智能变电站继电保护系统可靠性探析

摘 要：电力系统正处于发展阶段，智能电网将计算机技术同信息技术等结合而成，基于电子技术和通信网络技术的智能变电站使得变电站在信息的传递方式上发生了巨大的改变，智能变电站通过信息应用使得信息的自动采集加强了，对继电保护系统进行可靠性的评估可以发现继电保护系统的薄弱环节，然后提出整改方案。

关键词：智能变电站；继电保护；系统分析

引言

智能变电站的继电保护系统逐渐引起技术人员的关注，继电保护系统能够安全运行对智能变电站的运行意义重大，对继电保护系统的研究主要依据可靠性评估模型和对系统的可靠性分析，利用框架图和矩阵法建立可靠性的模型，通过对智能变电站的保护系统进行分析可以发现系统的结构特点，通过模型进行分析可以优化系统的设计。

1 继电保护系统的结构

智能变电站的继电保护系统包含八个功能各模块，具体有传输介质、互感器、合并单元、交换机、保护单元、智能终端、断路器和同步时钟源。信息数字化和通信网络化是智能变电站的两大特点，以往的变电站的连接方式是通过点对点对互感器和断路器等保护元件进行连接，现今的连接加入了更多的保护元件，通过合并单元将互感器采集到的数据进行汇集，对格式进行处理，然后将数据帧传给交换机。智能终端主要应用于一次设备的功能体现，智能终端可以将断路器的动作进行控制，将断路器采集到的信息传递给保护单元[1]。

交换机成为二次设备与合并单元的信息传递平台，弃用了传统的二次电缆，系统设备之间就此形成了信息共享模式，为了准确的了解断路器记录时间发僧的时间序列，为变电站配备同步时钟源，使全站的设备统一对时。继电保护系统中必不可少的是通信介质和接口，通信介质对保护系统能否正常运行具有直接的影响，一般情况下通信介质会采用光纤。通过对比发现接口故障和通信故障产生的效果是相同的，由此通信介质的组成部分就包括了接口。

2 系统的可靠性分析

2.1 分析方法

信息流能够使智能变电站继电保护系统的功能得以实现，在信息流通路顺畅时就能够将信息从始端发往终端，继电器的保护功能才能够实现，其中会影响继电保护系统可靠性的因素包含同步对时功能、SV报文和GOOSE报文信息回路的连通效果。

2.1.1 参数的选择。电网的一二次设备均在固定的时间进行检查，在维护过程中，系统的可靠性评估来源于元件故障信息的准确性，可修复的元件在检修维护的过程中将故障率和修复率视为常数即可。例如合并单元的故障率就为0.0067，交换机故障率为0.02。利用马尔科夫链模式进行分析，由于元件所处的环节不同，因此其故障的状态也是有所不同的，例如合并元件和交换机元件在信息传输过程中出现丢失现象就会使保护系统产生拒动。分析时应该将元件的失效状态进行细分，大致可以分为两种，分别是误动和拒动，之后根据二者的概率进行计算即可[2]。

2.1.2 框图法。在智能变电站继电保护系统的分析过程中，框图法较为直观清晰，这种方法对于元件比较少的系统用较为合适，可以根据系统的结构进行框图的绘制，通过框图及元件的状态和系统的状态进行描述，框图可以计算出系统中不同元件的不同状态的概率。对于含有多个独立分散的原件的保护系统，其中元件之间的维修状态也是具有独立性的，例如，可以将元件1的正确动作的概率记为P1，将元件2的正确动作的概率记为P2，根据改路的运算规则进行运算即可。

2.2 分析应用

2.2.1 主变保护的可靠性分析。在主变保护的组网方案之中，主变保护和智能终端的合并单元就是依靠组网的方式进行连接，通过保护GOOSE的网络信息采集对传输跳闸发出指令，通过采用SV网络传输的采值样信息对变电站的主变压器进行保护。通过采用保护控测一体装置可以充分发挥智能变电站的智能化系统，保护装置一般包含保护CPU和测控CPU两种，保护启动判断的辅助依据就是测控采样，还可以从整体上保护可靠性。

通过最小路集法可以得出主电保护的不可用度为1-A=8.8812×10-9[3]。

2.2.2 线路保护的可靠性分析。数字化线路的保护装置的开关量和模拟量是以光纤通过太网获取的，采样值的光纤接口和开关输入量的光纤接口是独立的设置，跳闸输出和开关量的接口通常是一个，数字化线路的保护可以通过线路两端和传统的线路保护进行配合，完成纵差保护。

通过最小路集法和不交化算法可以得出线路保护的不可用度为1-A=4.9492×10-9。

2.2.3 母线保护的可靠性分析。母线保护的组网模式中，智能终端可以将刀闸位置的信息传递到母差保护装置上，利用采样值组网和GOOSE网络将间隔合并单元的数据传递给母差保护装置上，通过相关的协议就可以实现SV网络采样信息。

通过最小路集法和不交化算法可以得出线路保护的不可用度为1-A=9.9720×10-8。

3 提升可靠性的措施

3.1 太网冗余法

3.1.1 太网的控制要求。在IEEE802.3x全双工模式下，通过交换机发出指令使数据源暂停发送，再利用控制数据的输入端和出端进行数据流量的传递可以避免数据丢失。IEEE802.1p优先排队技术可以使网络在拥堵的情况下，数据进行优先传输。IEEE802.1Q虚拟局域网技术，可以将IED划分到虚拟局域网之中。IEEE802.1w快速生成树协议不像从前的IEEE802.1D生成树协议需要大约一分钟的时间才能重新将发生故障的网络构架定义，这种快速生成树协议可以将时间大大缩减。最后的要求是诊听过滤技术，它允许对GOOSE信息帧进行过滤，然后将信息传递给IED。

3.1.2 网络的构架。（1）总线结构。总线结构中的交换机通过端口与其它的交换机相连，上端口的速度一般比IED端口的速度快，系统的最大延时决定了交换机的最大数量，这种结构的接线较少但是冗余度差。（2）环形结构。环形结构的交换机可以形成闭环，对于连接点的故障可以提供足够的冗余度，信息在传递过程中会消耗宽代，应用的内部具有管理交换机，生成树可以发出指令，交换机便检测环路，信息在环路中就不会流动。（3）星型结构。星型结构具有等待的时长较短的特点，主交换机在连接其他交换机的时候系统的等待时间会减少，但是星型结构没有冗余度，在发生故障时就会产生遗失所有的IED信息，从而降低可靠性。

3.2 环形网络结构法

在环形网络结构法之中，刀闹位置信信息经由各间隔智能终端提供，然后通过网络将信息传递到母差保护装置。根据采样值组网方式，各间隔合并单元的数据同样传输到母差保护的装置上。母差保护动作的出口信息，发送给各间隔智能终端之后，母差保护装置的容量会受到限制，主要原因是网络报文流量的大小不定。有的时候，过程层的交换机会承担较大量的报文，单台的交换机接入的单元信息数量严重超出就会导致其可靠性较低。为了解决这个问题，可以将装置或者交换机的光纤口进行设置。单口同时接入的合并单元数量不应该过度，使用多交换机分担带宽的方法可以接收更多的间隔采样，采用千兆的交换机这种方法也可以。

4 结束语

通过研究可以发现，与常规站的继电保护系统有所不同的是，智能变电站的继电保护系统的可靠性有下降趋势，智能变电站的线路保护和主变保护问题，可以采用直采直跳的模式，在采用对时源时，不可采用外部对时源，通过详细的分析得出智能变电站继电保护系统的可靠性极其重要。

参考文献

[1]王同文，谢民，孙月琴，等.智能变电站继电保护系统可靠性分析[J].电力系统保护与控制，2015，06：58-66.

[2]谷磊.智能变电站继电保护可靠性研究[D].广东工业大学，2014.

[3]付洪伟.智能变电站继电保护系统可靠性分析[J].中小企业管理与科技（中旬刊），2016，02：232-233.