需要进行可靠性评估。对于外围设备可靠性评估，采用故障树法来评估，即设置关于保护系统的故障树，计算故障树顶事件发生概率，也就是计算保护系统失效率，用公式表示为：

由此可以推得保护系统的可用度，即为：

As=1-P（Ts）

2 基于双端信息原理保护的可靠性模型

一次系统的故障或异常状态能否被成功切除或反映，不仅取决于保护装置本身，同时也在很大程度上要受通信通道的工作情况的影响。为了保证外围设备不会影响继电保护装置的正常运行，还需要设置基于双端信息原理的保护系统，进而构建其可靠性模型评估保护系统。如图1所示，由此可以确定整个系统中包含多种外围设备，其拒动失效和误动失效都会影响系统可靠性。同样利用故障树法来构建可靠性模型评估外围设备的可靠性。

保护装置拒动失效率为：

保护装置误动失效率为：

3 故障树求解分析

基于以上公式对外围设备故障概率进行计算，可以确定的各项外围设备故障状态概率为：

P（B）=λi/（λi+μi）

对其进一步计算，可以确定外围设备自身的可靠性及相关可靠性是需要慎重考虑的，其容易影响继电保护装置的可靠性。

结语

在电力系统越来越复杂的情况下，其危险程度持续攀升。对此，应当科学、合理的评估继电保护装置可靠性，也就是利用故障树法或马尔可夫状态空间法等评估方法对继电保护装置硬件、软件及外围设备可靠性评估，并以此为依据来优化和维护继电保护装置，可以提高继电保护装置的可靠性、安全性、有效性、应用性，使其在继电保护装置中，充分发挥作用，使电力系统安全、稳定、高效的运行。所以，对电力系统继电保护装置可靠性进行评估是非常必要的。

参考文献

[1]杨磊.电力系统继电保护可靠性评估研究[D].华北电力大学（保定），2014.

[2]王超.电力系统可靠性评估中的几个重要问题研究[D].浙江大学电气工程学院，2010.