北二35kV變電站相關(guān)二次設(shè)備運(yùn)行可靠性分析

劉小川

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 概況

目前，針對(duì)變電站穩(wěn)定可靠運(yùn)行問(wèn)題，以提高保護(hù)的速動(dòng)性與可靠性為主要目的。由此有文獻(xiàn)提出線路保護(hù)[1-2]、變壓器保護(hù)[3-4]、母線保護(hù)[5-8]、故障錄波系統(tǒng)[9]等各種保護(hù)方案，以探索變電站整體二次設(shè)備就地化后對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響[10]。但是以上分析僅限于變電站獨(dú)立間隔業(yè)務(wù)中，未從全站和整體角度對(duì)變電站的運(yùn)行可靠性，進(jìn)行分析和總結(jié)。

變電站作為電力系統(tǒng)主要構(gòu)成元素，承擔(dān)著承上啟下功能，不但嚴(yán)格執(zhí)行系統(tǒng)上級(jí)發(fā)出的命令，還作為數(shù)據(jù)采集的主管控制來(lái)源。作為智能電網(wǎng)的主要支撐單元，新式變電站作為舊式改造升級(jí)變電站的基礎(chǔ)上，主要增添了高速網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸通道，更好更方便地傳輸數(shù)字信息，依托站內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的一、二次智能設(shè)備，通過(guò)互操作以及系統(tǒng)信息的在線共享，實(shí)現(xiàn)通信模型的一體化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)運(yùn)行控制、信息采集管理、在線測(cè)量監(jiān)視的一體化自動(dòng)操作,以文獻(xiàn)[11]各二次設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)變電站穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行分析。

2 變電站的架構(gòu)分析

分層分布式排布的北二35kV變電站在基礎(chǔ)架構(gòu)上，與當(dāng)前提出的智能變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)大體一致?？蓪⑵鋸恼w架構(gòu)上分為相關(guān)的設(shè)備層、過(guò)程層、站控層。對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 一體化變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

從監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖中可以看出：該變電站的站控結(jié)構(gòu)主要由兩層對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)、三層相關(guān)的設(shè)備所構(gòu)成。

間隔層與過(guò)程層通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)連接連接起來(lái)，通過(guò)相關(guān)設(shè)備，使采集到的信息有效傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的變電站層與間隔層的連接設(shè)備通信順暢。以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)分析變電站架構(gòu)，可以認(rèn)為過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)主要傳輸兩類核心數(shù)據(jù)：分別是GOOSE報(bào)文和SAV采樣值報(bào)文。站內(nèi)的全部數(shù)據(jù)通過(guò)這兩類報(bào)文實(shí)現(xiàn)有效傳輸。其中，GOOSE報(bào)文主要是上傳開(kāi)關(guān)量實(shí)時(shí)信息和對(duì)下級(jí)保護(hù)發(fā)出的命令控制分合閘，SAV采樣值報(bào)文則是上送電壓、電流值等實(shí)時(shí)的交流數(shù)據(jù)信息。

3 變電站保護(hù)系統(tǒng)的失效因素分析

3.1 故障類型分析

變電站內(nèi)常見(jiàn)故障包括：數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷失誤，引發(fā)的保護(hù)裝置誤動(dòng)，進(jìn)而對(duì)保護(hù)系統(tǒng)造成的誤動(dòng)或拒動(dòng)故障；站內(nèi)合并單元系統(tǒng)采集的插值錯(cuò)誤以及系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集誤差，而導(dǎo)致的保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)；此外，還包括合并單元系統(tǒng)的自檢出故障，引發(fā)的保護(hù)退出，導(dǎo)致的系統(tǒng)相關(guān)的保護(hù)退出以及通信光纜斷裂引發(fā)的傳輸通道故障，而導(dǎo)致的信息傳輸失敗，繼而導(dǎo)致系統(tǒng)的繼電保護(hù)拒動(dòng)。所有可能故障對(duì)系統(tǒng)的影響中，除光纖和交換機(jī)故障對(duì)系統(tǒng)的影響外，其余對(duì)系統(tǒng)的影響都可以認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生的誤動(dòng)和拒動(dòng)發(fā)生概率相同，對(duì)應(yīng)的誤動(dòng)率和拒動(dòng)率都為系統(tǒng)對(duì)應(yīng)重要元件故障率的一半。站內(nèi)系統(tǒng)的二次設(shè)備對(duì)應(yīng)的平均修復(fù)時(shí)間，統(tǒng)一記為24小時(shí)，設(shè)備的修復(fù)率記為1/（24/8760）=365次/年。由此可得站內(nèi)各二次設(shè)備運(yùn)行的可靠性數(shù)據(jù)值，見(jiàn)表1：

表1 站內(nèi)各二次設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)

由表1可以看出，站內(nèi)的系統(tǒng)合并單元、保護(hù)裝置以及智能終端，對(duì)變電站的穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。

3.2 采樣和挑鬧方式對(duì)站內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)可靠性影響

站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，主要由主要設(shè)備性能以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行方式等多種因素決定。為了體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)保護(hù)有效性的影響，可以認(rèn)為當(dāng)不同運(yùn)行方式下，設(shè)備性能大體相同。以本站的線路保護(hù)系統(tǒng)為例，研究采樣方式和跳間方式對(duì)本站保護(hù)有效性的影響。其中對(duì)應(yīng)的不同保護(hù)邏輯結(jié)構(gòu)，在保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間上以及其保護(hù)范圍上，都具有多重復(fù)雜的配合，本文主要以保護(hù)的硬件可靠性為基準(zhǔn)，同時(shí)忽略站內(nèi)不同保護(hù)邏輯結(jié)構(gòu)上的配合關(guān)系，當(dāng)發(fā)生本級(jí)保護(hù)系統(tǒng)拒動(dòng)時(shí)，故障部分可以由后備保護(hù)或上一級(jí)保護(hù)進(jìn)行切除，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

站內(nèi)主要設(shè)備在采用不同采樣、跳闡方式，所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)可靠性框圖，如圖2，框圖中英文縮寫(xiě)對(duì)應(yīng)的設(shè)備見(jiàn)表2：

表2 對(duì)應(yīng)的設(shè)備中英文縮寫(xiě)

圖2 站內(nèi)線路保護(hù)系統(tǒng)的可靠性框圖

當(dāng)站內(nèi)系統(tǒng)的線路保護(hù)采用直采網(wǎng)跳以及網(wǎng)采網(wǎng)跳模式下，變電站的運(yùn)行的可靠性分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3：

表3 站內(nèi)單套線路保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性

從表3中可看出，變電站的保護(hù)運(yùn)行方式采用直接采樣、直接跳間的運(yùn)行方式下，繼保系統(tǒng)的可靠性最穩(wěn)定，原因是變電站的繼保系統(tǒng)直采直跳不依賴于系統(tǒng)外部的運(yùn)行時(shí)鐘源，并且站內(nèi)繼保系統(tǒng)接線方式簡(jiǎn)單，GOOSE報(bào)文和SAV采樣值報(bào)文不需要經(jīng)過(guò)站內(nèi)的交換機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。

4 站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)一次系統(tǒng)供電能力的可靠性影響

在分析變電站的供電可靠性過(guò)程中，主要做了如下的簡(jiǎn)化、假設(shè)：

1）由于站內(nèi)各主要元件的平均故障率偏低，因此可以不考慮兩個(gè)及以上的設(shè)備元件一同發(fā)生故障的情況。

2）設(shè)備的元件之間相互獨(dú)立。包括保護(hù)系統(tǒng)所涉及的站內(nèi)合并單元、系統(tǒng)智能終端以及保護(hù)裝置位于不同位置，其任一元件的失效可以認(rèn)為是獨(dú)立的個(gè)體行為。

3）電壓／電流互感器處于理想工作狀態(tài)。

4）同一間隔之間包括的兩套保護(hù)系統(tǒng)之間彼此獨(dú)立工作，互不影響。

5）當(dāng)站內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)拒動(dòng)，則站內(nèi)的后備保護(hù)必須成功動(dòng)作，從而切除故障。

6）若系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生斷路器拒動(dòng)，則由斷路器的失靈保護(hù)動(dòng)作，以切除故障。

7）對(duì)于可能來(lái)自不同廠家或批次的主要設(shè)備元件，由于其具有不同的制造工藝，以及不同的安裝位置，分析時(shí)統(tǒng)一認(rèn)為同類型的設(shè)備元件，具有相同的工作性能，即具有相同的可靠性。

8）不考慮系統(tǒng)內(nèi)信息傳遞的延時(shí)，以現(xiàn)有的站內(nèi)設(shè)備通信性能，最苛刻的時(shí)延限制為基準(zhǔn)。

從而得到變電站內(nèi)電力一次元件的可靠性數(shù)據(jù)見(jiàn)表4：

表4 變電站內(nèi)電力一次元件的可靠性數(shù)據(jù)

由此，對(duì)比故障率，可以看出：變電站內(nèi)的隔離開(kāi)關(guān)的故障率最低，架空線路的故障率最高；對(duì)比故障修復(fù)率，可以看出：變壓器的故障修復(fù)率最低，架空線的故障修復(fù)率最高；對(duì)比故障修復(fù)時(shí)間可以看出：架空線耗時(shí)最短，但是變壓器耗時(shí)最長(zhǎng)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)北二35kV變電站相關(guān)二次設(shè)備運(yùn)行可靠性分析，詳細(xì)介紹有關(guān)變電站系統(tǒng)架構(gòu)，以及保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成，并針對(duì)實(shí)際變電站內(nèi)的工作參數(shù)，采用可靠性框圖法分析不同模式下，變電站的線路保護(hù)、變壓器保護(hù)和母線保護(hù)的有效性、工作條件下的拒動(dòng)率及設(shè)備元件的誤動(dòng)率等系統(tǒng)相關(guān)的可靠性參數(shù)。

探討了不同保護(hù)動(dòng)作情況下，變電站系統(tǒng)保護(hù)對(duì)于電氣主接線可靠性的影響，并分析各一次設(shè)備在不同可靠性判據(jù)下，其有效性、故障率、故障修復(fù)率、故障修復(fù)時(shí)間等參數(shù)，從而得到變電站運(yùn)行可靠性的相關(guān)數(shù)據(jù)。