韓啟華++李愛玲

摘 要：隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)發(fā)生復雜故障的可能性也日益增加。作為保證電網(wǎng)安全運行的第一道防線，繼電保護系統(tǒng)在防止故障及擾動上發(fā)揮著極為重要的作用，其可靠性與電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性密切相關(guān)。對繼電保護系統(tǒng)進行可靠性分析與評估有利于及時發(fā)現(xiàn)繼電保護裝置存在的隱患。該文主要基于可靠性框圖的分析原理，結(jié)合數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)信息流特點，建立可靠性分析模型，開展繼電保護系統(tǒng)的可靠性分析。

關(guān)鍵詞：繼電保護系統(tǒng) 可靠性 可靠性框圖

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0193-02

＼電力工業(yè)是支撐國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，與國計民生息息相關(guān)，一旦在電力系統(tǒng)運行中出現(xiàn)重大故障，將會造成不可估量的損失。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復雜，發(fā)生復雜故障的可能性也日益增加，電力系統(tǒng)運行生產(chǎn)的安全性和可靠性備受關(guān)注。繼電保護系統(tǒng)是保護電力系統(tǒng)一次設(shè)備的哨兵，是防止故障及擾動對電力系統(tǒng)危害的第一道防線，當系統(tǒng)由于自然、人為或設(shè)備故障等原因使電網(wǎng)某處發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，要求繼電保護系統(tǒng)將故障元件自動、快速、有選擇性地切除，因而其可靠性與電網(wǎng)的安全、可靠運行密切相關(guān)。與此同時，繼電保護系統(tǒng)的隱性故障也是電力災難發(fā)生的一種機理，很大程度上影響電力系統(tǒng)的安全。為保證繼電保護系統(tǒng)處于完好狀態(tài)，需及時發(fā)現(xiàn)其存在的故障和缺陷，并采取科學、有效的策略進行檢修和維護，這個時候?qū)^電保護系統(tǒng)的可靠性分析與研究就顯得異常重要。

2 繼電保護系統(tǒng)可靠性建模

數(shù)字化繼電保護系統(tǒng)由非常規(guī)互感器、合并單元、交換機、智能終端和同步時鐘源組成，為完成自身功能，繼電保護元件一方面要從互感器側(cè)進行信息采樣，從而判斷電力系統(tǒng)是否存在故障和隱患，另外還要與斷路器側(cè)保持聯(lián)系，以在發(fā)生故障使對斷路器進行正確的控制，其中，同步對時信息、SV報文信息、GOOSE報文信息這三種信息流對繼電保護系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。該研究主要針對以上三種信息流，基于可靠性框圖的分析方法進行繼電保護系統(tǒng)的可靠性建模。

對于網(wǎng)絡(luò)對時的方式，借助交換機以及由交換機組成的以太網(wǎng)，可單獨組網(wǎng)，也可與其他信息流共用一個通信網(wǎng)，其拓撲采用樹狀路徑。SV報文可靠性模型見圖3。斷路器回路GOOSE與SV報文相同采用對點或組網(wǎng)方式連接，若采用對點方式，在每個保護單元與交換機網(wǎng)絡(luò)之間用專用光纖，對于需要與其他保護元件配合并接受這些元件發(fā)來的閉鎖重合閘、啟動失靈等信息的保護功能，在建模中將其定義為輔助保護單元，保證其與主保護單元之間信息通路的暢通。

3 可靠性框圖分析方法的繼電保護系統(tǒng)可靠性分析

3.1 可靠性分析

在數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性模型中，若將其他元件看作節(jié)點，將傳輸介質(zhì)看作是節(jié)點間的連線，那么系統(tǒng)就是一個連通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同步對時信息、SV報文信息、GOOSE報文信息回路可靠性計算，可用最小路集法，首先找出兩個端點之間的所有最小路徑，求出回路連通的概率，將其作為系統(tǒng)可靠性數(shù)值。

同步對時信息回路可靠性具有一定特殊性，只有保持對時回路連通，合并單元、保護單元以及智能終端等才能處于正常工作狀態(tài)。將同步對時信息回路可靠性加入系統(tǒng)本身可靠性，經(jīng)過修正，合并單元、保護單元、智能終端可靠性相關(guān)表達公式為：

上述計算最小路集的過程相當復雜，即便是對于簡單的系統(tǒng)，計算量仍然較大，對于復雜網(wǎng)絡(luò)型系統(tǒng)，必須在建模的基礎(chǔ)上，依靠計算機編程實現(xiàn)最小路集的求解。首先，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲找出上述信息流的最小路集，之后根據(jù)最小路集的信息利用計算機編程開展快速的計算。常用算法包括鄰接矩陣法、布爾行列式法、節(jié)點遍歷法等，對于數(shù)字化繼電保護系統(tǒng)的可靠性計算，建議采用具有清晰思路且計算速度快的節(jié)點遍歷法?？煽啃缘某绦蛩惴鞒虨椋菏紫?，獲取模型信息，對各信息流的路集矩陣形成總路集矩陣，之后對總路集矩陣進行同步時鐘信息的修正，并進行不交化運算，在運算過程中，代入數(shù)據(jù)后求出系統(tǒng)的可靠性數(shù)值。需注意的是，在整個不交化運算中，要消除相同元素，簡化大路集矩陣Matrix，然后再進行運算與代數(shù)計算。

3.2 算例分析

某220kV數(shù)字化變電站，對其繼電保護系統(tǒng)可靠性進行分析。首先進行可靠性建模，對時形式和對時網(wǎng)絡(luò)分別采用IRIG-B碼和星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，包含1個電流互感器1個電壓互感器，各個單元及元件均雙重化配置。在SV采樣信息建模和傳遞中采用IEC6180標準統(tǒng)一建模，進行裝置的自由配置，以實現(xiàn)硬件平臺的綜合集成應用和軟件功能插接復用，對于交換機網(wǎng)絡(luò)，采用獨立雙網(wǎng)形式。GOOSE回路采用直連形式。首先，修正元件對時回路可靠性。因存在兩個冗余配置的保護單元而不存在輔助保護單元，因而在計算中先將單套繼電保護裝置的可靠性計算出來。對于保護1，包括兩條SV信息回路和一條GOOSE信息回路，各包含兩條最小路徑，兩SV信息回路之間的關(guān)系為串聯(lián)關(guān)系，依據(jù)公式（10）可得到單套繼電保護裝置可靠性。保護2按照相同方法計算單套繼電保護裝置的可靠性。經(jīng)過計算，繼電保護系統(tǒng)系統(tǒng)中同步時鐘源、保護單元的可靠度各為0.9990，互感器、傳輸介質(zhì)可靠度各為0.9999，合并單元為0.9960，斷路器為0.9900，交換機為0.9700，智能終端為0.9970，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，最終計算得到整個保護系統(tǒng)的可靠度為0.9888。

上述為一個簡單繼電保護系統(tǒng)的可靠性計算算例，但其計算過程相對復雜。某500kV線路保護，對其繼電保護系統(tǒng)的可靠性通過計算機程序算法進行計算。首先，抽象其配置圖。在此套線路中，總共包含電流互感器2個和電壓互感器1個，每個互感器配有兩個合并單元。存在兩個冗余配置的保護單元，不存在輔助保護單元。SV網(wǎng)采用獨立雙網(wǎng)形式。GOOSE回路采用共享雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式。對時形式采用點對點式。利用最小路集法求解，最終得到64條最小路徑。最后進行代入計算，并將各個元件可靠度代入相關(guān)計算公式，得到整個保護系統(tǒng)的可靠度為0.987604。

3.3 軟件因素對繼電保護系統(tǒng)的影響

在網(wǎng)絡(luò)的流量控制方面，比如報文流量過大，很容易造成通信擁堵，而當交換機對轉(zhuǎn)發(fā)報文進行處理時，可能導致丟包，這對系統(tǒng)的可靠性有不利影響。數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)實時性要求很高，但其通信大多采用的是以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如果數(shù)據(jù)在傳遞過程中出現(xiàn)了沖突，必然會造成傳輸時延及其不確定性。應對虛擬局域網(wǎng)技術(shù)加以應用，規(guī)范流通數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。除此之外，網(wǎng)絡(luò)的開放性影響信息安全，一些重要信息在傳輸、使用過程中難免遭受泄露和破壞，為確保信息的完整性、可用性、保密性以及不可否認性，建議采用加密技術(shù)、防火墻技術(shù)等在變電站內(nèi)部與外部之間建立起屏障，有效阻隔外來非法用戶入侵。

4 結(jié)語

總之，作為保證電網(wǎng)安全運行的第一道防線，繼電保護系統(tǒng)在防止故障及擾動上發(fā)揮著極為重要的作用，其可靠性與電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性密切相關(guān)。對繼電保護系統(tǒng)進行可靠性分析與評估有利于及時發(fā)現(xiàn)繼電保護裝置存在的隱患。該文主要基于可靠性框圖的分析原理，結(jié)合數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)信息流特點，建立可靠性分析模型，開展繼電保護系統(tǒng)的可靠性分析，以為變電站前期規(guī)劃提供依據(jù)?；诳煽啃钥驁D的分析方法對于數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性分析與評估較為適用，而在可靠性分析過程中，有必要利用計算機編程算法，以簡化分析過程，提高分析結(jié)果精確性。

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