继电保护系统可靠性影响因素及保护失效问题研究

【摘 要】近年来智能电网、数字化变电站、可再生能源发电领域取得长足进步的同时，也给继电保护工作带来了一定冲击，如何解决继电保护面临的新问题、保证新形势下继电保护可靠地发挥作用已成为不容忽视的重要议题。

【关键词】电力系统；继电保护；可靠性；影响因素；保护失效；不确定性；安全运行

0 引言

随着工业发展和经济增长，以“大机组、大容量、高电压、远距离、新技术、智能化”为特征的现代电力系统在运行效率不断提高的同时，运行的复杂性和不确定性也在增加，主要表现在：第一，系统运行特性随着电网规模、电网结构、电网组成、地域分布的变化而呈现出更加复杂的多样性，同一电网因为电气联系又呈整体性，在多种可能的运行状态和故障状态下的表征既有差异性又有相似性；第二，电力市场的逐渐发展，对电力系统的安全运行带来了一定影响，一是最大限度开展的市场交易可能使安全裕度缩小到极限；二是众多市场参与方所起的作用日益重要，给电网运行增加了多变和不确定因素。第三，近年来大规模新能源电力的接入，进一步加剧了随机性因素对电力系统的影响。而这些因素最终可能会干扰电力系统二次自动装置的正常工作，在此背景下，鉴于二次设备对电网安全运行的重要作用，电力系统对二次自动装置的要求也在不断提高。

1 继电保护系统可靠性特点

继电保护系统属于可修复系统，深入分析其可靠性的特点是选取指标、建立模型、进行可靠性分析的前提。

（1）因为工作环境、自身状况的可变性，继电保护系统的可靠度、失效发生时间具有一定的随机性和概率性。

（2）保护系统可靠性涉及因素多，其建模、指标选取及计算具有难度。从广义上说，影响保护系统可靠性的因素不仅包括保护装置，还包括与其关系紧密的通讯通道、一次设备、一次系统的运行状况及人为因素等；保护的设计原理、配置方案、整定方式和电网实际运行方式也极大地影响保护的动作情况。就保护装置而言，又涵盖复杂的软、硬件及其冗余逻辑等。其中，软件的可靠性很难根据物理要素进行预计，而主要取决于系统输入、系统的使用和软件设计等；硬件的可靠性则主要取决于其各个基本部件及电路设计的可靠性等。

（3）保护系统的失效可以分为误动失效和拒动失效，在制定可靠性指标时应综合考虑这两种失效情况，每种失效又可分为可被检测的和不可被检测的2类。

2 继电保护系统可靠性影响因素

2.1 装置硬件

无论是微机保护还是全数字化保护装置，实际上都是由若干电子设备和软件构成的有机整体，而电子设备的老化和损坏会直接影响保护装置和系统在规定条件下完成规定功能的能力。例如，全数字化保护装置的硬件结构虽较微机保护的简单，但其装置增加了较多光纤输入、输出接口，也带来了新的可靠性问题，若光口因为发热等原因损坏，将直接影响样值的输入和保护跳闸的输出。

影响继电保护硬件系统可靠性的因素还包括运行维护水平及运行环境的干扰等。

2.2 装置软件

硬件是实现保护功能的平台，软件算法是实现保护功能的核心，因此软件的可靠性对继电保护系统能否正常工作具有极大影响。软件的可靠性很难根据物理要素进行预计，而主要取决于原理性能、系统输入、系统的使用和软件设计等。

2.3 互感器等相关一次设备

CT、PT等互感器及断路器等一次设备通过传变输入量和执行输出而直接影响着保护系统正确反映一次系统状态、不拒动、不误动的能力。微机保护一般采用电磁式互感器，其接线正确性、传变误差等均会影响保护的正确动作；全数字化保护中一般采用电子式互感器或光学互感器，这些新型互感器在抗饱和等方面具有明显优势，但其可靠性在现阶段还待提高，相应保护的可靠性也会受此影响。

2.4 二次回路

二次回路绝缘老化、线路导致接地或者元件连接接触不良、松动均可能给保护的正确动作造成不利影响。全数字化保护系统采用高速网络通信代替了二次电缆，二次回路具备了自我监测的能力。电子式互感器与保护装置之间的光纤链路、交换机若出现断链或故障，保护装置接收不到报文就会及时发出告警。同理，保护装置与断路器之间出现断链或故障，断路器的智能终端也会及时告警，这为克服二次回路给保护可靠性带来的影响提供了技术条件。

2.5 继电保护定值

理论上，保护原理、保护特性、保护定值及一次系统运行状况对继电保护可靠性都有较大影响，实际运行情况表明，离线整定的保护定值是该类因素中影响保护正确动作的主要因素。

常规继电保护系统一般通过离线计算定值并在运行中保持不变。随着电力系统的发展，电网结构日益复杂、交直流混合运行，也经常出现临时运行方式，加之后备保护配合关系复杂、动作时间长、易受系统运行方式影响，离线整定模式的弊端日益突出。其次，整定计算过程中的诸如可靠系数、返回系数等的确定会在一定程度上影响保护的性能。第三，在配电网中，由于分布式电源接入导致的双向潮流、多电源网络等新特性对保护定值整定甚至保护原理提出了更高要求。

保护定值的在线整定和校验是克服离线定值弊端的有效手段之一，近年来保护在线整定计算需要的技术条件取得了很大进展，主要体现在三个方面：首先，微机保护在电力系统中得到广泛应用，基本取代了模拟式保护，为在线整定、校验及修改打下了基础；其次，IEC61850标准应用研究、网络化二次设备和光纤网络二次回路技术的应用研究，为继电保护在线整定及校验系统的研究、应用和推广积累了宝贵经验，电力通信技术与通信手段的不断进步，使得整定计算所需要的电网信息和保护信息能快捷有效地集和传送；第三，现有在线实时应用软件的成功开发和应用，为继电保护在线整定校验系统的发积累了丰富经验，变电站自动化系统成功运行的经验也为继电保护在线整定及校验系统的应用提供了参考和借鉴。但是，在线整定和校验的实用化进程中还有诸多理论和实际的问题需要解决。

3 继电保护失效分类

对继电保护失效进行科学分类，是进行保护系统可靠性数据收集、可靠性评估及风险分析的基础，根据影响保护可靠性的主要因素，将保护失效分为3类：

（1）继电保护硬件系统失效，主要包括保护装置程序本身的问题（与保护原理正确与否无关的程序设计、编制等问题）、装置硬件失效及二次回路故障、互感器故障、断路器机构故障等因素导致的保护系统失效。

（2）继电保护原理性失效，第一类失效已经考虑了软件程序本身的问题，因此，这里的软件原理主要涉及与系统运行状态密切相关的保护原理、逻辑流程，离线整定的定值及相关的隐性故障等。

（3）运行维护失误及运行环境干扰等引起的保护失效。运行维护失误如误操作、误接线等，在保护误动原因统计中占有较大比例，是影响保护可靠性的一个重要而复杂的因素。另外，其它如环境、天气等因素亦须考虑。

4 结束语

总之，继电保护往往是以保护系统的形式存在于电网中，且多数后备保护装置有配合关系，一个保护装置的拒动或误动，可能会引起其它保护装置的顺序动作，甚至引发连锁跳闸风险。因此，建立科学的、能够分别或综合定量反映保护系统各种失效模式的可靠性和风险评估模型，对于提高相关研究的准确性和可信度具有积极作用。

【参考文献】

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