基于GO法的在线式继电保护跳闸回路可靠性分析

2022-02-06张丽江辉施铭涛

云南电力技术 2022年6期

张丽，江辉，施铭涛

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217；2.云南电网有限责任公司丽江供电局，云南丽江 674100；3.云南电网有限责任公司大理供电局，云南大理 671000）

0 前言

继电保护装置作为保障电网安全的第一道防线，其可靠运行对电力系统的安全稳定有着重要意义，其误动、拒动也是触发或加速系统扰动并导致电网大面积崩溃的重要因素。电力系统中多数继电保护不正确动作都是由于二次回路异常导致的，继电保护二次回路之繁琐，不但有开关控制和信号系统回路，还有测量回路等内容。

研究继电保护系统的可靠性，二次回路可靠性是其中一项重要内容，目前在研究继电保护专业可靠性方面的成果有：

1）设备方面：继电保护中的静态保护装置中复杂的原件运行可靠性，多用概率测算方式和可靠性理论进行分析；

2）人员方面：不当的设置和操作给电力系统的安全运行带来极大的安全隐患分析；

3）系统方面：电力系统出现问题的时候继电保护动作的可靠性分析。随着智能技术的发展，继电保护装置及系统的智能运维也成了主要研究趋势，因此在线对运行的二次回路情况可靠性分析亟待解决。

目前无针对继电保护二次回路的可靠性分析研究，为了研究断路器控制回路的可靠性概率，本文探索了一种在线式继电保护跳闸回路可靠性分析方法，首先对继电保护装置二次回路及断路器跳闸回路进行了解析，然后按照动作逻辑关系生成了各功能回路的系统原理图，再基于GO 法的系统可靠性分析方法[1]，按照规则将系统原理图翻译成GO 图，将回路中各元件的运行数据（缺陷率、故障率等）进行提取，结合给出的跳闸回路的可靠性指标计算公式，分析得出回路运行的可靠性。

1 GO法可靠性分析原理

GO 法是以成功为导向的系统可靠性分析方法[2]，适用于多状态、有时序功能变化、有环境因素影响的可靠性系统故障问题的解决，其基本思想是把系统原理图按规则翻译成GO 图。GO 图中操作符号代表具体的部件，如继电器、触点等，信号连接操作符代表具体的物流，如电流等，或者代表逻辑上的进程，然后按操作符的运算规则进行GO 运算，经过一个GO 模型的计算，确定系统（二次回路）的最终概率，该最终概率是把系统（二次回路）运行情况的事件概率综合起来，并通过事件树的特定处理得到。GO 法可靠性分析可以定性分析也可以定量分析：

定性分析：模型中的每一个事件代表一个部件的一种特定运行方式，例如，某一个继电器的状态可能是“正常运行”或“故障状态”。

定量分析：由操作符号的可靠性数据直接计算系统的可靠性参数，得到精确的计算结果，此时模型中的每一个事件代表一个部件的可靠性参数，如某一继电器可靠运行的概率是95%等。下面介绍一种基于GO 法的继电保护跳闸回路可靠性分析方法[3]，以三相跳闸回路为例。

串联关系（为最小路径），如式（1）：

式中，Pi(1) 为第i个元件的正常运行状态发生的概率，多个相同的元件状态可以相乘以后合为一个Ai(1)。

因为系统由各个串联的最小路径集并联而成，各个串联的结构函数的并联表达式（2）：

2 一种基于GO法的在线式继电保护三相跳闸回路可靠性分析方法

2.1 继电保护跳闸回路解析

1）保护装置端子。引起断路器分相跳闸的保护有线路保护单相故障，引起断路器三相同时跳闸的保护有母线差动保护、断路器失灵保护、线路远方跳闸启动。

2）操作箱二次回路端子。断路器操作箱三跳相关回路[4]包括STJ、TJR、TJF、TJQ 继电器，及跳闸保持继电器TBJ。断路器操作箱单相跳闸回路包括分相跳闸保持继电器TBJ。

断路器操作箱三相合位监视回路由跳闸回路完成，包括合闸位置继电器HWJ 以及整个机构箱跳闸回路组成。

3）断路器汇控箱跳闸回路、相关继电器

机构跳闸回路包括3 部分：第一部分为就地手动分闸回路，涉及到的元件有就地分闸按钮SB、远方就地切换把手Local、Remote；第二部分为本体三相不一致分闸回路，涉及到的元件有三相不一致保护压板LP、三相不一致时间继电器K16、三相不一致出口继电器K61、断路器三相不一致辅助触点SBL，第三部分为公共跳闸回路，涉及到的元器件有分闸线圈Y1、断路器常开辅助触点S1L、SF6压力继电器“SF6低气压闭锁”辅助触点。

2.2 建立GO模型，形成GO图

下面分析跳闸回路系统中的跳闸回路和合位监视回路。跳闸回路包括保护装置启动跳闸回路、远方手跳回路、就地分闸回路、本体三相不一致保护跳闸回路及断路器本体机构箱闭锁回路。合位监视回路包括由合闸位置继电器，SF6气压低、断路器辅助触点，分闸线圈组成的回路。

依照以上要素不难绘制继电保护合位监视回路原理图1及跳闸回路原理图2。

图1 合位监视回路原理图

图2 继电保护跳闸回路原理图

图2中TA、TB、TC：A 相、B 相、C 相跳闸继电器；TJA、TJB、TJC：A 相、B 相、C相跳闸继电器动作接点；TJR 起失灵闭锁重合闸三相跳闸继电器；TJF 不起失灵闭锁重合闸三相跳闸继电器；TJQ 起动重合闸三相跳闸继电器；TBJ 跳闸保持继电器；Remote：远方就地切换把手在远方位置；Local：远方就地切换把手在就地位置；STJ 远方手跳继电器；SB 就地分闸按钮；SBL：断路器三相不一致触点开入；K16：本体三相不一致时间继电器；K61：本体三相不一致出口继电器；LP：本体三相不一致功能及出口压板；S1L：断路器辅助触点；Y1：断路器分闸线圈。

继电保护三相跳闸回路，其特点是结构简单、二次回路清晰，但是当动作回路中某元件出现故障时会影响断路器正确动作性。应用GO法，建立GO 模型，将上述原理图按照规则生成GO 图，以继电保护跳闸回路GO 图[5]为例说明。合闸回路GO 图相对简单，这里不做介绍。

此次原理图生成GO 图规则：

1）输入用类型S 表示，图中用三角形表示，其中线路保护作为系统单相跳闸输入标记为“S-9”，母线保护、失灵保护、远眺保护作为保护装置三相跳闸输入分别标记为“S-1”、“S-3”、“S-4”，远方手跳作为遥控断路器分闸输入标记为“S-10”、就地分闸、本体三相不一致保护作为系统三相跳闸输入分别标记为“S-15”、“S-16”。

2）其他中间元件用类型Z 表示，途中用圆圈表示，其中TA、TB、TC：Z-11、Z-12、Z-13；TJR：Z-5；TJF：Z-6；TJQ：Z-7；TBJ：Z-8；Remote：Z-14；Local：Z-21；K16：Z-17；K61：Z-18、LP：：Z-19；SF6 压力低：Z-20；S1L：Z-22；Y1：Z-23。

3）箭头连线表示各元件的信号流及动作逻辑关系，具有指向性。

依照以上规则及图2继电保护跳闸回路原理图生成图3继电保护跳闸回路GO 图。

图3 继电保护跳闸回路GO图

每个元件都有两个状态，即正常状态（用1 表示），和故障状态（用0 表示），每个状态都有发生的概率，例如，P1(1)=0.98，则P1(0)=0.02。

2.3 回路各二次元件运行数据提取分类

对于实际运行的二次回路，可以根据缺陷率、故障发生情况等历史数据，加权计算故障发生率如表1，主要提取数据可以有：元件缺陷采集、报警信息、故障录波器信号采集、报信子站信号采集、保护装置报告、直流电源系统异常报警等。将采集到数据通过计算输入到GO模型，计算回路的可靠性指标。该输入为动态变化的，根据运行数据实时更新可靠性数据。

表1 回路各二次元件运行数据提取

2.4 GO模型的计算

对于复杂的系统，GO 运算的这状态组合非常庞大，可跳过定性分析，直接按照信息流和系统状态发生的概率定量计算，对于实际运行的二次回路，可以根据缺陷率、故障发生情况等历史数据，实际计算概率。

本方案以继电保护跳闸回路GO 图为例，计算可靠性。假设三相不一致时间继电器故障概率为P17(0)=0.02，其他元件故障概率为Pi(0)=0.01，Ai(1)为编号i 的信息流正常运行的概率，假设电气量三相不一致保护动作可靠性A8(1)=0.99。

1）计算断路器三相不一致保护回路运行可靠性

三相不一致保护回路信号流的状态累计依据式(1)、式(2)计算公式如下：

由此得到断路器三相不一致保护及断路器跳闸回路可靠度为0.969，基本满意。

2）计算断路器就地分闸回路运行可靠性

由此得到断路器就地分闸回路可靠度为0.95，基本满意。

此指标可以用来评估回路可靠性。设定满意度标准，如果不满足要求，发出预警信号，及时提醒运维人员关注该回路。

3 可靠性分析方法优点

继电保护广泛采用微机保护，装置运行非常可靠，保护装置主要通过断路器的跳闸、合闸回路来控制断路器，同时跳合闸回路也是断路器控制回路中最复杂的，据统计继电保护不正确动作多数是由于回路异常造成的，研究继电保护系统的可靠性，二次回路可靠性是其中一项及其重要内容，目前研究成果匮乏。而且随着智能化运维的发展，在线分析继电保护二次回路运行可靠性已成为主要研究方向。

本文探索了一种基于GO 法计算继电保护跳闸回路可靠性的分析方法，本方法也可以使用于继电保护合闸回路等二次回路可靠性研究。既可以整体分析回路动作可靠性，也可以按照实际需要分子系统分别分析各元件异常对断路器造成的影响，灵活可靠，同时可以识别引起断路器异常跳闸的关键元器件，指导运行人员有针对性的对重要设备加强维护。