王献林,吕飞鹏
(四川大学电气信息学院,成都610065)
继电保护可靠性及其状态检修方法
王献林,吕飞鹏
(四川大学电气信息学院,成都610065)
状态检修是设备检修模式的发展趋势,可靠性评估是状态检修的基础。首先利用故障树建立了面向状态检修的保护系统可靠性模型;然后针对传统风险计算方法以及当前保护检修只考虑保护本身运行情况,提出了一种计及保护失效自身风险及保护失效系统运行风险的综合费用风险计算方法;最后在可靠性评估与综合风险的基础上,制定保护检修决策方法。利用保护可靠性评估结果决定保护是否检修,利用保护综合风险评估结果决定保护检修顺序。该方法对各种保护检修策略的制定具有一定的指导意义。
状态检修;继电保护系统;故障树;可靠性评估;保护失效系统风险
自1970年美国首先提出状态检修CBM(condition based maintenance)以来,状态检修已在电力企业中得到广泛应用[1-3]。继电保护是电网的第一道屏障,其拒动将导致故障范围扩大,其误动将导致线路不合理断开,直接影响电网安全稳定运行。通过对继电保护设备实施运行状态的检测分析,合理地安排保护的检修计划,避免了设备检修不足或检修安排混乱问题。不仅提高保护系统的可靠性,而且对电网的安全运行也具有重要意义。
目前保护可靠性评估中广泛采用解析法,如Markov模拟法[4]和故障树法[5]。文献[6-7]考虑自检、误动、拒动等情况把保护的运行状态划分为多种状态,在此基础上对保护可靠性及最佳检修周期进行了研究;文献[9-10]在总体上介绍了风险分析方法,并介绍了其应用;文献[11]考虑隐藏故障,应用风险量化电网连锁故障,分析了电网中高脆弱度的保护;文献[12-14]把风险用于电力系统的状态检修中。
本文在已有的保护可靠性和状态检修研究基础上,利用故障树建立了面向状态检修的继电保护系统可靠性模型,利用元件的状态信息得到起保护系统的可靠性指标,提出了一种同时考虑保护失效后系统运行风险及保护自身风险的计算方法,并以此为基础制定了保护检修方法。
继电保护系统可分为硬件系统和软件系统。按照软硬件系统的特点,将影响可靠性的因素分类并建立相应的故障树计算模型,最后用马尔科夫状态求解出保护可用度与失效率。
1.1 继电保护系统硬件系统模型
根据保护硬件系统的功能与特点可以将硬件系统分为6大元件模块:断路器及其操作机构、继电保护装置、继电保护的辅助装置(即用作二次回路的切换及作为断路操作的辅助控制,以满足断路器的控制操作)、装置的通信通道及接口、电压电流互感器以及二次回路。硬件系统的失效可以分为断路器失效和保护的失效,以此建立的硬件系统故障树如图1所示。用A表示断路器正常,用B表示保护正常,则硬件系统失效表示为
图1 硬件系统的故障树模型Flg.1Fault tree model of hardware system
图中:R1、R2分别为继电保护硬件系统失效和保护失效;①和②分别为或门和与门逻辑;事件P1为断路器失效;事件P2为断路器正常;事件P3为继电保护辅助装置失效;事件P4为二次回路失效;事件P5为装置的通信通道、接口失效;事件P6为继电保护装置失效;事件P7为电压电流互感器失效。设p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7分别为这7个事件的失效率。根据所建立的硬件系统故障树,可得到保护硬件系统的失效率p为
为了计算硬件系统失效率,必须根据硬件系统中各硬件组的失效率,同时为建立面向状态检修的可靠性指标,本文还采用了设备健康指数(HI)[13]。设备健康指数是根据设备状态检测结果,对设备各状态量进行量化评价,其与故障概率存在的关系为
式中:ps为设备的故障概率;K为比例系数;C为曲率系数;HI为设备健康指数。比例系数与曲率系数可以通过2 a以上的设备健康指数和设备故障统计数据进行反演计算求得。
1.2 继电保护系统软件系统模型
软件算法是微机继电保护的核心,软件出错将导致保护装置出现误动或拒动。针对其保护软件的特点,本文采用Logarithmic Exponential模型来衡量保护软件的可靠性,由此得到的保护软件算法失效率为
式中:λ为软件系统故障率;λ0为软件系统初始故障率;θ为故障减少系数;μ为软件系统运行中累计发现的错误次数。
1.3 保护系统的可靠性计算
马尔科夫过程可以描述继电保护系统的工作,采用状态空间法建立的保护系统状态转移模型如图2所示。其中U表示保护正常工作状态,YY表示保护硬件故障可自检状态,YN表示保护硬件故障不可自检状态,RN表示软件失效状态。λ1硬件故障可自检失效率;μ1为硬件故障可自检修复率;λ2为硬件故障不可自检失效率;μ2为硬件故障不可自检修复率;λ3为软件失效率;μ3为软件修复率。
图2 保护系统状态空间Flg.2State space for protection system
由状态空间图得到的保护系统转移矩阵为
式中:λ1=cp;λ2=(1-c)p;c为硬件失效可自检率。
状态转移概率矩阵为:T=[pU,pYY,pYN,pRN],各状态概率为
联立式(6)、式(7),解得保护系统能正常工作的概率pU为
则继电保护系统的失效率为
通过已获得的保护状态检修可靠性指标建立保护失效风险费用的保护失效自身风险指标,并提出严重度模型,在此基础上建立保护失效系统风险指标。
2.1 保护失效自身风险
保护失效自身的风险可以用设备运行时间段的失效概率与故障损失的乘积来表示。设保护在状态检修周期内失效后的检修费用为Ef,继电保护系统的失效率为pE。则保护系统失效后的自身风险值为
2.2 保护失效电网运行风险
保护设备故障会造成保护误动或者拒动,拒动会造成被保护设备退出运行,误动则会扩大故障范围,从而使更多的一次侧设备退出运行,可能造成电网运行不稳定以及停电事故发生。
保护失效后,电网供电可靠性降低,运行风险上升。本文用保护失效后电网的用户负荷损失来衡量保护失效后的电网运行风险,该指标可以同时反映电网停电事件发生的概率及停电的严重程度,将可靠性与经济学统一,即
式中:Is为保护失效后用户的经济损失;L为负荷损失量;K1为单位电价;K2为用户缺电单位损失。
计算过程中负荷的损失主要有:①保护失效拒动或误动使线路断开导致失去的发电机或者负荷,这种情况下失负荷量为各保护不正确动作所切除负荷的大小;②潮流计算不收敛,加入控制措施能够收敛,由控制措施导致的负荷切除量;③当潮流收敛但系统暂态电压失稳时,低压减载或者安控装置动作,失负荷量以低压载或安控装置动作后所切除的负荷量来衡量。
2.3 保护综合风险分析
保护失效会发生拒动和误动2种后果。如果保护误动,其失效系统风险就是被保护设备退出运行造成的电网运行风险。如果保护拒动,会导致故障范围扩大。保护拒动会使相邻保护的远后备保护动作切除故障,导致相邻设备退出运行,而保护故障运行风险应该是由保护故障动作造成的,被保护设备退出运行造成的系统风险不应该包括在内,所以保护拒动失效时对应的系统运行风险应为相邻保护远后备动作后,被保护设备和相邻正常设备都被切除后电网的运行风险除去被保护设备在保护正确动作下设备退出运行造成的电网运行风险。
保护故障可能拒动,也可能误动。目前高压网络一般情况下都有两套主保护,提高了不拒动的可靠性,但同时增加了误动的概率[1]。因此,在计算中应根据保护系统历史故障数据中发生保护拒动和误动的不同比例来计算误动和拒动的概率比。其保护失效系统运行风险定义为
式中:Rs为保护失效电网风险;Kw、Kj为保护误动与拒动的比例系数;Iws为保护误动后用户损失;Ijs为保护拒动后用户损失;Iu为被保护设备在保护正确动作下设备退出后的用户损失,Iu=Iws。则保护综合风险为
式中:R(i)为保护系统i的综合风险;Rf(i)为保护系统i失效自身风险;Rs(i)为保护i电网运行风险。
继电保护系统失效综合风险评估具体计算步骤如下。
步骤1根据保护系统的状态监测信息利用故障树法评估继电保护系统的失效率pE;根据保护动作历史数据确定保护误动、拒动的比例系数Kw、Kj。
步骤2根据保护的失效概率与历史维修数据确定在状态检修周期内失效后的检修费用Ef,利用式(10)计算保护系统失效后的自身风险值Rf。
步骤3保护系统失效拒动与误动电网运行风险评估流程如图3所示。
步骤4根据上述计算结果,按照式(13)计算得到保护失效综合风险R。
检修体制一般将检修过程分为检修决策层、检修计划层和检修具体实施层。保护检修决策层的内容包括对保护是否进行检修、保护检修顺序和检修内容进行决策。本文将对保护是否检修与其检修顺序进行讨论。
图3 电网运行风险评估流程Flg.3Flow chart of risk assessment process of power grid operation
在考虑效率与实施难度基础上,电力企业目前将检修分为大修和小修。按失效概率大小可以通过设置两个检修阈值,分别为pmin和pmax。当继电保护系统的失效率pE>pmax时,保护系统中存在比较严重的问题,需对保护系统进行全面维修,称为大修;当pmin 降低设备故障概率是检修的预期目标[15]。通过保护的检修,不但降低保护失效自身风险,还大大降低保护失效系统风险,从而提高经济效益。在检修期内,检修安排会受到检修资源如人力资源等限制;使处于系统关键位置的保护通过检修先投入运行可保证重要用户用电,提高电网的供电可靠性。这样不仅在最大程度上保证了电网的可靠性运行,还为检修带来较大的经济效益。因此,保护系统失效时综合风险大的应该先检修,综合风险小的应该后维修,即分别对小修与大修保护进行排序。 继电保护的状态检修实施流程如下。 (1)对待检修电力网络所有继电保护系统进行统计。收集系统内保护系统各元件的在线监测记录信息、保护自检信息、故障缺陷记录信息、系统日常维护信息及运行检修记录信息等。 (2)依据统计信息,再根据相关状态评价导则和专家分析系统对元件分析,得到其健康指数,利用式(2)计算所有元件的故障概率。 (3)根据保护故障树和马尔科夫空间模型,计算得到保护系统的失效率。 (4)根据检修历史经验数据得到2个检修阈值,确定保护系统是否大修、小修或者不修。 (5)依据步骤(4)确定的检修方式,确定保护检修费用,并对待检修保护进行误动和拒动分析,进行潮流计算,计算保护失效综合风险。 (6)依据计算的保护综合风险决定保护的检修顺序。 (7)综合给类分析结果,结合检修资源安排,制定检修计划,实施检修。 具体的状态检修决策流程如图4所示。 图4 状态检修决策流程Flg.4Decision process of state overhaul 图5 IEEE14节点系统Flg.5IEEE14 bus system 以IEEE14节点系统为例,其网络结构如图5所示。保护系统参数数据见文献[16-19],确定参数c=0.9,μ1=μ3=0.25,μ2=0.000 685,λ0=0.000 12,θ=0.126,K=0.008 3,C=0.045 0。 由于保护中的一些元件状态评估还不完善,根据第1节中介绍的可靠性评估方法,本文对其做预设处理,得到所有保护系统的失效概率。 假设保护故障发生负荷孤立的系统恢复时间为20 h,没有发生负荷孤立的为10 h,Kw=0.6,Kj= 0.4,K1=0.1万元/(MW·h),K2=0.4万元/(MW· h)。预设由历史维修数据得到的检修阈值pmin为0.02,pmax为0.06。利用失效概率与风险评估计算方法得到的保护检修决策结果如表1所示。 表1 保护检修决策结果Tab.1Decision results of protection maintenance 由图5可知由节点1、2、3、4、5组成的区域为主要功率输出区,其区域为负荷区。由节点5、6、4、7、9组成的母线与支路在系统中为关键输电元件,而线路2-3与线路2-4承担的输送功率较重且拒动后会导致有功出力发电机被切除,对网络造成很大影响,这与风险评估结果基本一致,其相应的失效综合风险都较大。而对线路6-12与线路13-14等供电线路,输送功率少且为负荷双端供电,退出运行对系统影响较小,失效风险小,安排为后检修,评估结果反映了保护对系统的影响程度。 本文基于设备状态检测结果来评估保护系统的可靠性,对保护状态检修提出了计及保护失效自身风险及系统运行风险的综合风险决策,为调度人员合理安排检修计划提供了决策依据。 [1]高翔.继电保护状态检修应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008. [2]吴杰余,张哲,尹项根,等(Wu Jieyu,Zhang Zhe,Yin Xianggen,et al).电气二次设备状态检修研究(Study on condition-based maintenance of electrical secondary equipment)[J].继电器(Relay),2002,30(2):22-24. [3]高翔,刘韶俊(Gao Xiang,Liu Shaojun).继电保护状态检修及实施探讨(Condition maintenance and implementation of relay protection)[J].继电器(Relay),2005,33(20):23-27. [4]孙福寿,汪雄海(Sun Fushou,Wang Xionghai).一种分析继电保护系统可靠性的算法(A new method for reliability analysis of protection in power systems)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),2006,30(16):32-35,76. [5]Ferreira L R C,Crossley P A,Goody J,et al.Reliability evaluation of substation control system[J].IEE Proceedings-Generation,Transmission and Distribution,1999,146(6):626-632. [6]陈维荣,宋永华,孙锦鑫(Chen Weirong,Song Yonghua,Sun Jinxin).电力系统设备状态监测的概念及现状(Concept and present situation of condition monitoring of power system equipment)[J].电网技术(Power System Technology),2000,24(11):12-17. [7]Kumm J J,Webber M S,Hou D,et al.Predicting the optimum routine test interval for protective relays[J].IEEE Trans on Power Delivery,1995,10(2):659-665. [8]李永丽,李致中,杨维(Li Yongli,Li Zhizhong,Yang Wei).继电保护装置可靠性及其最佳检修周期的研究(Study of reliability and optimal routine test interval of protective relays)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE),2001,21(6):63-65,71. [9]张沛(Zhang Pei).基于概率的可靠性评估方法(Probability-based reliability assessment methods)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),2005,29(4):92-96. [10]周家启,赵霞(Zhou Jiaqi,Zhao Xia).电力系统风险评估方法和应用实例研究(Models and methods applied to risk assessment of power systems)[J].中国电力(Electric Power),2006,39(8):77-81. [11]陈为化,汪全元,曹一家(Chen Weihua,Wang Quanyuan,Cao Yijia).考虑继电保护隐性故障的电力系统连锁故障风险评估(Risk assessment of power system cascading failure considering hidden failures of protective relayings)[J].电网技术(Power System Technology),2006,30(13):14-19,25. [12]宋人杰,王晓东(Song Renjie,Wang Xiaodong).输变电设备状态检修评估分析系统的研究(Research on assessment analysis system of condition-based maintenance for power transmission and transformation equipment)[J].继电器(Relay),2008,36(9):54-57,63. [13]Walker J.Condition based risk management[J].Power En-gineer,2003,17(1):34-35. [14]潘乐真,鲁国起,张焰,等(Pan Lezhen,Lu Guoqi,Zhang Yan,et al).基于风险综合评判的设备状态检修决策优化(Decision-making optimization of equipment condition-based maintenance according to risk comprehensive evaluation)[J].电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems),2010,34(11):28-32,66. [15]余杰,周浩,黄春光(Yu Jie,Zhou Hao,Huang Chunguang).以可靠性为中心的检修策略(Maintenance strategies based on RCM)[J].高电压技术(High Voltage Engineering),2005,31(6):27-28,58. [16]孙鑫(Sun Xin).继电保护隐藏故障监测及风险分析方法研究(Research on the Detection Hidden Failures in Relay Protection and Risk Analysis)[D].重庆:重庆大学电气工程学院(Chongqing:College of Electrical Engineering,Chongqing University),2005. [17]崔奇明(Cui Qiming).基于ESTA的电力设备状态评估专家系统(Electrical power equipment condition assessment expert system based on ESTA)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2008,20(5):124-128. [18]郭基伟,柳纲,唐国庆,等(Guo Jiwei,Liu Gang,Tang Guoqing,et al).电力设备检修策略的马尔科夫决策(Markov decision process on electrical equipments maintenance optimization)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2004,16(4):6-10. [19]原云周(Yuan Yunzhou).继电保护系统的可靠性分析及在电网中的应用(The reliability analysis of protective relaying system and it’s application in power networks)[D].天津:天津大学电气与自动化工程学院(Tianjin:School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University),2008. Relay Protection Reliability and Its State Overhaul Method WANG Xian-lin,LÜ Fei-peng The state overhaul is the trend of equipment repair mode,and the assessment of reliability is the foundation of the state overhaul.Firstly,the fault tree is used to establish the state overhaul of protection system reliability model. Then,comparing protection operation is considered merely in view of traditional risk and the current protection overhaul,a comprehensive cost risk calculation method which considers the protection failure risk and protect failure system operation risk is presented.Finally,on the basis of reliability assessment and risk,protection maintenance decision method is also formulated.The results of protection reliability assessment are used for determining whether protection need to be overhauled and the results of protection comprehensive risk assessment are used for deciding the repair sequence.The method has guiding significance for various protection maintenance strategy formulations. state overhaul;relay protection system;fault tree;reliability evaluation;risk of protection system failure TM77 A 1003-8930(2014)09-0065-06 王献林(1988—),男,硕士研究生,研究方向为电力系统继电保护。Email:402449237@qq.com 2012-09-21; 2012-10-30 吕飞鹏(1968—),男,博士,教授,研究方向为电力系统继电保护和故障信息处理智能系统。Email:fp.lu@tom.com4 算例分析
5 结语
(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 610065,China)