智能變電站繼電保護系統可靠性探討

付曉曦

（國網福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350003）

智能變電站繼電保護系統可靠性探討

付曉曦

（國網福建省電力有限公司檢修分公司 福建福州 350003）

隨著智能變電站技術的應用推廣，大大提高了電力系統的整體運行水平，供電質量及安全穩定性都有了很好的改善。繼電保護系統作為保障變電站運行安全的重要基礎，其可靠性直接關系著變電站的運行安全及供電質量。通過對保護系統的可靠性進行探討，將有助于我們進一步提高變電站運行質量及安全。

智能變電站；繼電保護；可靠性；IEC61850

前言

隨著智能技術、自動化技術及計算機技術的飛速發展，變電站智能化運行已成為現實。在保障變電站運行安全及穩定的過程中，繼電保護系統功不可沒，與傳統的變電站相比，智能變電站在繼電保護系統方面呈現出巨大的差異。鑒于繼電保護系統對于整個變電站運行的重要性，對其穩定性進行分析探討，將有助于進一步的提高保護系統的設計水平。在下面文章里，我們將通過對智能變電站繼電保護系統的結構進行簡單的認識，并對可靠性的分析和技術方法進行探討。

1 智能變電站繼電保護系統的組成

目前智能變電站自動化系統主要是基于IEC61850協議進行設計，其結構體系分為“站控層+間隔層+過程層”，圖1為智能變電站與傳統變電站繼電保護系統的結構示意圖。[1]

圖1 智能變電站繼電保護系統與傳統保護的區別

通過對圖1的分析，我們可以清晰的發現兩者在設備、鏈路方面都存在很大差異。智能變電站中更多的應用到新興設備，繼電保護系統主要是由電子式互感器、合并單元、交換機、網絡接口、保護裝置、智能終端及同步時鐘源等元件構成。下面對主要元件的功能進行簡單了解：

1.1 電子式互感器

電子式互感器有效的克服了傳統電磁互感器的缺點，在運行過程中無磁飽和現象，提高了測量的準確性和保護正確動作率；同時其絕緣性能好，體積小，便于設備的集成。

1.2 合并單元

在保護系統中合并單元的作用是對互感器采集的信息進行整合，并加入統一的時間標簽，以特定的格式發送至保護裝置。是過程層采樣值傳輸技術的實現根本。

1.3 交換機

在系統中應用交換機是智能變電站獨有的，這是變電站保護系統信息流中重要的一個環節。以它為核心的以太網代替了傳統電纜接線為主的信息傳輸通道，交換機相當于智能變電站的中樞神經。

1.4 智能終端

智能終端是保護系統在一次側的智能組件，其作用主要是：①接收保護裝置發送的分合閘命令并執行操作；②將斷路器實時信息上傳至測控裝置或站控層，使工程師站可實時了解相關斷路器的運行狀況。

1.5 同步時鐘

在基于IEC61850協議的智能變電站中，同步時鐘非常重要，這是由于變電站系統的信息是依靠網絡通信方式進行傳播，而數據的準確、可靠、有效必須以統一的時序和時鐘為基準，這樣才能避免誤動作的發生，所采集的數據才能成為分析、控制的可靠依據。[2]

2 可靠性的分析原理

在這里我們所探討的可靠性，是針對智能變電站中繼電保護系統的完整性的最佳數量的度量，是指保護系統在規定的環境、時間、條件下能夠無故障的完成其規定功能的概率。為了便于分析，根據故障后系統是否可恢復將系統劃分為可靠修復系統和不可修復系統。其中不可修復系統在失效后就無法再工作，其可靠性指標主要是可靠度及平均失效時間（MTTF）；而可修復系統由于在故障后存在修復的可能，其可靠度的評價就非常復雜，指標也就相對較多，具體有可靠度、平均失效時間、可用度、平均故障次數等。智能變電站繼電保護系統屬于可修復系統。在一般的分析研究過程中，主要是針對可靠度、平均失效時間、可用度這三個指標衡量繼電保護系統的可靠性。[3]

3 可靠性的分析方法和計算方法

在對變電站繼電保護系統可靠性進行分析時，首先需要建立一個可靠性模型。經過多次驗證，在建立模型時使用可靠性框圖法不但能保證模型中系統各個元件間邏輯關系的清晰，而且運算極為簡便。

3.1 實例分析

下面我們以某個智能變電站為實例，根據其繼電保護配置情況，對可靠性這一問題進行探討分析。在這一220kV變電站中，繼電保護系統主要是由線路保護、變壓器保護、母線保護、母聯保護組成。為了提高保護可靠性，滿足保護系統“一備一用”的設計要求，由兩套彼此獨立的保護系統來實現對變電站運行的繼電保護，同時還采用了雙網并行冗余協議來保證SV采樣信號和GOOSE保護跳閘信號在通信網絡中無損傳輸。

3.2 建立模型

可靠性框圖法適用于由相互獨立且可修復單元組成的系統。體現了所完成特定系統功能的所有單元之間的邏輯連接，其邏輯過程開始于框圖左側的輸入節點，結束于框圖右側的輸出節點。可靠性框圖與實物連接圖的含義不同，可靠性框圖是以元件失效影響的分析為基礎。若己知了系統的可靠性框圖和每個元件的可靠性參數，利用恰當的運算方法，就能得出整個系統的可靠度、MTTF、可用度等可靠性指標。研究繼電保護系統可靠性的目標是在已知元件故障數據和系統結構的前提下，對系統的可靠性進行合理預測。

在建立邏輯框圖時，為了便于區分系統各個元件，我們以字母縮寫來表示相應的元件（如表1～2）。[4]

表1 編號說明

3.3 可靠性計算

主變保護與智能終端、合并單元均采用組網方式鏈接，保護跨接GOOSE雙網，GOOSE網采集數據，SV網絡傳輸采樣值，根據組網方案，主變保護可靠性框圖如圖2所示。

表2 元件可靠性參數

圖2主變保護可靠性框圖

圖2 中的方框代表元件工作，將元件從框圖中移出就代表元件失效。如果框圖中方塊被移去太多，導致輸入節點和輸出節點之間的連接出現斷開，則表明系統已失效。

表3 可靠性框圖標號解釋

根據是主變保護框圖，并應用最小路集法和不交化算法，并帶入各元件正常工作概率，我們得出主變保護的可靠性函數R主變（t）：

將各元件故障率帶入公式，并假設t為50，得到可靠度與時間的關系圖3。

圖3 主變可靠度與時間的關系

結合公式、并帶入各元件故障率，最后得到主變保護的TMTTF：

主變可用度函數A主變：

代入各元件可用度參數，最終得到可用度A及不可用度（1-A）

3.4 分析結論

上面我們根據實際案例中的組網方案及保護配置情況，建立了主變保護可靠性框圖，并對可靠度、TMTTF及可用度A進行了計算。根據這一方法，我們能夠依次得到線路保護、母線保護的可靠度（如圖4所示）、TMTTF和可用度A（如表4所示）。

圖4 變電站繼電保護可靠性與時間關系

表4 保護可靠度參數

通過對計算所得的可靠度參數進行分析，我們可以發現220kV線路保護的可靠度最高，母線保護的可靠度最低。影響系統可靠性的除了所使用設備的正常工作概率外，還與保護組網方案、元件數量、系統復雜程度有關。不同的變電站運行情況，應根據需求選擇不同的組網方案。[5]

4 結束語

通過對智能變電站繼電保護系統可靠性的分析研究，可以使我們更準確的了解保護系統中的薄弱環節，為我們進一步提高系統的可靠性提供了科學的依據。在上面文章里，我們主要是對可靠性分析的理論及方法進行了探討，在實際的設計研究過程中，需要經過大量的計算、比較、分析，才能更好的實現對系統可靠性的把握，隨著設備、理論技術的發展，繼電保護的可靠性必將更加優秀。

[1]王同文，謝民，孫月琴，沈鵬.智能變電站繼電保護系統可靠性分析[J].電力系統保護與控制，2015（06）：59.

[2]丁修玲.基于信息流的智能變電站繼電保護可靠性分析模型與評估研究[C].華南理工大學，2014：26～33.

[3]景 琦.智能變電站繼電保護可靠性評估[C].華北電力大學，2015：10～20.

[4]何旭.智能變電站繼電保護可靠性的評估方法研究[C].上海交通大學，2015：6～13.

[5]谷 磊.智能變電站繼電保護可靠性研究[C].廣東工業大學，2014：20～30.

TM76

A

1004-7344（2016）10-0042-02

2016-3-20

付曉曦（1989-），女，助理工程師，本科，主要從事繼電保護工作。