繼電保護可靠性及其狀態檢修方法

王獻林，呂飛鵬

（四川大學電氣信息學院，成都610065）

繼電保護可靠性及其狀態檢修方法

王獻林，呂飛鵬

（四川大學電氣信息學院，成都610065）

狀態檢修是設備檢修模式的發展趨勢，可靠性評估是狀態檢修的基礎。首先利用故障樹建立了面向狀態檢修的保護系統可靠性模型；然后針對傳統風險計算方法以及當前保護檢修只考慮保護本身運行情況，提出了一種計及保護失效自身風險及保護失效系統運行風險的綜合費用風險計算方法；最后在可靠性評估與綜合風險的基礎上，制定保護檢修決策方法。利用保護可靠性評估結果決定保護是否檢修，利用保護綜合風險評估結果決定保護檢修順序。該方法對各種保護檢修策略的制定具有一定的指導意義。

狀態檢修；繼電保護系統；故障樹；可靠性評估；保護失效系統風險

自1970年美國首先提出狀態檢修CBM（condition based maintenance）以來，狀態檢修已在電力企業中得到廣泛應用[1-3]。繼電保護是電網的第一道屏障，其拒動將導致故障范圍擴大，其誤動將導致線路不合理斷開，直接影響電網安全穩定運行。通過對繼電保護設備實施運行狀態的檢測分析，合理地安排保護的檢修計劃，避免了設備檢修不足或檢修安排混亂問題。不僅提高保護系統的可靠性，而且對電網的安全運行也具有重要意義。

目前保護可靠性評估中廣泛采用解析法，如Markov模擬法[4]和故障樹法[5]。文獻[6-7]考慮自檢、誤動、拒動等情況把保護的運行狀態劃分為多種狀態，在此基礎上對保護可靠性及最佳檢修周期進行了研究；文獻[9-10]在總體上介紹了風險分析方法，并介紹了其應用；文獻[11]考慮隱藏故障，應用風險量化電網連鎖故障，分析了電網中高脆弱度的保護；文獻[12-14]把風險用于電力系統的狀態檢修中。

本文在已有的保護可靠性和狀態檢修研究基礎上，利用故障樹建立了面向狀態檢修的繼電保護系統可靠性模型，利用元件的狀態信息得到起保護系統的可靠性指標，提出了一種同時考慮保護失效后系統運行風險及保護自身風險的計算方法，并以此為基礎制定了保護檢修方法。

1 繼電保護系統可靠性分析

繼電保護系統可分為硬件系統和軟件系統。按照軟硬件系統的特點，將影響可靠性的因素分類并建立相應的故障樹計算模型，最后用馬爾科夫狀態求解出保護可用度與失效率。

1.1 繼電保護系統硬件系統模型

根據保護硬件系統的功能與特點可以將硬件系統分為6大元件模塊：斷路器及其操作機構、繼電保護裝置、繼電保護的輔助裝置（即用作二次回路的切換及作為斷路操作的輔助控制，以滿足斷路器的控制操作）、裝置的通信通道及接口、電壓電流互感器以及二次回路。硬件系統的失效可以分為斷路器失效和保護的失效，以此建立的硬件系統故障樹如圖1所示。用A表示斷路器正常，用B表示保護正常，則硬件系統失效表示為

圖1 硬件系統的故障樹模型Flg.1Fault tree model of hardware system

圖中：R1、R2分別為繼電保護硬件系統失效和保護失效；①和②分別為或門和與門邏輯；事件P1為斷路器失效；事件P2為斷路器正常；事件P3為繼電保護輔助裝置失效；事件P4為二次回路失效；事件P5為裝置的通信通道、接口失效；事件P6為繼電保護裝置失效；事件P7為電壓電流互感器失效。設p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7分別為這7個事件的失效率。根據所建立的硬件系統故障樹，可得到保護硬件系統的失效率p為

為了計算硬件系統失效率，必須根據硬件系統中各硬件組的失效率，同時為建立面向狀態檢修的可靠性指標，本文還采用了設備健康指數（HI）[13]。設備健康指數是根據設備狀態檢測結果，對設備各狀態量進行量化評價，其與故障概率存在的關系為

式中：ps為設備的故障概率；K為比例系數；C為曲率系數；HI為設備健康指數。比例系數與曲率系數可以通過2 a以上的設備健康指數和設備故障統計數據進行反演計算求得。

1.2 繼電保護系統軟件系統模型

軟件算法是微機繼電保護的核心，軟件出錯將導致保護裝置出現誤動或拒動。針對其保護軟件的特點，本文采用Logarithmic Exponential模型來衡量保護軟件的可靠性，由此得到的保護軟件算法失效率為

式中：λ為軟件系統故障率；λ0為軟件系統初始故障率；θ為故障減少系數；μ為軟件系統運行中累計發現的錯誤次數。

1.3 保護系統的可靠性計算

馬爾科夫過程可以描述繼電保護系統的工作，采用狀態空間法建立的保護系統狀態轉移模型如圖2所示。其中U表示保護正常工作狀態，YY表示保護硬件故障可自檢狀態，YN表示保護硬件故障不可自檢狀態，RN表示軟件失效狀態。λ1硬件故障可自檢失效率；μ1為硬件故障可自檢修復率；λ2為硬件故障不可自檢失效率；μ2為硬件故障不可自檢修復率；λ3為軟件失效率；μ3為軟件修復率。

圖2 保護系統狀態空間Flg.2State space for protection system

由狀態空間圖得到的保護系統轉移矩陣為

式中：λ1=cp；λ2=（1-c）p；c為硬件失效可自檢率。

狀態轉移概率矩陣為：T=[pU，pYY，pYN，pRN]，各狀態概率為

聯立式（6）、式（7），解得保護系統能正常工作的概率pU為

則繼電保護系統的失效率為

2 保護綜合風險評估

通過已獲得的保護狀態檢修可靠性指標建立保護失效風險費用的保護失效自身風險指標，并提出嚴重度模型，在此基礎上建立保護失效系統風險指標。

2.1 保護失效自身風險

保護失效自身的風險可以用設備運行時間段的失效概率與故障損失的乘積來表示。設保護在狀態檢修周期內失效后的檢修費用為Ef，繼電保護系統的失效率為pE。則保護系統失效后的自身風險值為

2.2 保護失效電網運行風險

保護設備故障會造成保護誤動或者拒動，拒動會造成被保護設備退出運行，誤動則會擴大故障范圍，從而使更多的一次側設備退出運行，可能造成電網運行不穩定以及停電事故發生。

保護失效后，電網供電可靠性降低，運行風險上升。本文用保護失效后電網的用戶負荷損失來衡量保護失效后的電網運行風險，該指標可以同時反映電網停電事件發生的概率及停電的嚴重程度，將可靠性與經濟學統一，即

式中：Is為保護失效后用戶的經濟損失；L為負荷損失量；K1為單位電價；K2為用戶缺電單位損失。

計算過程中負荷的損失主要有：①保護失效拒動或誤動使線路斷開導致失去的發電機或者負荷，這種情況下失負荷量為各保護不正確動作所切除負荷的大小；②潮流計算不收斂，加入控制措施能夠收斂，由控制措施導致的負荷切除量；③當潮流收斂但系統暫態電壓失穩時，低壓減載或者安控裝置動作，失負荷量以低壓載或安控裝置動作后所切除的負荷量來衡量。

2.3 保護綜合風險分析

保護失效會發生拒動和誤動2種后果。如果保護誤動，其失效系統風險就是被保護設備退出運行造成的電網運行風險。如果保護拒動，會導致故障范圍擴大。保護拒動會使相鄰保護的遠后備保護動作切除故障，導致相鄰設備退出運行，而保護故障運行風險應該是由保護故障動作造成的，被保護設備退出運行造成的系統風險不應該包括在內，所以保護拒動失效時對應的系統運行風險應為相鄰保護遠后備動作后，被保護設備和相鄰正常設備都被切除后電網的運行風險除去被保護設備在保護正確動作下設備退出運行造成的電網運行風險。

保護故障可能拒動，也可能誤動。目前高壓網絡一般情況下都有兩套主保護，提高了不拒動的可靠性，但同時增加了誤動的概率[1]。因此，在計算中應根據保護系統歷史故障數據中發生保護拒動和誤動的不同比例來計算誤動和拒動的概率比。其保護失效系統運行風險定義為

式中：Rs為保護失效電網風險；Kw、Kj為保護誤動與拒動的比例系數；Iws為保護誤動后用戶損失；Ijs為保護拒動后用戶損失；Iu為被保護設備在保護正確動作下設備退出后的用戶損失，Iu=Iws。則保護綜合風險為

式中：R（i）為保護系統i的綜合風險；Rf（i）為保護系統i失效自身風險；Rs（i）為保護i電網運行風險。

繼電保護系統失效綜合風險評估具體計算步驟如下。

步驟1根據保護系統的狀態監測信息利用故障樹法評估繼電保護系統的失效率pE；根據保護動作歷史數據確定保護誤動、拒動的比例系數Kw、Kj。

步驟2根據保護的失效概率與歷史維修數據確定在狀態檢修周期內失效后的檢修費用Ef，利用式（10）計算保護系統失效后的自身風險值Rf。

步驟3保護系統失效拒動與誤動電網運行風險評估流程如圖3所示。

步驟4根據上述計算結果，按照式（13）計算得到保護失效綜合風險R。

3 狀態檢修決策方法

檢修體制一般將檢修過程分為檢修決策層、檢修計劃層和檢修具體實施層。保護檢修決策層的內容包括對保護是否進行檢修、保護檢修順序和檢修內容進行決策。本文將對保護是否檢修與其檢修順序進行討論。

圖3 電網運行風險評估流程Flg.3Flow chart of risk assessment process of power grid operation

在考慮效率與實施難度基礎上，電力企業目前將檢修分為大修和小修。按失效概率大小可以通過設置兩個檢修閾值，分別為pmin和pmax。當繼電保護系統的失效率pE>pmax時，保護系統中存在比較嚴重的問題，需對保護系統進行全面維修，稱為大修；當pmin

降低設備故障概率是檢修的預期目標[15]。通過保護的檢修，不但降低保護失效自身風險，還大大降低保護失效系統風險，從而提高經濟效益。在檢修期內，檢修安排會受到檢修資源如人力資源等限制；使處于系統關鍵位置的保護通過檢修先投入運行可保證重要用戶用電，提高電網的供電可靠性。這樣不僅在最大程度上保證了電網的可靠性運行，還為檢修帶來較大的經濟效益。因此，保護系統失效時綜合風險大的應該先檢修，綜合風險小的應該后維修，即分別對小修與大修保護進行排序。

繼電保護的狀態檢修實施流程如下。

（1）對待檢修電力網絡所有繼電保護系統進行統計。收集系統內保護系統各元件的在線監測記錄信息、保護自檢信息、故障缺陷記錄信息、系統日常維護信息及運行檢修記錄信息等。

（2）依據統計信息，再根據相關狀態評價導則和專家分析系統對元件分析，得到其健康指數，利用式（2）計算所有元件的故障概率。

（3）根據保護故障樹和馬爾科夫空間模型，計算得到保護系統的失效率。

（4）根據檢修歷史經驗數據得到2個檢修閾值，確定保護系統是否大修、小修或者不修。

（5）依據步驟（4）確定的檢修方式，確定保護檢修費用，并對待檢修保護進行誤動和拒動分析，進行潮流計算，計算保護失效綜合風險。

（6）依據計算的保護綜合風險決定保護的檢修順序。

（7）綜合給類分析結果，結合檢修資源安排，制定檢修計劃，實施檢修。

具體的狀態檢修決策流程如圖4所示。

圖4 狀態檢修決策流程Flg.4Decision process of state overhaul

4 算例分析

圖5 IEEE14節點系統Flg.5IEEE14 bus system

以IEEE14節點系統為例，其網絡結構如圖5所示。保護系統參數數據見文獻[16-19]，確定參數c=0.9，μ1=μ3=0.25，μ2=0.000 685，λ0=0.000 12，θ=0.126，K=0.008 3，C=0.045 0。

由于保護中的一些元件狀態評估還不完善，根據第1節中介紹的可靠性評估方法，本文對其做預設處理，得到所有保護系統的失效概率。

假設保護故障發生負荷孤立的系統恢復時間為20 h，沒有發生負荷孤立的為10 h，Kw=0.6，Kj= 0.4，K1=0.1萬元/（MW·h），K2=0.4萬元/（MW· h）。預設由歷史維修數據得到的檢修閾值pmin為0.02，pmax為0.06。利用失效概率與風險評估計算方法得到的保護檢修決策結果如表1所示。

表1 保護檢修決策結果Tab.1Decision results of protection maintenance

由圖5可知由節點1、2、3、4、5組成的區域為主要功率輸出區，其區域為負荷區。由節點5、6、4、7、9組成的母線與支路在系統中為關鍵輸電元件，而線路2-3與線路2-4承擔的輸送功率較重且拒動后會導致有功出力發電機被切除，對網絡造成很大影響，這與風險評估結果基本一致，其相應的失效綜合風險都較大。而對線路6-12與線路13-14等供電線路，輸送功率少且為負荷雙端供電，退出運行對系統影響較小，失效風險小，安排為后檢修，評估結果反映了保護對系統的影響程度。

5 結語

本文基于設備狀態檢測結果來評估保護系統的可靠性，對保護狀態檢修提出了計及保護失效自身風險及系統運行風險的綜合風險決策，為調度人員合理安排檢修計劃提供了決策依據。

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Relay Protection Reliability and Its State Overhaul Method

WANG Xian-lin，Lü Fei-peng
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The state overhaul is the trend of equipment repair mode，and the assessment of reliability is the foundation of the state overhaul.Firstly，the fault tree is used to establish the state overhaul of protection system reliability model. Then，comparing protection operation is considered merely in view of traditional risk and the current protection overhaul，a comprehensive cost risk calculation method which considers the protection failure risk and protect failure system operation risk is presented.Finally，on the basis of reliability assessment and risk，protection maintenance decision method is also formulated.The results of protection reliability assessment are used for determining whether protection need to be overhauled and the results of protection comprehensive risk assessment are used for deciding the repair sequence.The method has guiding significance for various protection maintenance strategy formulations.

state overhaul；relay protection system；fault tree；reliability evaluation；risk of protection system failure

TM77

A

1003-8930（2014）09-0065-06

王獻林（1988—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。Email：402449237@qq.com

2012-09-21；

2012-10-30

呂飛鵬（1968—），男，博士，教授，研究方向為電力系統繼電保護和故障信息處理智能系統。Email：fp.lu@tom.com