（电气工程专业论文）电网可靠性评估中的继电保护概率模型研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 继电保护作为防止故障及扰动对电力系统危害的第l 道防线，是电力系统必 不可少的组成部分，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障扩大和事故 发生都有着极其重要的作用。随着互联系统网络和容量的增大以及电压等级的提 高，电力系统故障所影响的地域范围和用户数量也越来越大，如何保证电网能够 正常运行，使继电保护系统实现高速、准确、可靠动作，是摆在电力工作者面前 的一个重要问题。同时，电力体制改革的深入开展，和人们对电能质量的要求日 益提高，也促使电力系统可靠性评估得到了人们广泛的关注和研究。但迄今电力 系统可靠性评估中很少涉及保护系统的可靠性，而在计及继电保护系统的电力系 统可靠性评估中，一般把继电保护系统作为一个整体处理，或借修正被保护元件 的故障率来反映继电保护系统对电力系统可靠性的影响，因此，不能真实、准确 地体现继电保护系统对电力系统可靠性的影响。本文根据继电保护系统的动作逻 辑，利用m a r k o v 过程理论，对电网可靠性评估中继电保护系统可靠性模型进行研 究 m a r k o v 状态空间法因其适用范围较广，在可修复系统可靠性研究中得到广泛 的应用，是一种非常有效的方法。电力系统中继电保护系统一般是可修复的，其 故障率x 和维修率l l 为常数，故而继电保护系统的可靠性适合采用m a r k o v 状态空 间法进行求解。 本文分析了继电保护系统的工作特性，同时，对继电保护系统可靠性特征量 进行了总结根据继电保护系统的动作逻辑，针对继电保护系统的不同配置，利 用m a r k o v 状态空间法，对保护系统的可靠性进行了详细的分析求解，建立了相应 的保护系统可靠性模型 该模型计及了主保护和后备保护的作用，可以求解不同保护配置的保护系统 可靠性，能够真实地体现保护系统对电网可靠性的影响。利用实际统计数据进行 了算例分析，验证了模型的合理性，计算结果对电力系统可靠性评估具有参考价 值。 关键词：电力系统，继电保护，m a r k o v 状态空间，可靠性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t r e l a yp r o t e c t i o na st h ef i r s tl i n eo fd e f e n s et op r e v e l 吐t h ee f f e c to ff a u l ta n d d i s t u r b a n c et op o w e rs y s t e mi sa l li n d i s p e n s a b l ep a r to fp o w e rs y s t e m , w h i c hi so f e x l t e m ei m p o r t a n c et oe n s u r ep o w e rs y s t e ms e a 峨o p e r a t i o na n dt h eq u a l i t yo fp o w e r s u p p l y , p r e v e n tf a u l t st oe x p a n da n dp r e v e n tf r o ma c c i d e n t s a l o n gw i t ht h en e t w o r k a n dc a p a c i t yo fi n t e r c o n n e c t e ds y s t e ma u g m e n t i n ga n dv o l t a g e 鲫ci n c r e a s i n g , t h e z o n ea n d1 7 , o n s u l n e l n u m b e rw h i c ha 北a f f e c t e db yf a u l t s 姗i n c r e a s i n g h o wt oe n s u r e p o w e rn e t w o r k t oo p e r a t en o r m a l l y , t om a k er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mo p e r a t i n g h i g h - s p e e d y , a c c u r a t e l y , r e l i a b l yi sa l li m p o r t a n ti s s u ew h i c hp o w e rw o r k e r sn e e df a c e m e a n w h i l e , t h es y s t e mr e f o r mo fe l e e l r i ep o w e ri se x p a n d e dd e e p l y , a n dt h er e q u e s to f p o w e rs u p p l y sq u a l i t yi si n c r e a s i n gf o rc 讲蟠m e l 墨t h er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to f p o w e r s y s t e mh a sa r o u s e db r o a d l yp e o p l e sa t t e n t i o na n dr e s e a r e l 乱b u tn o wt h er e l i a b i l i t y a s s e s s m e n to f p o w e rs y s t e mr e f e r st op r o t e c t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t yr a r e l y , t h er e l i a b i l i t y a s s e s s m e n tw h i e l ar e f e r st or e l a yp r o t e c t i o na l w a y sd e a l 、i t l lt h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m a sac o m p o n e n t , 0 1 r e f l e c t st h ei n f l u e n c eo fr e l a yp r o t e c t i o nt h r o u g ha d j u s tt h ef a i l u r e r a t eo fc o m p o n e n tp r o t e c t e d , t h u s ，i tc a nn o tr e f l e c tt h ei n f l u e n c eo fr e l a yp r o t e c t i o n s y s t e mt or e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to f p o w e rs y s t e m ( n l l ya n da c c u r a t e l y a c c o r d i n g t ot h e a c t u a t i n gl o g i co fr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m , t h i sp a p e ru s e sm a r k o vp r o c e s st h e o r yt o r e s e a r c ht h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t ym o d e li nt h er e l i a b i l i t ra s s e s s m e n to f p o w e r n e t w o r k m a r k o vs t a t es p a c ei s w i d e l ya p p l i e dt ot h er e l i a b i l i t yo fr e p a i r a b l es y s t e m , b e c a u s et h ef i e l do fm a r k o vs i ：a 钯s p a c ei sa b r o a d , w h i e l ai sav e r ye f f e c t i v em e t h o d r e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mo fp o w e rs y s t e mi sr e p a i r a b l e ，f a i l u r er a t e a n dr e p a i rr a t e i l 矾c o n s t a n t , t h er e l i a b i l i t yo f r e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mi ss u i t a b l et ou s em a r k o v s t a t e s p a c e t oe v a l u a t e t h ep a p e ra n a l y z e st h eo p e l f a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m , a n d 圈t l m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u eo f r c l a yp r o t e c t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt o t h ea c t u a t i n gl o g i co fr c l a yp r o t e c t i v eu n i ta n dd i f f e r e n tr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m e o n f i g u r a t i o m , t h i sp a p e r 1 l s e sm a r k o vb - * t a t es p a c et oa n a l y z ea n de v a l u a t et h er e l i a b i l i t y o fp r o t e c t i o ns y s t e mi nd e t a i l , a n dp r o p o s e st h ee o r r e s p o n d i n gr e l i a b i l i t ym o d e lo f p r o t e c t i o ns y s t e m c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fm a j o rp r o t e c t i o na n db a c k u pp r o t e c t i o n , t h em o d e lc a n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 e v a l u a t et h er e l i a b i l 时o fp r o t e c t i o ns ) ，s t e m 诵t hd i f f e r e n t 砌g u r a f i o m ，a n dc a l l 北n c c tt h er e l i a b i l i t yo fp r o t e c t i o ns y s t e mt r u l y u s i n gp m c t i c a ls t a t i s td a t a t h ec a s e s m $ c a t et h e 、，a l i d i wo ft h em o d e l ；t h er e s u l t sa 佗v a l u a b l ef o rt h e 化l i a b i l i t y 鹳辩s 锄c n t o f p o 啊s y s t e m k e y w o r d s ：印w 叮s y s t e m , r c l a yp r o t e c t i o n , m a r k o vs t a t e a c e ，r e l i a b i l i 锣 m 独创- l 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名聊p 锄刁签字日期- 州年捐y 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文储魏阳诊匆亨 签字日期：沙夕年- f j 9 刁日 导师签名炒、 签字日期：力即7 年s 月乡日 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 l 绪论 1 1 引言 电力系统的根本任务是尽可能经济而可靠地将电力供给用户，安全、经济、 优质是对电力系统的根本要求【n 。但是，在现代化电力系统的功能日臻完善的过程 中，系统的结构日益复杂，系统所包含的元件数量越来越多，自动化程度也越来 越高，而且系统不断向超高压、远距离和大容量方向发展，由于系统元件的随机 故障而引起系统功能的部分甚至全部丧失，给现代社会的正常生产和生活带来的 经济和社会损失越来越巨大。 上世纪8 0 年代初，我国电力系统为防正发生恶性事故，制定了 电力系统安 全稳定导则。该导则对引起大面积停电、系统崩溃的恶性事故的机理，预防的原 则和相应技术措施等做了全面的阐述和规定。该导则中，把采取一定技术措施后 就可以保持系统稳定又可以不丢掉负荷的故障称为第一类稳定性故障，其相应的 技术措施后来被称为第一道防线；对采取一定技术措施，但必须丢掉部分负荷的 故障称为第二类稳定性故障，此时，除第一道防线的技术措施外所必须增加的技 术措施称为第二道防线；当系统已经失去稳定，但采取一定的技术措施后即可避 免系统发生大面积停电和崩溃的故障称为第三类稳定性故障，其相应的技术措施 称为第三道防线。 第一道防线的技术措施主要是采用继电保护( 包括重合闸、电气制动等) 技术； 第二道防线主要是按稳定判据决定切机、切负荷以及连锁切机、切负荷等；第三 道防线主要是低频、低压减负荷，振荡解列等。 因此，继电保护系统是电力系统安全保障体系的重要组成部分当系统由于 自然的、人为的或设备故障等原因，使电网的某处发生故障或不正常运行状态时， 要求继电保护系统能迅速将故障部分切除，以保证电力系统运行的稳定性，并最 大限度地使电网的非故障部分继续可靠地供电而国内外无数实例也证明，继电 保护系统是电力系统安全运行的保证然而无数实例也说明，几乎凡是涉及停电 范围较大的大型系统事故，都与继电保护系统的不正确动作有直接或者间接的关 系t 州。从电网安全运行的角度出发，电网对继电保护系统提出了严格的要求，要 求动作于跳闸的继电保护系统必须满足可靠性、灵敏性、选择性和速动性。 电力系统中发生故障时，如果继电保护系统不能正确动作切除故障，就会导 致事故扩大造成巨大的损失所以，确保继电保护系统处在完好状态，保证动作 的安全性和可靠性，是电力生产中一个非常重要的问题。 确保继电保护系统处于完好状态的途径有：及时发现并消除继电保护系统的 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 故障和缺陷；对继电保护系统进行科学、有效的检修、维护，采取科学、有效的 检修策略，对继电保护系统进行可靠性分析 随着我国电网全国联网，西电东送格局的形成，确保电网运行的安全、可靠， 显得尤其重要要确保电网运行的安全、可靠需要各方面的共同努力，继电保护 系统是其中的一个重要方面 1 2 国内外研究现状及发展趋势 继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。由于电力系统的发展， 用电设备的功率，发电机的容量不断增大，发电厂、变电站和电网的接线不断复 杂化，为了保障电力系统能够正常运行，二十世纪初继电器广泛开始应用于电力 系统的保护从那时起，继电保护技术开始引起电力行业的重视，经过一个多世 纪的发展，继电保护技术得到了长足的发展，其运行性能和可靠性也有了质的提 高 1 2 1 电力系统继电保护发展现状 随着电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。1 9 世纪末已开始利用熔断 器防止在发生短路时损坏设备，建立了过电流保护原理，1 9 0 1 年出现了感应型过 电流继电器。1 9 0 8 年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理。1 9 1 0 年方向性电流保护开始得到应用，在此时期也出现了将电流与电压相比较的保护 原理，并导致了= 十世纪2 0 年代初距离保护装置的出现。随着电力系统载波通讯 技术的发展，于3 0 年代初，出现了利用高压输电线上高频载波电流传送和比较输 电线两端功率方向或电流相位的高频保护装置二十世纪5 0 年代，微波中继通讯 开始应用于电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线两端故障电气量的 微波保护。经过2 0 多年的研究，7 0 年代诞生了行波保护装置 由于我国工业基础薄弱，我国继电保护方面的研究起步较晚。建国后，我国 继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有， 在大约1 0 年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。5 0 年代，我国工程技 术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术嘲， 建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对 全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当 时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业因而在6 0 年代 中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电 式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础 自5 0 年代末，晶体管继电保护已在开始研究6 0 年代中到8 0 年代中是晶体 管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 合作研究的5 0 0 k v 晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高 频闭锁距离保护，运行于葛洲坝5 0 0k v 线路上嘲，结束了5 0 0 k v 线路保护完全依 靠从国外进口的时代 在此期间，从7 0 年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。 到8 0 年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护到9 0 年代初 集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。在 这方面南京电力自动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要 作用i _ ”，天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向 高频保护也在多条2 2 0 k v 和5 0 0 k v 线路上运行。 至9 0 年代，我国继电保护技术已全面进入微机保护的时代。不同原理、不同 机型的微机线路和主设备保护各具特色，为我国电力系统提供了一批新一代性能 优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。 随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论 成果睁u 】。迄今为止，数字式继电保护产品在国内已经经历了几次更新换代第一 代采用集中式处理，将所有涉及保护信号处理的部分集中于单片化的若干i c 器件 上加以实现，如单一的c p u 、多路开关、单一的模数转换芯片等；第二代采用分 散式处理，将不同保护原理的实现分散至不同c p u ，各保护c p u 均采用其专用的 数据采集系统；第三代的微机保护是对前两代的极大改进和完善，利用v f c 构成 数据采集系统，有效地解决了多c p u 的数据共享问题，总线不出芯片的大模块结 构，使得抗干扰性大大增强，随着可靠性的提高，装置的性能亦大大增强 第三代典型微机保护采用主从式分层结构，以实现集中管理和适当的功能分 散和冗余，其突出特点是将保护功能分散至下层各独立的微机保护模块，并利用 适当冗余来提高整体的可靠性，弥补微机系统性能和可靠性上的不足。上层模块 从整体角度管理各类信息和测试、整定过程，方便运行人员的使用和维护这种 结构形式上清晰明确，各硬件部分在其中均完成对自身的功能要求；软件模块独 立，在基于硬件系统完全相同的基础上相互组合共同完成装置的功能。 近年来，与微机保护领域密切相关的其它领域的飞速发展给微机保护亦带来 了全新的革命。如高速数据采集能快速地将模拟输入量准确地转换为所需的高精 度数字量，完全满足了微机保护对数据采集系统的性能指标；如快速数字信号处 理器( d s p ) 的出现，其集成了高速乘加器，采用了多总线的哈佛结构，并以流水线 式的指令处理机构使自己具有强大的计算能力，充分满足微机保护实时处理系统 的要求；又如工业级现场总线的蓬勃发展，改变了传统保护单一化的独立设计思 想，可使电力系统的运行、监控、保护、测量逐步实现网络化、一体化。 国外微机保护发展了近十五年，经历了三代保护设计上的更新换代，并以微 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 处理器技术与多种己被提出并被可靠证明和广泛应用的算法相结合为基础，不断 为新型微机保护的开发和完善创造着良好的实现条件从9 0 年代至今，基于相关 技术的紧密结合，国外各大公司纷纷推出结构新颖、功能强大的新一代微机保护 的平台方案，这其中以a b b 。s i e m e n s 公司为代表 国外新一代微机保护设计思想的基本立足点是：为全球电力系统用户提供最 为先进可靠的集电力监控、微机保护、综合自动化于一体的平台式整体解决方案 其采用面向对象或称为面向间隔的设计思想，开发出具有微机保护、就地监控、 通讯及人机接口操作等多功能的软硬件系统。可根据用户的特殊要求在一个通用 的硬件平台上充分发掘软硬件的使用资源，灵活组态，以实现一个集保护、监控、 通讯三位一体的实时运行系统，具有安全、可靠、灵活、多功能、一定程度的冗 余、抗干扰能力强、数字化程度高等特点。这种高层次的设计思想标志了数字式 继电保护的发展趋势 在未来，微机保护的发展趋势集中体现在硬件上高度的集成化、标准化、性 能上高度的开放化，软件上的多功能化。其目的是使微机保护系统在实现功能日 益完善的软硬件基础上，实现保护系统运行及性能价格比的最优化结构。 由此可见，从继电保护的基本原理上看，到上世纪2 0 年代末，现在普遍应用 的继电保护原理基本上都已建立，迄今在保护原理方面没有出现突破性发展。从 实现保护装置的硬件看，从1 9 0 1 年出现的感应型继电器至今大体上经历了机电式、 整流式、晶体管式、集成电路式、微型计算机式等发展阶段。而尤以近十几年来 引入微型计算机和数字通信技术以后，电力系统保护和自动装置发生了深刻变化。 纵观继电保护将1 0 0 年的技术发展史可以看出，虽然继电保护的基本原理早 已提出，但它总是在根据电力系统发展的需要，不断地从相关的科学技术中取得 的最新成果中发展和完善自身继电保护工作者总是不断地根据需要和可能，对 已有的继电保护装置进行改进和完善，同时努力探求实现继电保护的新原理，开 发新型的继电保护装置。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进 步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。国内外继电保护技术发展的趋势是 向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通信一体化发展，这对 继电保护工作者提出了艰巨的任务，也开辟了发展的广阔天地。 1 2 2 电网可靠性研究现状 2 0 世纪6 0 年代中期以后，随着电力工业的发展，可靠性工程理论开始逐步引 入电力工业，电力系统可靠性也应运而生，并逐步发展成为一门应用学科。1 9 6 5 年9 月，北美电力系统发生了世界电力史上最为严重的一次停电大事故，从而导 致了电力系统可靠性研究的飞速发展。1 9 7 0 年，b i l l i n t o n 发表了电力系统可靠性 研究的第一本专著电力系统可靠性分析，从此，电力系统的可靠性发展进入了 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一个新的时期。2 0 世纪7 0 年代以后，特别是近十多年来，随着经济技术的发展， 电力系统的可靠性越来越为人们所关注。目前，美国、英国等工业发达国家都对 电力系统可靠性进行了专门研究，主要涉及发电系统、输电系统、发输电组合系 统、配电系统以及发电厂和变电站主接线的可靠性，而对保护系统可靠性的研究 较少，其研究成果已经用于生产实践国内对电力系统的可靠性研究开始于2 0 世 纪8 0 年代，但由于缺乏必要的数据和行之有效的方法，发展较为缓慢。随着我国 经济的迅速发展，城网改造步幅的加快，迫切需要电网的安全、可靠运行，因此， 电力系统可靠性的研究引起了人们的广泛重视。 发电系统可靠性评估传统的方法有两种：解析法和蒙特卡洛法。两种方法均 存在缺点，解析法计算量随着元件数的增多呈指数增长，当系统规模大到一定程 度时，采用此法有一定的困难；蒙特卡洛法计算误差与试验次数的平方根成反比， 为降低误差必须显著增加计算时间。为了提高可靠性分析的准确性，减少计算时 间，人们先后提出了一些改进的新方法。 文献【1 4 】提出了随机生产模拟评估方法这种方法的特点是在同时考虑机组的 容量及电量约束的条件下，确定系统的最优运行状态，可以计算出燃料费用等 经济性指标和l o l h 、e e n s 等可靠性指标。与传统的发电系统可靠性计算方法相 比，采用电力系统随机生产模拟的方法可以提供更多的信息量，更能反映电量约 束等实际情况 文献【l 副针对电网互连和市场的新环境下发电容量和负荷具有更强的不确定性 的特点，利用盲数运算建立了可靠性评估模型，并给出了相应的两个指标：发电 系统可靠性盲数期望g r b e 和盲数可信度g r b c 。该盲数模型对于发电系统充裕 度评估具有一定的宏观参考价值对应的两个指标能从量及其分布的角度对系统 长期的电能供需情况作出近似的指示。 发输电合成系统可靠性包括充裕度( a d e q u a c y ) 和安全性( s e c u r i t y ) 两方面。 长期以来，发输电系统可靠性的主要研究仍集中在充裕度方面。安全性评估的计 算复杂性远大于充裕度评估。由于问题的复杂性，目前在模型、算法、软件等方 面，国内外都是处于起步和探索阶段 输电系统可靠性的计算方法也很多文献【1 6 1 通过使用离算事件系统仿真的原 理方法对输电系统进行仿真研究，建立了可靠性仿真模型，编制了相应的计算程 序。实例计算结果表明方法可行，效果令人满意。文献【1 7 1 提出了一种定量计算输 电系统可靠性的新方法，通过合理改变电力系统中各元件的容量以达到预定的可 靠性指标e d n s ，同时计算了各元件的可靠性灵敏度。算例证明该方法可行、实用。 文献【l3 】通过建立大电力系统输电可靠性分析模型( t r e l s s ) ，对大型电力系统的 可靠性进行评估。该方法基于偶然事故和负荷水平的计算，计算范围限制在偶然 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 事故和对系统可靠性产生不利影响的负荷水平之间。此方法可计算可靠性、期望 值、频率和大系统的持续可靠性指数，具有很高的实用价值。 根据配电网络的结线方式的不同，配电系统可靠性评估可分为三种情况：简 单辐射型配电系统的可靠性评估、环形配电系统可靠性评估及复杂配电系统的可 靠性评估 配电系统可靠性评估常采用的方法有：故障式后果分析法，最小路法和网络 等值法等。随着研究工作的进展，不少学者提出了一些改进的新方法。 文献1 1 9 提出了一种基于最小路的评估算法，该算法同时考虑最小路上元件和 非最小路上元件对负荷点可靠性指标的影响，并能为工程技术人员找出网络中最 薄弱环节及采取相应的增强措施提供了参考。 文献 2 0 1 在结合区间运算和配电网可靠性评估网路等值法的基础上，提出了一 种可靠性区间评估方法，并根据实际电力系统的特点采用了一些简化措施，降低 了评估的繁杂度，使它能适用于实际配电系统的可靠性评估 在电气主接线可靠性的定量分析中，常用逻辑表格法根据电气主接线的实 际接线，考虑单重及双重故障的所有可能情况，将其发生频次及造成的停运时间 归纳列成一张表格，然后根据可靠性指标的定义，求出各项指标如停运时间、停 运频次等。文献阱】通过确定设备与断路器的关联矩阵并借鉴逻辑表格法所采用的 可靠性指标的部分计算公式，来定量计算较复杂的电气主接线的可靠性该方法不 必考虑接线的具体形式，这一点与逻辑表格法有本质区别。文献吲在相关研究成 果的基础上，应用矩阵技术对传统的搜索最小路的方法进行了改进，得到一种邻 接终点矩阵方法这种方法通过定义特殊的矩阵乘法规则，用矩阵的乘法运算完 成了对最小路的搜索过程，计算效率大大提高。 针对电力系统各个部分，国内外学者从不同方面入手迸行了研究，经过几十 年的发展，提出了很多电力系统可靠性评估算法，在工程实践中得到了很好的应 用 1 2 3 电力系统继电保护可靠性研究现状 目前，对于可靠性理论在电力系统继电保护方面的应用研究还处于发展时期， 这方面的文献论述也不多国内外学者主要从正确建立继电保护系统可靠性指标 体系以及如何评估可靠性指标进行了研究，在工程、理论上也取得了一定的成果 研究系统可靠性的方法很多，其中以状态空间法、概率法、故障树法最常见。 状态空间法因其适用范围较广，在可修复系统可靠性研究中得到广泛的应用，是 一种非常有效的方法电力系统中继电保护系统一般是可修复的，因此多数文献 使用状态空间法研究继电保护系统的可靠性 最初，由于保护系统的拒动、误动，使故障范围扩大甚至发生不可控的连锁 6 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 波及性跳闸，在电力系统实际运行中时有发生在输电系统和发输电组合系统的 可靠性研究中，所提出的一些解析模型已初步考虑了保护系统的影响1 2 a - 2 9 l ，一般 是借修正被保护元件的故障率来反映保护系统故障的影响，因而不能真实地反映 保护系统对电力系统可靠性的影响，更加不能真实地反映对电力系统事故扩大( 尤 其是后备保护动作) 的影响，这也是人们最初对保护系统可靠性研究的具体体现。 随着人们对电力系统可靠性研究的深入，人们开始对继电保护系统可靠性指 标体系进行研究。文献【3 0 ，3 l 】从系统设计的角度出发，对电力系统继电保护的可靠 性指标进行了定义，把继电保护系统的可靠性指标分为设备的可靠性与功能的可 靠性。设备的可靠性以可用度描述，即从二次系统的观点描述投入远行的继电保 护系统在任何时刻处于工作状态的概率。功能的可靠性以可靠度描述，即从一次 系统的观点描述处于工作状态的继电保护系统能够正确工作的概率，可靠度与继 电保护的误动( 包括无选择性动作) 、拒动概率有关。作者又在文献【蠲中以继电保 护的实际工作情况为基础，作者完善了继电保护的各种概率型可靠性指标概念， 从设备可靠性，功能可靠性概率及频率三个方面阐述了继电保护可靠性指标概念， 把继电保护可靠性指标概念分为状态概率指标，动作比率指标，频率指标等。作 者以概率指标的方式阐述了继电保护可靠性指标的求解方法，利用状态空间法及 网络法等通过算例进行求解可靠性指标，在各个方面可靠性概率指标明确的基础 上，进一步求得一些综合的可靠性概率指标。作者还分别对一套主保护、两套主 保护及三套主保护三种方案的继电保护系统可靠性指标进行了比较分析，对冗余 设计与优化问题也进行讨论。 在文献 3 2 - 3 4 1 中，作者采用可靠性指标体系方案的拟定原则，即：最终产品 的可靠性指标应最大限度地反映产品的可靠性水平。在完整地反映其可靠性持征 的条件下，应使产品可靠性指标尽量少。可靠性指标应反映使用要求和当前产 品的薄弱环节。拟定了继电保护装置的可靠性特征量，并且对继电保护装置的可 靠性特征量进行了泛函分析，经过优选，提出了继电保护装置的可靠性指标体系 的建议方案在文献u 5 , 3 6 1 中，进一步又提出了采用拓扑分析的理论方法对继电保 护装置的可靠性指标体系进行了再分析，加深了对指标体系的理解水平。 由于电力系统保护中继电保护装置运行时可靠性指标的定义和计算与电力系 统可靠性指标计算、继电保护装置的评价、使用、完善与发展等密切相关，而确 定继电保护装置运行状态的内涵则是一个十分关键的环节文献f 3 5 】就继电保护装 置可靠性指标的内涵和计算提出的看法： 1 ) 将区外故障正确不动作纳入继电保护装置运行时正确工作率指标计算内 能更合理、正确地评价其运行性能指标及利于其正确使用、改进和完善。 2 ) 将正确工作率指标细分为区内故障正确动作率、区外故障正确不动作率 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 又分为正方向区外故障正确不动作率和反方向区外故障正确不动作率) ，不正确 工作率分为正方向区外故障误动作率、反方向区外故障误动作率、正常运行时误 动作率和拒动率这有利于对继电保护装置的运行性能及出现的问题进行更为具 体深入的分析和研究 在文献【3 s 】中，作者从可靠性的基本原理出发，采用可靠性在系统工程中的经 典定义，即元件、设备和系统在规定的条件下和预定的时间内完成预定功能的概 率。对于可修复元件，用可用度来作为其概率指标。可靠性指标又分为概率方法、 时间方法、频率方法等。作者对继电保护中的可靠性问题进行了简单的初步分析， 对现有的各种保护装置的配置及可靠性特点作了定性的估计和评价保护系统与 一次系统的关系框图如图1 1 所示 习惯上分析保护装置的可靠与否用的是正确动作率的指标，这是一种频率分 析方法。如按概率的方法来分析，对于保护装置，它的可靠性就包括可依赖性和 安全性两个方面。可依赖性( d ) 定义为保护系统该动则动的概率；安全性( s ) 则定义为保护系统不该动就不动的概率。可靠性( r ) 则是保护系统既可依赖又安 全的概率，r - - - - d * s 。对一套具体的保护装置来说，假定其误动概率为m ，拒动概 率为f ，则d = l - f , s = 1 - m ，r = d x s = ( 1 - f ) ( 1 - m ) 在文献唧中，作者利用可靠性寿命试验对继电保护可靠性做了一些探讨。而 其他一些文献则对具体的继电保护装置做了可靠性分析，并提出了相应的提高可 靠性的措施 图1 1 保护系统与一次系统的关系框圈 f i g1 1r e l a t i o nd i a g r a mo f p r o t e c t i o ns y s t e ma n d 皿m a l ys y s t e m 迄今对继电保护可靠性的研究主要是把继电保护看作是一个整体 4 0 - 4 s 1 ，一般 将其分为正确动作、计划检修或自检、非扩大型故障( 误动) 和扩大型故障( 拒 动) 四种状态，运用状态空间法或概率法建立可靠性模型。有些模型还对最佳检 修周期进行了研究，分析了自检周期对保护装置故障率的影响【舶 4 刀 8 重庆大学硕士学位论文l 绪论 文献【4 l 】提出了包含继电保护装置、断路器和自动重合闸在内的保护系统的概 率模型，提出了组合系统可靠性评估中保护系统的模拟模型和算法，整个算法用 蒙特卡罗模拟实现，可考虑多种故障模式并进行事故后果分析，同时讨论了保护 系统对发输电组合系统可靠性影响 文献【4 5 1 建立了继电保护装置的马尔可夫模型，利用继电保护故障信息处理系 统中主站存储的保护装置的各种数据资料求得各项转移概率，根据马尔可夫状态 转移概率矩阵计算保护装置处于各个状态的稳态概率，最终求得继电保护装置可 用度、不可用概率以及最佳的检修周期。在继电保护故障信息处理系统中实现继 电保护装置可靠性的应用，为继电保护装置的安全可靠的运行提供了一定理论指 导。 针对继电保护装置可靠性( 即其误动和拒动的概率) 的研究，文献 4 0 i 建立了 评价继电保护装置可靠性的马尔科夫模型；运用状态空间法计算了继电保护装置 的状态概率和可靠性指标，分析了自检周期对保护装置故障率的影响，研究了保 护装置最佳检修周期的确定和带自检的微机保护装置和不带自检的传统保护装置 在最佳检修周期上的差异，为确定保护装置的最佳检修周期提供了理论依据。 随着电力系统继电保护配置的不断完善，如今电力系统一般都实现了保护的 双重化，以提高电力系统的可靠性。在文献h 刀和文献h 町的基础上，文献1 4 4 1 采用状 态空间法建立了双重化配置继电保护系统的状态空间模型。利用历史数据对5 0 0 k v 母线保护和5 0 0 k v 线路保护的可靠性进行了分析。 如今，对继电保护可靠性理论的研究仍处于发展时期。这方面的理论研究还 存在一些问题： 1 ) 继电保护系统可靠性指标的统计还很缺乏，这方面的工作不够完善； 2 ) 目前继电保护装置正处于更新换代时期，即由电磁型向数字型转化，在这 个过程中，继电保护装置的可靠性模型还没有建立起来，难以定量地分析继电保 护装置的可靠性； 3 ) 对于继电保护装置本身的可靠性对电力系统整体可靠性的影响，还缺乏比 较深入的研究，在这方面应该作更多的开创性的研究 1 3 研究目的及意义 电力系统继电保护反映了电力系统设备的故障或不正常运行状况，其动作直 接影响电力设备安全和供电可靠性。部颁有关规则对继电保护有“四性”的要求， 即可靠性、选择性、快速性及灵敏性其中可靠性是“四性”的前提，在拟制、 配置保护装置时，必须满足可靠性的要求。 随着科学技术的发展，人们的社会生活时刻都离不开电，因此电网的安全也 9 重庆大学硕士学位论文i 绪论 显得愈来愈重要。从社会生活和国家安全考虑，保证电力系统的安全和可靠应加 强电网对事故的承受能力，同时也要依靠继电保护系统和安全自动装置。显然， 加强电网对事故的承受能力是主要的，继电保护系统和安全自动装置是重要的。 要保证电力系统的安全运行，首先要加强电力系统的网架结构，提高弹性系数， 合理分布备用容量，加强各大电网之间联络线的调剂能力，提高电网的稳定储备， 同时要提高继电保护系统和安全自动装置的性能和可靠性继电保护系统是防止 故障及扰动对电力系统危害的第l 道防线，是电力系统必不可少的组成部分，对 保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生都有着极其重 要的作用。 2 0 0 3 年8 月美加的大停电事故再次警示人们：提高电力系统的监管和运行可 靠性水平己刻不容缓。而电力系统中继电保护系统运行可靠性的好坏与电力系统 的运行可靠性密切相关，尤其是继电保护系统的不正确动作不仅会使电力系统的 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， 造成重大经济损大，给人们生活造成严重影响。人们已越来越感到研究电力系统 运行的安全性和可靠性之重要与迫切，倍感到提高继电保护系统的运行性能，进 行可靠性研究的急追性。 电力系统发生故障时，继电保护系统的动作行为将直接影响电力系统的拓扑 结构及暂态稳定性，因此，当电力系统可靠性评估中确定元件停运模型时，必须 考虑继电保护系统的影响，而大多数电力系统可靠性评估不考虑保护系统的失效 状态，因而实际上是不准确的但迄今对继电保护系统可靠性的研究主要是把继 电保护看作是一个整体，运用状态空间法或概率法建立可靠性模型。而在输电系 统和发输电组合系统的可靠性研究中，所提出的一些解析模型已初步考虑了保护 系统的影响，一般借修正被保护元件的故障率来反映保护系统故障的影响，因而 也不能真实地反映保护系统对电力系统可靠性的影响，更加不能真实地反映对电 力系统事故扩大( 尤其是后备保护动作) 的影响。因此，我们有必要更加深入研 究继电保护系统的可靠性，为电力系统可靠性评估提供更加准确的数据依据。 1 4 本文研究的主要内容 本文在总结如今继电保护可靠性研究的基础上，针对继电保护系统的不同配 置，使用m a r k o v 状态空间法对继电保护系统可靠性进行了研究，研究的主要内容 如下： 1 ) 分析了继电保护系统的工作特性，根据保护系统可靠性的含义及特征量， 对继电保护系统可靠性指标进行了总结； 2 ) 对可靠性计算的数学基础m a r k o v 状态空间法进行了简单的阐述； 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 ) 分析了继电保护系统可靠性模型建立的意义，根据各保护单元的动作逻 辑，对不同保护配置的继电保护系统可靠性进行了分析，建立了相应的保护可靠 性模型。 4 ) 根据实际的统计数据，对不同保护配置的保护系统进行了分析，同时，对 影响保护系统可靠性的主要参数进行了分析 1 5 小结 本章对电力系统继电保护的发展现状、电网可靠性的研究现状以及电力系统 继电保护可靠性的研究现状进行了综述，同时，阐述了本文的研究目的及意义， 概括了本文研究的主要内容。 重庆大学硕士学位论文 2 继电保护装置可靠性指标 2 继电保护装置可靠性指标 电力系统继电保护装置就是装设在每一个电气设备上，用来反应它们发生的 故障和不正常运行情况，从而动作于断路器跳闸或发出信号的一种有效的反事故 的自动装置。它的基本任务是： 1 ) 自动、有选择性、快速地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件损坏 程度尽可能减轻，并保证该系统中非故障部分迅速恢复正常运行。 2 ) 反应电气元件的不正常运行状态，并依据运行维护的具体条件和设备的承 受能力，发出信号、减负荷或延时跳闸。 随着电力系统规模的不断扩大，网架结构越来越复杂，对安全运行的要求也 愈高。继电保护能否正确工作对整个电力系统具有重要的影响，因此对其工作可 靠性的要求很高如何制定出符合其工作规律及特点的可靠性指标，正确评估继 电保护的可靠性，将是一项重要的工作。 当研究继电保护系统可靠性时，首先必须对组成保护系统的各个元件进行分 析，然后从系统的角度出发对继电保护系统可靠性进行研究。这里就对继电保护 装置的可靠性指标进行了简单的介绍。 2 1 继电保护装置的工作特性 2 1 1 继电保护装置的工作状态 电力系统中的继电保护系统不仅包含电流、电压互感器、继电保护装置，还 应包括断路器甚至自动重合闸。在研究保护系