數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

楊華昆

摘 要：數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)在保護(hù)輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面起著重要作用，對(duì)數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行深入分析并建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)系統(tǒng)；數(shù)字保護(hù)；可靠性評(píng)估

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）03-0147-02

Abstract： Digital relay protection system plays an important role in the stable operation of transmission system. It is of great practical significance to deeply analyze the reliability of digital relay protection system and establish the corresponding evaluation model.

Keywords： relay protection system； digital protection； reliability evaluation

當(dāng)電力系統(tǒng)的某部分元件出現(xiàn)問題時(shí)，繼電保護(hù)裝置將直接發(fā)送故障信號(hào)，并選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。而繼電保護(hù)裝置的可靠性指繼電保護(hù)裝置在規(guī)定的條件下和預(yù)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的能力，反映了繼電保護(hù)裝置能在多大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的成功保護(hù)。

1 常用可靠性分析指標(biāo)

對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析時(shí)，需要考慮繼電保護(hù)系統(tǒng)的功能與功能實(shí)現(xiàn)的過程，同時(shí)需要考慮特定裝置工作的環(huán)境因素以及外界因素的影響。目前常用的數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析常用指標(biāo)如下：

1.1 保護(hù)正確動(dòng)作率和保護(hù)不正確動(dòng)作率

衡量數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性中最基本的可靠性指標(biāo)是保護(hù)正確動(dòng)作率與保護(hù)不正確動(dòng)作率，分別定義為一定時(shí)間范圍內(nèi)保護(hù)正確動(dòng)作的概率，和一定時(shí)間范圍內(nèi)保護(hù)動(dòng)作拒動(dòng)與誤動(dòng)之和，用公示表示為：

Pra=■×100%

Pnra=■×100%

式中na表示統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)繼電保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作的總次數(shù)；nj表示統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)繼電保護(hù)系統(tǒng)拒絕動(dòng)作的總次數(shù)；nw表示統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)繼電保護(hù)系統(tǒng)錯(cuò)誤動(dòng)作的總次數(shù)。

保護(hù)正確動(dòng)作率與保護(hù)不正確動(dòng)作率定義簡(jiǎn)單，在統(tǒng)計(jì)操作中較方便，因此在實(shí)踐中常用這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的統(tǒng)計(jì)分析。但考慮的因素較少，如保護(hù)不正確動(dòng)作率在定義中并沒有區(qū)分誤動(dòng)與拒動(dòng)，而無法全面反應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能，在工作中需要更詳盡的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 保護(hù)拒動(dòng)失效率和保護(hù)誤動(dòng)失效率

衡量繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的另一重要指標(biāo)是失效率（Protection failure rate），即在系統(tǒng)已正常工作t時(shí)間后，在接下來一段時(shí)間△t內(nèi)失效的條件概率。常用的兩個(gè)失效率指標(biāo)為：保護(hù)拒動(dòng)失效率，即在系統(tǒng)已經(jīng)正常工作時(shí)間t的前提下，在接下來一段無限小的時(shí)間△t內(nèi)，由于繼電保護(hù)系統(tǒng)未發(fā)生有效動(dòng)作而保護(hù)失效的概率。保護(hù)誤動(dòng)失效率，即在無限小的時(shí)間未發(fā)生故障，但系統(tǒng)錯(cuò)誤發(fā)生運(yùn)作而造成故障的概率。

式中Tj、Tw分別為系統(tǒng)首次拒動(dòng)和首次誤動(dòng)失效時(shí)間。

2 數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性模型

一個(gè)完整的數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)由保護(hù)交流輸入回路、數(shù)字繼電保護(hù)裝置與操作輸出回路三部分構(gòu)成[1]，其中既有組成數(shù)字電路的基本電子元器件，也有對(duì)電子元器件進(jìn)行操控的軟件控制中心，因此對(duì)數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析既包括硬件可靠性分析也包括軟件系統(tǒng)可靠性分析。

2.1 硬件可靠性模型

硬件系統(tǒng)的基本組成單位是電子元器件，電子元器件由于使用壽命或者外界溫度、濕度等因素造成腐蝕的原因，會(huì)導(dǎo)致電子元器件失效，從而影響硬件系統(tǒng)的可靠性。引起電子元器件的主要因素為電流、電壓以及電動(dòng)率的變化，除此之外電磁干擾也會(huì)引起電路的故障。

常用的衡量電子元器件可靠性的模型是美國(guó)軍標(biāo)MIL-HDBK-217標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)由是美國(guó)空軍羅姆空軍發(fā)展中心開發(fā)，將電子元器件總的失效率模型定義為

λP=λbπQπEπA

其中λb是電子元器件的基礎(chǔ)失效率，πQ，πE與πA是修正因子，用于修正由于元器件使用的外界環(huán)境對(duì)元器件失效率造成的影響。

2.2 軟件可靠性模型

相對(duì)于硬件來說，數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)的軟件要更加穩(wěn)定，因?yàn)檐浖粫?huì)受到濕度、溫度等外界環(huán)境因素的影響。造成軟件失效的原因是軟件在編制過程中的內(nèi)在缺陷，即由于軟件設(shè)計(jì)之初未檢測(cè)到的某些錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯(cuò)。

軟件可靠性可用故障率模型來描述[2]：定義軟件可靠性函數(shù)為R（t），軟件在運(yùn)行中某一時(shí)刻t故障率為障率λ（t），則故障率隨時(shí)間演進(jìn)的模型可用貝葉斯模型表示為：

λ（t）=-■[■]

2.3 人員可靠性

除了數(shù)字機(jī)電系統(tǒng)自身軟件和硬件可能存在的故障之外，因操作人員失誤造成的系統(tǒng)誤動(dòng)或拒動(dòng)也在一定程度上影響數(shù)字繼電系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)人為事件對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的概率安全評(píng)價(jià)在安全管理中占據(jù)著重要地位，因此人為因素引入的數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)或拒動(dòng)也應(yīng)當(dāng)包含在可靠性評(píng)價(jià)模型中。

3 數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)模型

數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，在分析時(shí)可以將系統(tǒng)拆分為多個(gè)簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)，并分析其可靠性。系統(tǒng)整體的可靠性即為子系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)模型。串聯(lián)模型：串聯(lián)模型假設(shè)任何一個(gè)子系統(tǒng)的失效都會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的失效，只有組成部分的每個(gè)子系統(tǒng)均有效，保護(hù)系統(tǒng)才有效。即：系統(tǒng)可靠性是組成子系統(tǒng)可靠性的乘積；并聯(lián)模型則假設(shè)只有在全部子系統(tǒng)失效的情況下，整個(gè)系統(tǒng)才會(huì)失效，否則系統(tǒng)可正常工作。endprint

假設(shè)繼電保護(hù)系統(tǒng)由四個(gè)元件組成，元件保護(hù)誤動(dòng)率分別表示為w1，w2，w3和w4，保護(hù)拒動(dòng)率分別為j1，j2，j3和j4。

（1）串聯(lián)模型：只有當(dāng)四個(gè)元件均發(fā)生拒動(dòng)的情況下才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)拒動(dòng)，因此系統(tǒng)的拒動(dòng)率為：J=j1j2j3j4；任何一個(gè)元件的拒動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的拒動(dòng)，因此系統(tǒng)的拒動(dòng)概率為W=（1-w1）（1-w2）（1-w3）（1-w4）；整個(gè)系統(tǒng)的可靠性可以表示為R=1-W-J=j1j2j3j4-（1-w1）（1-w2）（1-w3）（1-w4）。

（2）并聯(lián)模型：在并聯(lián)模型下，四個(gè)元件均處于同樣的地位，任何一個(gè)元件的拒動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的拒動(dòng)，因此整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生拒絕動(dòng)作情況的概率為J=1-（1-j1）（1-j2）（1-j3）（1-j4）；相反地，只有所有元件發(fā)生誤動(dòng)時(shí)系統(tǒng)才會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)，因此系統(tǒng)誤動(dòng)率表示為四個(gè)元件誤動(dòng)率的乘積W=w1w2w3w4。

4 數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析方法

對(duì)數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析常用的方法有以下三種[2-3]：

4.1 影響因素加權(quán)法

利用影響因子加權(quán)法進(jìn)行可靠性分析時(shí)，首先需要分析影響繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的因素，然后根據(jù)這些因素對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)影響程度的不同，確定其對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的權(quán)重。最后根據(jù)建立的模型進(jìn)行可靠性分析。

其是分析數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性最簡(jiǎn)單的方法，可對(duì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的各類因素進(jìn)行全面的考量，可以揭示出系統(tǒng)中存在的某些出現(xiàn)可能性很小，但一旦發(fā)生極具破壞性的事件。但在確定加權(quán)因子的過程中主觀因素的干擾較強(qiáng)，難以得出精準(zhǔn)的可靠性分析結(jié)果。

4.2 狀態(tài)空間分析法

狀態(tài)空間分析法又稱為馬爾科夫分析法。某一時(shí)刻的取值不受上一時(shí)刻取值影響的隨機(jī)變量具有無后效性性質(zhì)，與之相應(yīng)的變化過程稱為馬爾科夫過程。在狀態(tài)空間分析法的思路中，將繼電保護(hù)系統(tǒng)在每一時(shí)刻的工作狀態(tài)看作馬爾科夫變量，任意時(shí)間的取值與之前的時(shí)刻無關(guān)，呈現(xiàn)出隨機(jī)變化的趨勢(shì)。狀態(tài)空間法進(jìn)行可靠性分析的原理即將繼電保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間（正常、故障或中間狀態(tài)）列出，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，并確定狀態(tài)空間中每個(gè)狀態(tài)的概率，最終可以確定整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4.3 故障樹分析法

故障樹分析法中首先要建立起系統(tǒng)的故障樹模型。故障樹的建立過程為：

（1）確定對(duì)系統(tǒng)影響最大的故障，即會(huì)直接導(dǎo)致繼電保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)的故障所在；（2）沿著上一步驟中確定的故障，分析造成致命故障的因素有哪些，并將這些導(dǎo)致故障的因素連接到故障上去；（3）重復(fù)分析過程，分析決定這些因素的下一分支因素，直至分析追溯到已知故障機(jī)理的因素或基本因素。

故障樹分析的過程是將數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生問題的原因進(jìn)行逐層分析，使不同因素之間的相互作用被清晰的表示與還原，可全面查清引起故障的原因。步驟（1）中確定的故障成為故障樹的“根”，其后每次確定的因素成為故障樹的“分支”。在實(shí)際應(yīng)用中建立故障樹模型的過程無法做到對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的完全擬合，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，因此故障樹分析法缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)分析的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]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.

[2]馬春艷，龔瑛.基于改進(jìn)模糊灰色法的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)[J].工礦自動(dòng)化，2016，42（6）：61-64.

[3]戴志輝，王增平，焦彥軍，等.基于缺陷分析的保護(hù)裝置可靠性評(píng)價(jià)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（12）：54-59.

[4]蒙正春.輸電線路繼電保護(hù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（13）：142.

[5]鄭玲峰.智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（17）：178.endprint