一種評估數位化變電站繼電保護系統可靠性的方法

2024-03-24 02:44:05 1

一種評估數位化變電站繼電保護系統可靠性的方法
【專利摘要】一種對數位化變電站繼電保護系統可靠性的評估方法，本發明根據數位化繼電保護的組成和1特點，以保護功能的信息流作為研究對象，以圖形建模和可靠性框圖的分析原理為基礎建立數位化繼電保護系統可靠性分析的模型，並以實例計算作為【具體實施方式】。本發明提出的可靠性分析方法是以已知構成繼電保護系統各元件的元件可靠度為基礎進行分析和計算，其結果可以作為評價不同結構的系統可靠性的高低，以此來選出更為合適的系統組成方式，可用於數位化變電站前期的規劃。本發明的方法所提出的可靠性的建模及計算方法比較直觀，思路清晰，可以直接通過數位化變電站的拓撲圖直接抽象出可靠性的計算模型。
【專利說明】一種評估數位化變電站繼電保護系統可靠性的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及數位化變電站繼電保護系統可靠性的評估方法，屬變電站繼電保護系 統【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 在20世紀80年代，可靠性分析開始應用於電力系統之中，由最初的規劃可靠性分 析逐漸擴展到電力系統的各個方面。在繼電保護系統中，最初常用正確動作率、平均無故障 工作時間（MTBF)、平均壽命（MTTF)等指標來作為可靠性的評價指標，然而這些指標只能通 過以往的數據來對系統可靠性進行一個大致的評價，而無法預測和估計一個系統可能具有 的可靠性，在指導繼電保護系統建設方面的應用具有一定的局限性。
[0003] 目前在保護可靠性評估建模及指標求解方面，主要分為解析法和模擬法兩種。解 析法主要是利用系統自身的結構以及系統內部各元件之間的邏輯關係，建立起可靠性的計 算模型，再通過代入數值進行迭代運算等過程，最終計算出系統的可靠性指標，可靠性評 估中廣泛採用的主要是馬爾可夫模型法、故障樹法等，另外還有比較新穎的成功流方法 (Goal Oriented，G0)，都屬於解析法求解可靠性的範疇。而模擬法則是利用統計學的方法， 通過對概率分布採樣選擇和估計狀態，其中包括蒙特卡羅模擬法和非指數分布法等等。解 析法與模擬法分別有著各自的優缺點，解析法的物理概念相比較而言更為清晰，模型的精 度更高，但是計算量偏大，尤其是對於複雜的系統而言，其計算時長會隨著系統的複雜程度 呈指數上升，模擬法計算可靠性的方法較為直觀，但由於其與統計性質相關，計算結果準確 性較差，且計算時間與精度緊密相關。
[0004] 數位化變電站通過將網絡通信技術、微電子技術、光電技術等新興科學引入到變 電站的自動化控制系統中，使得變電站中的信息傳遞更加趨向於數位化和網絡化。隨著非 常規互感器和智能斷路器等新技術的發展以及IEC61850標準的提出，數位化變電站逐漸 形成一次設備智能化，二次設備網絡化的架構體系，以往變電站自動化系統中信息難以共 享，設備之間不具備互操作性，系統可展性差等不足之處將得以克服。
[0005] 作為保障電網安全運行的第一道防線，繼電保護系統是電力系統正常運行不可或 缺的組成部分，其正確動作與否將對電力設備安全和供電可靠性產生直接的影響，正是由 於其所處的特殊地位，繼電保護系統一般被要求具有很高的可靠程度，包括故障時的可靠 動作與非故障時的可靠不動作。對繼電保護系統進行準確的可靠性評估，可以發現其中的 薄弱環節並加以克服和改正，對繼電保護系統的改進具有重要意義。
[0006] 數位化變電站獨有的建設標準、結構、元件特性和通信方式，使其繼電保護系統面 臨著完全不同的現狀，主要有：（1)元件眾多。諸如合併單元、智能終端和交換機等傳統變 電站中沒有的元件出現在了數位化的繼電保護系統中，給保護功能帶來便捷的同時，對其 可靠性能也產生了一定的影響。（2)結構複雜。以往點對點的傳輸方式被乙太網所取代，由 交換機組成的網絡改變了以往單一的拓撲結構，使之變得更加複雜，因而交換機的接線方 式在很大程度上決定了整個繼電保護系統信息通路的可靠性。（3)信息的網絡化傳輸。數 字變電站以報文式的網絡通信方式通信，總是會存在有不可靠的因素，有可能會發生丟包 或是網絡風暴等現象，這在繼電保護系統中是不允許出現的。因此諸如VLAN分區隔離技 術、優先級隊列技術、快速生成樹協議、IGMPSnooping組播過濾技術等將會應用於數位化變 電站之中，以確保網絡傳輸的可靠性。
[0007] 數位化變電站繼電保護系統中存在有同步對時信息、以SV報文形式傳輸的採樣 信息、以GOOSE報文形式傳輸的斷路器控制及狀態信息三種信息流，三種信息流的連通性 對於繼電保護系統的可靠性至關重要，除此之外，有的保護功能會需要與其他保護單元配 合，所以保護單元之間有時也會存在GOOSE報文的交換。
[0008] 本發明利用可靠性框圖的分析原理，結合數位化變電站繼電保護系統信息流的特 點，建立起可靠性的分析摸型，提出一種針對數位化變電站繼電保護系統的可靠性評估方 法。可靠性框圖的分析方法是利用系統內部元件之間的邏輯關係，以節點和連線的形式表 現出來，並最終框圖進行數學分析從而得出系統可靠性的方法。這種分析方法在結構上 一目了然，可以清楚的知道系統與其內部構成元件之間的關係，邏輯清晰，並且計算過程簡 單，計算速度快。在可靠性框圖中，有節點和連線兩種結構，其都是從實際的物理結構中抽 象而來，代表了其中的各個元件。每個元件都有自身的可靠性數值，稱為元件可靠度，有時 為了計算方便，可以不考慮連線的可靠性數值。每個可靠性框圖代表了一種或多種功能的 實現，其能成功完成的可能性，也就是該功能的可靠性既與元件可靠度有關，也與元件之間 的結構關係有關，可靠性框圖的分析方法就是綜合考慮這兩點，利用數學的計算方法，得到 最終的結果。
[0009] 對於一個由若干元件組成的系統，如果任一元件故障或是失效就會引起系統故 障，這種系統的結構就被稱為串聯結構，該系統內元件之間的關係就是串聯關係，如圖1所 /_J、1 〇
[0010] 對於一個由m個元件串聯組成的系統，其可靠性表達式為：
[0011]

【權利要求】
1. 一種評估數位化變電站繼電保護系統可靠性的方法，其特徵在於，包括， 所述方法把整個智能變電站的信息流系統等效為一個二端網絡式的結構，系統要完成 其功能，其組成元件所連接成的必要迴路必須連通，此時迴路連通的概率就可以作為該系 統的可靠性數值；所述方法利用最小路集法求解二端網絡可靠性； 所述方法利用框圖模型建立數位化變電站同步對時系統框圖模型、SV報文信息迴路的 框圖模型、斷路器迴路GOOSE報文信息迴路框圖模型和輔助保護單元迴路GOOSE報文信息 迴路框圖模型，從而獲得相應的信息迴路； 所述方法在所述信息迴路和組成元件的基礎上，求解數位化變電站繼電保護系統的整 體可靠性。
2. 根據權利要求1所述的評估數位化變電站繼電保護系統可靠性的方法，其特徵是， 所述方法求解數位化變電站繼電保護系統的整體可靠性時，將傳輸介質看作節點間的連 線，而其他元件看作節點，數位化繼電保護系統就可以看作是一個連通的網絡系統，所述同 步對時系統框圖模型、SV報文信息迴路、斷路器迴路GOOSE報文信息迴路和輔助保護單元 迴路GOOSE報文信息迴路的各類信息迴路的可靠性運用最小路集法計算二端網絡連通率。
3. 根據權利要求1所述的配電臺區電壓偏低判別方法，其特徵是，所述求解整個繼電 保護系統可靠性按下面的步驟進行： (1) 對時迴路的元件可靠性較為特殊，應放在首要的位置計算，對時迴路的可靠性應該 加入設備本身的可靠性，形成修正後的元件可靠性表達式，如下所示：
式中：R'm、R'PK和R'IT分別表示修正後的合併單元、保護單元和智能終端的可靠性； LTSiu、LTS_PIU和LTS_ITii分別表示同步時鐘源分別到合併單元、保護單元和智能終端的第i 條最小路徑，η表不最小路徑的數量；P(L TS_PIU)、P(LTS_PIU)和P(LTS_ IT，i)分別表不 LtS-PR，i 和 Lts-IT，i 的可靠性； 每個互感器到主保護單元之間都存在一條SV信息迴路，每個斷路器到主保護單元之 間都存在一條GOOSE信息迴路，運用最小路集法，SV信息迴路、GOOSE信息迴路的可靠性可 按下式求解；
其中，RSu表示第j個互感器所對應的SV信息迴路的可靠性，R_SE。.表示第j個斷路 器所對應的GOOSE信息迴路的可靠性，LMI_PIU和LPK_ BIU分別表示第j條SV信息迴路和第j 條GOOSE信息迴路的第i條路徑； (2) SV信息可靠性和GOOSE信息可靠性則根據各條路徑是串聯關係還是並聯關係進行 計算，如果一個保護單元需採集多個互感器信息，或是控制多臺斷路器，則每條信息的可靠 性為串聯關係，SV信息可靠性和GOOSE信息可靠性按下式求解：
對於一套保護而言，其需要SV信息和GOOSE信息同時正常工作，因此兩者之間為串聯 關係，其可靠性計算表達式如下式所示： RsYS，i - Rsv · R&XISE 式中，RSYS，i表示第i個保護單元對應的單套繼電保護的可靠性； (3)根據單套繼電保護可靠性表達式計算得系統的整體可靠性表達式，如下式所示：
0
4.根據權利要求1所述的一種評估數位化變電站繼電保護系統可靠性的方法，其特 徵在於，所述同步對時系統框圖模型中，同步對時信息迴路的起點是同步時鐘源，終點是各 個需要同步對時的智能電子裝置，包括合併單元、保護單元和智能終端；所述SV報文信息 迴路的框圖模型中，SV報文的信息迴路起始於互感器，經由合併單元和交換機網絡後，最 終到達保護單元；所述斷路器迴路GOOSE報文信息迴路框圖模型中，GOOSE報文信息迴路， GOOSE報文作為跳合鬧信號、開關位置信息和閉鎖信號信息的載體，通過交換機網絡在保 護單元和智能終端之間傳輸，並最終達到控制斷路器；GOOSE報文信息迴路框圖模型，輔助 保護單元迴路GOOSE報文信息迴路，通過交換機網絡在主保護單元與輔助保護單元之間傳 輸。
【文檔編號】G06F19/00GK104217120SQ201410468766
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】郭亮, 孫旻, 熊華強, 榮彩霞, 王文彬 申請人:國家電網公司, 國網江西省電力科學研究院