智能变电站继电保护系统可靠性分析

曹 帅

（西山煤电电力公司，太原 030053）

0 引言

高压供电线路中继电保护系统是否能够正常工作，对整个供电线路的可靠性具有关键作用，这也是电力工程师设计研究的主要方向之一。通过建立系统可靠性模型和可靠性评估模型，对继电保护系统的可靠性进行分析。根据信号采集和跳闸控制方式的不同，智能继电保护可以分为直采直跳、网采直跳、直采网跳、网采网跳4种控制模式。由于直采直跳模式结构简单，线路中通过的元件数量相对其他几种模式较少，被广泛应用在大部分智能变电站继电保护系统中。为此，本文所有的建模分析都建立在直采直跳模式下。首先对变电站基本结构和继电保护基本原理进行分析，然后根据智能变电站继电保护经常使用的直采直跳模式建立可靠性框图，绘制线路保护电路图进行解析，从电网维护日常记录获取基本的可靠数据，对继电保护元件故障影响系统拒动和误动的稳态概率进行评估。通过建模和评估优化继电保护系统，大幅度提高继电保护系统的可靠性评估效率[1]。

1 智能变电站继电保护系统模型概述

1.1 智能变电站

将网络通讯技术作为变电站的二次系统控制，对变电站进行数据采集、控制和检测，进一步将电网数字化、智能化与自动化，即为变电站的智能化运行模式。智能变电站的主题模块主要为高级设备维护模块、数字信息采集模块、集成信息应用程序与网络信息交互模块等。智能变电站的网络模式对继电保护系统进行控制，对继电保护系统的稳定性和可靠性具有很大影响。使用网络控制跳闸方式的智能变电站，具有较长的控制路径，并且硬件较多，连接方式复杂，这就需要使用通过设备少、结构相对简单的控制方式来提高继电保护系统的稳定性[2]。

1.2 智能变电站继电保护系统结构

合并单元通过接收带时间戳的电子变压器发送的采样信息，实现对过程层的采样和传输，并将数据传输至继电保护装置。从常规的电磁变压器结构来看，电子变压器的优势很明显，包括无磁饱和、测量精确度高、经济性高、体积小巧、数字化程度高、安全可靠性高等[3]。根据传感器头的电源不同，电子变压器可以分为主动型和被动型。合并单元后的电子变压器发送的采样数据，实现对过程层数字信息采集和传输，同时把信息传输到继电保护系统中，通过交换机可以实现数据链路层与数据帧的数据交换[4]。近年来，交换技术在不断地进步更新，数据传输技术也日益发展，同时网络智能单元的通信效率也不断地取得进步。若将电路中的逻辑开关进行适当地设置，智能化电网的可靠性也就会相应增加，这种智能化设备不仅可以对继电器进行实时保护，也可以通过对设备参数的信息进行采集而对其运行情况进行反馈[5]。熔断器的实时情况也可以反馈出设备的故障信息，而智能终端不仅能接受控制断路器的分闸命令，也可以将断路器的实时动作进行反馈。继电保护直采直跳模式如图1 所示。采样和跳闸通过光纤直连完成，图中所展示为光纤链路和部分支路。

图1 直采直跳模式

2 继电保护可靠性分析

2.1 模型建立

本文建立的模型建立在智能变电站通用设计标准的基础之上。交流一次信息的采集通过常规互感器配合合并单元的方式；一次设备的智能化控制采取常规断路器结合智能终端的方式；采用双母线结构，包括2 回变压器支路和4 回出线；网络和过程层之间采用星型网组模式，并且对其冗余量进行配置，同时考虑共网传输问题；交换机采用间隔配置模式，由于该模式需要将多个单元接入母线，因此增设了中心交换机[6]。由于继电保护直采模式相关标准中规定了保护装置不依赖外部对时系统，因此不用考虑同步钟源的影响，采用IEEE1588 全站集中对时方式。

2.2 可靠性评估数据

继电保护系统可靠性评估的基础条件是拥有准确的线路元件故障信息记录。供电系统对关键系统元件具有标准的保养检修记录，在良好的检修和维护体系下，对于可修复元件，在其使用期限内的故障率可视为常数。通常情况下，变电站的智能化设计是采用合并单元配合供电线路常规变压器完成一次交流信息的传输和采集，利用智能控制系统配合线路中的常规断路器完成供电线路的一次设备自动化控制[7]。根据智能变电站设计的相关标准，当使用信息直接采集方式对线路进行继电保护时，保护系统不需要依赖外部时间同步，数据采集的灵敏度及其可靠性评估则不会受到同步钟源限制；若采用了网络采集控制信息的智能控制方式，则会受到同步钟源的限制，需要采用IEEE1588 集中式时间同步方式。表1所示为保护元件的可靠性数据。

表1 保护元件的可靠性数据

继电保护系统中的元件修复率统一设定为m＝365 次/y。故障和修复的参数全部符合指数分布规律，所以可以使用马尔科夫链模型进行模拟。采用长期稳态概率作为此次继电保护系统可靠性分析的指标。线路中所有元件失效率为Pxl；零件更换次数为l；稳态工作概率为Pt。根据公式：

不同位置、不同作用的元件，其故障对系统失效状态的影响也都不一样。Wire、SW、EM 作为信息处理传输元件，只会对系统产生保护拒动，而不会造成误动现象；IED、TS、PR、MU、CB等元件的功能则为执行、产生和判断数据，这些元件的故障不仅会造成拒动，也会让系统产生误动。因此，将元件失效对系统造成的影响划分为误动状态和拒动状态，并设定稳态拒动概率以及稳态误动概率都为总损失概率的50%。根据以下公式：

式：PiJ为拒动概率；PiW为误动概率；Piλ为总损失概率。继电保护系统中元件稳态概率如表2所示。

表2 继电保护系统元件稳态概率

2.3 可靠性框图法

可靠性框图法适用于结构简单的系统分析，计算方法简单、结构清晰。绘制继电保护系统直采直跳模式下的可靠性框图如图2所示。

图2 直采直跳模式下的可靠性

供电线路的继电保护系统是由多个独立的分散元件所构成，所以元件的维修保养都需要独立完成，具有独立性。任选两个元件，其误动概率设定为PW1和PW2；正确动作概率设定为P1和P2；拒动概率设定为PJ1和PJ2。根据概率运算的基本规则，并联状态下，若其中一个元件发生误动，整个并联环节则发生误动，当两个元件同时拒动时，整个环节才拒动。由此，根据以下公式：

式中：PW1OrW2为误动概率；P1Or2为正确动作概率；PJ1OrJ2为拒动概率。

同理可得串联环节下的概率公式为：

2.4 提高继电保护系统可靠性分析

对于智能变电站继电保护系统可靠性的措施，首先是构建对应的继电保护系统计算模型，智能站间隔保护可采用直接采集和直接跳变方式；多间隔保护应采用传输网采集与跳网方式[8]。其次是从电流的具体限压延时条件进行分析，必须要在电流过载时进行报警，这可以防止继电保护过载发热。再次是对站控层与机架层采取双面继电保护，这样不仅可以保证断路器实现自动断连，也可以将后备的保护系统进行激活，从而防止开关有失灵情况发生。从电网的运行状态上看，这种优化的运行方案，大大提高了继电保护的安全性与可靠性[9]。最后是运用可视化智能技术，将智能变电站的故障信息第一时间反馈出来，这有助于及时发现和处理故障。

优化后的继电保护设备的构成主要体现在3 个方面：（1）优化母线、输电线路、控制系统、断路器、变压器等设备，确保变电站及供电线路的安全稳定；（2）继电保护器的配置要进行优化，优化的配置可以减少高低压对电网影响的概率，保证变压器的差动保护时刻运行，使连接在断路器的继电器受到保护；（3）要加强电网线路的保护，这种措施主要针对光缆的稳定性、电子干扰以及对于线路的集中保护与后备保护，并要对整体系统进行实时监控[10]。

3 结束语

全面建设数字化智能电网工程项目，使高压供电系统的运行更加安全，供电服务质量也更加高效，其中继电保护系统的可靠性设计是最为重要的部分，是决定电网运行稳定性的一个重要因素。因此，必须分析其现场故障出现的具体原因，采取相应措施，确保智能电网安全、稳定、高效运行。本文为了提高继电保护系统的可靠性，利用可靠性框图法结合智能变电站继电保护系统、精确合理的可靠性计算模型，根据系统元件的稳态拒动概率和稳态误动概率，优化变电站继电保护系统，发挥出系统组件的重要性，并简化了系统的操作和维护，使供电线路继电保护系统的运行更加可靠。