继电保护装置对电网安全防御能力的探讨

张杰

【摘要】电网规模的日益扩大和使用年限的增加，电网发生故障的可能性大大增加。作为保障电网安全的重要部件，继电保护装置的可靠性和稳定性在电网系统中显得尤为重要。为了确保电网运行的安全稳定运行，必须对继电保护电路存在的隐患有效快速的评估，从而避免电网故障的蔓延。为了评估继电保护装置的可靠性，提出了基于使用成本的元件重要度分析模型，发现系统的薄弱环节，最终提出基于判据的继电保护装置可靠性评估模型。

【关键词】继电保护；电网安全

1、引言

电网是关系到国计民生的基础保障工业，随着我国经济的飞速发展，越来越多的电力供应方式并入电网，为国家的能源安全保驾护航。然而随着电网使用年限的增加，以及新旧不同的电网基础设施并网运行，导致电网发生故障的可能性日益增加。继电保护装置是保障电网平稳运行的第一道防线，其可靠性直接决定着电网能否安全运行，因此如何保障继电保护装置的稳定性一直电力工业的研究重点。随着智能电网的建设，传统的可靠性检测方法无法满足以电子信号为主的智能电网继电保护装置的需求。为了评估继电保护装置的可靠性，提出了基于使用成本的元件重要度分析模型，发现系统的薄弱环节，最终提出基于判据的继电保护装置可靠性评估模型。

2、数字化保护系统元件重要度分析

2.1 继电保护装置可靠性分析

保护系统通常包括三部分：保护交流输入回路，数字继电保护装置和输出操作回路。数字保护系统一般包括非常规互感器、合并单元、交换机、网络接口、保护装置、同步时钟源及电源模块等构成。在数字化保护系统中，非常规互感器对数字信号的印象很小，因此在考虑系统的可能性并不将该装置考虑在内。

跟上数字保护系统结构图，可以有保护系统的可靠性图，如图1所示。

在图1中，TS表示同步时钟源，MU表示合并单元，PR为继电保护单元，SW表示交换机，EM表示网络接口。一般来说，数字保护系统主要包括两种模型：串联系统模型和并联系统模型。串联系统模型只有在任意一个部件故障时，断路器就会发生作用，而并联系统模型只有在所有部件都故障时才会发生作用。

2.2 元件重要度分析

所谓的可靠性就是指在某个时间段t中，所有完好的原件在单位时间内发生故障的概率，故障主要包括三种类型误动，拒动和总失，与之相对应的误动失效率，拒动失效率和保护总失效率。保护总失效率是指保护装置正常工作到时刻t后，在单位时间内失效的概率，即误动失效率和拒动失效率之和。

为了便于表述，本文假设在同一个电网系统中，所有相同类型的元件都具有相同的失效率，因此图3中的TS1和TS2，PR1和PR2可以分别合并，设图3中各模块的失效率为，误动失效率为，拒动失效率为。假设上述元件采用串联模式，而不同的路集之间采用并联模式，系统中的路集集合为，表示系统中第i个元件的可靠性，因此整个结构的可靠性函数为

假设系统的组件TS，MU，EM，SM，PR的可靠性分别为，则图3的可靠性函数为

从上式可以看出影响系统可靠性的主要依赖于元件在系统中的位置以及元件的可靠性。

基于使用成本的重要度分析主要是根据继电保护系统在使用过程中的成本来评断某个元件的重要程度。一般来说系统的使用成本主要包括三类，误动造成的经济损失，拒动造成的经济损失以及系统的恢复成本，因此有

为了计算误动拒动造成的经济损失，需要设定各模块的误动和拒动的概率，假设各元件的误动和拒动的概率为和，在上述保护系统中，元件是分别通过串联组成路集，而路集之间是采用并联的方式，因此有保护系统的误动函数和拒动函数分别为

由于系统误动和拒动造成的经济损失随着时间的增加而增加，而系统的检修时间固定，所以系统的误动和拒动次数直接决定了系统拒动和误动造成的经济损失，因此有

系统的检修成本主要包括维修费用和检修费用，其中维修费用取决于系统的故障次数，而检修成本取决于系统检测的频率，系统的维修频率为

设系统的检修频率为，其中T为检修周期。因此有系统的修复成本为

3、基于继电保护判据的可靠性评估

通过元件来判断系统的使用成本只能在系统维护上指导检修，但是并不能从根本上来评估系统的可靠性，从某种意义上来说，系统的可靠性评估是保证电网安全和稳定的第一道防线，只有在建设之初就考虑到电网的可靠性，才能保证电网在运行期间的使用成本等。变压器内部故障的主保护之一是基于二次谐波制动原理的差动保护。该保护的原理是通过判别差动电流中的二次谐波含量来识别内部故障情况。当变压器空载合闸时，产生的励磁涌流中的二次谐波含量很高，差动保护制动；当变压器发生内部故障时，此时的差动电流呈正弦波状，二次谐波含量很低，差动保护能够动作。

传统的二次谐波闭锁原理是根据三相电中二次谐波与基波之间的比例作为判断系统是否出现故障，有

其中是二次谐波分量，是基波分量，是二次谐波制动阈值，当两者之间的比例大于阈值的情况说明系统中出现强烈的涌波，可以直接判断是否出现故障。

一般情况下来说，系统制动主要包括或门闭锁，按相闭锁，分相制动，综合相制动，按故障相制动，三取二原则制动原则。

由于保护系统中可能会发生多种状况导致的系统闭锁，按照前一节的介绍，系统闭锁有可能是元件的误动和拒动导致的，因此在制定系统闭锁标准是，采用了新的闭锁概率来评判。

在系统中，当有两相电流的差值的二次谐波比值大于阈值时，系统的必然发生闭锁，因此闭锁概率为1，当至少两相差值小于阈值时，说明系统的安全性可以得到保证，此时系统不会发生闭锁，统计不同二次谐波含量与基波比例超过阈值与系统闭锁的情况，可以得到二次谐波与基波的比例与系统闭锁的对应关系表为：

在概率密度不同是，系统保护判据的范围也各不相同，因此系统的可靠性结果也相差极大，假设系统的阈值为0.25，P为闭锁概率，因此有

其中三相电的差流的二次谐波均在取值范围[m，n]之间，则闭锁概率为

根据二次谐波的判断依据，可以计算出三相电各相的闭锁概率，当至少有两个概率大于0.5时，则判为励磁涌流，闭锁比率差动保护；如果至少有两相差流的闭锁概率小于0.5，判为故障电流，开放比率差动保护。

4、结束语

为了确保电网运行的安全稳定运行，必须对继电保护电路存在的隐患有效快速的评估，从而避免电网故障的蔓延。首先根據系统元件在保障期间内可能发生的误动和拒动的概率，评估出现这种情况时对电网安全性，尤其是对电网造成的损失导致的问题，从而判断系统的稳定性，然后基于上述情况提出了基于继电保护判据的可靠性评估，从设计阶段来评估系统的安全性，从根本上减少系统的维护费用。

参考文献：

[1].易永辉. 继电保护装置寿命分析及寿命影响机理研究[J]. 电力系统保护与控制，2013，41（02）：79-83.

[2].张伦，祁涛，贾敏敏，鲁芬. 两种不同原理的主变差动保护调试方法比较[J]. 科技创业月刊，2013，26（07）：194-196.

[3].丛伟，张琳琳，荀堂生，白勇，王慧. 基于数字通道的统一纵联保护系统[J]. 电力系统自动化，2012，36（01）：75-80.

[4].张胜宝，王钢，丁茂生，李晓华. 保护系统可靠性与保护动作可靠性[J]. 继电器，2006，（15）：1-4+9.

[5].徐光福，张春合，严伟，朱中华，余群兵，徐舒. 基于EPON通信的智能配电网馈线差动保护[J]. 电力系统自动化，2014，38（02）：91-96.

[6].王利平. 超特高压电网纵联差动保护研究[D].西南交通大学，2013.