智能变电站继电保护系统可靠性分析

闵宽

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

智能变电站继电保护系统可靠性分析

闵宽

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

先对智能变电站继电保护系统进行分析，然后构建可靠性模型，并且采用最小路集及不交化算法计算模型。为了能够有效验证可靠性函数正确与否，采用串联法和并联法计算保护可靠性，结果与最小路算法一致。智能变电站线路保护因网络合理，其可靠性得以提高；母线保护因元件众多，且结构复杂，其可靠性受到影响，同时这也为提高母线保护可靠性，提供了重要参考依据。

智能变电站；继电保护；可靠性；不交化算法

1 系统构成

对于智能变电站而言，其主要包括站控层、间隔层和过程层等几个层次，传统变电站则与之不同，主要由站控层和间隔层2部分组成。较之于传统的变电站，智能变电站实现了自动化管理。随着智能技术的快速发展和应用范围的不断扩大，间隔层功能逐渐被应用到过程层。由于组成结构发生了变换，智能变电站继电保护系统不同于传统变电站点对点方式连接的互感器、断路器和保护单元，而是具备更多元件。智能变电站系统采用电子式互感器采集数据信息，经合并单元合并和汇总数据，加入同步时钟对时信号；经过加密，以密文形式（特定形式）经网络传输至保护端。在系统保护控制侧，终端作为一次设备，负责接收测控、保护设备传来的跳合闸命令，经系统判断以后，根据实际情况发出控制指令，以此来实现对断路器的有效控制，并且采集断路器动作信号，将其发送至保护设备和系统之中。

2 可靠性分析法

在分析智能变电站继电保护系统可靠性过程中，应当先建立可靠性模型。在此过程中，建模方法非常多，比如蒙特卡罗法是随机选择一种元件，对失效事件抽样检测，计算出系统的失效可能性，再对计算系统的可靠性进行统计，该方法在一些元件结构相对比较简单的智能变电站中应用效果比较好；再如，马尔柯夫模型，若系统的结构比较复杂，则会使模型变得非常庞杂，求解难度较大。此外，还有故障树法，采用该种方法时，对分析人员有较高的要求，而且不能对各分析结果横向比照，无法有效形成统一意见。同时，还可以采用可靠性框图法对智能变电站继电保护系统的可靠性进行分析，这是一种可对复杂系统建模和可进行可靠性分析的有力工具和手段。对于目前的智能变电站而言，其过程层采用了SV及GOOSE类型的报文分网传输结构，对其采用可靠性框图法进行分析，并对系统运行可靠性进行评价。

3 可靠性计算

主变保护组网如图1所示，现代智能变电站继电保护系统由主变、线路及母线和母联保护等构成，类似于常规的保护系统。该系统采用的是双重配置方式，2套保护系统独立运行，彼此互不干扰。与此同时，还采用了双网并行冗余协议（即PRP），有利于SV采样信号与GOOSE保护跳闸信号，在过程层无损传输。双重配置模式，使得智能变电站继电保护在装置与结构上均满足了“一备一用”的保护要求，大大提高了系统运行的安全性和可靠性。系统中的主变保护、合并单元以及智能终端，均采用组网模式进行连接，实现了对跨接GOOSE双网的保护，基于GOOSE采集开关量和传输跳闸信息与命令；基于协议，比如IEC61850-9-2协议，通过SV对采样值信息进行传输。实践中，为了能够有效发挥智能变电站系统应用过程中的“智能”功能，变电站系统中的主变压器保护设备采用保护、测控2种CPU，完成预期功能。在测控采样过程中，可起到保护启动判别的作用，用于辅助判据，有利于系统可靠性的提高。

图1 主变保护组网示意图

根据图1和主变保护可靠性框图，本文采用最小路集法及最小割集不交化法进行计算，然后代入元件运行过程中的正常概率，可得出以下主变保护系统可靠函数公式：

式（1）中：Pit，Pem，Psw，Ppr，Pmu分别为智能变电站终端正常运行过程中的概率、网络介质概率、交换机正常功率、继电保护设备正常概率和合并单元概率。

代入元件的运行故障发生的概率，t＝50年。主变可用度的计算结果为A主变＝0.999 999 991，主变保护系统的不可用度为了能够对最小路集法应用所得的可靠性函数正确性进行验证，建议对各保护可靠性框图作串并联简化，然后将其转化成公式计算。采用MATLAB仿真模型，绘制主变、线路及母线保护的安全可靠度曲线图。较之于110 kV变电站线路保护安全性、可靠性而言，220 kV变电站线路保护虽然有较多的组成单元，而且其组成结构相对比较复杂，但因后者的V网络为并行冗余结构，同时采用4台SV交换机，由此可见，220 kV变电站线路保护效果更好。从实践中可以看到，主变保护、220 kV线路保护配置一致，但由于主变保护需对35 kV及110 kV、220 kV断路器操作箱进行连接，而且单元数目相对较多，所以影响了主变保护的可靠性。对于母线保护而言，其需要连接很多个间隔，而且合并单元及智能终端的数量也比较多，尤其是光纤连接单元成倍增加，加之结构庞杂，致使其可靠性不如其他3种类型。

4 增强系统可靠性的有效措施

基于以上分析，本文研究的智能变电站母线保护安全性、可靠性相对较低，而且母线保护作为系统的主要组成部分，可靠性较低必然会影响变电站系统的运行效率。为了能够有效提高变电站继电保护的可靠性，建议增强继电保护系统的冗余性，有效利用以太网络冗余性优势，对于智能变电站网络拓扑，建议选择星型、总线型和环型等，进一步提高冗余度，这样才能有效提高变电站系统的可靠性。

［1］林捷.关于智能变电站继电保护系统的一些优化策略研究［J］.通讯世界，2017（11）.

［2］王明亮.智能电网的继电保护系统研究［J］.电子技术与软件工程，2016（03）.

〔编辑：刘晓芳〕

TM63；TM77

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.069

2095-6835（2017）24-0069-02