《智能变电站继电保护可靠性评估指标体系设计》6600字

智能变电站继电保护可靠性评估指标体系设计目录TOC\o"1-3"\h\u10753智能变电站继电保护可靠性评估指标体系设计 1191861.1保护设备的整体性分析 2297791.1.1装置元器件损坏 2311731、CPU插件损坏比较分析 3128321.1.2液晶面板损坏比较分析 417041.1.3电源插件损坏比较分析 5187401）可靠性指标 6221012）保护装置速动性指标 6125643）保护装置的耐久性指标 6228234）保护装置的维修性指标 6153405）保护装置经济性指标 6140301.2可靠性指标分析 731.1.1可靠性指标体系 7195901）保护装置可靠性指标R 7116523）保护装置速动性指标S 9148854）保护装置耐久性指标N 9153305）保护装置维修性指标W 10236761.1.2计算模型 11294823算例分析 12183981.3.1可靠性计算 13145801.3.2速动性计算 14112161.3.3计算耐久性 1414951.3.4计算维修性 1543871.3.5经济性计算 15继电保护的元器件从最初的晶体管、整流管出发到集成电路的广泛使用，再到现在的微机保护，继电保护朝着更加智能化、数字化方向前进。在晶体管、整流管时代，继电保护一般采用相差高频保护、距离纵联保护作为主保护，但是相差纵联保护存在保护的相继性（所谓相继性指的是对于双端保护，一端保护先动作，另一端保护才动作，这样很有容易造成功率倒向，导致方向比较式纵联保护误动，对于保护的可靠性带来严重的影响），选择零序电流保护作为后备保护，但是零序电流保护存在整定困难，对复杂的故障适应性差，选相能力很差，在发生单相故障的时候，很有可能因为选相元件拒动，造成三相全跳，给系统的维护带来很大的不便。集成电路的保护在保护的历史上存在的时间比较短，在集成电路还未站稳脚跟的时候，微机保护就像雨后春笋的速度出现在中国的市场上。相比较晶体管、整流管的保护，微机保护的计算能力极强，因为继电器不是采用机械继电器，因此拒动和误动的可能性很小；但是目前开发微机保护的厂家很多，比如四方、南瑞、国电南自等等，这些微机保护缺少一定的保护规范，给保护的运行和维护带来一定的限制，严重制约了微机保护的发展。智能变电站的保护包含微机保护和数字保护两大模块，目前对微机保护的研究已经相当成熟，但是在指标的选择上仍然采用一次设备的指标，比如失效率、可用度、不可用度等等，这在智能变电站发展的今天不适用的。基于此，本文从继电保护的特性出发，从可靠性、速动性、选择性以及灵敏性来挖掘可靠性指标，得到广义的可靠性评估指标，为二次设备的可靠性评估提出一个新的思路，为继电保护的运维人员提供理论基础，为将来继电保护装置的完善提供依据。1.1保护设备的整体性分析1.1.1装置元器件损坏根据二次设备的元器件在近5年的相关统计数据可知如下主要损坏部件和损害次数的对应关系：总次数为248；液晶面板69次；CPU插件26次；电源插件44次。图1.12018年总的设备元器件损坏部位占比表1.1近5年设备元器件损坏部位分析1、CPU插件损坏比较分析在总损坏次数中，CPU插件占比最高。表1.2总体及各厂家CPU插件损坏逐年缺陷率（见附录1）图1.2总体及主流厂商设备CPU插件逐年缺陷率分布图（横坐标单位：年）图1.3剔除南瑞科技大值后总体及主流厂商设备CPU插件逐年缺陷率分布（横坐标单位：年）根据图1.3可知：1）缺陷率较低的是：北京四方、许继。2）许继电气在第9年达到缺陷率最高峰值。3）总体来说，设备投运后的缺陷率峰值在第6到8年间。4）长园深瑞在从第3年开始，缺陷率逐渐升高。1.1.2液晶面板损坏比较分析表1.3总体及各厂家元液晶面板损坏逐年缺陷率（见附录2）图1.4总体及主流厂商设备液晶面板损坏逐年缺陷率分布图（横坐标单位：年）根据图1.4可知：1）南瑞继保投运4年后，缺陷率明显增高2）许继电气在第7年达到液晶面板缺陷率峰值。3）随着液晶面板投运年限的增长，总体来说，损坏率平缓增长。4）长园深瑞的上涨趋势呈波浪型。1.1.3电源插件损坏比较分析表1.4总体及各厂家电源插件损坏逐年缺陷率（见附录3）图1.12总体及主流厂商设备电源插件损坏逐年缺陷率分布图（横坐标单位：年）根据图1.12可知：1）投运5年到10间，北京四方缺陷率明显增高2）许继电气的电源插件损坏率高于总体情况。3）随着电源插件投运年限的增长，总体来说，损坏率平缓增长。4）长园深瑞的上涨趋势呈波浪型。所以，可靠性指标体系分类如下：1）可靠性指标可靠性指的是内部故障的时候，保护能以最快的速度动作；在外部故障，保护不动作，保持原来的位置。选择性指的是在发生故障的时候，靠近故障点的保护先动作，减少停电范围；只有当本身的保护不动作才有相邻保护的III段动作或者断路器失灵保护动作（当发生故障，保护已经发出跳闸信号，但是断路器拒绝动作，用来切除故障的一种近后备保护）。2）保护装置速动性指标所谓速动性指的是发生故障的时候保护，以最快的速度动作。因为发生故障的时候电流增大，短路电流流经设备产生更大的热量，对设备的绝缘就会带来很大的威胁，有可能会造成火灾事故的发生；同时短路电流产生很大的电动力，从而造成设备机械变形。因此，一旦发生故障，保护必须以最快的速度来切除故障，保证系统的稳定性。3）保护装置的耐久性指标设备的耐久性指标指的是设备的质量、运行情况以及设备的寿命。目前设备的寿命一般满足威布尔分布曲线，主要分为三个时期：早期失效期、偶然失效期以及损耗期。早期失效期一般故障率比较高；偶然失效期的故障率是定值；损耗期的故障率和时间有关，故障率和时间成指数函数上升。4）保护装置的维修性指标设备的维修性指标指的是设备的可修复性，对于继电保护设备而言，低成本的元器件若发生故障，采取的是更改措施，所以从继电保护设备的角度讲，是不可修复系统。而一旦更换了损坏的部件，继电保护又恢复正常运行，从这个角度讲，继电保护系统是可修复系统。我们知道，在投入生产之前继电保护是经过了现场测试的。所以本文进行合理假设：设备已经不再属于早期失效期，而处于偶然失效期，所以故障率为定值。5）保护装置经济性指标设备的经济性指标指的是由于设备发生故障给电网带来的损失以及设备的检修需要的成本。1.2可靠性指标分析可靠性是指时间、空间以及其他条件都处在规定范围内时，设备完成指定功能的成功概率，侧面表明设备针对预设功能的完成能力。相对应的，在某个特定时间内，设备没有出现故障，而此后每个单位时间内的故障概率就是失效。有一些文献有着不同的观点，认为故障和失效是不同的，前者的对象是可修复的设备，而后者是不可修复设备。但是普遍观点二者是一致的，所以本文采用普遍观点。1.1.1可靠性指标体系1）保护装置可靠性指标R（1）继电器自动装置动作的正确率R1 （2-1）其中，nc为在保护动作中，继电保护正确动作的次数，N0为微机保护动作的总次数。（2）故障录波装置录波正确率R2 （2-2）其中，为故障录波正确录波次数，为总录波数。（3）整定值核对异常的概率R3 （2-.3）其中，为定值异常数，为保护装置总个数，为运行累计时间，若以年为单位，则=1。（4）在220kV的纵联保护中，通道是必要的组成部分，通道起着传输数据的作用，一般在保护投入之前要进行保护通道的试验，试验异常率R4 （2-4）其中，为通道异常数。（5）对于电流纵联保护，比较的是相量和，比较的保护两端的相位和幅值，因此电流纵联保护主要难点是两侧电流的同步问题，解决同步问题的措施是采用时钟，异常率R5 （2-5）其中，为时钟异常数。（6）保护开关量状态异常率R6 （2-6）其中，为保护开关量异常数。（7）继电保护也是有寿命的，在机电保护的职业生涯中也会存在误动和拒动的可能，继电保护装置的故障率R7 （2-7）其中，为保护装置的故障次数。（8）继电保护动作成功的概率R8 （2-8）其中，各变量对应关系如下：拒动次数--；区外故障正确不动作次数--；非选择性误动次数--；无故障误动次数--；区内故障正确动作次数--。保护区内发生故障正确动作的次数以及区外故障误动的次数一般比较难获取，但是在数据量比较大的情况下，认为各条线路发生故障次数都是一样的，区内故障正确动作的次数和区外故障误动的次数计算公式为： （2-9）因此，工作成功率R8可表示为 （2-10）（9）区外故障故障误动率R9 （2-11）（10）设备在运行过程出现拒动和误动的概率R10(误动率+拒动率) （2-12）其中，拒动率为，误动率为。（11）设备的失效率R11 （1.13）其中，为维修时发现的失效累计数，为定期维修时间累计，为失效停休时间累计，根据DLTW5-2006的规定，若定期维修周期为3年，则与的表达式为 （2-14）其中，继电保护故障修复率用表示，为继电保护定检修复率。（一般取。）保护装置可靠性可表示为以上11类指标的平均值： （2-15）3）保护装置速动性指标S上文已经提到，保护的速动性S指的是快速切除故障，计算值取决于近端最快切除时间，最慢切除时间以及电网故障切除的时间，表达式为 （2-16）其中，为单相近端故障最快切除时间，为单相近端故障最慢切除时间，为电网故障快速切除率。4）保护装置耐久性指标N（1）平均寿命(MTTTW)N1 （2-17）其中，为保护装置故障率。（2）综合平均无故障运行时间N2综合无故障运行时间表示为相邻两次故障之间的平均工作时间。 （2-18）其中，各变量含义对应如下：非选择性误动次数--；无故障误动次数--；拒动次数--；维修时发现的失效累计数--；定期维修时间累计--；运行累计时间--；失效停休时间累计--。（3）不可用度N3各种研究中关于可用性的衡量方式不尽相同。在工程上，稳态可用度是表普遍的表示方法。稳态可用度是指，设备的不能正常工作的时间在一个周期内的占比。 （2-19）（4）主保护装置投运率N4： （2-20）其中，为运行累计时间保护装置的耐久性可表示为 （2-21）其中，Ni取值为（i=1,2,3）保护装置维修性指标W设备的维修性指标指的是设备的可修复性，对于继电保护设备而言，低成本的元器件若发生故障，采取的是更改措施。所以从继电保护设备的角度讲，继电保护系统是不可修复系统。然而一旦更换了损坏的部件，那么其又恢复了正常运行，从这个角度将，继电保护系统是可修复系统。我们知道，在投入生产之前，继电保护是经过了现场测试的。所以本文进行了合理假设--设备处于偶然失效期，故障率为定值。（1）平均维修时间 （2-22）其中，拒动次数--；无故障误动次数--；维修时发现的失效累计数--；非选择性误动次数--；运行累计时间--；失效停休时间累计--；定期维修时间累计--。（2）役龄回退因子保护装置的耐久性可表示为 （2-23）其中，（役龄回退因子）指的是，设备通过维修而回到某个状态的能力。该指标反应了维修效果。一般情况下，若全部检修，其值为0.95；部分检修则为0.85。6）保护装置经济性指标（1）维修成本维修成本多为估计值，用表示。（2）保护可用经济系数 （2-24）其中，经济损失总和--；拒动损失--；一次线路故障率--，为拒动率--；误动损失--；误动率--。（3）经济成本可靠性系数 （2-25）其中，C为保护装置的经济损失。可反映不同检修周期下保护装置的可用度情况和年均总经济损失情况。保护装置的经济性可表示为 （2-26）1.1.2计算模型本文从可靠性、速动性、经济性、耐久性、维修性5个指标出发来衡量设备的可靠性。但是因为不同的指标其量纲也是不一样的，因此需要进行归一化，类比于电力系统的标幺值。本文选取基准值（选择某一年的可靠性指标为基准），利用本年的统计值和基准值之间的比值得到相对值，表达式为 （2-27）指标有正负之分。正向指标计算值越大，设运行状况越好，说明设备的可靠性越高，比如安全自动装置正确动作率、故障录波装置录波完好、工作成功率、电网故障快速切除率、平均寿命、综合平均无故障运行时间、主保护装置投运率、役龄回退因子、维修成本和保护可用经济系数；相对的，逆向指标计算值越大，说明可靠性越低。例如定值区定值核对异常率、通道试验异常率时钟准确性异常率、保护开关量状态异常率，继电保护装置故障率、无故障误动率、运行失效率、综合失效率、单相近端故障最快切除时间、单相近端故障最慢切除时间、不可用度、平均维修时间和经济成本可靠性系数。并且，逆向指标要取倒数，正向指标保持不变。相对值指标的计算方法为 （2-28）3算例分析为了验证上述可靠性指标的正确性，本文采用国家电网调度通信统计的2018~2020年的继电保护运行情况的数据，具体数据如表1.5-1.6所示。同时，根据相关的数据，微机保护在2018~2020年期间装置的故障率为0.69次/百台.年，0.63次次/百台.年和0.51次/百台.年，整体上故障率是减小的趋势；速动性的三个指标故障切除时间如表1.8所示。表1.52018~2020年保护装置动作结果统计统计值\年份2018年2019年2020年保护装置总个数94611513063动作总次数48067296保护装置正确动作次数46562291不正确动作次数非选择性误动次数112无故障误动次数111拒动次数112表1.62018~2020年故障录波器的运行情况统计值\年份2018年2019年2020年总录波数595556536134故障录波正确录波次数607657005953表1.72018~2020年保护装置历史缺陷记录统计值\年份2018年2019年2020年定值异常数111通道异常数336时钟异常数111开关量异常数325装置故障次数9916表1.82018~2020年保护装置速动性记录年份201820192020单相近端故障最快切除时间40ms40ms30ms单相近端故障最慢切除时间110ms100ms100ms电网故障快速切除率99.92%100%99.63%设备维修时间8.38小时7.65小时5.36%小时1.3.1可靠性计算将2015年度的可靠性的数值作为参考系，则可以计算获得其他年度的可靠性的相应指标R，具体见表1.9。分析表1.9，在209年保护运行失效率统计值为0.405，比其他两年都要高保护定值整定、时钟异常发生的概率比较小，但是通道异常、开关量状态错误发生的比较大，而且是呈年份上升的，但是保护动作成功的概率也是越来越高的，保护装置可靠动作也是越来越强的。表1.92018~2020年可靠性指标R统计结果201820192020统计值相对值统计值相对值统计值相对值保护装置可靠性指标0.882610.82600.93070.97260.9900故障录波装置录波正确率0.976910.97760.99060.97691整定值核对异常的概率010101通道试验异常率0.17910.2271.41430.2521.0932时钟异常率010101保护开关量状态异常率0.45910.3321.51890.2071.7256继电保护装置的故障率0.8310.601.11920.501.3583工作成功率R81.002710.82890.83380.87321.0013区外故障故障0.103510.18011.20330.12251.7044设备的失效率0.17310.4050.60610.2791.7014综合失效率0.103310.18001.20230.02251.7984可靠性--1--1.0133--1.46051.3.2速动性计算表1.10速动性指标S为各个年度的统计情况，表1.102018~2020年速动性指标S统计结果统计值\年份2018年2019年2020年统计值相对值统计值相对值统计值相对值30ms130ms120ms1.222100ms190ms1.290ms1.20.882710.88190.88720.88020.8864--1--1.1216--1.0324从数据上看，动作的时间越来越短，系统切除故障的正确率也是越来越高，满足人们对坚强电网的期盼。这些不仅是装置上的创新还有在计算原理上的不断优化，设备的不断智能化，传输通道的不断缩短是继电保护发展的方向。1.3.3计算耐久性表1.11为耐久性指标N的每个年度的统计数值。分析表1.11可知，平均寿命年限从最初的127到现在193，运行年限是越来越长了，耐久性指标从1.5599上升到1.774。同时主保护的投运率基本保持在1，因为继电保护主要是依靠主保护来切除故障，平均无故障时间也是不断延长，说明设备的抗压能力越来越强了。增加设备寿命不仅和设备本身的不断改进相关，而且运行维护人员的保护水平相关，不断优化运维方案，不断加强保护巡视和测试也是非常必要的。表1.112018~2020年耐久性指标N统计结果统计值\年份2018年2019年2020年统计值相对值统计值相对值统计值相对值127.0年1170.4年1.1192193.0年1.3583253.6年1209.6年0.8059485.5年1.76506.777e-515.041e-51.22693.007e-51.30641.001110.99971.00521.00611.5599--1.7741.3.4计算维修性表1.12为维修性指标的每个年度的统计数值。表1.1220