【基于Markov模型的数字化保护系统可靠性评估分析案例4500字】

基于Markov模型的数字化保护系统可靠性评估分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21218基于Markov模型的数字化保护系统可靠性评估分析案例 1116351.1数字化保护系统 157051.1.1数字化保护系统结构 153391.1.2采样及跳闸方式 3178771.2基于Markov过程的各设备的稳态概率 4258611.3采样和跳闸方式对保护系统可靠性的影响 621841.4算例分析 8电力系统是一个时刻变化的系统，受到外界各种各样的扰动，一般情况下，电网受到的扰动分为静态扰动和动态扰动。所谓静态扰动是指小扰动，此扰动下，电力系统可以通过自身的调节实现自我恢复，比如负荷的波动带来的电压上下浮动，此时发电机可以通过本身的有功功率二级调节实现负荷的无差调节；所谓动态扰动就是电网依靠本身是无法实现电网的各类指标恢复如初的。经验表明，往往很多故障都是从某一元件开始，比如非常细微的断路器、隔离刀闸甚至是母线，一旦母线发生故障，若是在配网中，一般母线不配备相应的保护，那么就需要上一级保护切除，一般是变压器保护或者主干线的线路保护等等，此时带来的停电范围就是本支路全线故障，导致事故范围扩大，造成连锁故障，更严重的是造成本电网崩溃。同时事故发生的大小和电网结构也有一定的关系，如果是坚强电网，那么出现特大事故的概率还是很小的。电力是社会发展的粮草，一切生产生活都离不开电力行业，目前正推行的智能电网的目标是以客户为中心，以提高电网可靠性为主线，强化标准化建设、精益化运维、智能化监控，作为电网监控的眼睛，打造一个服务好、设备好、管理好、结构好的电网。在智能电网的大背景下，数字化保护已经成为保护发展的方向，保护作为电力系统的第一道防线，其可靠性也受到广泛的关注，因此其可靠性的评估也是非常必要的。当下的保护智能设备比较多，因此传统的可靠性评估已经无法适用。1.1数字化保护系统1.1.1数字化保护系统结构目前的保护和原来的保护在保护原理上没有太大区别，但是在数据采集，通信接口上有很大的不同。数字化保护系统主要包括电子互感器、合并单元(MU)、交换机(SW)、保护装置(PR)、智能终端(IT)等等。因为电子互感器包含一次设备的传感器模块，而本文主要讨论的是二次设备，因此此处就不讨论电子式互感器。图1.1单套设备数字化保护系统分析图1.1可知，数字化保护工作的流程为首先通过合并单元获取电压电流，再通过goose将此信号传输给保护装置，保护装置将此逻辑判断信号通过交换机传递给智能终端，通过智能终端来控制断路器的开断，就这样实现数据采集以及开关的通断，全部通过网络传输，传输速度很快。但是一套保护是不够，因此需要很多套保护来完成，主要有以下两种方式。对于220kV以上的电网必须有两套主保护组成，两套保护互为后备。同时为了保证保护动作的可靠性，需要每个保护之间存在保护的重叠区，数字化保护系统通过不同的结构和冗余方式提高保护可靠性，如图1.2和1.3所示，图1.2类似于常规保护系统，采用双重化配置，两套保护系统彼此独立；图1.3交换机之间采用堆叠连接，从而在过程层实现“交叉备用”。例如，当合并单元MU1(或其接入的互感器)故障时，保护PR1、PR2可共用合并单元MU2。图1.2设备冗余结构图1.3交叉冗余结构1.1.2采样及跳闸方式数字化的保护采样方式分为两种，直采和网采。所谓直采就是不依靠外部的时钟作用，采用点对点直接采集，合并单元和保护装置之间直接接触，不经过交换机；但是网采需要外界时钟的干预，要求各个合并单元都有同步脉冲，可以实现数据的共享，但是一旦时钟出现异常，那么保护数据的采集也会出现异常。对于跳闸方式，可以保护装置和智能终端进行一对一的发命令，这种方式成为直跳；如果保护装置和智能终端之间通过交换机来传输信号，那么这种跳闸方式成为网跳。和以上分析一样，这种方式需要有相同的时钟直采直跳和网采网跳两种方式分别如图1.4和图1.5所示。图1.4直采直跳示意图图1.5网采网跳示意图1.2基于Markov过程的各设备的稳态概率继电保护一般为可修复系统，失效率必须服从指数分布，失效率是定值，因此采用马尔科夫比较合适。利用马尔科夫方程计算二次设备处于各个状态的概率，下面做具体分析，这里考虑三类状态的转换。假设A为正常状态，B为第一种失效状态，C为第二种失效状态，分别是从状态A到状态B、从状态A到状态C、从状态B到状态C的转移概率，分别是从状态B到状态A、从状态C到状态A、从状态C到状态B的转移概率，得到状态转移矩阵R （1.1）用3×1的向量P表示元件处于各状态的稳态概率，则根据马尔科夫的计算原则，此时矩阵R和向量P满足以下等式 （1.2） （1.3）涉及到整定值以及逻辑判断的保护装置可能造成保护的误动或者拒动，涉及到互感器信息采集的合并单元可能因为数据采集出错导致保护误动，但是有可能因为数据没办法采集到导致保护拒动。根据第二章对每个元器件的介绍可知，除了光纤和交换机外，其他元器件都有可能发生拒动和误动，而且发生的概率都一样，为1/2。本文章假设设备修复的时间为24h，那么修复率为＝1/(24/8760)＝365次/年。电网对于一次设备和二次设备有固定的检修周期，对于可修复原件，在固定检修模式下的，起修复率和故障率可看为是一个稳定值，一般是根据历史数据得到，即统计在一定时间内发生故障的设备占总设备的比值，从而计算可靠性指标，具体可靠性数据如表1.1所示。下面以合并单元为例，计算各个状态的概率。假设A为合并单元的正常状态，B为合并单元的误动状态，C为合并单元的拒动状态，那么各个转移概率为，状态转移矩阵R （1.4）对于合并单元，图1.4中状态A对应MU的正常状态，状态B对应MU的误动状态，状态C表示MU的拒动状态。表1.1各二次设备的可靠性数据元件名称故障率（次/年）误动率（次/年）拒动率（次/年）合并单元0.00550.00220.0022保护装置0.00550.00220.0022智能终端0.0040.00300.0030光纤0.00200.002交换机0.0100.01时钟源0.0040.00300.0030图1.7三状态元件的状态转移图又因为P1＋P2＋P3＝1，根据线性代数中的求解过程，可得如式子（1.5）所示的计算。 （1.5）引入线性代数的逆矩阵，可得各个状态下的概率，即正常状态P1＝0.88887081，误动概率为P2＝0.0001093，拒动概率P3＝0.0000103。同理可得，各个状态量的三态计算结果如表1.2所示。表1.2各二次设备的稳态概率表元件名设备可用度拒动概率PJ误动概率PW合并单元0.988870810.00010930.0000103保护装置0.988870810.000008930.00000893智能终端0.988875290.000007040.00000704光纤0.988886150.000003030.00000000交换机0.988834100.000043800.00000000时钟源0.988875290.000007040.000007041.3采样和跳闸方式对保护系统可靠性的影响根据采样值是否经过交换机可以分为直采和网采这两种方式；根据跳闸信号是否经过交换机可以分为直跳和网跳这两种方式。在直采模式下，合并单元和保护装置之间通过通信通道进行信号传输，一般情况下是光纤通道，不需要时钟进行对时，但是如果是网采模式需要时钟进行对时，保证信号传输的正确性。不同的信号采集方式以及信号传输方式对保护的性能将带来不一样的体验，为此本文以线路保护为例，研究采样方式以及跳闸方式对线路保护的影响。由继电保护的基本原理可知，为了保证保护的选择性，通过动作时间、整定值以及灵敏度来保证。以电流保护为例，一段（瞬时电流速断保护）通过整定值保证选择性，二段（限时电流速断保护）通过整定值、动作时间保证选择性；三段（定时限过电流保护）通过整定值、动作时间、灵敏度保证选择性。而且各类保护为了减少保护拒动和误动的可能，保护存在重叠区。为了减少计算的繁杂性，发现问题的本质，本文考虑若是本段保护拒动，则有上一级的线路保护切除故障。由1.1节，得到如图1.8所示的可靠性框图。（a）直采直跳模式（b）直采网跳模式（c）网采网跳模式图1.8线路保护系统的可靠性框图下面以简单的双重化配置的保护为例，计算设备的可靠性。假设两套保护分别为A和B，其中拒动和误动的概率分别为，和。对于保护而言，当只要一个保护发生误动的现象，那么整套保护就是误动的结果，因此系统发生误动的概率为 （1.6）对于系统而言，当两套保护全部发生拒动的情况下，此时系统才表现出来拒动的可能，因此，系统发生拒动的概率为 （1.7）因此系统的可用度为 （1.8）由于直采直跳模式一般是合并单元采集再到继电保护处理输出判断结果，再到智能终端对断路器进行控制，因此光纤的动作情况不会导致保护的误动，令保护系统的稳态误动率为 （1.9）对于直采直跳模式，由于信号的传输需要通过光纤，一旦通道堵塞，信号无法正常传输，那么也会造成保护拒动，因此保护系统的稳态拒动概率为 （1.10）综上所述，对于直采直跳模式，保护系统的稳态可用度为A （1.11）同理可得，其他模式下的系统可靠度如表1.3所示。表1.3单套线路保护系统的可靠性采样跳闸方式稳态误动率稳态拒动率稳态可用度A直采直跳0.000033970.000039450.99992658直采网跳0.000033970.000099720.99986631网采网跳0.000040820.000097490.99987077分析表1.3可知，在直采直跳模式下，系统的可靠性最高，因为采用直采直跳模式不需要通过外部时钟以及交换机传输信号，减少信号的损失以及失真，达到很好的效果。1.4算例分析对于220kV一般采用纵联保护，首先是本侧的电压互感器和电流互感器获取电压和电流进入继电保护装置，继电保护对本端的电气量进行逻辑判断通过耦合设备进入通讯设备，再通过通道传到对侧，对侧也是通过电压互感器和电流互感器获取电压和电流进入继电保护装置，继电保护对本端的电气量进行逻辑判断通过耦合设备进入通讯设备，在和对侧传过来的电气量进行比较，判断是内部故障还是外部故障。在我国，一般采用直采直跳模式。对于单套保护的系统而言，两端保护必须有合并单元、保护装置以及1个智能终端，最终控制断路器的开断。一套保护的正确动作，需要每个元器件的共同配合，因此每个元器件之间的关系是串联关系。为了简化计算，分析问题的实质，本文做了以下假设：（1）假设主保护拒动，后备保护可以顺利切除；（2）每个元器件的正确动作与否是互相独立，互不影响；（3）由于目前继电保护全部采用的微机装置，因此故障率比较小，本文不考虑两个元器件同时失效的情况；（4）电压互感器和电流互感器正确采集数据；（5）不考虑元器件的历史性数据对设备可靠性的影响，即每个厂家的设备可靠性都是一样的；（6）当断路器拒绝动作，由断路器失灵保护切除故障，首先作用于母联断路器或者分段断路器。图1.8单套220kV线路保护系统的结构图图1.9单套220kV线路保护系统的可靠性框图对于和以上分析一样，对于单套保护而言，其误动率为 （1.12）其中，表示MU误动的概率，表示PR误动的概率，表示IT误动的概率。拒动概率为为 （1.13）其中，表示MU误动的概率，表示PR误动的概率，表示IT误动的概率。单套保护系统的稳态可用度为Ａ （1.14）但是在实际运行过程中，220kV线路必须配置双重化保护，对于双保护的系统而言，只有当两套全部拒动，系统才出现拒动的可能，拒动概率表达式为 （1.15）其中，和分别是A套和B套保护系统的拒动率。对于系统而言，当两套保护都不误动，一套保护拒动一套保护不误动，那么整个系统就是不动作状态，认为处于正常状态，即正常动作的概率为A，表达式如式子所示 （1.16）其中，和是A套和B套保护