智能变电站继电保护系统可靠性分析

国网四川省电力公司天府新区供电公司 王士明

1 引言

智能变电站的规划与建设是我国能源改革与创新的重要发展方向，指的是借助以太网络完成信息传输，在智能化设备的支持下实现信号自动采集、保护跳闸、实时监控等动作。在不断地技术发展中，许多新型电子式互感器以及智能终端开始在智能变电站中得到应用，这虽然促进了变电站信息共享以及智能化的发展，但是复杂的内部结构也降低了继电保护系统的可靠性，如何更快速、高效地对继电保护系统的可靠性进行分析势在必行。

2 智能变电站继保系统结构

与传统变电站继保系统结构相比，由于电子式互感器、智能终端等元件、设备的引入，使得继保系统的结构愈加复杂，尤其是过程层设备的增多，加大了对继电保护可靠性的影响。智能变电站的继保系统结构如图1所示。

图1 智能变电站的继保系统结构

3 智能变电站系统可靠性分析

3.1 智能变电站继保系统中影响可靠性的元件

3.1.1 电子式互感器

在智能变电站继保系统中，电子式互感器并没有十分明确的界定，概念范围较宽泛，除了部分常规的互感器外，还包括了一系列半常规及非常规的互感器。在实际应用中，大部分智能变电站继保系统采用的均是基于光电转换和电磁感应原理的互感器。其中，有源式电子互感器需对高压传感部分进行电源供电，反之则是无源式电子互感器。相比于一般的互感器，电子式互感器的优势主要体现在以下几点。

一是与普通的互感器相比，因为铁芯的缺乏，使得电子式互感器并不会出现诸如磁饱、铁磁谐振等问题。

二是在测量准度、反应速度方面，电子式互感器均存在优势。

三是在结构方面，电子式互感器因为设计相对简单，因此成本较低，加之绝缘性较强，故有助于普遍装设。

四是由于ECT 高低压间采用的是光纤连接方式，因此能对电磁干扰现象形成有效防护。

五是由于电子式互感器避免了运用放置油的方式进行绝缘，且采用的是光纤，因此在安全性能方面得到了显著提高，并不会发生爆炸等安全事故。

经分析论证，当前重点需要分析和研究的节约用水立法问题主要是节水“三同时”制度和计划用水管理。对节水立法的重点问题应分析存在的原因，给出改进的对策，在节水法不能很快出台的情况下，可以考虑分批分层次对节水立法中面对的这些重点问题制定节水管理单项制度，一步步完善节水立法。

六是在连接方式上，由于能同时连接多个智能设备，使得电子式互感器在一体化程度方面表现更好，方便数字量的传输。

3.1.2 合并单元

在继电保护系统中，合并单元的功能作用主要是形成与电子式互感器之间的配合。在过去传统的继电保护装置中，采样功能的实现主要是借助电缆完成与互感器的直接接入；而在智能变电站继电保护系统中，由于合并单元的存在使得采样方式出现了很大的变化，即借助通信接口完成对采样值数字量的接收，大大简化了继电保护装置的采样程序，转变为简单、高效的通信传输。除此之外，由于合并单元的加入，在降低造价的基础上实现了数字信息的共享。智能变电站信息采集过程如图2所示。

图2 智能变电站信息采集过程

3.1.3 交换机

相比于传统变电站，虽然由于合并单元的加入，使得智能变电站信息采集过程出现了变化，但是也间接使得交换机相比原来需要承担起更多的功能，即除了基础的通信功能外，还需要以交换机为核心搭建专门的网络，以实现对过去电缆的替代，组成一、二次设备的核心部分，使得交换机在智能变电站中的重要性得到了充分提升，也给其功能的可靠性提出了更高、更严格的要求。

从交换机在智能变电站中的功能作用来看，主要体现在连接各个智能单元以及各元件之间的网络信息通道作用，实现了带宽的合理分配以及对数字信号传输的高效控制。而想要确保交换机功能正常且稳定地发挥，就需要严格遵守《智能变电站技术导则》，并满足相应要求。

一是需优先传输级别更高的用户；二是需完成对流量的监测与控制；三是需确保交换机的冗余性；四是需具备自动修复与自动故障诊断的能力；五是需利用网络保证对时系统的准确性。除此之外，在实际应用中，交换机的工作环境也需得到严格控制，尽可能避免温湿度、绝缘性能以及电源等因素所造成的负面影响。

3.1.4 智能终端

在继电保护系统中，实现断路器智能化的路径主要有两条，一是在智能组件安装中，将其完全内置在断路器里，从而形成智能化的控制；二是在传统断路器的基础上，加入智能终端并进行连接，这样便能实现整个一次设备的智能化。相较而言，无论是经济性还是智能化改造的简便程度，第二种方式均占据优势，因此在大部分的智能变电站中，使用的均为这种改造方式。

过去传统的跳合闸的模式主要通过将继电器与断路器经过电缆进行接通，从而实现对断路器动作的控制；而在智能变电站中，其跳合闸模式则是避免了对电缆的使用，主要借助光纤网络完成对智能终端的接入。因此在智能变电站中，智能终端除了需要接收由保护单元传输的跳合闸命令外，还需要对断路器的正确动作进行控制，并实时向站控层传输信息。

3.1.5 同步时钟源

对于智能变电站中继电保护系统来说，如何实现对时间的精确计量是影响其稳定性的重要因素之一，如果未能保证这一点很容易造成故障的发生，尤其会对向量测量装置造成较大影响。就目前来看，当前我国智能变电站普遍将GPS 以及北斗时钟作为基准源，通过接收机的设置，经由主时钟完成对其他设备装置的时钟同步信号传输，以此保证变电站内所有设备装置均在同一时间标准内[2]。

3.2 可靠性分析方法

建立分析模型是完成可靠性分析的前提与基础，当下的建模研究方法大致包括模拟法与分析法两类，本文所选择可靠性框图分析法应归属于解析法范畴。由于可靠性框图法具备简明的逻辑关系，可以使系统结构更加简洁清楚，便于工作人员更高效地得到系统和其内部智能元件之间的逻辑关系，故选择了以可靠性框图法为基础的建模方式，以实现对继保系统可靠性的分析。在对可靠性进行计算时，选择了可靠度、平均失效前时间以及误动概率等指标[3]。

3.3 继电保护可靠性评价依据

在对可靠性进行评价时，主要的参考指标为可靠度平均失效时间以及实用性。其中，可靠度指的是在所指定的时间t 以及特定的条件下，执行预先设定功能的概率。

如果将系统或元件寿命通过变量（非负数）来表示，通过预期寿命分布函数，便可以得到继电保护系统在所指定的时间t 内发生故障的概率，其可靠度函数则可表示为：

实用性则是指当系统出现问题时，能够自动修复的能力。平均失效时间指的是系统在稳定的情况下再次发生故障的时间。通过参量即可对智能变电站中继电保护系统的可靠性进行有效判断。

4 提升继电保护系统可靠性的方法研究

4.1 提高交换机冗余度

从交换机的分析来看，对于部分处于特殊位置的交换机，其作用与功能在整个继电保护系统中起着至关重要的作用。这是因为继电保护系统十分依赖交换机物理编码、错误查询等功能，如果一旦发生故障，就会使整个系统处于失灵状态。因此，为有效避免单个交换机故障而导致的整体系统崩溃，就需要采取双重化配置，提升交换机的冗余度。这样一来，当单个交换机处于失灵状态时，双重化配置就能避免整个系统崩溃，从而实现继电保护系统可靠性的提高。

4.2 提升光缆线路的可靠性

相比于传统变电站，智能变电站由于将光缆线路取代了电缆，使得光缆线路的部分特征会对系统稳定性造成影响。由于光缆鲁棒性较弱，一旦遭遇轻微折损就有可能对信息数据传输造成影响[4]。因此在对线路进行铺设的过程中，需确保光缆线路的笔直度，从而通过减小曲度实现对光缆的有效防护。同时，还可以专门将阻燃的树脂槽盒置于光缆支架上，然后再将光缆铺设在内，实现对线路的保护。此外，还需加强对光缆端部的保养，定期做好清洁工作，以此确保光缆的传输能力，实现系统可靠性的提高。

4.3 尽可能采取直采直跳”技术

由于交换机频繁使用难以避免地会产生延时过长的情况，从而导致断路器难以及时工作，危害整个系统。因此在继电保护系统中，需要尽可能地减少交换机使用频率，通过采取“直采直跳”技术实现采样速度、跳闸可靠性的提高。

在Q/GDW441—2010《智能变电站继电保护技术规范》中确立了“直采直跳”技术的优先性，这对于整个继电保护系统的可靠性十分重要，因为这一技术的应用能使交换机避开回路中的网络交流，从而降低交换机的使用频率，具体传输路线如图3所示。“直采直跳”技术如图3所示。

图3 “直采直跳”技术

5 结语

为有效提升智能变电站运行稳定性，实现更高效的继电保护系统可靠性分析，就需要强化对内部电子元件的研究，借助建模分析手段以及可靠性评价依据对系统不断进行调整，并通过提高交换机冗余度、提升光缆线路可靠性、采用“直采直跳”技术为继电保护系统运行提供更有效的保障，从而推动我国变电站智能化的发展。