智能变电站继电保护系统可靠性探讨

付晓曦

（国网福建省电力有限公司检修分公司 福建福州 350003）

智能变电站继电保护系统可靠性探讨

付晓曦

（国网福建省电力有限公司检修分公司 福建福州 350003）

随着智能变电站技术的应用推广，大大提高了电力系统的整体运行水平，供电质量及安全稳定性都有了很好的改善。继电保护系统作为保障变电站运行安全的重要基础，其可靠性直接关系着变电站的运行安全及供电质量。通过对保护系统的可靠性进行探讨，将有助于我们进一步提高变电站运行质量及安全。

智能变电站；继电保护；可靠性；IEC61850

前言

随着智能技术、自动化技术及计算机技术的飞速发展，变电站智能化运行已成为现实。在保障变电站运行安全及稳定的过程中，继电保护系统功不可没，与传统的变电站相比，智能变电站在继电保护系统方面呈现出巨大的差异。鉴于继电保护系统对于整个变电站运行的重要性，对其稳定性进行分析探讨，将有助于进一步的提高保护系统的设计水平。在下面文章里，我们将通过对智能变电站继电保护系统的结构进行简单的认识，并对可靠性的分析和技术方法进行探讨。

1 智能变电站继电保护系统的组成

目前智能变电站自动化系统主要是基于IEC61850协议进行设计，其结构体系分为“站控层+间隔层+过程层”，图1为智能变电站与传统变电站继电保护系统的结构示意图。[1]

图1 智能变电站继电保护系统与传统保护的区别

通过对图1的分析，我们可以清晰的发现两者在设备、链路方面都存在很大差异。智能变电站中更多的应用到新兴设备，继电保护系统主要是由电子式互感器、合并单元、交换机、网络接口、保护装置、智能终端及同步时钟源等元件构成。下面对主要元件的功能进行简单了解：

1.1 电子式互感器

电子式互感器有效的克服了传统电磁互感器的缺点，在运行过程中无磁饱和现象，提高了测量的准确性和保护正确动作率；同时其绝缘性能好，体积小，便于设备的集成。

1.2 合并单元

在保护系统中合并单元的作用是对互感器采集的信息进行整合，并加入统一的时间标签，以特定的格式发送至保护装置。是过程层采样值传输技术的实现根本。

1.3 交换机

在系统中应用交换机是智能变电站独有的，这是变电站保护系统信息流中重要的一个环节。以它为核心的以太网代替了传统电缆接线为主的信息传输通道，交换机相当于智能变电站的中枢神经。

1.4 智能终端

智能终端是保护系统在一次侧的智能组件，其作用主要是：①接收保护装置发送的分合闸命令并执行操作；②将断路器实时信息上传至测控装置或站控层，使工程师站可实时了解相关断路器的运行状况。

1.5 同步时钟

在基于IEC61850协议的智能变电站中，同步时钟非常重要，这是由于变电站系统的信息是依靠网络通信方式进行传播，而数据的准确、可靠、有效必须以统一的时序和时钟为基准，这样才能避免误动作的发生，所采集的数据才能成为分析、控制的可靠依据。[2]

2 可靠性的分析原理

在这里我们所探讨的可靠性，是针对智能变电站中继电保护系统的完整性的最佳数量的度量，是指保护系统在规定的环境、时间、条件下能够无故障的完成其规定功能的概率。为了便于分析，根据故障后系统是否可恢复将系统划分为可靠修复系统和不可修复系统。其中不可修复系统在失效后就无法再工作，其可靠性指标主要是可靠度及平均失效时间（MTTF）；而可修复系统由于在故障后存在修复的可能，其可靠度的评价就非常复杂，指标也就相对较多，具体有可靠度、平均失效时间、可用度、平均故障次数等。智能变电站继电保护系统属于可修复系统。在一般的分析研究过程中，主要是针对可靠度、平均失效时间、可用度这三个指标衡量继电保护系统的可靠性。[3]

3 可靠性的分析方法和计算方法

在对变电站继电保护系统可靠性进行分析时，首先需要建立一个可靠性模型。经过多次验证，在建立模型时使用可靠性框图法不但能保证模型中系统各个元件间逻辑关系的清晰，而且运算极为简便。

3.1 实例分析

下面我们以某个智能变电站为实例，根据其继电保护配置情况，对可靠性这一问题进行探讨分析。在这一220kV变电站中，继电保护系统主要是由线路保护、变压器保护、母线保护、母联保护组成。为了提高保护可靠性，满足保护系统“一备一用”的设计要求，由两套彼此独立的保护系统来实现对变电站运行的继电保护，同时还采用了双网并行冗余协议来保证SV采样信号和GOOSE保护跳闸信号在通信网络中无损传输。

3.2 建立模型

可靠性框图法适用于由相互独立且可修复单元组成的系统。体现了所完成特定系统功能的所有单元之间的逻辑连接，其逻辑过程开始于框图左侧的输入节点，结束于框图右侧的输出节点。可靠性框图与实物连接图的含义不同，可靠性框图是以元件失效影响的分析为基础。若己知了系统的可靠性框图和每个元件的可靠性参数，利用恰当的运算方法，就能得出整个系统的可靠度、MTTF、可用度等可靠性指标。研究继电保护系统可靠性的目标是在已知元件故障数据和系统结构的前提下，对系统的可靠性进行合理预测。

在建立逻辑框图时，为了便于区分系统各个元件，我们以字母缩写来表示相应的元件（如表1～2）。[4]

表1 编号说明

3.3 可靠性计算

主变保护与智能终端、合并单元均采用组网方式链接，保护跨接GOOSE双网，GOOSE网采集数据，SV网络传输采样值，根据组网方案，主变保护可靠性框图如图2所示。

表2 元件可靠性参数

图2主变保护可靠性框图

图2 中的方框代表元件工作，将元件从框图中移出就代表元件失效。如果框图中方块被移去太多，导致输入节点和输出节点之间的连接出现断开，则表明系统已失效。

表3 可靠性框图标号解释

根据是主变保护框图，并应用最小路集法和不交化算法，并带入各元件正常工作概率，我们得出主变保护的可靠性函数R主变（t）：

将各元件故障率带入公式，并假设t为50，得到可靠度与时间的关系图3。

图3 主变可靠度与时间的关系

结合公式、并带入各元件故障率，最后得到主变保护的TMTTF：

主变可用度函数A主变：

代入各元件可用度参数，最终得到可用度A及不可用度（1-A）

3.4 分析结论

上面我们根据实际案例中的组网方案及保护配置情况，建立了主变保护可靠性框图，并对可靠度、TMTTF及可用度A进行了计算。根据这一方法，我们能够依次得到线路保护、母线保护的可靠度（如图4所示）、TMTTF和可用度A（如表4所示）。

图4 变电站继电保护可靠性与时间关系

表4 保护可靠度参数

通过对计算所得的可靠度参数进行分析，我们可以发现220kV线路保护的可靠度最高，母线保护的可靠度最低。影响系统可靠性的除了所使用设备的正常工作概率外，还与保护组网方案、元件数量、系统复杂程度有关。不同的变电站运行情况，应根据需求选择不同的组网方案。[5]

4 结束语

通过对智能变电站继电保护系统可靠性的分析研究，可以使我们更准确的了解保护系统中的薄弱环节，为我们进一步提高系统的可靠性提供了科学的依据。在上面文章里，我们主要是对可靠性分析的理论及方法进行了探讨，在实际的设计研究过程中，需要经过大量的计算、比较、分析，才能更好的实现对系统可靠性的把握，随着设备、理论技术的发展，继电保护的可靠性必将更加优秀。

[1]王同文，谢民，孙月琴，沈鹏.智能变电站继电保护系统可靠性分析[J].电力系统保护与控制，2015（06）：59.

[2]丁修玲.基于信息流的智能变电站继电保护可靠性分析模型与评估研究[C].华南理工大学，2014：26～33.

[3]景 琦.智能变电站继电保护可靠性评估[C].华北电力大学，2015：10～20.

[4]何旭.智能变电站继电保护可靠性的评估方法研究[C].上海交通大学，2015：6～13.

[5]谷 磊.智能变电站继电保护可靠性研究[C].广东工业大学，2014：20～30.

TM76

A

1004-7344（2016）10-0042-02

2016-3-20

付晓曦（1989-），女，助理工程师，本科，主要从事继电保护工作。