继电保护系统可靠性分析研究

姚翰林

摘 要：在电力系统中，通过继电保护装置对出现故障的设备进行迅速隔离有着重要意义。因此对继电保护系统的可靠性分析方法进行总结与评价，是继电保护必须探索的问题。

关键词：电力系统；继电保护；可靠性分析

中图分类号：TM77 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）36-0195-02

1 继电保护系统可靠性概念

电力系统是由发电厂、变电站等多种设备，通过输电线路连接而组成的复杂网络，由于涉及的设备众多，分布范围广泛，大部分设备裸露在外受到自然灾害的影响，发生故障的可能性很大。在电力系统中，任何一个设备发生故障都会影响到整个网络的正常运行，甚至会造成大面积断点。而继电保护装置的作用就是持续监测电力系统的运行状态，对出现故障的设备进行迅速隔离，以保障系统的正常运行。

一个合格的继电保护系统应具备四条特性：可靠性、选择性、快速性以及灵敏性。可靠性是其他三条特性实现的前提，指继电保护系统在预定工况下及相应时间内成功完成预定功能的能力[1]。可靠性又可分为安全性和信赖性：安全性指继电保护系统仅在电力系统出现故障、需要对设备进行隔离时工作，在系统中不存在故障时不工作。信赖性指电力系统出现故障的情况下，继电保护系统可以主动工作。以上两点是对继电保护装置的最基本要求，任何一点出现问题都会给电力系统带来严重损害，因而在进行继电保护系统的可靠性评价时必须综合考虑安全性和信赖性两点。

2 继电保护可靠性指标

在评价继电保护系统的可靠性时，需要有一些定量可计算的衡量指标，通过这些指标的大小来定义继电保护系统是否可靠。目前常用的可靠性评价指标有以下几类：

2.1 正确工作时间/概率

通过继电保护系统正常无误运行来评价继电保护系统的可靠性显然是可行的，例如继电保护系统的平均无误动作时间；另一方面还可以通过继电保护系统正常运行时间在系统运行时间中的占比来进行评价，即无误动工作概率。

2.2 失误动作时间/概率

评价继电保护系统可靠性的另一个出发点是系统误动作时间或系统误动作概率，通过相反角度来推断系统正常工作的可靠性。此类指标有保护拒动失效率、保护误动失效率等。除了失误率之外相似的还可以用拒动频率指标，即继电保护系统中设备出现拒绝工作指令的频率。此类指标有保护拒动频率、保护误动频率等。

2.3 结合经济效益的评价指标

继电保护系统的工作目标是确保电力系统的正常运行，及时解除电力系统中出现的故障，以避免电力系统出现瘫痪，因此近年有学者从继电保护的实际应用目的出发，从经济效益方面提出了一些可靠性评价指标。如通过评价继电保护不正确的动作对电力系统带来的影响以及对用户端带来的经济损失得到继电保护系统的期望收益损失，从而从经济效益层面更准确的反映可靠性。

3 继电保护系统可靠性分析方法

3.1 概率法

概率法进行系统可靠性分析是最常用、最简单而有效的分析手段之一。通过将继电保护系统的正常与非正常运行状态进行分类，并对系统出现正常或者不正常运行状态的时间或者次数进行统计，进而以统计的手段对正常或不正常的工作状态进行概率分析，进而确定继电保护系统的可靠性。

具体来说，继电保护的状态可划分为两类：一是投运状态，即需要继电保护系统运行或随时待机的待命状态；二是停运状态，即保护退出状态。继电保护的停运状态又可细分为五种原因造成的停运：计划检修、随机停运、误动停运、拒动停运以及无选择动停运。除计划检修造成停运外，其余四种停运均为外界因素强迫造成的停运。

假设继电保护系统处于两种运行状态的概率分别为P1和P2，其中处于五种不同原因造成的停运状态概率分别记为P■■、P■■、P■■、P■■以及P■■。在某一特定时间段内（一般取为一年）对继电保护系统的运行状态进行统计分析，求出以上提到的七个概率值，进而可以计算出相应的可靠性评价指标。

3.2 故障树分析法

故障树分析法是常用的系统可靠性评价手段之一。采取故障树分析法对继电系统的可靠性进行分析时，首先需要建立继电系统的工作模型，然后以模型作为基础进行分析。

以继电保护系统硬件模型的建立为例，继电保护系统的硬件可以划分为继电保护装置、保护二次回路、电压电流互感器以及其他辅助装置及接口等四大类[2]。其中继电保护装置是继电保护系统的核心，通过命令控制保护系统的运作；二次回路主要包括控制继电保护装置的回路；互感器的作用是将外界电压转换为系统工作电压；其他辅助装置及接口包括一些切换控制装置，系统与外界信息交换的通信接口等。

在采用故障树分析法时，需要根据各模块失效率的高低以及对继电保护装置正常运行的作用，分配给各模块以制定的概率重要度系数，如表1所示。

表1 各模块概率重要度

根据相关资料计算出各个模块中电子元件的失效率，进而求出各个模块的整体失效率，最终可以确定整个硬件系统的失效率，记为？姿。由于继电保护装置的工作过程是马尔科夫过程，即其条件概率仅仅与系统的当前状态相关，而与它的过去历史或未来状态，都是独立、不相关的，因此其可靠性指标可采用状态空间法综合求解，求解过程与概率法的分析过程相似，此处不再赘述。

3.3 成功流法

成功流法作为一种系统可靠性分析手段，近些年开始被应用于继电保护系统的分析中。其核心思想是通过用逻辑符号表示具体模块的操作来建立GO运算，通过给定各元件的可靠性参数推断出整个系统的成功概率。

成功流法进行系统可靠性分析的距离流程可以具体分为以下几个步骤[3]：（1）建立模型：对继电保护系统中的各个模块进行划分，过程与故障树分析法中提到的硬件模型建立基本相同，但此时建立的模型是动态模型；（2）确定系统的输入以及输出数据，界定继电保护系统与外界系统的接口；（3）建立成功准则：指确定继电保护系统正常运行所需的最小输出信号集合；（4）将（1）中确定的系统模型图，根据成功流方法的原则转化为GO图，将系统图元件转化为操作符；（5）输入原始数据，进行运算；（6）输出结果，评价系统。

4 结束语

以上三种方法是目前比较常用的三种继电保护系统的可靠性评价方法，这三种方法各有优缺点。其中概率法，可帮助确定继电系统的根源故障，识别系统的薄弱环节；可以综合分析各类事件的影响和发生的可能性从而对影响系统运行的各类因素进行全面的考量。故障树分析法，由于故障树的形式与实际系统存在差别，因此通常需要先求出最小割集，然后计算系统项事件的概率，所以故障树分析法缺乏对动态变化系统分析的功能。GO法，在采用GO法对系统可靠性进行分析时，GO图中的操作符与继电保护系统中的部件几乎同一对应，因此可以表示系统的多个状态，包括不同时间点的多个状态（时序系统）以及同一时间点的多个状态（多状态系统），可更精确地描述复杂条件下继电保护系统的实际运行情况。

随着继电保护技术的发展，系统结构有了很大变化，对模型的适用性也有了新的要求。比如在全数字化保护系统中，通过非常规互感器的数字信号传输实现智能保护，传统的可靠性评价指标与系统模型并不适用。然而只要建立合适的系统模型，可靠性评价的基本方法（概率法、故障树分析法以及成功流法）仍然有效。

參考文献：

[1]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]肖飞，吕飞鹏，张向亮，等.继电保护系统可靠性的区间分析方法[J].电力系统及其自动化学报，2012，24（6）：152-156.

[3]王尚成.基于故障树分析法的继电保护系统可靠性分析[J].电子世界，2014（23）：64-64.

[4]张帆.电力系统继电保护可靠性评估及分析[J].科技创新与应用，2016（35）：182-183.