一种评估数字化变电站继电保护系统可靠性的方法
【专利摘要】一种对数字化变电站继电保护系统可靠性的评估方法，本发明根据数字化继电保护的组成和1特点，以保护功能的信息流作为研究对象，以图形建模和可靠性框图的分析原理为基础建立数字化继电保护系统可靠性分析的模型，并以实例计算作为【具体实施方式】。本发明提出的可靠性分析方法是以已知构成继电保护系统各元件的元件可靠度为基础进行分析和计算，其结果可以作为评价不同结构的系统可靠性的高低，以此来选出更为合适的系统组成方式，可用于数字化变电站前期的规划。本发明的方法所提出的可靠性的建模及计算方法比较直观，思路清晰，可以直接通过数字化变电站的拓扑图直接抽象出可靠性的计算模型。
【专利说明】一种评估数字化变电站继电保护系统可靠性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字化变电站继电保护系统可靠性的评估方法，属变电站继电保护系 统【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在20世纪80年代，可靠性分析开始应用于电力系统之中，由最初的规划可靠性分 析逐渐扩展到电力系统的各个方面。在继电保护系统中，最初常用正确动作率、平均无故障 工作时间（MTBF)、平均寿命（MTTF)等指标来作为可靠性的评价指标，然而这些指标只能通 过以往的数据来对系统可靠性进行一个大致的评价，而无法预测和估计一个系统可能具有 的可靠性，在指导继电保护系统建设方面的应用具有一定的局限性。
[0003] 目前在保护可靠性评估建模及指标求解方面，主要分为解析法和模拟法两种。解 析法主要是利用系统自身的结构以及系统内部各元件之间的逻辑关系，建立起可靠性的计 算模型，再通过代入数值进行迭代运算等过程，最终计算出系统的可靠性指标，可靠性评 估中广泛采用的主要是马尔可夫模型法、故障树法等，另外还有比较新颖的成功流方法 (Goal Oriented，G0)，都属于解析法求解可靠性的范畴。而模拟法则是利用统计学的方法， 通过对概率分布采样选择和估计状态，其中包括蒙特卡罗模拟法和非指数分布法等等。解 析法与模拟法分别有着各自的优缺点，解析法的物理概念相比较而言更为清晰，模型的精 度更高，但是计算量偏大，尤其是对于复杂的系统而言，其计算时长会随着系统的复杂程度 呈指数上升，模拟法计算可靠性的方法较为直观，但由于其与统计性质相关，计算结果准确 性较差，且计算时间与精度紧密相关。
[0004] 数字化变电站通过将网络通信技术、微电子技术、光电技术等新兴科学引入到变 电站的自动化控制系统中，使得变电站中的信息传递更加趋向于数字化和网络化。随着非 常规互感器和智能断路器等新技术的发展以及IEC61850标准的提出，数字化变电站逐渐 形成一次设备智能化，二次设备网络化的架构体系，以往变电站自动化系统中信息难以共 享，设备之间不具备互操作性，系统可展性差等不足之处将得以克服。
[0005] 作为保障电网安全运行的第一道防线，继电保护系统是电力系统正常运行不可或 缺的组成部分，其正确动作与否将对电力设备安全和供电可靠性产生直接的影响，正是由 于其所处的特殊地位，继电保护系统一般被要求具有很高的可靠程度，包括故障时的可靠 动作与非故障时的可靠不动作。对继电保护系统进行准确的可靠性评估，可以发现其中的 薄弱环节并加以克服和改正，对继电保护系统的改进具有重要意义。
[0006] 数字化变电站独有的建设标准、结构、元件特性和通信方式，使其继电保护系统面 临着完全不同的现状，主要有：（1)元件众多。诸如合并单元、智能终端和交换机等传统变 电站中没有的元件出现在了数字化的继电保护系统中，给保护功能带来便捷的同时，对其 可靠性能也产生了一定的影响。（2)结构复杂。以往点对点的传输方式被以太网所取代，由 交换机组成的网络改变了以往单一的拓扑结构，使之变得更加复杂，因而交换机的接线方 式在很大程度上决定了整个继电保护系统信息通路的可靠性。（3)信息的网络化传输。数 字变电站以报文式的网络通信方式通信，总是会存在有不可靠的因素，有可能会发生丢包 或是网络风暴等现象，这在继电保护系统中是不允许出现的。因此诸如VLAN分区隔离技 术、优先级队列技术、快速生成树协议、IGMPSnooping组播过滤技术等将会应用于数字化变 电站之中，以确保网络传输的可靠性。
[0007] 数字化变电站继电保护系统中存在有同步对时信息、以SV报文形式传输的采样 信息、以GOOSE报文形式传输的断路器控制及状态信息三种信息流，三种信息流的连通性 对于继电保护系统的可靠性至关重要，除此之外，有的保护功能会需要与其他保护单元配 合，所以保护单元之间有时也会存在GOOSE报文的交换。
[0008] 本发明利用可靠性框图的分析原理，结合数字化变电站继电保护系统信息流的特 点，建立起可靠性的分析摸型，提出一种针对数字化变电站继电保护系统的可靠性评估方 法。可靠性框图的分析方法是利用系统内部元件之间的逻辑关系，以节点和连线的形式表 现出来，并最终框图进行数学分析从而得出系统可靠性的方法。这种分析方法在结构上 一目了然，可以清楚的知道系统与其内部构成元件之间的关系，逻辑清晰，并且计算过程简 单，计算速度快。在可靠性框图中，有节点和连线两种结构，其都是从实际的物理结构中抽 象而来，代表了其中的各个元件。每个元件都有自身的可靠性数值，称为元件可靠度，有时 为了计算方便，可以不考虑连线的可靠性数值。每个可靠性框图代表了一种或多种功能的 实现，其能成功完成的可能性，也就是该功能的可靠性既与元件可靠度有关，也与元件之间 的结构关系有关，可靠性框图的分析方法就是综合考虑这两点，利用数学的计算方法，得到 最终的结果。
[0009] 对于一个由若干元件组成的系统，如果任一元件故障或是失效就会引起系统故 障，这种系统的结构就被称为串联结构，该系统内元件之间的关系就是串联关系，如图1所 /_J、1 〇
[0010] 对于一个由m个元件串联组成的系统，其可靠性表达式为：
[0011]
【权利要求】
1. 一种评估数字化变电站继电保护系统可靠性的方法，其特征在于，包括， 所述方法把整个智能变电站的信息流系统等效为一个二端网络式的结构，系统要完成 其功能，其组成元件所连接成的必要回路必须连通，此时回路连通的概率就可以作为该系 统的可靠性数值；所述方法利用最小路集法求解二端网络可靠性； 所述方法利用框图模型建立数字化变电站同步对时系统框图模型、SV报文信息回路的 框图模型、断路器回路GOOSE报文信息回路框图模型和辅助保护单元回路GOOSE报文信息 回路框图模型，从而获得相应的信息回路； 所述方法在所述信息回路和组成元件的基础上，求解数字化变电站继电保护系统的整 体可靠性。
2. 根据权利要求1所述的评估数字化变电站继电保护系统可靠性的方法，其特征是， 所述方法求解数字化变电站继电保护系统的整体可靠性时，将传输介质看作节点间的连 线，而其他元件看作节点，数字化继电保护系统就可以看作是一个连通的网络系统，所述同 步对时系统框图模型、SV报文信息回路、断路器回路GOOSE报文信息回路和辅助保护单元 回路GOOSE报文信息回路的各类信息回路的可靠性运用最小路集法计算二端网络连通率。
3. 根据权利要求1所述的配电台区电压偏低判别方法，其特征是，所述求解整个继电 保护系统可靠性按下面的步骤进行： (1) 对时回路的元件可靠性较为特殊，应放在首要的位置计算，对时回路的可靠性应该 加入设备本身的可靠性，形成修正后的元件可靠性表达式，如下所示：
式中：R'm、R'PK和R'IT分别表示修正后的合并单元、保护单元和智能终端的可靠性； LTSiu、LTS_PIU和LTS_ITii分别表示同步时钟源分别到合并单元、保护单元和智能终端的第i 条最小路径，η表不最小路径的数量；P(L TS_PIU)、P(LTS_PIU)和P(LTS_ IT，i)分别表不 LtS-PR，i 和 Lts-IT，i 的可靠性； 每个互感器到主保护单元之间都存在一条SV信息回路，每个断路器到主保护单元之 间都存在一条GOOSE信息回路，运用最小路集法，SV信息回路、GOOSE信息回路的可靠性可 按下式求解；
其中，RSu表示第j个互感器所对应的SV信息回路的可靠性，R_SE。.表示第j个断路 器所对应的GOOSE信息回路的可靠性，LMI_PIU和LPK_ BIU分别表示第j条SV信息回路和第j 条GOOSE信息回路的第i条路径； (2) SV信息可靠性和GOOSE信息可靠性则根据各条路径是串联关系还是并联关系进行 计算，如果一个保护单元需采集多个互感器信息，或是控制多台断路器，则每条信息的可靠 性为串联关系，SV信息可靠性和GOOSE信息可靠性按下式求解：
对于一套保护而言，其需要SV信息和GOOSE信息同时正常工作，因此两者之间为串联 关系，其可靠性计算表达式如下式所示： RsYS，i - Rsv · R&XISE 式中，RSYS，i表示第i个保护单元对应的单套继电保护的可靠性； (3)根据单套继电保护可靠性表达式计算得系统的整体可靠性表达式，如下式所示：
0
4.根据权利要求1所述的一种评估数字化变电站继电保护系统可靠性的方法，其特 征在于，所述同步对时系统框图模型中，同步对时信息回路的起点是同步时钟源，终点是各 个需要同步对时的智能电子装置，包括合并单元、保护单元和智能终端；所述SV报文信息 回路的框图模型中，SV报文的信息回路起始于互感器，经由合并单元和交换机网络后，最 终到达保护单元；所述断路器回路GOOSE报文信息回路框图模型中，GOOSE报文信息回路， GOOSE报文作为跳合闹信号、开关位置信息和闭锁信号信息的载体，通过交换机网络在保 护单元和智能终端之间传输，并最终达到控制断路器；GOOSE报文信息回路框图模型，辅助 保护单元回路GOOSE报文信息回路，通过交换机网络在主保护单元与辅助保护单元之间传 输。
【文档编号】G06F19/00GK104217120SQ201410468766
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】郭亮, 孙旻, 熊华强, 荣彩霞, 王文彬 申请人:国家电网公司, 国网江西省电力科学研究院