廣域保護系統可靠性分析初探

肖 嘉

（汕頭供電局 廣東 汕頭 515041）

0 引言

廣域保護系統由于其保護原理和實現形式都不同于傳統保護裝置，隨著通信系統的加入，在對其進行可靠性分析時需要考慮更多因素。由于廣域保護系統現階段還未大規模投運，使得對其進行可靠性分析時也需要借助于設計階段的容錯性分析。隨著廣域測量系統（WAMS）和數字化變電站的普及，基于此兩者的廣域保護系統在運行中可能出現的情況有保護元件失效或誤判，信息丟失錯誤等。

本文利用現有研究中對廣域保護系統容錯性的分析，分析廣域保護系統運行中將要出現的不同運行狀態，結合可靠性分析常用理論，對廣域保護系統可靠性分析進行初步討論。

1 廣域保護容錯性要求

廣域保護系統由于基于對廣域范圍內保護元件故障信息的收集，并通過對廣域范圍內各斷路器進行控制，完成廣域保護動作策略。這一系列的采集控制流程與傳統的繼電保護系統有很大的差別，不僅要求保護方案無保護死區，也對通信系統的可靠性有很高的要求。由于廣域保護系統無論基于方向比較原理還是廣域差動原理都受采集系統的影響，在主保護受采集傳輸回路影響未能快速動作時，廣域后備的快速近后備也很有可能無法動作。不僅如此，廣域保護系統受通信系統的影響更甚于傳統主保護系統，任何一個環節的故障都可能使得保護無法及時動作，甚至于誤動作。對于廣域保護系統運行中可能出現的問題，需要在系統設計過程中考慮其容錯性能，從保護原理、動作策略和系統軟硬件等方面提高保護系統運行可靠性。

1.1 保護原理容錯性

由于目前各類廣域保護系統構建和算法流程還處于仿真實驗階段，很少在實際大電網系統中投入使用，對于保護原理實際效果未有具體的實例予以分析，因此本節通過分析常規算法，將其擴展至廣域保護系統中來，分析在將其引入廣域保護系統中所帶來的新問題。

廣域方向原理的保護范圍

通過比較被保護元件各端的故障信息方向，綜合判斷其指向以確定是否為故障元件，這是廣域方向保護原理的基本思想。縱聯方向比較保護原理在電力系統中已有廣泛成熟的應用，包括常見的線路保護和母線保護[1]。由于該原理簡單可靠，基于單端量的故障方向判別算法[2]也很成熟，因此很多研究均將該原理擴展至廣域保護范疇。

然而實際電網結構不同于單一元件，功率環流的存在使得方向保護在擴展至廣域保護后面臨著新的問題。對于擴大了保護范圍的方向比較式原理，在環形區域內發生故障時，環流的存在導致擴大了的保護范圍邊界的IED故障方向并非都指向故障區域。如圖1中IEEE5節點系統為例，圖中B2，B3和B5構成一簡單環形網絡，并假定線路L5為一短線路。當線路L4點K1處發生短路故障時，由于線路L4長于線路L5，極易出現母線B2電壓高于母線B3的電壓，使得D3中故障功率流向為指向線路L2。此時對于虛線區域的B2&L4擴大保護區而言，D3不僅可能輸出無故障的判別，甚至有可能輸出為反方向的故障，誤判的結果將導致該擴大區域的保護失效或拒動。對于簡單發散式樹形網絡，由于無環流則不會受該問題影響。

圖1 IEEE5節點系統

結合上述分析，在應用廣域方向比較原理時應謹慎擴大其保護范圍，避免出現由于誤判而閉鎖后備保護功能的實現。在配合整定時應充分考慮實際電網結構的影響，同時利用其他保護原理（如阻抗距離保護）將故障方向有效性限制在一定的區域內，發揮廣域方向比較原理的功能。

1.2 動作原件容錯性

對于采樣通信系統的故障，往往可通過自檢、備用等措施，使其不在電網發生故障時出現，保證保護方案按預想正常執行。但對于斷路器拒動的情況往往很難在電網正常運行時便發現，因而需要設定特定的處理方案。

在保護裝置判別故障發生動作于跳閘時，可能發生故障元件的斷路器拒動，也稱為斷路器失靈。該故障的切除一般通過相鄰元件遠后備或專用的斷路器失靈保護實現。實際上相比于遠后備動作，斷路器失靈保護動作可加快故障隔離時間與減小停電范圍，因此將失靈保護納入廣域保護系統很有意義。該保護主要完成以下功能：

1）利用廣域保護原理判別故障并制定快速近后備的跳閘策略，相關斷路器動作于跳閘切除故障；

2）利用站層保護信息矩陣分析搜索相關聯的所有斷路器，并監測斷路器狀態及故障信息量；

3）延時后判斷，若該斷路器是否失靈，則跳開相關聯所有斷路器。

以上問題在廣域保護系統建設過程中是不能回避的，解決的方法除了以上對具體問題的分析解決外，一般還可通過引入自檢機制和投入備用設備兩個手段解決。

2 廣域保護可靠性分析

目前對于廣域保護系統的研究大多仍處于理論分析和裝置研發階段，因此很少有文獻涉及廣域保護系統的可靠性分析。本節通過結合上兩節中對于廣域保護容錯性的分析，討論廣域保護系統可靠性分析的特點。

廣域保護系統在保護原理和實現方法上都有別于傳統保護，而這其中最重要的變化就是它的實現是基于廣域測量技術（WAMS）[3]上。由于廣域保護系統對于通信網絡有很高的依賴性，因此需要在可靠性分析建模時充分考慮網絡系統故障帶來的影響。結合第一部分中對廣域保護系統容錯性處理所分析的可能出現的故障情況，可在狀態空間法分析時添加相對應狀態，并構建新的狀態轉移圖分析相應可靠性。

通過對廣域保護系統運行容錯性措施的分析，可將其運行狀態分類六類。

狀態0：正常運行；

狀態1：自檢檢出系統設備故障，故障分區通過投入備用中心站后部分運行，故障站點自動轉入傳統保護模式；

狀態2：分區重構后運行，即故障分區中出現故障的站點過多，以至于需要改變分區策略；

狀態3：自檢未檢出的系統設備故障，指的是保護原理失誤造成保護拒動或誤動；

狀態4：定期檢修；

狀態5：大面積網絡癱瘓，由于網絡通信故障，造成的廣域保護系統無法正常完成功能，需要退出。

圖2 廣域保護系統狀態轉移圖

由狀態轉移圖2可得轉移概率矩陣Q和平穩概率矩陣

方程組可解得

式中 K=（μ2+λ52）（μ1+λ2）。

對于廣域保護系統可靠性分析而言，狀態0是完整運行狀態，而狀態1和狀態2下系統仍然為電網中大部分元件提供保護，因此在評價系統的可靠性時綜合三個狀態的運行概率，得到系統運行時的可靠性。

A=P0+P1+P2(3-6)

同時狀態5反映了系統的狀態3和狀態5表示系統失效的概率，是對于系統運行于不可預知或故障超出承受能力下兩類狀態的反映。

3 結語

本文通過分析廣域保護系統中對容錯性能的基本要求，列舉了包括保護原理和系統設備中可能會產生的一些問題，并給出相應的處理方案；結合廣域保護系統中新出現的容錯性要求和可靠性分析理論，對廣域保護系統可靠性分析方法做了初步試探，介紹其分析過程中對于通信故障和算法失效等情況下處理，利用狀態轉移分析法對以上分析進行研究。

［1］郭永基.電力系統可靠性分析[M].北京：清華大學出版社，2003.

［2］戴志輝，王增平.繼電保護可靠性研究綜述[J].電力系統保護與控制， 2010，38(15)：162－167.

［3］孫福壽，汪雄海.一種分析繼電保護系統可靠性的算法[J].電力系統自動化，2006，30(16)：32－35，76.