繼電保護裝置對電網安全防御能力的探討

張杰

【摘要】電網規模的日益擴大和使用年限的增加，電網發生故障的可能性大大增加。作為保障電網安全的重要部件，繼電保護裝置的可靠性和穩定性在電網系統中顯得尤為重要。為了確保電網運行的安全穩定運行，必須對繼電保護電路存在的隱患有效快速的評估，從而避免電網故障的蔓延。為了評估繼電保護裝置的可靠性，提出了基于使用成本的元件重要度分析模型，發現系統的薄弱環節，最終提出基于判據的繼電保護裝置可靠性評估模型。

【關鍵詞】繼電保護；電網安全

1、引言

電網是關系到國計民生的基礎保障工業，隨著我國經濟的飛速發展，越來越多的電力供應方式并入電網，為國家的能源安全保駕護航。然而隨著電網使用年限的增加，以及新舊不同的電網基礎設施并網運行，導致電網發生故障的可能性日益增加。繼電保護裝置是保障電網平穩運行的第一道防線，其可靠性直接決定著電網能否安全運行，因此如何保障繼電保護裝置的穩定性一直電力工業的研究重點。隨著智能電網的建設，傳統的可靠性檢測方法無法滿足以電子信號為主的智能電網繼電保護裝置的需求。為了評估繼電保護裝置的可靠性，提出了基于使用成本的元件重要度分析模型，發現系統的薄弱環節，最終提出基于判據的繼電保護裝置可靠性評估模型。

2、數字化保護系統元件重要度分析

2.1 繼電保護裝置可靠性分析

保護系統通常包括三部分：保護交流輸入回路，數字繼電保護裝置和輸出操作回路。數字保護系統一般包括非常規互感器、合并單元、交換機、網絡接口、保護裝置、同步時鐘源及電源模塊等構成。在數字化保護系統中，非常規互感器對數字信號的印象很小，因此在考慮系統的可能性并不將該裝置考慮在內。

跟上數字保護系統結構圖，可以有保護系統的可靠性圖，如圖1所示。

在圖1中，TS表示同步時鐘源，MU表示合并單元，PR為繼電保護單元，SW表示交換機，EM表示網絡接口。一般來說，數字保護系統主要包括兩種模型：串聯系統模型和并聯系統模型。串聯系統模型只有在任意一個部件故障時，斷路器就會發生作用，而并聯系統模型只有在所有部件都故障時才會發生作用。

2.2 元件重要度分析

所謂的可靠性就是指在某個時間段t中，所有完好的原件在單位時間內發生故障的概率，故障主要包括三種類型誤動，拒動和總失，與之相對應的誤動失效率，拒動失效率和保護總失效率。保護總失效率是指保護裝置正常工作到時刻t后，在單位時間內失效的概率，即誤動失效率和拒動失效率之和。

為了便于表述，本文假設在同一個電網系統中，所有相同類型的元件都具有相同的失效率，因此圖3中的TS1和TS2，PR1和PR2可以分別合并，設圖3中各模塊的失效率為，誤動失效率為，拒動失效率為。假設上述元件采用串聯模式，而不同的路集之間采用并聯模式，系統中的路集集合為，表示系統中第i個元件的可靠性，因此整個結構的可靠性函數為

假設系統的組件TS，MU，EM，SM，PR的可靠性分別為，則圖3的可靠性函數為

從上式可以看出影響系統可靠性的主要依賴于元件在系統中的位置以及元件的可靠性。

基于使用成本的重要度分析主要是根據繼電保護系統在使用過程中的成本來評斷某個元件的重要程度。一般來說系統的使用成本主要包括三類，誤動造成的經濟損失，拒動造成的經濟損失以及系統的恢復成本，因此有

為了計算誤動拒動造成的經濟損失，需要設定各模塊的誤動和拒動的概率，假設各元件的誤動和拒動的概率為和，在上述保護系統中，元件是分別通過串聯組成路集，而路集之間是采用并聯的方式，因此有保護系統的誤動函數和拒動函數分別為

由于系統誤動和拒動造成的經濟損失隨著時間的增加而增加，而系統的檢修時間固定，所以系統的誤動和拒動次數直接決定了系統拒動和誤動造成的經濟損失，因此有

系統的檢修成本主要包括維修費用和檢修費用，其中維修費用取決于系統的故障次數，而檢修成本取決于系統檢測的頻率，系統的維修頻率為

設系統的檢修頻率為，其中T為檢修周期。因此有系統的修復成本為

3、基于繼電保護判據的可靠性評估

通過元件來判斷系統的使用成本只能在系統維護上指導檢修，但是并不能從根本上來評估系統的可靠性，從某種意義上來說，系統的可靠性評估是保證電網安全和穩定的第一道防線，只有在建設之初就考慮到電網的可靠性，才能保證電網在運行期間的使用成本等。變壓器內部故障的主保護之一是基于二次諧波制動原理的差動保護。該保護的原理是通過判別差動電流中的二次諧波含量來識別內部故障情況。當變壓器空載合閘時，產生的勵磁涌流中的二次諧波含量很高，差動保護制動；當變壓器發生內部故障時，此時的差動電流呈正弦波狀，二次諧波含量很低，差動保護能夠動作。

傳統的二次諧波閉鎖原理是根據三相電中二次諧波與基波之間的比例作為判斷系統是否出現故障，有

其中是二次諧波分量，是基波分量，是二次諧波制動閾值，當兩者之間的比例大于閾值的情況說明系統中出現強烈的涌波，可以直接判斷是否出現故障。

一般情況下來說，系統制動主要包括或門閉鎖，按相閉鎖，分相制動，綜合相制動，按故障相制動，三取二原則制動原則。

由于保護系統中可能會發生多種狀況導致的系統閉鎖，按照前一節的介紹，系統閉鎖有可能是元件的誤動和拒動導致的，因此在制定系統閉鎖標準是，采用了新的閉鎖概率來評判。

在系統中，當有兩相電流的差值的二次諧波比值大于閾值時，系統的必然發生閉鎖，因此閉鎖概率為1，當至少兩相差值小于閾值時，說明系統的安全性可以得到保證，此時系統不會發生閉鎖，統計不同二次諧波含量與基波比例超過閾值與系統閉鎖的情況，可以得到二次諧波與基波的比例與系統閉鎖的對應關系表為：

在概率密度不同是，系統保護判據的范圍也各不相同，因此系統的可靠性結果也相差極大，假設系統的閾值為0.25，P為閉鎖概率，因此有

其中三相電的差流的二次諧波均在取值范圍[m，n]之間，則閉鎖概率為

根據二次諧波的判斷依據，可以計算出三相電各相的閉鎖概率，當至少有兩個概率大于0.5時，則判為勵磁涌流，閉鎖比率差動保護；如果至少有兩相差流的閉鎖概率小于0.5，判為故障電流，開放比率差動保護。

4、結束語

為了確保電網運行的安全穩定運行，必須對繼電保護電路存在的隱患有效快速的評估，從而避免電網故障的蔓延。首先根據系統元件在保障期間內可能發生的誤動和拒動的概率，評估出現這種情況時對電網安全性，尤其是對電網造成的損失導致的問題，從而判斷系統的穩定性，然后基于上述情況提出了基于繼電保護判據的可靠性評估，從設計階段來評估系統的安全性，從根本上減少系統的維護費用。

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