繼電保護系統可靠性分析研究

姚翰林

摘 要：在電力系統中，通過繼電保護裝置對出現故障的設備進行迅速隔離有著重要意義。因此對繼電保護系統的可靠性分析方法進行總結與評價，是繼電保護必須探索的問題。

關鍵詞：電力系統；繼電保護；可靠性分析

中圖分類號：TM77 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0195-02

1 繼電保護系統可靠性概念

電力系統是由發電廠、變電站等多種設備，通過輸電線路連接而組成的復雜網絡，由于涉及的設備眾多，分布范圍廣泛，大部分設備裸露在外受到自然災害的影響，發生故障的可能性很大。在電力系統中，任何一個設備發生故障都會影響到整個網絡的正常運行，甚至會造成大面積斷點。而繼電保護裝置的作用就是持續監測電力系統的運行狀態，對出現故障的設備進行迅速隔離，以保障系統的正常運行。

一個合格的繼電保護系統應具備四條特性：可靠性、選擇性、快速性以及靈敏性。可靠性是其他三條特性實現的前提，指繼電保護系統在預定工況下及相應時間內成功完成預定功能的能力[1]。可靠性又可分為安全性和信賴性：安全性指繼電保護系統僅在電力系統出現故障、需要對設備進行隔離時工作，在系統中不存在故障時不工作。信賴性指電力系統出現故障的情況下，繼電保護系統可以主動工作。以上兩點是對繼電保護裝置的最基本要求，任何一點出現問題都會給電力系統帶來嚴重損害，因而在進行繼電保護系統的可靠性評價時必須綜合考慮安全性和信賴性兩點。

2 繼電保護可靠性指標

在評價繼電保護系統的可靠性時，需要有一些定量可計算的衡量指標，通過這些指標的大小來定義繼電保護系統是否可靠。目前常用的可靠性評價指標有以下幾類：

2.1 正確工作時間/概率

通過繼電保護系統正常無誤運行來評價繼電保護系統的可靠性顯然是可行的，例如繼電保護系統的平均無誤動作時間；另一方面還可以通過繼電保護系統正常運行時間在系統運行時間中的占比來進行評價，即無誤動工作概率。

2.2 失誤動作時間/概率

評價繼電保護系統可靠性的另一個出發點是系統誤動作時間或系統誤動作概率，通過相反角度來推斷系統正常工作的可靠性。此類指標有保護拒動失效率、保護誤動失效率等。除了失誤率之外相似的還可以用拒動頻率指標，即繼電保護系統中設備出現拒絕工作指令的頻率。此類指標有保護拒動頻率、保護誤動頻率等。

2.3 結合經濟效益的評價指標

繼電保護系統的工作目標是確保電力系統的正常運行，及時解除電力系統中出現的故障，以避免電力系統出現癱瘓，因此近年有學者從繼電保護的實際應用目的出發，從經濟效益方面提出了一些可靠性評價指標。如通過評價繼電保護不正確的動作對電力系統帶來的影響以及對用戶端帶來的經濟損失得到繼電保護系統的期望收益損失，從而從經濟效益層面更準確的反映可靠性。

3 繼電保護系統可靠性分析方法

3.1 概率法

概率法進行系統可靠性分析是最常用、最簡單而有效的分析手段之一。通過將繼電保護系統的正常與非正常運行狀態進行分類，并對系統出現正常或者不正常運行狀態的時間或者次數進行統計，進而以統計的手段對正常或不正常的工作狀態進行概率分析，進而確定繼電保護系統的可靠性。

具體來說，繼電保護的狀態可劃分為兩類：一是投運狀態，即需要繼電保護系統運行或隨時待機的待命狀態；二是停運狀態，即保護退出狀態。繼電保護的停運狀態又可細分為五種原因造成的停運：計劃檢修、隨機停運、誤動停運、拒動停運以及無選擇動停運。除計劃檢修造成停運外，其余四種停運均為外界因素強迫造成的停運。

假設繼電保護系統處于兩種運行狀態的概率分別為P1和P2，其中處于五種不同原因造成的停運狀態概率分別記為P■■、P■■、P■■、P■■以及P■■。在某一特定時間段內（一般取為一年）對繼電保護系統的運行狀態進行統計分析，求出以上提到的七個概率值，進而可以計算出相應的可靠性評價指標。

3.2 故障樹分析法

故障樹分析法是常用的系統可靠性評價手段之一。采取故障樹分析法對繼電系統的可靠性進行分析時，首先需要建立繼電系統的工作模型，然后以模型作為基礎進行分析。

以繼電保護系統硬件模型的建立為例，繼電保護系統的硬件可以劃分為繼電保護裝置、保護二次回路、電壓電流互感器以及其他輔助裝置及接口等四大類[2]。其中繼電保護裝置是繼電保護系統的核心，通過命令控制保護系統的運作；二次回路主要包括控制繼電保護裝置的回路；互感器的作用是將外界電壓轉換為系統工作電壓；其他輔助裝置及接口包括一些切換控制裝置，系統與外界信息交換的通信接口等。

在采用故障樹分析法時，需要根據各模塊失效率的高低以及對繼電保護裝置正常運行的作用，分配給各模塊以制定的概率重要度系數，如表1所示。

表1 各模塊概率重要度

根據相關資料計算出各個模塊中電子元件的失效率，進而求出各個模塊的整體失效率，最終可以確定整個硬件系統的失效率，記為？姿。由于繼電保護裝置的工作過程是馬爾科夫過程，即其條件概率僅僅與系統的當前狀態相關，而與它的過去歷史或未來狀態，都是獨立、不相關的，因此其可靠性指標可采用狀態空間法綜合求解，求解過程與概率法的分析過程相似，此處不再贅述。

3.3 成功流法

成功流法作為一種系統可靠性分析手段，近些年開始被應用于繼電保護系統的分析中。其核心思想是通過用邏輯符號表示具體模塊的操作來建立GO運算，通過給定各元件的可靠性參數推斷出整個系統的成功概率。

成功流法進行系統可靠性分析的距離流程可以具體分為以下幾個步驟[3]：（1）建立模型：對繼電保護系統中的各個模塊進行劃分，過程與故障樹分析法中提到的硬件模型建立基本相同，但此時建立的模型是動態模型；（2）確定系統的輸入以及輸出數據，界定繼電保護系統與外界系統的接口；（3）建立成功準則：指確定繼電保護系統正常運行所需的最小輸出信號集合；（4）將（1）中確定的系統模型圖，根據成功流方法的原則轉化為GO圖，將系統圖元件轉化為操作符；（5）輸入原始數據，進行運算；（6）輸出結果，評價系統。

4 結束語

以上三種方法是目前比較常用的三種繼電保護系統的可靠性評價方法，這三種方法各有優缺點。其中概率法，可幫助確定繼電系統的根源故障，識別系統的薄弱環節；可以綜合分析各類事件的影響和發生的可能性從而對影響系統運行的各類因素進行全面的考量。故障樹分析法，由于故障樹的形式與實際系統存在差別，因此通常需要先求出最小割集，然后計算系統項事件的概率，所以故障樹分析法缺乏對動態變化系統分析的功能。GO法，在采用GO法對系統可靠性進行分析時，GO圖中的操作符與繼電保護系統中的部件幾乎同一對應，因此可以表示系統的多個狀態，包括不同時間點的多個狀態（時序系統）以及同一時間點的多個狀態（多狀態系統），可更精確地描述復雜條件下繼電保護系統的實際運行情況。

隨著繼電保護技術的發展，系統結構有了很大變化，對模型的適用性也有了新的要求。比如在全數字化保護系統中，通過非常規互感器的數字信號傳輸實現智能保護，傳統的可靠性評價指標與系統模型并不適用。然而只要建立合適的系統模型，可靠性評價的基本方法（概率法、故障樹分析法以及成功流法）仍然有效。

參考文獻：

[1]賀家李.電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]肖飛，呂飛鵬，張向亮，等.繼電保護系統可靠性的區間分析方法[J].電力系統及其自動化學報，2012，24（6）：152-156.

[3]王尚成.基于故障樹分析法的繼電保護系統可靠性分析[J].電子世界，2014（23）：64-64.

[4]張帆.電力系統繼電保護可靠性評估及分析[J].科技創新與應用，2016（35）：182-183.