繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析研究

姚翰林

摘 要：在電力系統(tǒng)中，通過繼電保護(hù)裝置對(duì)出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行迅速隔離有著重要意義。因此對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析方法進(jìn)行總結(jié)與評(píng)價(jià)，是繼電保護(hù)必須探索的問題。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；繼電保護(hù)；可靠性分析

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0195-02

1 繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性概念

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、變電站等多種設(shè)備，通過輸電線路連接而組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，由于涉及的設(shè)備眾多，分布范圍廣泛，大部分設(shè)備裸露在外受到自然災(zāi)害的影響，發(fā)生故障的可能性很大。在電力系統(tǒng)中，任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障都會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，甚至?xí)斐纱竺娣e斷點(diǎn)。而繼電保護(hù)裝置的作用就是持續(xù)監(jiān)測電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行迅速隔離，以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

一個(gè)合格的繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)的前提，指繼電保護(hù)系統(tǒng)在預(yù)定工況下及相應(yīng)時(shí)間內(nèi)成功完成預(yù)定功能的能力[1]?？煽啃杂挚煞譃榘踩院托刨囆裕喊踩灾咐^電保護(hù)系統(tǒng)僅在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障、需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行隔離時(shí)工作，在系統(tǒng)中不存在故障時(shí)不工作。信賴性指電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，繼電保護(hù)系統(tǒng)可以主動(dòng)工作。以上兩點(diǎn)是對(duì)繼電保護(hù)裝置的最基本要求，任何一點(diǎn)出現(xiàn)問題都會(huì)給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重?fù)p害，因而在進(jìn)行繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)時(shí)必須綜合考慮安全性和信賴性兩點(diǎn)。

2 繼電保護(hù)可靠性指標(biāo)

在評(píng)價(jià)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性時(shí)，需要有一些定量可計(jì)算的衡量指標(biāo)，通過這些指標(biāo)的大小來定義繼電保護(hù)系統(tǒng)是否可靠。目前常用的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下幾類：

2.1 正確工作時(shí)間/概率

通過繼電保護(hù)系統(tǒng)正常無誤運(yùn)行來評(píng)價(jià)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性顯然是可行的，例如繼電保護(hù)系統(tǒng)的平均無誤動(dòng)作時(shí)間；另一方面還可以通過繼電保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間中的占比來進(jìn)行評(píng)價(jià)，即無誤動(dòng)工作概率。

2.2 失誤動(dòng)作時(shí)間/概率

評(píng)價(jià)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的另一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是系統(tǒng)誤動(dòng)作時(shí)間或系統(tǒng)誤動(dòng)作概率，通過相反角度來推斷系統(tǒng)正常工作的可靠性。此類指標(biāo)有保護(hù)拒動(dòng)失效率、保護(hù)誤動(dòng)失效率等。除了失誤率之外相似的還可以用拒動(dòng)頻率指標(biāo)，即繼電保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)備出現(xiàn)拒絕工作指令的頻率。此類指標(biāo)有保護(hù)拒動(dòng)頻率、保護(hù)誤動(dòng)頻率等。

2.3 結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)

繼電保護(hù)系統(tǒng)的工作目標(biāo)是確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，及時(shí)解除電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，以避免電力系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓，因此近年有學(xué)者從繼電保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用目的出發(fā)，從經(jīng)濟(jì)效益方面提出了一些可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。如通過評(píng)價(jià)繼電保護(hù)不正確的動(dòng)作對(duì)電力系統(tǒng)帶來的影響以及對(duì)用戶端帶來的經(jīng)濟(jì)損失得到繼電保護(hù)系統(tǒng)的期望收益損失，從而從經(jīng)濟(jì)效益層面更準(zhǔn)確的反映可靠性。

3 繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析方法

3.1 概率法

概率法進(jìn)行系統(tǒng)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(hù)系統(tǒng)的正常與非正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分類，并對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)正常或者不正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間或者次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而以統(tǒng)計(jì)的手段對(duì)正?；虿徽５墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行概率分析，進(jìn)而確定繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

具體來說，繼電保護(hù)的狀態(tài)可劃分為兩類：一是投運(yùn)狀態(tài)，即需要繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行或隨時(shí)待機(jī)的待命狀態(tài)；二是停運(yùn)狀態(tài)，即保護(hù)退出狀態(tài)。繼電保護(hù)的停運(yùn)狀態(tài)又可細(xì)分為五種原因造成的停運(yùn)：計(jì)劃檢修、隨機(jī)停運(yùn)、誤動(dòng)停運(yùn)、拒動(dòng)停運(yùn)以及無選擇動(dòng)停運(yùn)。除計(jì)劃檢修造成停運(yùn)外，其余四種停運(yùn)均為外界因素強(qiáng)迫造成的停運(yùn)。

假設(shè)繼電保護(hù)系統(tǒng)處于兩種運(yùn)行狀態(tài)的概率分別為P1和P2，其中處于五種不同原因造成的停運(yùn)狀態(tài)概率分別記為P■■、P■■、P■■、P■■以及P■■。在某一特定時(shí)間段內(nèi)（一般取為一年）對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求出以上提到的七個(gè)概率值，進(jìn)而可以計(jì)算出相應(yīng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 故障樹分析法

故障樹分析法是常用的系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)手段之一。采取故障樹分析法對(duì)繼電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析時(shí)，首先需要建立繼電系統(tǒng)的工作模型，然后以模型作為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

以繼電保護(hù)系統(tǒng)硬件模型的建立為例，繼電保護(hù)系統(tǒng)的硬件可以劃分為繼電保護(hù)裝置、保護(hù)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(hù)裝置是繼電保護(hù)系統(tǒng)的核心，通過命令控制保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)作；二次回路主要包括控制繼電保護(hù)裝置的回路；互感器的作用是將外界電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)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(tǒng)與外界信息交換的通信接口等。

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

表1 各模塊概率重要度

根據(jù)相關(guān)資料計(jì)算出各個(gè)模塊中電子元件的失效率，進(jìn)而求出各個(gè)模塊的整體失效率，最終可以確定整個(gè)硬件系統(tǒng)的失效率，記為？姿。由于繼電保護(hù)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(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)相關(guān)，而與它的過去歷史或未來狀態(tài)，都是獨(dú)立、不相關(guān)的，因此其可靠性指標(biāo)可采用狀態(tài)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(tǒng)可靠性分析手段，近些年開始被應(yīng)用于繼電保護(hù)系統(tǒng)的分析中。其核心思想是通過用邏輯符號(hào)表示具體模塊的操作來建立GO運(yùn)算，通過給定各元件的可靠性參數(shù)推斷出整個(gè)系統(tǒng)的成功概率。

成功流法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析的距離流程可以具體分為以下幾個(gè)步驟[3]：（1）建立模型：對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)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(shí)建立的模型是動(dòng)態(tài)模型；（2）確定系統(tǒng)的輸入以及輸出數(shù)據(jù)，界定繼電保護(hù)系統(tǒng)與外界系統(tǒng)的接口；（3）建立成功準(zhǔn)則：指確定繼電保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的最小輸出信號(hào)集合；（4）將（1）中確定的系統(tǒng)模型圖，根據(jù)成功流方法的原則轉(zhuǎn)化為GO圖，將系統(tǒng)圖元件轉(zhuǎn)化為操作符；（5）輸入原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算；（6）輸出結(jié)果，評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

以上三種方法是目前比較常用的三種繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)方法，這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中概率法，可幫助確定繼電系統(tǒng)的根源故障，識(shí)別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)；可以綜合分析各類事件的影響和發(fā)生的可能性從而對(duì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的各類因素進(jìn)行全面的考量。故障樹分析法，由于故障樹的形式與實(shí)際系統(tǒng)存在差別，因此通常需要先求出最小割集，然后計(jì)算系統(tǒng)項(xiàng)事件的概率，所以故障樹分析法缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)分析的功能。GO法，在采用GO法對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析時(shí)，GO圖中的操作符與繼電保護(hù)系統(tǒng)中的部件幾乎同一對(duì)應(yīng)，因此可以表示系統(tǒng)的多個(gè)狀態(tài)，包括不同時(shí)間點(diǎn)的多個(gè)狀態(tài)（時(shí)序系統(tǒng)）以及同一時(shí)間點(diǎn)的多個(gè)狀態(tài)（多狀態(tài)系統(tǒng)），可更精確地描述復(fù)雜條件下繼電保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。

隨著繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了很大變化，對(duì)模型的適用性也有了新的要求。比如在全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)中，通過非常規(guī)互感器的數(shù)字信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)，傳統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)與系統(tǒng)模型并不適用。然而只要建立合適的系統(tǒng)模型，可靠性評(píng)價(jià)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(xiàn)：

[1]賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)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(hù)系統(tǒng)可靠性的區(qū)間分析方法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24（6）：152-156.

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

[4]張帆.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性評(píng)估及分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（35）：182-183.