肖 嘉

（汕头供电局 广东 汕头 515041）

0 引言

广域保护系统由于其保护原理和实现形式都不同于传统保护装置，随着通信系统的加入，在对其进行可靠性分析时需要考虑更多因素。由于广域保护系统现阶段还未大规模投运，使得对其进行可靠性分析时也需要借助于设计阶段的容错性分析。随着广域测量系统（WAMS）和数字化变电站的普及，基于此两者的广域保护系统在运行中可能出现的情况有保护元件失效或误判，信息丢失错误等。

本文利用现有研究中对广域保护系统容错性的分析，分析广域保护系统运行中将要出现的不同运行状态，结合可靠性分析常用理论，对广域保护系统可靠性分析进行初步讨论。

1 广域保护容错性要求

广域保护系统由于基于对广域范围内保护元件故障信息的收集，并通过对广域范围内各断路器进行控制，完成广域保护动作策略。这一系列的采集控制流程与传统的继电保护系统有很大的差别，不仅要求保护方案无保护死区，也对通信系统的可靠性有很高的要求。由于广域保护系统无论基于方向比较原理还是广域差动原理都受采集系统的影响，在主保护受采集传输回路影响未能快速动作时，广域后备的快速近后备也很有可能无法动作。不仅如此，广域保护系统受通信系统的影响更甚于传统主保护系统，任何一个环节的故障都可能使得保护无法及时动作，甚至于误动作。对于广域保护系统运行中可能出现的问题，需要在系统设计过程中考虑其容错性能，从保护原理、动作策略和系统软硬件等方面提高保护系统运行可靠性。

1.1 保护原理容错性

由于目前各类广域保护系统构建和算法流程还处于仿真实验阶段，很少在实际大电网系统中投入使用，对于保护原理实际效果未有具体的实例予以分析，因此本节通过分析常规算法，将其扩展至广域保护系统中来，分析在将其引入广域保护系统中所带来的新问题。

广域方向原理的保护范围

通过比较被保护元件各端的故障信息方向，综合判断其指向以确定是否为故障元件，这是广域方向保护原理的基本思想。纵联方向比较保护原理在电力系统中已有广泛成熟的应用，包括常见的线路保护和母线保护[1]。由于该原理简单可靠，基于单端量的故障方向判别算法[2]也很成熟，因此很多研究均将该原理扩展至广域保护范畴。

然而实际电网结构不同于单一元件，功率环流的存在使得方向保护在扩展至广域保护后面临着新的问题。对于扩大了保护范围的方向比较式原理，在环形区域内发生故障时，环流的存在导致扩大了的保护范围边界的IED故障方向并非都指向故障区域。如图1中IEEE5节点系统为例，图中B2，B3和B5构成一简单环形网络，并假定线路L5为一短线路。当线路L4点K1处发生短路故障时，由于线路L4长于线路L5，极易出现母线B2电压高于母线B3的电压，使得D3中故障功率流向为指向线路L2。此时对于虚线区域的B2&L4扩大保护区而言，D3不仅可能输出无故障的判别，甚至有可能输出为反方向的故障，误判的结果将导致该扩大区域的保护失效或拒动。对于简单发散式树形网络，由于无环流则不会受该问题影响。

图1 IEEE5节点系统

结合上述分析，在应用广域方向比较原理时应谨慎扩大其保护范围，避免出现由于误判而闭锁后备保护功能的实现。在配合整定时应充分考虑实际电网结构的影响，同时利用其他保护原理（如阻抗距离保护）将故障方向有效性限制在一定的区域内，发挥广域方向比较原理的功能。

1.2 动作原件容错性

对于采样通信系统的故障，往往可通过自检、备用等措施，使其不在电网发生故障时出现，保证保护方案按预想正常执行。但对于断路器拒动的情况往往很难在电网正常运行时便发现，因而需要设定特定的处理方案。

在保护装置判别故障发生动作于跳闸时，可能发生故障元件的断路器拒动，也称为断路器失灵。该故障的切除一般通过相邻元件远后备或专用的断路器失灵保护实现。实际上相比于远后备动作，断路器失灵保护动作可加快故障隔离时间与减小停电范围，因此将失灵保护纳入广域保护系统很有意义。该保护主要完成以下功能：

1）利用广域保护原理判别故障并制定快速近后备的跳闸策略，相关断路器动作于跳闸切除故障；

2）利用站层保护信息矩阵分析搜索相关联的所有断路器，并监测断路器状态及故障信息量；

3）延时后判断，若该断路器是否失灵，则跳开相关联所有断路器。

以上问题在广域保护系统建设过程中是不能回避的，解决的方法除了以上对具体问题的分析解决外，一般还可通过引入自检机制和投入备用设备两个手段解决。

2 广域保护可靠性分析

目前对于广域保护系统的研究大多仍处于理论分析和装置研发阶段，因此很少有文献涉及广域保护系统的可靠性分析。本节通过结合上两节中对于广域保护容错性的分析，讨论广域保护系统可靠性分析的特点。

广域保护系统在保护原理和实现方法上都有别于传统保护，而这其中最重要的变化就是它的实现是基于广域测量技术（WAMS）[3]上。由于广域保护系统对于通信网络有很高的依赖性，因此需要在可靠性分析建模时充分考虑网络系统故障带来的影响。结合第一部分中对广域保护系统容错性处理所分析的可能出现的故障情况，可在状态空间法分析时添加相对应状态，并构建新的状态转移图分析相应可靠性。

通过对广域保护系统运行容错性措施的分析，可将其运行状态分类六类。

状态0：正常运行；

状态1：自检检出系统设备故障，故障分区通过投入备用中心站后部分运行，故障站点自动转入传统保护模式；

状态2：分区重构后运行，即故障分区中出现故障的站点过多，以至于需要改变分区策略；

状态3：自检未检出的系统设备故障，指的是保护原理失误造成保护拒动或误动；

状态4：定期检修；

状态5：大面积网络瘫痪，由于网络通信故障，造成的广域保护系统无法正常完成功能，需要退出。

图2 广域保护系统状态转移图

由状态转移图2可得转移概率矩阵Q和平稳概率矩阵

方程组可解得

式中 K=（μ2+λ52）（μ1+λ2）。

对于广域保护系统可靠性分析而言，状态0是完整运行状态，而状态1和状态2下系统仍然为电网中大部分元件提供保护，因此在评价系统的可靠性时综合三个状态的运行概率，得到系统运行时的可靠性。

A=P0+P1+P2(3-6)

同时状态5反映了系统的状态3和状态5表示系统失效的概率，是对于系统运行于不可预知或故障超出承受能力下两类状态的反映。

3 结语

本文通过分析广域保护系统中对容错性能的基本要求，列举了包括保护原理和系统设备中可能会产生的一些问题，并给出相应的处理方案；结合广域保护系统中新出现的容错性要求和可靠性分析理论，对广域保护系统可靠性分析方法做了初步试探，介绍其分析过程中对于通信故障和算法失效等情况下处理，利用状态转移分析法对以上分析进行研究。

［1］郭永基.电力系统可靠性分析[M].北京：清华大学出版社，2003.

［2］戴志辉，王增平.继电保护可靠性研究综述[J].电力系统保护与控制， 2010，38(15)：162－167.

［3］孙福寿，汪雄海.一种分析继电保护系统可靠性的算法[J].电力系统自动化，2006，30(16)：32－35，76.