數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性建模研究

汪建敏 周道城 秦紀(jì)平 李俊

【摘 要】數(shù)字化變電站由于網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式具有多樣性，保護(hù)系統(tǒng)或功能部件可冗余配置，使得數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案有很多，如何對(duì)這些方案進(jìn)行正確評(píng)價(jià)和選擇是一個(gè)需要解決的問題。方案評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一是可靠性評(píng)價(jià)，而可靠性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是建立恰當(dāng)?shù)目煽啃栽u(píng)價(jià)模型。隨著數(shù)字化變電站的發(fā)展，其繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)逐漸引起了研究人員的注意，然而目前相關(guān)研究成果還很少。目前對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性研究多集中在傳統(tǒng)保護(hù)，本文分析了數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的組成，探討了數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化變電站；繼電保護(hù)系統(tǒng)；可靠性；

在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化處理模式結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格規(guī)范下，具體的變電站關(guān)于智能處理功能方面的特征得到了有機(jī)的控制，其中涉及的變換式以太網(wǎng)與光纜組成的通信系統(tǒng)替代功能伴隨著二次連接的電纜回路系統(tǒng)進(jìn)行自我約束，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下各個(gè)設(shè)備的連接效果和功能展現(xiàn)。

一、數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的組成

1.信息的數(shù)字化和通信的網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)字化變電站的特點(diǎn)，因此繼電保護(hù)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)變電站由互感器、保護(hù)單元和斷路器通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式連接的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，會(huì)有更多的元件加入其中。合并單元用于匯集和合并多個(gè)互感器的采樣數(shù)據(jù)并以一定的格式編制成數(shù)據(jù)幀上傳給交換機(jī)。智能終端作為斷路器等一次設(shè)備側(cè)的數(shù)字化智能組件，在保護(hù)系統(tǒng)中主要用于接收保護(hù)單元發(fā)來的跳合閘和閉鎖信息去控制斷路器的動(dòng)作，以及負(fù)責(zé)采集斷路器的開關(guān)位置等信息并上傳給保護(hù)單元。交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的二次電纜，成為合并單元與二次設(shè)備之間信息傳遞的平臺(tái)，有利于各設(shè)備之間信息的共享。由于繼電保護(hù)對(duì)各種事件發(fā)生的時(shí)間序列有嚴(yán)格的準(zhǔn)確性要求，各設(shè)備在輸出信息時(shí)需要附加精準(zhǔn)的時(shí)標(biāo)信息，這就需要全站的同步時(shí)鐘源進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)時(shí)。

2.除上述元件外，通信介質(zhì)及接口也是重要的組成部分，其連通性將直接影響保護(hù)系統(tǒng)的正常與否。在數(shù)字化變電站中，通信介質(zhì)一般以光纖為主，在智能終端與斷路器之間以及對(duì)時(shí)回路中也有用銅線電纜或雙絞線的。不同的通信介質(zhì)，其兩端的接口也不盡相同，接口出現(xiàn)故障與通信介質(zhì)故障的效果一樣，因此可把接口作為通信介質(zhì)的一部分。

二、數(shù)字化變電站過程總線保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.過程總線的結(jié)構(gòu)方案。過程總線可以采用不同的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以滿足不同的數(shù)據(jù)流要求及可靠性要求，并可應(yīng)用于不同場(chǎng)合，以下討論2種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（1）星形拓?fù)洹Ｐ切瓮負(fù)涞奶攸c(diǎn)是，間隔層控制器、主保護(hù)、合并單元和斷路器IED都連接到以太網(wǎng)交換機(jī)。每個(gè)設(shè)備均由其專用的線纜連接到交換機(jī)，交換機(jī)可置于接線柜中，數(shù)據(jù)由發(fā)送端到接收端，只需經(jīng)由以太網(wǎng)交換機(jī)。星形拓?fù)涫悄壳皯?yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)（見圖）。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰，數(shù)據(jù)流傳輸便捷，可擴(kuò)展性強(qiáng)，易于維護(hù)檢修；缺點(diǎn)是以太網(wǎng)交換機(jī)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，需要安裝冗余交換機(jī)和較多的線纜以將各設(shè)備連接至交換機(jī)，成本較高。該結(jié)構(gòu)適用于220kV及以上系統(tǒng)。

（2）總線拓?fù)??？偩€拓?fù)洌ㄒ妶D）所示，各終端設(shè)備均連接至一條貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)總線。該總線可由在兩端裝設(shè)端接器（電阻器）的同軸電纜組建，各設(shè)備由T型連接器連接至同軸電纜；光纖電纜亦可用于組建此總線，此時(shí)各設(shè)備均由光耦合器連接至光纜總線。發(fā)送端的數(shù)據(jù)流沿以太網(wǎng)總線向2個(gè)方向傳播，每個(gè)設(shè)備均檢視該數(shù)據(jù)但僅由指定的接收端接收，該數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)沿總線傳輸?shù)竭_(dá)端接器后被吸收以防止發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)射]。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展性好，可節(jié)省交換機(jī)，成本較低；缺點(diǎn)是系統(tǒng)可靠性差，維護(hù)檢修復(fù)雜，對(duì)總線速率要求較高。該結(jié)構(gòu)適用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕、對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的中、低壓系統(tǒng)。

2.網(wǎng)絡(luò)模型。針對(duì)半斷路器進(jìn)行接線方式的引入過程，可以進(jìn)行兩種組網(wǎng)方式的應(yīng)用，分別為單串組網(wǎng)以及按線路間隔和變壓器的間隔進(jìn)行組網(wǎng)模式的處理。在進(jìn)行單串組網(wǎng)工序中，主要將一串內(nèi)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)一個(gè)交換機(jī)的統(tǒng)一管理，配合母線保護(hù)與單獨(dú)配置交換機(jī)的交接處理，最后連接至母線交換機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理；而在進(jìn)行線路與變壓器間隔接線環(huán)節(jié)中，考慮到斷路器與線路、變壓器的間隔聯(lián)系進(jìn)行智能操作保護(hù)設(shè)備與兩個(gè)交換機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)線路的保護(hù)同時(shí)進(jìn)行母線交換機(jī)與主變保護(hù)系統(tǒng)的接入，注意整個(gè)連接結(jié)構(gòu)中關(guān)于OPNET模型的模擬接線處理手段。

3.整個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)流分析。過程網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流包括合并單元下的線路保護(hù)、變壓器裝置保護(hù)以及母線與開關(guān)的位置報(bào)文，結(jié)合具體的智能控制處理單元進(jìn)行相關(guān)文件的傳輸，同時(shí)保證具體指令在內(nèi)部智能控制單元的決定效果。其中涉及的主要參數(shù)根據(jù)采樣間隔作為周期的參考依據(jù)，保證實(shí)際報(bào)文長度為123字節(jié)，關(guān)于流量的起始時(shí)間以及到達(dá)時(shí)間的間隔設(shè)定相同的常數(shù)分布格局，保證具體信息采用的同步性質(zhì)；保證周期廣播開關(guān)在報(bào)文字節(jié)的規(guī)范效果，實(shí)現(xiàn)某個(gè)時(shí)刻下的周期廣播控制報(bào)文材料，保證持續(xù)10min的報(bào)文長度字節(jié)水平。

三、數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析

1.數(shù)字化變電站繼電保護(hù)數(shù)據(jù)采集和硬件配置。數(shù)字化變電站繼電保護(hù)，制定故障錄波裝置及保護(hù)信息子站的巡視卡，加強(qiáng)運(yùn)維人員的巡視，將這類設(shè)備的年檢納入每次保護(hù)年檢工作中，切實(shí)提高設(shè)備的整體運(yùn)行質(zhì)量。數(shù)字化變電站繼電保護(hù)，繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)一種反事故的自動(dòng)化措施。其基本任務(wù)是，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時(shí)，在可能實(shí)現(xiàn)的最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號(hào)由值班人員消除異常工況根源，確保線路和設(shè)備安全運(yùn)行。電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量呈現(xiàn)規(guī)模性增長，而檢修力量并未實(shí)質(zhì)性增加。為解決這一逐漸凸顯的矛盾，供電公司應(yīng)會(huì)同國網(wǎng)電力科學(xué)研究院、中國電力科學(xué)研究院、繼電軟件有限公司等單位，共同開展繼電保護(hù)狀態(tài)檢修智能決策系統(tǒng)的研發(fā)工作。供電公司課題組遵循“應(yīng)修必修、修必修好”的原則，采取以點(diǎn)及面、逐步推廣的試點(diǎn)模式，循序漸進(jìn)開展繼電保護(hù)狀態(tài)檢修工作。

2.狀態(tài)檢修智能決策系統(tǒng)對(duì)數(shù)字化變電站的作用。繼電保護(hù)狀態(tài)檢修智能決策系統(tǒng)可根據(jù)保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，科學(xué)地對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備開展在線狀態(tài)評(píng)價(jià)，判斷保護(hù)設(shè)備的健康狀況和運(yùn)行水平，制定合理的檢修決策建議。在項(xiàng)目推廣實(shí)施中，供電公司應(yīng)完成繼電保護(hù)裝置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息采集和保護(hù)設(shè)備的日常巡檢、巡視工作，并使其制度化、流程化。同時(shí)完善和開發(fā)了二次設(shè)備帶電檢測(cè)功能，實(shí)時(shí)采集、分析保護(hù)裝置的重要運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，保護(hù)設(shè)備的隱患在發(fā)展成缺陷之前及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。供電公司將繼續(xù)對(duì)智能化變電站繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)檢修和二次回路不停電方式下的在線帶電檢測(cè)技術(shù)、基于繼電保護(hù)運(yùn)行大數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)分析及移動(dòng)智能終端平臺(tái)技術(shù)等一系列國家電網(wǎng)公司前沿課題展開深入研究。

數(shù)字化變電站中還需要強(qiáng)化一次設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)化設(shè)備、安全自動(dòng)化裝置、輸電設(shè)備、直流電源設(shè)備、信息設(shè)備、計(jì)量設(shè)備、配電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。繼電保護(hù)設(shè)備應(yīng)綜合考慮設(shè)備安全性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)影響等方面的風(fēng)險(xiǎn)，確定設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)程度。繼電保護(hù)設(shè)備在狀態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，還要預(yù)知評(píng)估設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性和后果的嚴(yán)重程度，確定設(shè)備面臨的和可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

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