基于可靠性框圖法的智能變電站繼電保護系統可靠性分析

王家林，崔楠楠

國網江蘇省電力有限公司泰州市姜堰區供電分公司，江蘇 泰州 225500

0 引言

在社會經濟的進步發展下，為了更好地滿足社會各界對變電站的要求，智能化技術被人們應用到變電站繼電保護系統中，加快了變電站的智能化建設步伐。為此，文章在闡述智能變電站繼電保護特點的基礎上，以智能變電站通用設計為基礎，依托可靠性框圖法打造完備的系統可靠性分析模型，并結合智能變電站繼電保護系統運行存在的問題提出增強智能變電站繼電保護系統可靠性的策略。

1 智能變電站繼電保護的特點

1.1 實現數據信息的高效收集與處理

智能變電站借助數字化技術全面收集、整理和應用數據信息。和傳統的變電站相比，智能變電站會在電子互感器、光學互感器的支持下收集變電站的電流、電壓數據，由此來進一步保證變電站運行的安全性和穩定性。之后使用網絡系統來處理和傳輸數據，提高數據信息的處理和應用效率[1]。

1.2 實現對信息的智能化應用

智能變電站繼電保護裝置能夠根據需要靈活地使用信息，進一步完善變電站的設備功能，縮短變電站二次回路的連接次數，提升變電站運行的安全性和穩定性。

2 智能變電站繼電保護系統可靠性分析

2.1 可靠性分析參數的選擇

可信賴的元件故障信息是智能變電站繼電保護系統可靠性分析的重要基礎，電網對一次、二次設備均有規范的定期檢修維護要求。對于可修復的元件，在檢修維護機制下，其壽命期內的故障率和檢修率是常數，能夠根據大量的統計分析獲得。智能變電站在運行時所使用的新型智能電子設備長期缺乏故障診斷統計分析，因此，在智能變電站繼電保護系統可靠性分析工作中需要按照規范的標準確定參數數值，如表1所示。所有的元件修復率u取365 次/年。認為其故障修復的分布滿足指數分布，可以使用馬爾科夫鏈模型分析。文章使用長期穩態概率作為評估智能變電站繼電保護系統可靠性的指標，元件穩態工作概率P 和失效概率Pxλ可以分別由公式（1）和（2）計算。各個元件穩態概率表如表2 所示[2]。

表2 各個元件的穩態概率表

式中：u為元件修復率，取365 次/年；P為元件穩態工作概率；Pxλ為失效概率；λ為分散性參數。

2.2 可靠性框圖法

可靠性框圖法是一種清晰、簡單的計算方法，適用于元件較少的系統。結合智能變電站繼電保護系統運行情況建立可靠性框圖，描繪出智能變電站繼電保護系統元件狀態和系統狀態的關系，之后根據框圖計算出系統不同狀態下的概率[3]。

智能變電站繼電保護系統由多個獨立分散元件組成，整個系統在運作過程中各元件之間具有獨立性。元件1 和2 的正確動作概率為P1和P2，誤動概率為Pw1和Pw2，拒動概率為Pj1和Pj2。在兩個元件同時運動時，任何一個元件出現錯誤動作，并聯環節就會誤動。

2.3 可靠性分析結果

變電站冗余線路保護可靠性分析結果如表3 所示。智能變電站繼電保護系統新增加了合并單元、智能終端、交換機等新型電子設備，和傳統變電站繼電保護系統相比，智能變電站繼電保護系統的可靠性會降低。智能變電站繼電保護系統的線路保護、主變保護等間隔型保護操作要注重考慮系統的可靠性、結構和連接的清晰性，適合使用直采直跳的模式；跨多間隔母線保護需要考慮母線保護設備光口數量、保護系統結構、系統可靠性，適合使用網采網跳的形式[4]。

表3 變電站冗余線路保護可靠性分析結果

3 智能變電站繼電保護系統可靠性運行保障措施

3.1 做好過程層的繼電保護

在這過程層，需要相關人員做好變電站母線、變壓器、輸電線路等電氣設備的維護管理，通過一系列維護管理措施將電力系統運行風險降到最低，為電力調度系統提供必要的保護支持。在智能變電站的保護功能上，要注重采取積極的措施簡化系統保護設備和系統保護裝置，在智能變電站主保護定值出現較小波動時，繼電保護不會在電力系統運行的過程中出現變化。

從實際運行情況來看，智能變電站存在大量的一次設備。因此，在智能變電站的繼電保護中，需要區分軟硬件開關的設計，為智能變電站的軟硬件提供獨立的保護，從而提升變電站母線、輸電線路的保護水平。相同的輸電線路可以采取獨立采樣方式，借助不同開關電流實現輸電線路的獨立采樣，實現對系統電流的綜合把握。在實際的智能變電站保護工作中可以使用一個多端線路對智能變電站中的變壓器和母線實施保護，在智能變電站的內部實現同步采樣，并根據變電站運行情況來調整數據，目的是增強采樣數據的適用性和可靠性。

3.2 做好間隔層的繼電保護

做好間隔層的繼電保護能夠增強智能變電站保護系統的安全性和可靠性，在雙重裝置的作用下能夠實現對后備保護系統的集中化配置，從而為變電站的穩定運行提供后備設備保護和開關失靈保護，還能夠保護臨近范圍內的相連線路和端母線，從而在后備電流的基礎上診斷智能電網運行問題和故障，根據智能變電站的跳閘問題提出對應的對策。另外，可以在全站儀設備的支持下集中化配置電壓，結合電網運行要求調整繼電保護裝置。在間隔層做好繼電保護能夠在了解電網運行的基礎上提前制訂多套運行方案，通過選擇理想的運行方案更好地實現智能變電站的繼電保護功能。

3.3 優化系統組網結構

增強系統冗余性能夠增強繼電保護系統的安全性、穩定性和可靠性。具體需要做好以下幾個方面的工作。（1）根據ICE 61850 標準設計新的網絡作為智能變電站過程層網絡，由此增強智能變電站繼電保護的可靠性和安全性。從實際運行情況來看，傳統變電站每一個二級系統的數據采集環節會存在冗余，智能變電站可以利用統一的數據采集方法來收集數據，在這個過程中能夠保障數據元的統一，打破二次專業壁壘，最終打造出以繼電保護為核心的二次專業結構體系，減少智能變電站數據采集的冗余，降低網絡數據采集的延時性，提升智能變電站運行的安全性和穩定性。（2）借助以太網交換機中的數據鏈路層技術為智能變電站的自動化運行提供實時監控，在多個模式的作用下實現智能變電站建設的多個目標。（3）總線系統在交換機的作用下能夠實現數據信息的順利傳遞，在這個過程中可以減少接線。數據信息傳遞的冗余性較大，為了解決這個問題，可以使用環形結構替換總線結構。環形結構上的任何一點都能夠提供不同的冗余，將冗余信息和以太網交換機結合會出現管理交換網絡中的冗余鏈路，生產樹協議，從而為智能繼電系統的運行提供物理中斷冗余度，將網絡重構控制在一定范圍內。綜合分析，在智能變電站運行過程中需要相關人員在綜合多方面意見的基礎上選擇適合的網絡架構，最終有效提升智能繼電保護系統的安全性和可靠性。

3.4 增強環形結構母線的可靠性

環形結構本身的可靠性比一般結構強，將環形結構引入母線保護裝置中能夠在以往的基礎上進一步增強繼電保護系統的安全性和穩定性。因此，在智能變電站繼電保護系統中需要采取積極的措施增強環形結構母線保護的可靠性，可以采取最小路節點歷法[4]。傳統結構的母線保護可靠性較低，環形網絡結構母線的安全性和穩定性能夠滿足智能繼電保護系統的可靠性，使用環形結構的母線之后，智能變電站繼電保護系統的各項指標得到提升。

3.5 優化運行模式

在智能電網運行的過程中需要合理利用設備監管信息，借助分割智能終端和合并單元的模式處理監督信息，通過合理的網絡調度處理公用交換機的信息。在智能變電站運行過程中，相關人員需要結合實際情況對系統設備實施維護管理，完善智能變電站的運行狀態評估指導手冊，對智能變電站運行過程中的特殊部位進行有效處理，從而為智能變電站的穩定運行提供切實可行的支持[5]。

3.6 智能變電站系統異常處理

針對智能變電站系統運行異常現象，相關人員需要分析和處理智能變電站的異常信號、正常信息等，了解智能變電站的故障情況，及時處理系統故障，并檢查數據處理單元工作情況和軟件配置情況[6]。以上的檢查工作要以典型故障的特征狀態為基礎，在整合模態量信息的基礎上建立智能化分析測試系統，從而在網絡設備出現異常情況時及時采取自動分析模式，從而保障智能變電站繼電系統運行的安全性、可靠性。

4 結束語

綜上所述，和傳統變電站相比，智能變電站具備較強的穩定性、可靠性，在智能技術的支持下，智能變電站繼電保護系統的可靠性會得到大幅度的提升。繼電保護是保證智能變電站穩定運行的第一防線，在保證電網運行安全方面意義重大。通過對智能變電站繼電保護系統元件的可靠性進行分析發現，和常規意義上的繼電保護相比，智能變電站繼電保護系統的可靠性管理更為復雜。對于智能變電站繼電保護系統的線路保護、主變保護等間隔型保護操作來說，要注重考慮系統的可靠性、結構和連接的清晰性，適合使用直采直跳的模式；對于跨多間隔母線保護來說，需要考慮母線保護設備光口數量、保護系統結構、系統可靠性，適合使用網采網跳的形式。