智能變電站繼電保護及自動化系統的可靠性研究

劉 魁,冀慎龍

(國網山東省電力公司超高壓公司,山東 濟南 250000)

0 引言

繼電保護微處理器機制的引入引起了人們對微處理器系統在短路情況下誤觸發的關注,如在110 kV側或受各種性質的電磁干擾。這是由于信號功率的不同水平能夠干擾控制元件的操作:對于機電繼電器,該能量為10-3J;而對于微處理器系統,則為10-7J。在冶金設施復雜技術系統的電力驅動系統中也存在類似情況。在高壓配電網的控制過程中,產生的電磁干擾比生產部門的環境大得多。現代系統的電力供應水平低且運行不可靠,與額定值的電壓偏差較小,機電繼電器的短期雙過電壓不會影響現有繼電保護和自動化系統的可靠性指標[1-3]。

1 繼電保護及自動化系統研究

微處理器系統的開發和引入最重要的內容是通過電源電路和控制電路的電流分離來解決系統穩定運行的問題,可采取措施將電磁干擾降低到可接受的水平(屏蔽裝置的選擇、保護接地系統的設計和防雷系統)。在這個階段,通常現場測量的數量是最小的。因此,評估模型的作用越來越大,對初始數據的準確性和模型質量提出了更高的要求[4-5]。在設計階段,要考慮二次換向電路和裝置的電磁干擾參數,并全面評估電磁環境。

1.1 測試標準

已經公式化的問題可以通過簡單地放大測試嚴格性來解決,同樣的問題也可以使用相對損失最小化標準來解決。考慮到增加測試嚴格性的技術解決方案成本變化的增量性質使用標準如式(1)所示。

(1)

其中,ΔC是相對增加成本,即額外屏蔽、接地等;通過這些措施,系統將以更高的嚴格程度通過測試。C1是技術解決方案的初始成本。ΔX為增量,表示試驗嚴格性。X1是初始值代表的測試嚴格度。

如果K<1,則增加測試嚴格性的額外技術措施的成本增量有一個非常小的、不顯著的變化。在這種情況下,可以使用相對損失最小化標準。如果需要提供工業設施等級別的系統可靠性指標,則系數取值K≥1。在這種情況下,技術解決方案的選擇方法不必考慮價格標準。

所考慮的方法具有一般的理論性質,對于實際應用需要明確以下幾點要求。(1)系統的可靠性指標對將要開發系統的測試嚴格程度的依賴性。(2)使足夠的測試嚴格性成為可能的技術措施成本。一般情況下,測試嚴格程度對系統可靠性指標的依賴性是相當復雜的行為,很難以分析的形式呈現。在實踐中,可以通過與技術系統的類比來假設這種依賴性的指數形狀。

相關成本C對微處理器繼電保護系統無故障運行概率的近似依賴性,如圖1所示。將無故障運行概率為0.998的系統作為基本(初始)值,相對成本為C=1。這些數據只是暫時地描述了真實情況,表明這種依賴性具有指數行為。因此,在最簡單的情況下,將系統的錯誤觸發數量減少一半,可使保護系統免受電磁干擾的成本增加約4倍。

圖1 微處理器繼電保護系統的相對成本對無故障運行概率的依賴性

1.2 故障診斷標準

極性故障是一種典型的故障。測量中每個環節的誤差引入了一個綜合誤差項。由于相位誤差在短時間內減小,因此,二次電流由等式(2)可知。

i1=(1+σi)i′1

(2)

在公式(2)中,i′1是無誤差的測量回路的二次電流;σi是復合錯誤。此時,廣義變換比為:

(3)

如果極性正確:

(4)

如果極性不正確:

(5)

可以看出,廣義變換比的范圍是ng∈(-1.11,-0.91)。如果可靠性系數設置為1.1,則極性失效的標準為ng∈(-1.21,-0.81)且極性失效的狀態在該范圍內。

2 電磁環境監測的常規方法

2.1 電磁環境常規方法分析

在變電站的室外開關設備運行過程中,由于腐蝕過程、與接地裝置的接觸失效以及電纜線路絕緣性能的退化,接地系統的質量指標會惡化。在變電站的運行中,設計階段的缺陷顯現出來。該情況需要采取常規措施來記錄抗干擾的范圍,確定故障位置,并隨后監測問題所在區域。大多數情況下,為評估電磁環境而采取的措施無其他附加問題。因此,通過計算確定避雷器的短路和電流通過模式,其余參數如主控制板上工業和無線電頻帶的恒定磁場水平及主網絡中開關時靜電放電和脈沖干擾的功率可用于檢測。

統計數據表明,繼電保護自動化系統的大多數故障發生在雷擊時,需要檢查接地系統和與接地器接觸的連續性,接地系統的一些元件在地下,使有效檢測故障接地體的措施變得復雜。在檢查過程中,遺漏的任何元件都是潛在的電磁干擾源。因此,開發一種實用的接地系統故障元件診斷方法,對于變電站電磁檢測的進行具有重要的意義。現有的診斷裝置的方法有:順序功能分析法、半區間法、考慮故障概率的半區間法等。實踐中,在電磁環境總體測量數據與計算數據比較的初步階段,可以選擇最有可能違反接地器完整性或與接地裝置接觸的區域,通常運用考慮元件故障概率的一半區間法,進行電磁環境監測。

如圖2所示是無故障運行概率的變電站接地系統故障元件搜索算法,其中搜索范圍包括了開關設備、接地系統和功能單元等。在診斷算法方案中,使用了搜索因子和區分功能單元來檢查和診斷對象的故障。為了確保無故障操作,尤其需要關注接地器和故障接觸的質量。通過計算加速和匯總概率,可以提高診斷時間的效率。

圖2 考慮無故障運行概率的變電站接地系統故障元件搜索算法

2.2 繼電保護系統在電磁環境的分析

微處理器繼電保護系統在電磁環境中需要考慮以下方面:(1)電磁干擾。微處理器繼電保護系統應具備抗電磁干擾的能力,以防止外部電磁輻射對其正常運行的干擾。這可以通過采用屏蔽材料和濾波器來降低外部電磁輻射對系統的影響。(2)電磁輻射。微處理器繼電保護系統應具備低電磁輻射的特性,以降低對周圍設備的電磁干擾。這可以通過合理的布局和設計、適當的電磁屏蔽措施和輻射消減技術來實現。(3)電磁兼容性。微處理器繼電保護系統應符合電磁兼容性要求,即在電磁環境中同時保證系統的正常運行和不對其他設備產生干擾。這需要選擇合適的組件和電磁屏蔽材料,進行合理的電磁兼容性測試和調整。(4)電源干擾。微處理器繼電保護系統應具備抗電源干擾的能力,以避免電源的噪聲、變化和干擾對系統的影響。這可以通過電源濾波器、穩壓器和適當的電源設計來實現。(5)射頻干擾。微處理器繼電保護系統應具備抗射頻干擾的能力,以避免射頻信號對系統的干擾。這可以通過使用適當的射頻屏蔽材料和設計合理的射頻防護措施來實現。

在進行戶外110 kV/220 kV開關設備的接地系統設計時,通常需要使用物理模型和數值解法來處理與接地電流和等效電荷法相關的問題。這些問題包括脈沖瞬態過程和相應電路微分方程的求解及使用初始數據來估計脈沖電勢差。為了提高系統的抗干擾水平,需要考慮電纜屏蔽和雙面接地的衰減系數,并進行電阻測試來確定系統的四度嚴格度。此外,還需要使用微秒脈沖干擾來評估微處理器設備的抗干擾水平。為了提高在大電流引起的電壓脈沖沖擊作用下的可靠性,建議立即更換參數不符合標準值的接地器,根據規范和技術文件的要求提供變壓器組區域內橫向接地之間的距離。

3 結語

在微處理器保護系統中,可靠性指標是評估系統可靠性水平的重要標準化技術特性。為了確保系統的高可靠性,需要使用高質量的電纜產品進行串行通道傳輸。同時,由于變量數量有限的數字數據傳輸格式,故障診斷和狀態監測成為常規措施。在操作期間,還需評估電磁環境對微處理器系統的影響,并采取相應的接地系統和半間隔法來保障系統的無故障運行概率。