数字继电保护装置可靠性探讨

摘要：加强数字继电保护装置可靠性的研究是十分必要的。本文作者结合多年来的工作经验，对数字继电保护装置可靠性进行了研究，具有重要的参考意义。

关键词:电力工程;电力系统;数字保护;可靠性评估

中图分类号：TM77 文献标识码：A文章编号：

1引言

电力系统的根本任务是尽可能经济而可靠地给用户供电，安全、经济、优质是对其的根本要求。随着大规模联合电力系统的出现，系统的结构和运行方式越来越复杂、多变，特别是很多远距离大功率输电路和电力系统间弱联系的出现.增加了发生系统事故和导致大面积停电的几率。事故的开始往往是电力系统中某一元件受到一个不大的干扰，引起其正常工作的破坏，如果不能及时准确地处理，随着时间的推移，有可能使事故连锁性扩大，涉及其他元件，导致大量用户停电和设备损坏。从战略角度考虑，保证电力系统的安全和可靠首先应加强电网对事故的承受能力，其次是依靠继电保护系统和安全自动装置。显然，加强电网对事故的承受能力是主要的，继电保护系统和安全自动装置是重要的。要保证电力系统的安全运行，首先要加强电力系统的网架结构，提高弹性系数，合理分布备用容量，加强各大电网之间联络线的调剂能力，提高电网的稳定储备，同时要提高继电保护系统和安全自动装置的性能和可靠性。

继电保护装置是一种自动装置，在电力系统中担负着保证电力系统安全可靠运行的重要任务，它随时监控系统的运行状态，并能迅速发现故障，进而有选择地通过断路器切除故障部分。另外，当系统出现异常情况时，继电保护装置会向值班人员发出信号，提醒值班人员及时采取措施、排除故障，使系统恢复正常运行;并且该装置会与其他自动装置配合，消除瞬时性故障。有必要更加深入研究继电保护系统的可靠性，为电网可靠性评估提供更加准确的数据依据。数字继电保护装置因其灵活、可靠、经济等优点正逐步取代传统的保护装置而被广泛地应用于电的重要任务，因此，有必要对其可靠性进行定量的评估和系统的研究分析。在这方面，国内外研究文献甚少，只有少数研究者做了一些尝试性的工作。但由于数字继电保护装置可靠性涉及的因素较多，评估难度较大，所以这些方法都还处于尝试探索阶段，到现在为止还没有成熟通用的方法来定量分析数字继电保护装置的可靠性。

2数字继电保护装置可靠性指标

继电保护装置的运行状态一般有正确工作和不正确工作2种。因此，继电保护装置运行的可靠性指标也存在正确工作率和不正确工作率2种。过去，继电保护装置运行的正确动作率的定义为:(保护区内故障正确动作次数/总动作次数) x100%;不正确动作率的定义为:「(保护区内故障拒动作次数+区内、外故障误动作次数十正常运行时的误动作次数)/总动作次数 ]X100%。这里总动作次数等拒动率。然而保护装置正常运行时正确不动作次数无法计算，因此，仅用动作次数来衡量保护的可靠性指标是值得商榷的。本文认为采用动作次数和运行时间综合衡量继电保护装置的可靠性指标要更加合理。由于正确动作包括区内故障正确动作和区外故障正确不动作;不正确动作包括误动和拒动;误动作又包括无故障误动(装置因本身故障而引起的动作)和非选择性误动(不该动作时动作)。因此本文定义正确动作率为单位时间内区内故障正确动作次数和区外故障正确不动作次数;不正确动作率为单位时间内误动次数和拒动次数;于正确动作次数和不正确动作次数之和。如果将保护装置在正、反方向区外动作统计在不正确动作次数内，则保护装置在正、反方向区外故障不动作也应认为是一种正确动作而计入正确动作率内，否则将出现不正确结论。例如，若某一继电保护装置在1年内因为系统未发生内部故障而没有区内故障动作次数，但在正、反方向区外发生的100次故障却有1次误动，按前述正确动作率计算方法，则保护装置的正确动作率为O，不正确动作率为100%。这种结论当然是不能接受的，对保护装置的评价也极不合理。而更加准确的可靠性指标定义为:正确动作率包括区内故障正确动作率、正反方向区外故障正确不动作率、正常运行时的正确不动作率;不正确动作率包括正常运行时的误动率、正反方向区外故障的误动率、

2.1保护装置可靠性研究的特点

可靠性是指设备在规定的条件下和预定的时间内，完成特定功能的能力。可靠性指标的建立不但要考虑装置本身的功能，还要反映装置特定的工作环境和应用特点。数字继电保护装置是一种特殊的电子设备，在制定可靠性指标时必须考虑以下一些特点：

(1)保护装置的失效可以分为2种:误动失效和拒动失效。因此在制定其可靠性指标时应综合考虑两种失效情况;

(2)继电保护装置的失效可造成极为严重的社会影响和巨大的经济损失，因此其可靠性指标要综合考虑电力系统的运行方式、经济损失等因素。基于以上特点，本文定义了保护误动失效率和拒动失效率，提出了2个评估保护装置可靠性的指标一一保护可用度和保护可靠性经济系数。

2.2保护误动失效率和拒动失效率

可靠性研究中最基本的可靠性指标是失效率兄，它表示系统已经无故障的工作到时间t，而在t后无限小的时间At内失效的概率。考虑到保护装置存在拒动和误动两种不同性质的失效模式，因此本文定义了保护拒动失效率再和保护误动失效率孤，它们分别表示保护装置已经无故障的工作到时间t，而在t后无限小的时间At内拒动和误动的条件概率定义如下:

式中Tj、Tw为系统首次拒动失效和首次误动失效的时间。

2.3保护可用度

保护可用度是描述可修复系统可靠性的指标，它表示系统处于正常工作状态的长期状态概率。数字继电保护装置是一种典型的可修复系统，因此，本文定义保护可用度来评估保护装置在长期运行时的可靠性水平。保护可用度可定义为

式中MTTF为平均无故障时间;MTTR为平均修复时间;pi为保护处于正常工作状态的稳态概率。

2.4保护可靠性经济系数

保护可用度只是从保护装置本身出发来定义的可靠性指标，它没有反映保护装置应用对象和环境。为更好地反映保护装置与一次系统的联系和保护装置失效造成的经济损失，本文首次提出了保护可靠性经济系数E这个新的指标，其定义为

式中ejew为系统一次拒动和误动所造成经济损失的期望值;pj、pw为保护装置处于拒动和误动状态的稳态概率;ps为被保护对象处于故障状态的稳态概率。

因为数字继电保护装置与传统的保护装置相比具有自检测能力，可以不断地自检自身的故障，当保护装置自身的故障被检测出来时可以采取闭锁、告警等措施尽量减少经济损失，所以数字保护装置的可靠性经济系数可以表示为

3.1硬件失效率模型

数字继电保护装置实际上就是一种特殊的工业控制计算机系统，一般可将其分为如图1所示的7个功能模块，其中，电源供应模块①(PSU)为各模块提供工作电源;中央处理模块②(CPU)是保护装置的核心，完成保护的分析、计算、判断功能;数字量输入模块③采集保护所需的各种节点、触点等开关量状态信息;数字量输出模块④(DO)输出驱动跳闸等继电器的开关量信号;模拟量采集模块⑤(AI)采样电压电流等模拟信号，包括滤波、采样/保持、多路转换和模数转换;通讯模块⑥(Cu)完成与外界的数据通讯;人机接口模块⑦(MMI)包括键盘、显示等。在此处须指明的是:由于中间继电器回路较简单且可靠性高，因此本文未考虑其对整个系统可靠性的影响。