智能變電站繼電保護系統可靠性分析

董聰 張超

【摘 要】本文基于通用設計建立220 kV 智能變電站繼電保護系統，不同采樣跳閘方式的典型結構，運用可靠性框圖法，構建智能變電站繼電保護系統，完備的可靠性評估模型并進行定量分析。采用概率靈敏度和元件靈敏度分別評估“直采直跳”模式下繼電保護系統的元件靈敏度和重要度。前者給出了繼電保護系統的薄弱環節，為優化系統設計提供參考；后者揭示了系統元件的重要度，指導系統運維。研究結果對智能變電站繼電保護系統的設計、運維和發展具有借鑒意義。

【關鍵詞】智能變電站 繼電保護 可靠性框圖 靈敏度 可靠性

智能變電站繼電保護的安全可靠運行對智能變電站的安全穩定運行具有重要意義，其可靠性研究也逐步引起學者和工程技術人員的興趣。智能變電站繼電保護的可靠性研究主要集中在可靠性評估模型、系統的可靠性分析等方面。本文以智能變電站通用設計為基礎，建立220kV 繼電保護系統在不同采樣、跳閘方式下的典型結構；基于可靠性框圖法構建完備的系統可靠性評估模型，進而開展可靠性分析；此外，對工程普遍應用的“直采直跳”模式下保護系統的靈敏度進行分析，以期優化系統設計、指導系統運維。

1太網冗余性

1.1實施控制

根據太網交換機在網絡模型中實現的數據鏈路層技術，在變電站系統中的實時控制具有重要作用。如：全雙工模式，它能夠在交換機下對數據源進行發出，并控制數據在輸入以及輸出方式之間的流量問題，從而防止數據的丟失情況。對于優先排隊技術，能夠在網絡阻塞形式下，對數據實施優先傳輸。對于虛擬局域網技術，能夠根據不同的IED劃分到虛擬局域網中。對于快速生成樹協議，主要能夠縮短網絡的生成時間。

1.2網絡結構

網絡結構一般為三種，首先，對于總線型網絡結構，它接線比較少，但冗余度確較差，如果在應用過程中實現對延時形式比較敏感，就要實現最長延時效果。對于環形結構，主要是物理中斷的冗余度，能夠控制網絡結構中的快速生成樹協議。但在系統中，由于重構時間比較長，為交換機的管理行為增加了較大復雜性。對于星形結構來說，它在時間方式上能夠體現等待方式比較少的優點，在通信比較高的情況下能夠實現利用方式。但沒有冗余度，主交換機中的IED信息就會丟失，從而降低了星形結構的可靠性。

2對環形結構母線保護可靠性進行評估

2.1相關方案

因為環形網絡結構本身具有較高的可靠性，在母線保護形式中，在各個終端的刀閘位置是利用GOOSE網絡對母線裝置進行保護的。但由于母線裝置受網絡流量的限制，在交換機中對流量的承擔比較大，就會出現單臺交換機中較多的單元數量，從而降低可靠性。一般利用交換機光纖口來解決這種裝置，要想在接收過程中實現更多的間隔采樣，就要將多臺交換機分擔帶寬以及利用千兆交換機。不僅要增加GOOSE交互機，還要在每臺交換機上承擔各個單元以及智能終端，從而形成環形網絡的組件方案。

2.2最小路集節點遍歷法

由于網絡結構比較復雜，節點比較多，如果利用聯絡矩陣法對最小路集的計算過程進行求解會比較復雜。所以為了使計算方法能夠更有效、更準確，就要利用最小路集節點遍歷法來實現。該方法是在輸入節點上實現的，根據相關的搜索路線，對每個網絡節點實施訪問行為，最后在輸出節點停止工作。并根據輸入節點以及輸出節點之間的路程，也就是系統的最小路集。在計算過程中，不僅要判斷出節點在當前行為上是否與之前節點發生重復、判斷出節點之間是否為最小路集，還要判斷出是否已經找到了所有的最小路集。

2.3可靠性計算方法

要實現保護行為的可靠性，就要利用最小路集節點遍歷法以及最小路集的不交化法。然后在各個元件中存在的故障率，對木母線路實施保護行為。在計算過程中，一般要計算出母線保護數值，母線保護的可用度以及不可用度。

智能變電站繼電保護在智能變電站運行中能夠實現安全性與可靠性，根據系統中的薄弱環節，能夠改變系統利用形式，從而實現保護期間的可靠性，在發展形式上具有重要意義。山東汶上縣供電公司為了提高智能變電站繼電保護系統的可靠性，利用太網結構繪制的冗余性，在環形網絡結構中對母線保護系統實現可靠性措施。

3結語

在智能變電站繼電保護元件可靠性評估參數基礎上，研究結果表明：1）與常規站繼電保護相比，智能站保護系統的可靠性均有不同程度下降。2）對于智能站線路保護、主變保護等間隔型保護，綜合考慮系統可靠性、系統結構及連接的清晰性，采用“直采直跳”模式較為合理；而對于跨多間隔的母線保護，在保護“四性”有保障的前提下，綜合考慮母線保護設備光口數量、保護系統結構、系統可靠性等多種因素，采用“網采網跳”且 SV和 GOOSE 共網傳輸是最佳方案。3）在智能站保護系統采用外部對時源時，各種保護系統的可靠性均有不同程度下降。因此，在目前外部對時源自身可靠性不夠高的情況下，保護系統不依賴外部對時源可顯著提高系統可靠性。故現行規程提出“保護系統不依賴外部對時系統完成保護功能”是合理且必要的。4）在智能站保護系統的設計和施工過程中，應重點加強和提高系統元件間連接光纖的可靠性，增加備用芯，確保光纖施工質量；在智能站保護系統運維過程中，應重點關注合并單元、智能終端和交換機等新型智能電子設備。

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