數字化變電站二次保護系統可靠性分析

【摘 要】本文在分析了數字化變電站的相關背景的基礎上，對數字化變電站二次保護系統可靠性的特征展開了針對性分析和深入研究。并運用傳統的可靠性分析理論對其進行了建模和分析，從提升硬件系統和二次回路、軟件系統和人機交互操作三個方面制定出了具體的措施，以實現系統運行的可靠性。

【關鍵詞】數字化；二次保護；可靠性

一、引 言

隨著我國在智能化變電站系統方面的迅速發(fā)展，對數字化集成的要求越來越高，適用的范圍也更加廣闊，轉換網絡結構的逐步優(yōu)化的都是為了滿足電力系統運行正?；囊?。因此，只有找出影響二次保護系統可靠性的重點制約指標和規(guī)劃中的薄弱環(huán)節(jié)，并且及時進行反饋和評價，盡最大可能避免保護插件拒動或誤動的風險，提高電力運行的可靠性水平。

所謂電力系統，就是由復雜的電氣電路和各類設備端口對接而成，在運行過程中，其可靠性受到自然及人為因素的影響，就會導致電力系統運行出現失穩(wěn)或過負荷等故障。而二次保護系統就是保證系統運行可靠的第一道防線，直接影響著電力系統運行的安全穩(wěn)定性。正因為如此，對數字化變電站的二次保護系統進行高效的可靠性分析是十分必要的。變壓器、母線、控制屏系統等必須處在二次保護狀態(tài)下，通過數字化的控制設備以及網絡化的分系統信息交換性能，調整元件構成和系統結構。

二、數字化變電站二次保護系統可靠性的特征分析

（一）數字化變電站的主要特征分析

數字化變電站是由智能化一次設備（電子式互感器、隔離開關等）和網絡化二次設備分層（過程層、間隔層、站控層）構建，基于IEC61850通信規(guī)范以實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信。基于自動化、通信網絡等新技術的數字化變電站主要特征如下：

1、數據集成過程實現數字化功能

數字化變電站的最顯著特征是通過數字化電氣測量系統采集電壓V、電流I等電氣量指標，達到隔離一、二次系統的作用，從而為實現常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉變以及信息集成化應用提供了基礎。與此同時，電氣量的動態(tài)測量范圍擴大也提高了測量的精度。A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等作為一次設備實現智能化的組成要件，促使了二次保護系統的進一步數字化集成。

2、保護系統實現功能區(qū)集成分布

變電站自動化系統從功能集中式向分布集成式的優(yōu)化，分布集成式的變電站自動化系統能夠快速提高系統的反應速度，并且通過設備信息的全面梳理實現網絡通信協議的優(yōu)化。同時，在±330kV及以上電壓等級的變電站中，各類保護裝置、匯控裝置、故障錄波及其它自動裝置的智能IO及合并單元通過各類控制屏、PK屏實現了緊湊集成與系統中。功能區(qū)集成分布限制了數字化電氣量測系統的體積與重量，為了能夠在智能開關設備系統中進行集成，必須遵照機電一體化的思路原裝實施功能優(yōu)化組合和分區(qū)。

3、系統模塊的標準化構建

變電站通信網絡與系統國際標準IEC61850制定了電力系統自動化的模塊構建標準，使得變電站自動化系統建立了能夠統一識別的信息模塊和信息交換模型。一是增強了智能設備的兼容操作性。各類接口（包括對象模塊、抽象通信服務）的規(guī)范化識別，使變電站自動化系統在功能上和傳輸上都實現了標準化，完全獨立的通用網絡協議用語實現了智能設備的互操作性。

4、以太網技術實現了信息指令的網絡化傳輸

數字化變電站通常采用數字化、低功率的互感器系統，將電壓和電流輸出功率轉換為數字信號。各設備之間形成的控纜系統進行信息交互，不再出現冗余的I/O數據對接情況，常規(guī)的功能裝置轉變成了邏輯的功能模塊，從而真正實現了數據及資源的共享。首先是間隔層與過程層之間的信息交換，即在局部范圍內過程層中的智能傳感系統和執(zhí)行系統與間隔層的裝置展開高效的信息交換；其次，某一間隔層內部、各個間隔層之間、其與變電站整套啟動的通信也能夠實現高效的信息交換。

（二）二次保護系統的特征分析

數字化和智能化要求使得變電站二次保護系統區(qū)別于其傳統意義——即在結構的組成和信息通信方式上賦予新的功能，以適用更加復雜的背景條件。主要特征包括以下幾個方面：

1、集控原件多樣化

目前，諸如智能終端、合并單元和交換機等普通變電站中不包括的元件用到了智能化變電站的二次保護系統中，一方面使得操作更加的方便快捷，另一方面對繼電保護的可靠性功能產生了深遠的影響。比如電子式互感器，其傳輸原理和功能結構不同于傳統的互感器形式。元件種類多種多樣，各類光學部件也較為繁雜，這些信息子件的狀態(tài)難于掌控，這些都為模塊的建立帶來了更大的挑戰(zhàn)。

2、拓撲結構趨于復雜化。

以太網傳輸模式的出現取代了以往的點對點的傳輸方式，由交換機組成的網絡改變了以往單一的拓撲結構，使之變得更加復雜，因而交換機的接線方式在很大程度上決定了整個繼電保護系統信息通路的可靠性。

3、信息的網絡化傳輸

網絡報文系統的傳統通信方式難免會出現不可靠的情況，不可避免的出現丟包或是網絡風暴等問題，這對二次保護系統的可靠性構成嚴重的威脅。因此，數字化變電站更多的應用了諸如VLAN分區(qū)隔離技術、優(yōu)先級隊列技術、快速生成樹協議、IGMPS過濾技術等，從而保證信息傳輸的可靠性。

三、提高數字化變電站繼電保護可靠性的主要措施

（一）提高硬件系統和二次回路可靠性措施

數字化變電站二次保護中電子式互感器、交換機等新硬件設備的普及，對系統可靠性提出了新要求，需要逐步提高硬件系統及其配套二次回路的可靠性。

提高斷路器的運行可靠性。斷路器拒動是造成二次保護功能失效的主要原因，如果斷路器時而出現故障，不但會使得電路供電失衡，也會威脅到電路及系統設備的穩(wěn)定運行。調查中發(fā)現，斷路器運轉過程中的故障分布概率為：機械故障占71%，輔助電路和控制電路故障占18%，，絕緣回路故障占11%。由此可見，通過ABC評價方法，重點需要控制斷路器的機械可靠性。具體操作包括對斷路器跳、合閘線圈的出口觸點控制回路，為保證斷路器可靠跳、合閘，必須設有串聯自保持的繼電器回路，并保證跳、合閘出口繼電器觸點不斷弧及可靠跳、合閘。

（二）提高軟件系統可靠性措施

數字化變電站二次保護系統的光纖通信與系統通信，更多的依賴于以太網技術，這對保護系統的軟件及控制方法提出了更高的要求，必須通過具有針對性的措施來加強軟件系統的可靠性。

一方面，GOOSE程序的判斷模塊優(yōu)化師提高二次保護系統可靠性的關鍵。GOOSE是主要用于傳輸保護裝置的跳閘信息、裝置之間的聯動閉鎖信息和各種I/O的位置信息。GOOSE插件在接收網絡報文時，正確識別報播地址以及AppID的匹配、控制塊索引和數據集名稱等參數間的匹配，從而確保系統的可靠性。若監(jiān)測系統在規(guī)定的時間內沒有收到相應的GOOSE數據，傳輸保護裝置就能發(fā)出GOOSE斷鏈的提示信息，便于操作人員檢查鏈路。另一方面，通過軟件對運算結果的反復校核提高了系統的抗干擾能力。各種干擾有可能造成運算出現錯誤，這就需要存在反復校核的機制。在首次運算完成時，中央處理器基于一次數據進行復核性驗算，并與首次的結果進行校對，若驗算結果一致，判斷為結果可信；若驗算結果不一致，則要求重復進行驗算，三次的計算結果中選用二次相同者作為正確值。

（三）提升人機交互操作可靠性措施

在控制相關設備運行，理解和執(zhí)行設備指令是必然存在人機交互使用，這一過程的可靠性會對繼電保護系統運行產生重要的影響。為了保障繼電保護系統的可靠運行，需要有效提升人機交互的可靠性：一是人機設備設計時，需要充分考慮人的生理、心理和人機協調性，合理配置人機交互設備可能出現操作失誤情況；二是人機交互設備零件的各個參數要實時進行監(jiān)護，包括溫度、濕度、沖擊、振動、荷載等；三是人機交互元件必須備品備件，當人機交互設備出現故障時，便能夠迅速作出更換，從而快速保證二次保護系統工作的有效運行；四是定期檢測繼電保護裝置的耐久性能、壽命周期以及環(huán)境適應的程度，確保安裝在電力系統的繼電保護裝置有良好的性能。

四、總 結

數字化變電站系統真正實現了各種電氣設備的信息共享，但也使得系統內各類系統復雜繁瑣，一旦出現某個元件發(fā)生故障，都會對系統的可靠運行產生嚴重后果。作為電力系統安全運行的重要保障，二次保護具有極為重要的作用，有效得保證了電力系統運行的安全穩(wěn)定性，在一定程度上也降低了保護裝置隱藏故障的概率。。因此，有必要仔細分析二次保護，增強其操作可靠性，加強保護裝置和二次回路的巡檢，提升人機交互可靠性，總結分析繼電保護動作，從而及時發(fā)現并采取有效方法處理故障，確保電力系統設備正常運行。

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