智能变电站继电保护系统可靠性探析

智能变电站继电保护系统可靠性探析

牟宝亮

国网平度市供电公司 266700

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

1.1、构架

随着变电站的不断发展，传统变电站无法满足时代的需求，在这一背景下，智能变电站逐渐兴起。相比传统变电站，智能变电站的核心在于过程网络，通过 IEC61850 通信标准。按照功能来划分，包含了站控层、过程层和间隔层。并且在间隔层与过程层之间、站控层与间隔层之间以及过程层和站控层之间，都会有站控层与过程层网络的形成。在这三个部分之间，站控层本身的作用在于整定值召唤的传输，同时也可以进行修改和录波文件的传送。过程层主要是采样值的传输，同时也负责开关状态量、传输跳闸以及闭锁信号。其过程层需要足够的可靠性和定时性，这会直接影响到智能变电站的各项功能的运行[1]。

1.2、数据帧传输

传统变电站之中，继电保护装置包含了命令信号通道以及采样，想要满足保护效果的稳定性，就需要借助通道固定延时以及装置处理速率来形成传输延时。相比传统变电站，目前智能变电站的继电保护装置对于采样值的传输都是通过以太网数据帧的形式进行的，同时也能够获取开关状态量，下达跳闸值指令。在这一过程中，交换机和光纤是主要的介质，其通信过程主要是利用过程层网络来实现。所以，就智能变电站而言，我们不能忽视工程层网络的重要性，同时也能表明工程层对于智能变电站的作用。

1.3、IEC61850 标准体系

智能变电站在继电保护网络和通时设计中，还需要考虑到 IEC61850 原则。在智能变电站继电保护系统架构设计中，一般会遇到某一个实体设备包含诸多逻辑设备的问题，这就要借助基本的单元做好采样值处理、跳闸回路以及保护算法等多个节点的划分。通信协议，主要是按照通信服务的 性能需求以及服务的类型，将特定的通信协议映射出来，就如 SV/GOOSE 通信，需要保证网络层和传输层的协议映射为空，才能满足实时性需求

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输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.