王尚成

【摘要】随着电力系统规模的扩大，网络结构越来越复杂，电力系统可靠性问题受到越来越多的关注。电力系统其二次系统中继电保护的可靠性直接关系到电力系统的安全运行。文中分析了继电保护系统硬件和软件的失效因素，运用故障树分析法对电力继电保护系统可靠性进行分析，通过建立模型，并运用于具体算例，得出分析结果：运用故障树分析法对电力继电保护系统的可靠性进行分析是可行的，并且是准确的。

【关键词】电力系统;可靠性;故障树;继电保护

1.引言

目前，国内外关于各类机组、变压器、电网等电力系统一次设备的可靠性研究已逐步走向成熟。电力系统其二次系统的继电保护、自动装置等能自动、快速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，直接关系到电力系统的安全运行与可靠性。在电力系统其二次系统可靠性的研究中，继电保护的可靠性显得尤其重要，其不正确动作便会使电力系统的故障扩大，甚至可能发生不良连锁反应而造成电力系统崩溃，导致大面积停电，造成重大经济损失。因此，研究继电保护系统的可靠性十分重要，本文运用故障树分析法对电力继电保护系统可靠性进行如下研究和分析。

2.继电保护系统的可靠性模型

继电保护系统是一个由继电保护装置、测量装置、断路器及其操作机构及二次回路，由继电器、电器元件和连接不同电器设备的导线及电缆所组成.构成的统一整体，继电保护系统简化逻辑图如图1所示。

图1 继电保护系统简化逻辑图

电力系统微机继电保护系统可以分为软件系统和硬件系统，按照软硬件系统分类分别找出影响其可靠性的因素并建立相应的计算模型，最后用马尔科夫状态法综合求解出保护的可用度和失效率。

2.1 保护系统硬件失效因素及模型

保护系统硬件由电压电流互感器、继电保护装置、二次回路、继电保护的辅助装置、装置的通信、通道及接口、断路器及其操作机构组成。

（1）继电保护装置。继电保护装置实际上是1台特殊的计算机，可分为7个模块：电源供应模块、中央处理模块、数字量输人模块、模拟量输人模块、数字量输出模块、通信模块、人机接口模块。

（2）二次回路。保护系统二次回路主要包括测量回路、继电保护回路、开关控制及信号回路、操作电源回路、断路器和隔离开关的电气闭锁回路等全部低压回路。二次回路因线路绝缘不良、老化、裸露容易导致接地或者元件连接接触不良、松动而造成故障。

（3）电压/电流互感器。电压/电流互感器将高压侧的电压电流变换成适用于二次回路的电压电流。

其采集量的误差主要在于二次接线错误和接线的连接松动，所以要求互感器引出端子的极性必须正确，从电流/电压互感器二次端子引至保护装置的接线也必须正确。

（4）继电保护的辅助装置。包括交流电压切换箱、三相操作继电器箱及分相操作继电器箱等，其主要用作二次回路的切换及作为断路器操作的辅助控制，以满足断路器的控制操作。

（5）装置的通信、通道及接口。高频保护的收发讯机、纵联差动保护的光纤、微波的通信接口及综合自动化系统的通信网络与接口是这些装置系统的薄弱环节，容易发生通信阻断故障，直接影响装置的正确动作。

（6）断路器及其操作机构。断路器及其操作机构结构复杂，可靠性比较低，它与继电保护系统是否配合完好直接影响着故障能否完全切除。

本文采用故障树分析法，把保护系统硬件失效分为两部分，即保护的失效和断路器的失效。设今表示保护正确，B表示断路器正确。则系统失效可表示为：

（1）

因此，以保护系统硬件失效为顶事件建立的故障树。设事件a：表示断路器可靠动作率b：表示断路器失效;c：表示二次回路、接线失效;d：表示继电保护辅助装置失效事件e：表示电因电流互感器失效;f：表示装置的通信、通道及接口失效;g：表示继电保护装置失效。

分别表示这7个事件的失效率，用下行法求最小割集，步骤如表1所示。

则硬件失效率为Y：

Y=a（c+d+e+f+g）+b=ac+ad+ae+af+ag+b （2）

各模块的概率重要度见表2。从表2可以看出，保护装置所占比例最大，其次为二次回路。所占比例越大对硬件系统的失效贡献也就越大，反过来说由保护装置引起的硬件系统失效可能性最大，所以在保护硬件系统中，保护装置还是最薄弱的环节，其次是二次回路。

为了计算各个模块的失效率，本文采用美国军用标准中发布的电子设备可靠性预计手册MIL.HDBK-217E来计算装置中元器件和各硬件模块的失效率。

2.2 保护系统软件失效及模型

在微机继电保护中，软件算法是实现保护功能的核心，软件出错将导致保护装置出现误动或拒动。导致软件出错的主要因素有：需求分析定义不够准确，软件开发人员和用户对需求的理解不同;软件结构设计失误和算法原理误差;编码错误;测试不规范;定值输人出错。在研究软件可靠性时可以认为软件可靠性也是一个随机过程，可用概率分布来描述。但软件可靠性与硬件可靠性的分析又有许多本质的不同：硬件存在老化，其可靠性随着时间增长而递减，但软件不会老化，而且软件失效隐患在测试和运行过程中将会不断被排除;硬件可靠性通常依赖于构成的元器件，软件由于其自身的复杂性和软件设计错误而影响其可靠性，所以，对软件可靠性的建模和测量问题比硬件可靠性更具挑战性。针对微机保护软件的这种特点，本文采用Logarithmic Exponential模型来研究保护软件的可靠性。

2.3 保护系统可靠性分析

随机过程可以按照其状态分为连续型或离散型。一个随机过程x（t），如果集合（t1，t2，…， tn）中的时刻按次序排列，在条件X（t1）=Xi，i=1，2，….，n-1下，X（tn）-Xn的分布函数恰好等于X（tn-1）-Xn-1条件下的分布函数，则称具有这种性质的随机过程为马尔科夫过程。继电保护装置的工作过程则是马尔柯夫过程，采用状态空间法综合求解继电保护系统的可靠性指标。

3.算例及分析

本文以1个220kV继电保护系统为例，收集有关可靠性材料，并运用上述模型进行可靠性评估。其中，硬件模型中的继电保护装置模块、二次回路模块、辅助装置模块及通信模块的失效率计算，得到保护装置故障率为23.75×10-6電压/电流互感器故障率为9.86×10-6，二次回路故障率为10.56x10-6，辅助装置故障率为0.84×10-6，通信系统故障率为1.27×10-6，断路器故障率为1.1244x10-4，硬件故障可自检修复率m1为0.25，硬件故障不可自检修复率脚为6.85×10-4，软件修复率为0.25，初始故障概率m0为120.0×10-4，系统运行中累计发现的错误数u为22，故障减少率系数e为0.126。根据实际运行的经验和统计数据，确定保护硬件失效自检检出的概率c=0.9。将上述参数代人式（2）和式（5）可得：

n=47.342×10-610-4

n1=cn=42.608×10-6

n1=（1-c）n=4.734×10-6

n3=n（u）=120×e0.126×222=7.5044×10-6

再将n，n1，n2，n3带入公式9得：保护系统的可用度A=Po=98.67%，失效度=1-A=1.33%。

4.结论

对比之前的评估结果，其计算出的保护系统的可用度为97.87%，本文在考虑了更多的因素后算得继电保护系统的可用度为98.67%。参考2000年—2003年全国220 kV系统的正确动作率数据：95.56%、99.19%、99.15%、99.14%、将上述数据与本文方法得出的结果相比较，可知本文方法更全面、更加符合实际情况、结果合理。

参考文献

[1]郑圣，赵舫.故障信息处理系统中继电保护装置的可靠性研究[J].继电器，2005（11）：37-39.

[2]黄善康.微机型继电保护的试验、检验与状态检修[J].陕西电力，2007（04）：57-59.