基于模型分析的继电保护系统可靠性技术研究

2022-09-11

安全性与可靠性在我国电网中具有越来越重要的地位, 必须加强电网对事故的承受能力及提高继电保护和安全自动装置动作的可靠性来提高电网的可靠性。在电力系统二次系统可靠性的研究中, 继电保护的可靠性显得尤其重要, 它不仅与电力系统的运行可靠性密切相关, 其不正确动作更会使电力系统的故障扩大, 甚至可能发生不良连锁反应而造成电力系统崩溃, 导致大面积停电, 造成重大经济损失。

本论文将主要针对继电保护系统的可靠性展开探讨, 以期对研究及提高电力二次系统中继电保护的可靠性提供借鉴。

1 继电保护系统可靠性计算模型分析

1.1 传统的可靠性分析模型

研究构成继电保护系统的保护元件的可靠性, 继电保护的保护元件属于可修复元件, 所以需要研究普通可修复元件的可靠性。

继电保护系统可靠性, 其实是由继电保护系统的工作状态决定的, 工作状态的时间和修理状态的时间的分布, 决定了继电保护系统的可靠性的高低;但是需要说明的是, 工作状态的时间和修理状态的时间的分布并不是明朗化的, 要想通过数学的方法求出工作状态的时间和修理状态的时间的分布函数是不现实的。

1.2 基于保护元件动作可靠性的继电保护可靠性分析模型

实际上, 在继电保护系统中, 系统的可靠性是通过每一个继电保护元件的保护动作来实现的, 元件可靠性高, 则系统的整体可靠性高, 但是如果保护元件低, 误动作频繁, 那么继电保护系统整体可靠性必然较低。因此, 本论文提出基于保护元件动作可靠性的继电保护模型。由于单个保护元件检测到的相关状态参数并不能直接反映目标的真实物理状态, 据其做出的判断容易产生误报 (False alarm) , 如果将多个保护元件重复检测同一物理状态参数, 将所有保护元件所检测到的全部信息, 可以利用融合技术, 对多个保护元件提供的局部不完整观测量进行数据融合, 实现将保护元件的可靠性纳入决策融合的范围之内, 从而清除多保护元件之间可能存在的冗余和矛盾, 进而提高继电保护系统的整体可靠性。

令H1表示保护元件存在故障, H0表示保护元件无故障, N个本地保护元件分别收到k个未经处理的原始数据向量Xi后,

分别在本地作出一个b位 (b≤k) 的决策向量Ui=[ui, 1, ui, 2...ui, b], i=1, 2...N, ui, j∈{0, 1}。

各个本地保护元件的侦测正确的概率为pd=p[xi, j=1|H1], 1≤i≤N, 1≤j≤k;1≤j误≤k报。概率为pf=p[xi, j=1|H0], 1≤i≤N,

误报概率为。

本地决策向量集传输到融合中心, 由于保护元件都不是绝对理想的, 存在一定程度的噪声, 因此决策中心接收到的向量集为。

其中Ri=[ri, 1, ri, 2...ri, b], ri, j=ρgi, j ui, j+ni, j,

上式中, ρ为保护元件信号的平均信噪比, gi, j为服从标准正态分布的独立高斯变量, gi, j~N (0, 1) , 附加噪声ni, j也服从正态分布, ni, j~N (0, 1) 。

融合中心的全局一位决策0u是基于向量集[R1, R2...…RN]的, 中心的侦测及误报概率分别为。

为衡量决策规则的性能, 必须计算侦测与误报概率, 从而为基于保护元件可靠性的多传感数据融合提供支撑。

为方便计算, 将决策向量集[R1, R 2...RN表示为向量Rk={r1, 1, r1, 2...r2, 1, r2, 2...ri, j...rN, b}, 有2Nb-1种不同组合用kR表示, 以N=2, b=2为例, R3=[0, 0, 1, 1]。根据概率理论有:

由于p (.|R=Rk, H1) 与H1相互独立, 故有:

同理, 决策中心的误报概率为:

从上面的分析模型可以发现, 在继电保护元件可靠性的基础上分析继电保护系统的整体可靠性, 将保护元件自身的由于故障率而导致的误动作率纳入了模型计算中, 大大提高了继电保护系统整体可靠性的分析与计算的可信性, 从而能够为进一步提高继电保护系统的可靠性提供可供借鉴指导的策略。

2 提高继电保护系统可靠性的建议

2.1 软件措施

(1) 软件程序应当结构和模块化。多数软件客户会规定对程序的结构化和模块化的需求, 以确保继电保护软件的可靠性和可维护性。运用这些经过考验的方法可大大减少继电保护软件开发费用和寿命周期费用。

(2) 容错。继电保护程序应能找到恰当地避开错误状态的方式, 并指示错误来源。例如, 在继电保护程序出格后, CPU可能执行一系列非预期的指令, 如不采取措施, 则在此过程中可能碰到一条指令正好是跳闸指令而使保护误动作。

(3) 冗余。容错能力也可以通过程序冗余来提供。对高度综合的系统而言, 分开编码的程序可安排在多个分开而又互联的控制器上同时运行, 或在同一控制器上以分时方式进行运行。

(4) 软件“看门狗”。微机保护运行中, 由于某种难以预测的原因导致CPU系统工作偏离正常程序设计的轨道, 或进入某个死循环时, 由“看门狗”经一个事先设定的延时将CPU系统硬件 (或软件) 强行复位, 重新拉入正常运行轨道。

2.2 硬件措施

(1) 保护装置在制造和选购过程中要严格进行质量管理, 把好质量关, 提高装置中各元器件的质量。尽量选用故障率低、寿命长的元器件。 (2) 晶体管保护抗干扰能力较差, 易受干扰源的影响, 故在设计、安装和调试时应采取有效措施, 切断干扰的耦合途径。 (3) 晶体管保护装置在设计中应考虑安装在与高压室隔离的房内, 免遭高压大电流、断路故障以及切合闸操作电弧的影响。

3 结语

继电保护系统的重要性是由其在电力系统中所起的作用所决定的。本文初步探讨了电力系统继电保护系统可靠性, 其与一般电力设施可靠性衡量的不同点和特别的注意事项, 并尝试性的给出了基于保护元件可靠性的继电保护系统模型分析与计算方法。电力系统继电保护是一个值得深入探讨的课题, 单就可靠性来说, 遵守怎样的设计原则和设计方法才能使得继电保护系统的可靠性真正实现, 又需要采取什么样的方法来进行日常的监视和测定, 都是需要作进一步分析的。

摘要：针对继电保护系统的可靠性展开了研究, 在分析了影响继电保护系统可靠性的影响因素的基础上, 给出了继电保护系统可靠性的模型, 并对模型进行了可靠性计算分析, 最后给出了若干具体的提高继电保护系统可靠性的措施, 对于进一步提高继电保护系统的可靠性具有一定借鉴意义。

关键词：继电保护,系统可靠性,可靠性模型