電力系統繼電保護可靠性評估

李科翰

摘 要：繼電保護是整個電力系統的重要組成部分，其可靠性也是防止電網事故發生、擴大以及連鎖反應發生的有效措施。但是，繼電保護裝置如若存在缺陷或在長期使用中出現故障，會導致繼電保護裝置的安全性、可靠性降低，使其應用效果不佳，影響電力系統安全、穩定、高效的運行。所以公平公正、規范合理的評估電力系統繼電保護的可靠性是非常必要的。本文將以概述可靠性評估理論為切入點，了解繼電保護的可靠性特點及影響因素，進而探究如何有效進行繼電保護可靠性評估。

關鍵詞：電力系統；繼電保護；可靠性；評估

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A

隨著人們生產生活用電的不斷增多，電力系統的危險程度頻頻攀升。對此，強化電力系統繼電保護是非常重要的。繼電保護作為保障電網安全、穩定運行的第一道防線，能夠在電力設備異常時發出警告信號，并在電力設備故障的第一時間切除故障設備，有效保護電力系統。當然，要想保證繼電保護能夠在電力系統中充分發揮作用，需要對繼電保護可靠性進行評估，進而有針對性的優化繼電保護。

一、可靠性評估理論分析

（一）故障樹法

它是一種圖形演繹法，即通過故障事件在一定條件下的邏輯推理，自上而下地進行系統的可靠性分析。故障樹法是一種有效的評估方法，但要想充分發揮其作用，需要按照其流程（如圖1所示），有序應用：

（1）設置分析對象的故障模式，并對其進行分析，從中選取故障樹頂事件。

（2）建立故障樹，從中找出系統故障與導致故障發生的因素之間的邏輯關系，用特定圖形加以表示。

（3）對故障樹定性分析，也就是分析引發故障樹頂事件發生的原因，進而識別故障樹頂時間發生的故障模式，從而判斷其存在的潛在故障。

（4）故障樹定量分析，即利用基本事件發生概率，計算出故障樹頂事件發生概率、基本事件的關鍵重要度和概率重要度等，評估系統的可靠性。

（二）馬爾科夫狀態空間法

它是指系統中的元件按其工作、失效、維修的過程劃分為不同狀態，那么元件的狀態及工作環境的狀態都會直接或間接影響系統的狀態。以此為準，可以準確的評估系統。當然，要想利用馬爾可夫狀態空間法來評估系統，需要注意以下幾點。

其一，系統有任一狀態轉移到另一狀態的概率，只與當前所處的狀態有關而與該過程以前發生過的狀態無關。

其二，系統發生故障等事件的時間一般呈指數分布，轉移率與常數相等。但在實際中，因某些因素的影響，使得轉移率與常數不相等，此時需要對其進行特殊處理，使其符合馬爾可夫過程。

二、電力系統繼電保護可靠性分析

（一）繼電保護可靠性特點

繼電保護可靠性，是在電力系統發生保護范圍內，故障應該動作時不拒動，不允許該保護動作時不誤動。就以微機保護來說，微機保護可靠性特點為：（1）有可靠性理論做基石。由可靠性理論予以支持，保證微機保護可靠性分析中，面對繁多的元件及復雜的制造工藝，及時且準確的分析出質量不佳的元件，進而分析出微機保護失效的概率。（2）容易受到多種因素影響。保護裝置及其外圍設備、系統運行情況、人為因素等都可能影響微機保護的可靠性。

（二）繼電保護可靠性影響因素分析

結合繼電保護可靠性特點及我國電力系統中繼電保護運行情況，可以確定影響繼電保護可靠性的因素有：

其一，保護裝置硬件。由電子設備及相關軟件構成的繼電保護裝置，其硬件部分容易老化、損壞，將直接導致繼電保護裝置工作可靠性降低。

其二，保護裝置軟件。繼電保護裝置軟件設置包括程序設計、編制等環節，而這些環節容易出現錯誤，會使繼電保護裝置軟件存在缺陷，進而會使繼電保護裝置可靠性受到影響。

其三，保護系統的配置。保護系統是由多個設備配套組成的，如若某個設備存在故障或設備配套不合理，均會影響保護系統的配置，使其可靠性受到影響。

三、電力系統繼電保護可靠性評估

為了能夠深入的分析電力系統繼電保護可靠性評估，本文從二次系統角度出發，對繼電保護系統本身的可靠性進行評估，即單個微機繼電保護裝置可靠性評估和外圍設備的繼電保護系統可靠性評估。

（一）微機繼電保護裝置可靠性評估

對微機繼電保護裝置硬件可靠性進行評估，主要是從以下幾方面展開。

1 硬件可靠性評估

以典型微機繼電保護裝置硬件為例，包括電源模塊，其主要是為裝置提供電源；中央處理單元主要是支持繼電保護各項功能充分發揮作用；模擬量采集模塊，則是將電壓和電流等模擬量轉化為數字量，以便人們更好的運用數字信息；開關量輸入模塊，主要是采集節點或觸點的開關量信息，以便繼電保護裝置根據信息，適時與外部電氣隔離等。利用失效率函數來計算裝置硬件結構的功能模塊，得到浴盆曲線，由此可以確定，裝置設計制造、偶然因素、長期消耗均會造成裝置硬件各模塊的可靠性降低，失效率提高。利用失效率計算公式計算可以得到失效率為：

失效率計算公式為：

各模塊可靠度為：Ri=e-λit

各模塊失效概率為：

P（Bi）=1-Ri=1-e-λit

由此可以確定故障樹頂事件T發生概率為：

由此可以確定誤動與拒動失效概率，即為：

保護裝置硬件可靠度為：

Rh=1-P（T）

按照以上公式計算裝置硬件拒動失效率、誤動失效率、總失效率、可靠度，由此可以確定微機繼電保護裝置硬件會受元件壽命影響，使其可靠度降低。所以，適時的檢修、更新裝置，可以提高裝置硬件應用性。

2 軟件可靠性評估

因為微機繼電保護裝置軟件更多的是受軟件設計人員對用戶需求理解誤差、設計失誤、特殊情況考慮不到位、測試不規范、程序調試不合理等因素所影響。所以危機繼電保護裝置軟件可靠性主要受軟件設計缺陷所影響，當然軟件測試能夠及時發現設計錯誤或漏洞，但在對軟件進行糾正和改進的過程中，可能會引出新缺陷，使得軟件的失效率依舊沒有降低。利用Logarithmic exponential模型來構建危機繼電保護裝置軟件可靠性模型，進而可以得到失效率表達式，即為：

λ（t）=λ0e-θt

利用此公式來計算微機繼電保護裝置軟件的失效率，可以確定軟件失效均會導致裝置誤動和拒動。

（二）外圍設備的繼電保護裝置可靠性評估

因為外圍繼電保護裝置在電力系統中運行，需要與其他外圍設備配合，所以為了保證繼電保護裝置能夠在電力系統中充分發揮作用，還要對外圍設備的可靠性進行評估。具體的做法是：

1 基于單端信息原理保護的可靠性模型

電流增多、電壓紊亂、相位差變動等均是電力系統中元件故障的表現。為了盡量避免此種情況的發生，在對繼電保護裝置的外圍設備可靠性評估中，首先構建基于單端信息原理的保護系統，由此可以確定電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）、斷路器（CB）等設備均需要進行可靠性評估。對于外圍設備可靠性評估，采用故障樹法來評估，即設置關于保護系統的故障樹，計算故障樹頂事件發生概率，也就是計算保護系統失效率，用公式表示為：

由此可以推得保護系統的可用度，即為：

As=1-P（Ts）

2 基于雙端信息原理保護的可靠性模型

一次系統的故障或異常狀態能否被成功切除或反映，不僅取決于保護裝置本身，同時也在很大程度上要受通信通道的工作情況的影響。為了保證外圍設備不會影響繼電保護裝置的正常運行，還需要設置基于雙端信息原理的保護系統，進而構建其可靠性模型評估保護系統。如圖1所示，由此可以確定整個系統中包含多種外圍設備，其拒動失效和誤動失效都會影響系統可靠性。同樣利用故障樹法來構建可靠性模型評估外圍設備的可靠性。

保護裝置拒動失效率為：

保護裝置誤動失效率為：

3 故障樹求解分析

基于以上公式對外圍設備故障概率進行計算，可以確定的各項外圍設備故障狀態概率為：

P（B）=λi/（λi+μi）

對其進一步計算，可以確定外圍設備自身的可靠性及相關可靠性是需要慎重考慮的，其容易影響繼電保護裝置的可靠性。

結語

在電力系統越來越復雜的情況下，其危險程度持續攀升。對此，應當科學、合理的評估繼電保護裝置可靠性，也就是利用故障樹法或馬爾可夫狀態空間法等評估方法對繼電保護裝置硬件、軟件及外圍設備可靠性評估，并以此為依據來優化和維護繼電保護裝置，可以提高繼電保護裝置的可靠性、安全性、有效性、應用性，使其在繼電保護裝置中，充分發揮作用，使電力系統安全、穩定、高效的運行。所以，對電力系統繼電保護裝置可靠性進行評估是非常必要的。

參考文獻

[1]楊磊.電力系統繼電保護可靠性評估研究[D].華北電力大學（保定），2014.

[2]王超.電力系統可靠性評估中的幾個重要問題研究[D].浙江大學電氣工程學院，2010.