智能變電站繼電保護可靠性評估指標體系設計目錄TOC\o"1-3"\h\u10753智能變電站繼電保護可靠性評估指標體系設計 1191861.1保護設備的整體性分析 2297791.1.1裝置元器件損壞 2311731、CPU插件損壞比較分析 3128321.1.2液晶面板損壞比較分析 417041.1.3電源插件損壞比較分析 5187401）可靠性指標 6221012）保護裝置速動性指標 6125643）保護裝置的耐久性指標 6228234）保護裝置的維修性指標 6153405）保護裝置經濟性指標 6140301.2可靠性指標分析 731.1.1可靠性指標體系 7195901）保護裝置可靠性指標R 7116523）保護裝置速動性指標S 9148854）保護裝置耐久性指標N 9153305）保護裝置維修性指標W 10236761.1.2計算模型 11294823算例分析 12183981.3.1可靠性計算 13145801.3.2速動性計算 14112161.3.3計算耐久性 1414951.3.4計算維修性 1543871.3.5經濟性計算 15繼電保護的元器件從最初的晶體管、整流管出發到集成電路的廣泛使用，再到現在的微機保護，繼電保護朝著更加智能化、數字化方向前進。在晶體管、整流管時代，繼電保護一般采用相差高頻保護、距離縱聯保護作為主保護，但是相差縱聯保護存在保護的相繼性（所謂相繼性指的是對于雙端保護，一端保護先動作，另一端保護才動作，這樣很有容易造成功率倒向，導致方向比較式縱聯保護誤動，對于保護的可靠性帶來嚴重的影響），選擇零序電流保護作為后備保護，但是零序電流保護存在整定困難，對復雜的故障適應性差，選相能力很差，在發生單相故障的時候，很有可能因為選相元件拒動，造成三相全跳，給系統的維護帶來很大的不便。集成電路的保護在保護的歷史上存在的時間比較短，在集成電路還未站穩腳跟的時候，微機保護就像雨后春筍的速度出現在中國的市場上。相比較晶體管、整流管的保護，微機保護的計算能力極強，因為繼電器不是采用機械繼電器，因此拒動和誤動的可能性很小；但是目前開發微機保護的廠家很多，比如四方、南瑞、國電南自等等，這些微機保護缺少一定的保護規范，給保護的運行和維護帶來一定的限制，嚴重制約了微機保護的發展。智能變電站的保護包含微機保護和數字保護兩大模塊，目前對微機保護的研究已經相當成熟，但是在指標的選擇上仍然采用一次設備的指標，比如失效率、可用度、不可用度等等，這在智能變電站發展的今天不適用的。基于此，本文從繼電保護的特性出發，從可靠性、速動性、選擇性以及靈敏性來挖掘可靠性指標，得到廣義的可靠性評估指標，為二次設備的可靠性評估提出一個新的思路，為繼電保護的運維人員提供理論基礎，為將來繼電保護裝置的完善提供依據。1.1保護設備的整體性分析1.1.1裝置元器件損壞根據二次設備的元器件在近5年的相關統計數據可知如下主要損壞部件和損害次數的對應關系：總次數為248；液晶面板69次；CPU插件26次；電源插件44次。圖1.12018年總的設備元器件損壞部位占比表1.1近5年設備元器件損壞部位分析1、CPU插件損壞比較分析在總損壞次數中，CPU插件占比最高。表1.2總體及各廠家CPU插件損壞逐年缺陷率（見附錄1）圖1.2總體及主流廠商設備CPU插件逐年缺陷率分布圖（橫坐標單位：年）圖1.3剔除南瑞科技大值后總體及主流廠商設備CPU插件逐年缺陷率分布（橫坐標單位：年）根據圖1.3可知：1）缺陷率較低的是：北京四方、許繼。2）許繼電氣在第9年達到缺陷率最高峰值。3）總體來說，設備投運后的缺陷率峰值在第6到8年間。4）長園深瑞在從第3年開始，缺陷率逐漸升高。1.1.2液晶面板損壞比較分析表1.3總體及各廠家元液晶面板損壞逐年缺陷率（見附錄2）圖1.4總體及主流廠商設備液晶面板損壞逐年缺陷率分布圖（橫坐標單位：年）根據圖1.4可知：1）南瑞繼保投運4年后，缺陷率明顯增高2）許繼電氣在第7年達到液晶面板缺陷率峰值。3）隨著液晶面板投運年限的增長，總體來說，損壞率平緩增長。4）長園深瑞的上漲趨勢呈波浪型。1.1.3電源插件損壞比較分析表1.4總體及各廠家電源插件損壞逐年缺陷率（見附錄3）圖1.12總體及主流廠商設備電源插件損壞逐年缺陷率分布圖（橫坐標單位：年）根據圖1.12可知：1）投運5年到10間，北京四方缺陷率明顯增高2）許繼電氣的電源插件損壞率高于總體情況。3）隨著電源插件投運年限的增長，總體來說，損壞率平緩增長。4）長園深瑞的上漲趨勢呈波浪型。所以，可靠性指標體系分類如下：1）可靠性指標可靠性指的是內部故障的時候，保護能以最快的速度動作；在外部故障，保護不動作，保持原來的位置。選擇性指的是在發生故障的時候，靠近故障點的保護先動作，減少停電范圍；只有當本身的保護不動作才有相鄰保護的III段動作或者斷路器失靈保護動作（當發生故障，保護已經發出跳閘信號，但是斷路器拒絕動作，用來切除故障的一種近后備保護）。2）保護裝置速動性指標所謂速動性指的是發生故障的時候保護，以最快的速度動作。因為發生故障的時候電流增大，短路電流流經設備產生更大的熱量，對設備的絕緣就會帶來很大的威脅，有可能會造成火災事故的發生；同時短路電流產生很大的電動力，從而造成設備機械變形。因此，一旦發生故障，保護必須以最快的速度來切除故障，保證系統的穩定性。3）保護裝置的耐久性指標設備的耐久性指標指的是設備的質量、運行情況以及設備的壽命。目前設備的壽命一般滿足威布爾分布曲線，主要分為三個時期：早期失效期、偶然失效期以及損耗期。早期失效期一般故障率比較高；偶然失效期的故障率是定值；損耗期的故障率和時間有關，故障率和時間成指數函數上升。4）保護裝置的維修性指標設備的維修性指標指的是設備的可修復性，對于繼電保護設備而言，低成本的元器件若發生故障，采取的是更改措施，所以從繼電保護設備的角度講，是不可修復系統。而一旦更換了損壞的部件，繼電保護又恢復正常運行，從這個角度講，繼電保護系統是可修復系統。我們知道，在投入生產之前繼電保護是經過了現場測試的。所以本文進行合理假設：設備已經不再屬于早期失效期，而處于偶然失效期，所以故障率為定值。5）保護裝置經濟性指標設備的經濟性指標指的是由于設備發生故障給電網帶來的損失以及設備的檢修需要的成本。1.2可靠性指標分析可靠性是指時間、空間以及其他條件都處在規定范圍內時，設備完成指定功能的成功概率，側面表明設備針對預設功能的完成能力。相對應的，在某個特定時間內，設備沒有出現故障，而此后每個單位時間內的故障概率就是失效。有一些文獻有著不同的觀點，認為故障和失效是不同的，前者的對象是可修復的設備，而后者是不可修復設備。但是普遍觀點二者是一致的，所以本文采用普遍觀點。1.1.1可靠性指標體系1）保護裝置可靠性指標R（1）繼電器自動裝置動作的正確率R1 （2-1）其中，nc為在保護動作中，繼電保護正確動作的次數，N0為微機保護動作的總次數。（2）故障錄波裝置錄波正確率R2 （2-2）其中，為故障錄波正確錄波次數，為總錄波數。（3）整定值核對異常的概率R3 （2-.3）其中，為定值異常數，為保護裝置總個數，為運行累計時間，若以年為單位，則=1。（4）在220kV的縱聯保護中，通道是必要的組成部分，通道起著傳輸數據的作用，一般在保護投入之前要進行保護通道的試驗，試驗異常率R4 （2-4）其中，為通道異常數。（5）對于電流縱聯保護，比較的是相量和，比較的保護兩端的相位和幅值，因此電流縱聯保護主要難點是兩側電流的同步問題，解決同步問題的措施是采用時鐘，異常率R5 （2-5）其中，為時鐘異常數。（6）保護開關量狀態異常率R6 （2-6）其中，為保護開關量異常數。（7）繼電保護也是有壽命的，在機電保護的職業生涯中也會存在誤動和拒動的可能，繼電保護裝置的故障率R7 （2-7）其中，為保護裝置的故障次數。（8）繼電保護動作成功的概率R8 （2-8）其中，各變量對應關系如下：拒動次數--；區外故障正確不動作次數--；非選擇性誤動次數--；無故障誤動次數--；區內故障正確動作次數--。保護區內發生故障正確動作的次數以及區外故障誤動的次數一般比較難獲取，但是在數據量比較大的情況下，認為各條線路發生故障次數都是一樣的，區內故障正確動作的次數和區外故障誤動的次數計算公式為： （2-9）因此，工作成功率R8可表示為 （2-10）（9）區外故障故障誤動率R9 （2-11）（10）設備在運行過程出現拒動和誤動的概率R10(誤動率+拒動率) （2-12）其中，拒動率為，誤動率為。（11）設備的失效率R11 （1.13）其中，為維修時發現的失效累計數，為定期維修時間累計，為失效停休時間累計，根據DLTW5-2006的規定，若定期維修周期為3年，則與的表達式為 （2-14）其中，繼電保護故障修復率用表示，為繼電保護定檢修復率。（一般取。）保護裝置可靠性可表示為以上11類指標的平均值： （2-15）3）保護裝置速動性指標S上文已經提到，保護的速動性S指的是快速切除故障，計算值取決于近端最快切除時間，最慢切除時間以及電網故障切除的時間，表達式為 （2-16）其中，為單相近端故障最快切除時間，為單相近端故障最慢切除時間，為電網故障快速切除率。4）保護裝置耐久性指標N（1）平均壽命(MTTTW)N1 （2-17）其中，為保護裝置故障率。（2）綜合平均無故障運行時間N2綜合無故障運行時間表示為相鄰兩次故障之間的平均工作時間。 （2-18）其中，各變量含義對應如下：非選擇性誤動次數--；無故障誤動次數--；拒動次數--；維修時發現的失效累計數--；定期維修時間累計--；運行累計時間--；失效停休時間累計--。（3）不可用度N3各種研究中關于可用性的衡量方式不盡相同。在工程上，穩態可用度是表普遍的表示方法。穩態可用度是指，設備的不能正常工作的時間在一個周期內的占比。 （2-19）（4）主保護裝置投運率N4： （2-20）其中，為運行累計時間保護裝置的耐久性可表示為 （2-21）其中，Ni取值為（i=1,2,3）保護裝置維修性指標W設備的維修性指標指的是設備的可修復性，對于繼電保護設備而言，低成本的元器件若發生故障，采取的是更改措施。所以從繼電保護設備的角度講，繼電保護系統是不可修復系統。然而一旦更換了損壞的部件，那么其又恢復了正常運行，從這個角度將，繼電保護系統是可修復系統。我們知道，在投入生產之前，繼電保護是經過了現場測試的。所以本文進行了合理假設--設備處于偶然失效期，故障率為定值。（1）平均維修時間 （2-22）其中，拒動次數--；無故障誤動次數--；維修時發現的失效累計數--；非選擇性誤動次數--；運行累計時間--；失效停休時間累計--；定期維修時間累計--。（2）役齡回退因子保護裝置的耐久性可表示為 （2-23）其中，（役齡回退因子）指的是，設備通過維修而回到某個狀態的能力。該指標反應了維修效果。一般情況下，若全部檢修，其值為0.95；部分檢修則為0.85。6）保護裝置經濟性指標（1）維修成本維修成本多為估計值，用表示。（2）保護可用經濟系數 （2-24）其中，經濟損失總和--；拒動損失--；一次線路故障率--，為拒動率--；誤動損失--；誤動率--。（3）經濟成本可靠性系數 （2-25）其中，C為保護裝置的經濟損失。可反映不同檢修周期下保護裝置的可用度情況和年均總經濟損失情況。保護裝置的經濟性可表示為 （2-26）1.1.2計算模型本文從可靠性、速動性、經濟性、耐久性、維修性5個指標出發來衡量設備的可靠性。但是因為不同的指標其量綱也是不一樣的，因此需要進行歸一化，類比于電力系統的標幺值。本文選取基準值（選擇某一年的可靠性指標為基準），利用本年的統計值和基準值之間的比值得到相對值，表達式為 （2-27）指標有正負之分。正向指標計算值越大，設運行狀況越好，說明設備的可靠性越高，比如安全自動裝置正確動作率、故障錄波裝置錄波完好、工作成功率、電網故障快速切除率、平均壽命、綜合平均無故障運行時間、主保護裝置投運率、役齡回退因子、維修成本和保護可用經濟系數；相對的，逆向指標計算值越大，說明可靠性越低。例如定值區定值核對異常率、通道試驗異常率時鐘準確性異常率、保護開關量狀態異常率，繼電保護裝置故障率、無故障誤動率、運行失效率、綜合失效率、單相近端故障最快切除時間、單相近端故障最慢切除時間、不可用度、平均維修時間和經濟成本可靠性系數。并且，逆向指標要取倒數，正向指標保持不變。相對值指標的計算方法為 （2-28）3算例分析為了驗證上述可靠性指標的正確性，本文采用國家電網調度通信統計的2018~2020年的繼電保護運行情況的數據，具體數據如表1.5-1.6所示。同時，根據相關的數據，微機保護在2018~2020年期間裝置的故障率為0.69次/百臺.年，0.63次次/百臺.年和0.51次/百臺.年，整體上故障率是減小的趨勢；速動性的三個指標故障切除時間如表1.8所示。表1.52018~2020年保護裝置動作結果統計統計值\年份2018年2019年2020年保護裝置總個數94611513063動作總次數48067296保護裝置正確動作次數46562291不正確動作次數非選擇性誤動次數112無故障誤動次數111拒動次數112表1.62018~2020年故障錄波器的運行情況統計值\年份2018年2019年2020年總錄波數595556536134故障錄波正確錄波次數607657005953表1.72018~2020年保護裝置歷史缺陷記錄統計值\年份2018年2019年2020年定值異常數111通道異常數336時鐘異常數111開關量異常數325裝置故障次數9916表1.82018~2020年保護裝置速動性記錄年份201820192020單相近端故障最快切除時間40ms40ms30ms單相近端故障最慢切除時間110ms100ms100ms電網故障快速切除率99.92%100%99.63%設備維修時間8.38小時7.65小時5.36%小時1.3.1可靠性計算將2015年度的可靠性的數值作為參考系，則可以計算獲得其他年度的可靠性的相應指標R，具體見表1.9。分析表1.9，在209年保護運行失效率統計值為0.405，比其他兩年都要高保護定值整定、時鐘異常發生的概率比較小，但是通道異常、開關量狀態錯誤發生的比較大，而且是呈年份上升的，但是保護動作成功的概率也是越來越高的，保護裝置可靠動作也是越來越強的。表1.92018~2020年可靠性指標R統計結果201820192020統計值相對值統計值相對值統計值相對值保護裝置可靠性指標0.882610.82600.93070.97260.9900故障錄波裝置錄波正確率0.976910.97760.99060.97691整定值核對異常的概率010101通道試驗異常率0.17910.2271.41430.2521.0932時鐘異常率010101保護開關量狀態異常率0.45910.3321.51890.2071.7256繼電保護裝置的故障率0.8310.601.11920.501.3583工作成功率R81.002710.82890.83380.87321.0013區外故障故障0.103510.18011.20330.12251.7044設備的失效率0.17310.4050.60610.2791.7014綜合失效率0.103310.18001.20230.02251.7984可靠性--1--1.0133--1.46051.3.2速動性計算表1.10速動性指標S為各個年度的統計情況，表1.102018~2020年速動性指標S統計結果統計值\年份2018年2019年2020年統計值相對值統計值相對值統計值相對值30ms130ms120ms1.222100ms190ms1.290ms1.20.882710.88190.88720.88020.8864--1--1.1216--1.0324從數據上看，動作的時間越來越短，系統切除故障的正確率也是越來越高，滿足人們對堅強電網的期盼。這些不僅是裝置上的創新還有在計算原理上的不斷優化，設備的不斷智能化，傳輸通道的不斷縮短是繼電保護發展的方向。1.3.3計算耐久性表1.11為耐久性指標N的每個年度的統計數值。分析表1.11可知，平均壽命年限從最初的127到現在193，運行年限是越來越長了，耐久性指標從1.5599上升到1.774。同時主保護的投運率基本保持在1，因為繼電保護主要是依靠主保護來切除故障，平均無故障時間也是不斷延長，說明設備的抗壓能力越來越強了。增加設備壽命不僅和設備本身的不斷改進相關，而且運行維護人員的保護水平相關，不斷優化運維方案，不斷加強保護巡視和測試也是非常必要的。表1.112018~2020年耐久性指標N統計結果統計值\年份2018年2019年2020年統計值相對值統計值相對值統計值相對值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計算維修性表1.12為維修性指標的每個年度的統計數值。表1.1220