CN102882273B - 智能变电站继电保护系统可靠性的定量计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法：1)计算同步对时信息各信息回路的可靠性；2）根据1)修正三类元件的可靠性；3）将修正后的三类元件的可靠性代入并计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性；4）根据所有的SV信息回路可靠性计算SV信息可靠性，根据所有的GOOSE信息回路可靠性计算GOOSE信息可靠性；5）根据SV信息和GOOSE信息的可靠性计算单套继电保护可靠性，根据所有单套继电保护可靠性计算整套继电保护系统的总体可靠性。本方法可以实现对现有多种继电保护系统的可靠性定量计算，具有通用性及易于实施的特点。另外，本发明还公开了一种采用上述方法的智能变电站继电保护系统的可靠性计算系统。

Description

智能变电站继电保护系统可靠性的定量计算方法及系统

技术领域

本发明涉及智能变电站系统可靠性技术领域，具体来说涉及一种智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法。本发明还涉及所述方法用到的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算系统。

背景技术

继电保护系统是保障电网安全运稳定行的第一道防线，其可靠工作对电网至关重要。随着IEC61850标准的推广以及网络通信和智能一次设备等技术的发展，智能变电站的建设正如雨后春笋一般展开。在智能变电站中，继电保护系统的结构和组成发生了很大改变。新型的电子式和光电式互感器逐步投入应用，成为保护系统的主要测量元件。以太网络取代了传统二次电缆成为保护信息传输的媒介。采样信息和控制信息也被符合IEC61850标准的SV报文和GOOSE报文所代替。新设备、新技术的应用使得智能变电站继电保护系统的可靠性有别于传统变电站的保护系统，如智能变电站保护系统网络组网模式具有多样性，保护系统中功能部件的冗余配置方案也具有多样性，可选择的继电保护系统构成方案有很多，这些使得智能变电站保护系统的实现方案难以枚举，各种方案孰优孰劣，目前还没有评价标准，如何对这些方案进行正确的可靠性定量计算是一个急需解决的问题。目前现有的方法主要依靠设计人员的经验进行定性分析和评价。

传统继电保护系统采用二次电缆连接，保护冗余配置往往由变电站的电压等级及在电力系统中的地位决定，因此保护方案有限。在此背景下，继电保护系统的可靠性研究常采用故障树分析法。故障树法是一种图形化的分析方法，利用演绎法的思想建模，以系统故障为起始点，分析可能造成系统故障的各种因素，逐级细化，并根据上级事件和下级事件的逻辑关系用逻辑门将其连接成倒树形状的结构，根据形成的逻辑框图找出系统发生故障的所有路径，并根据各个事件发生的概率利用概率公式计算出系统发生故障的概率，并且可以计算引起故障的各种因素的重要度。

现有方法存在以下不足：

1.故障树分析方法主要依靠分析人员的思想，逐层找出引起上级故障的全部可能因素，直至最底层事件，较易受人为因素影响。由于思路的差异，不同的人建的模型可能会差别较大，而且不同模型之间难以检查核对，容易造成遗漏或是重复。

2.故障树模型是一种分层次的逻辑图，其特点是层次多，体积庞大，当故障因素较多时，会使逻辑图的结构十分复杂，难以用软件实现计算。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种智能变电站继电保护系统可靠性的定量计算方法，本方法可以实现对现有多种继电保护系统的可靠性定量计算，具有通用性及易于实施的特点。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

一种智能变电站继电保护系统可靠性的定量计算方法，包括如下步骤：

1)、利用最小路集法，计算同步对时信息各条信息回路的可靠性表达式；

2）、根据同步对时信息的可靠性修正被对时的三类元件的可靠性表达式；

3）、利用最小路集法，将修正后的三类元件的可靠性表达式代入并计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性表达式；

4）、根据所有的SV信息回路可靠性表达式计算SV信息可靠性表达式，根据所有的GOOSE信息回路可靠性表达式计算GOOSE信息可靠性表达式；

5）、根据SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式计算单套继电保护可靠性表达式，根据所有单套继电保护可靠性表达式计算整套继电保护系统的总体可靠性表达式，按布尔代数的相关运算法则化简后代入数值计算可靠性值。

所述步骤1）中的最小路集法，即计算始端节点和末端节点所有最小路径连通的概率，其中一条最小路径连通的概率的计算公式为：

$P\left(L_i\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{R}_j$

式中：L_i(i=1,2,…,n)为最小路径，其中n为最小路径数量，P(L_i)为最小路径L_i连通的概率；R_j(j＝1,2,…,m)为构成最小路径L_i的第j个元件的可靠性，所述元件为节点或是线段。

当一条信息回路包含多条最小路径时，信息回路可靠性的计算表达式为：

$R_{\mathrm{loop}}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_i\right));$

所述步骤1）中的同步对时信息的信息回路包括同步时钟源到合并单元的信息回路、同步时钟源到保护单元的信息回路和同步时钟源到智能终端的信息回路。

所述步骤2）中的三类元件为：合并单元、保护单元和智能终端。

所述步骤2）中的三类元件的修正公式为：

$R_{\mathrm{MU}}^{\′}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{TS}-\mathrm{MU},i}\right))$

$R_{\mathrm{PR}}^{\′}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{TS}-\mathrm{PR},i}\right))$

$R_{\mathrm{IT}}^{\′}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{TS}-\mathrm{IT},i}\right))$

式中：R'_MU、R'_PR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；L_TS-MU，i、L_TS-PR,i和L_TS-IT，i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，n表示最小路径的数量。

所述步骤3）中的SV信息回路是指以一台互感器单元为始端节点，以一台保护单元为终端节点的信息回路，GOOSE信息回路是指以一台保护单元为始端节点，以一台断路器为终端节点的信息回路。

所述步骤3）中的SV信息回路和GOOSE信息回路的计算公式为：

$R_{\mathrm{SV},j}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{MI}-\mathrm{PR},i}\right))$

$R_{\mathrm{GOOSE},j}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{PR}-\mathrm{BR},i}\right))$

式中：R_SV，j表示第j个互感器所对应的SV信息回路的可靠性表达式，R_GOOSE，j表示第j个断路器所对应的GOOSE信息回路的可靠性表达式，L_MI-PR,i和L_PR-BR，i分别表示第j条SV信息回路和第j条GOOSE信息回路中的第i条最小路径，其中SV的第i条最小路径始于互感器，经由合并单元和交换机网络后，最终到达保护单元；GOOSE的第i条最小路径始于保护单元，经由交换机网络和智能终端后，最终到断路器。

所述步骤3）中需要用到合并单元、保护单元和智能终端的可靠性时，均用步骤2）中三个元件修正表达式所代替。

所述步骤4）中SV信息可靠性包括针对某一保护单元的所有与该保护单元对应的互感器到该保护单元的SV信息回路可靠性，GOOSE信息可靠性包括针对某一保护单元的所有与该保护单元对应的断路器到该保护单元的GOOSE信息回路可靠性。

所述步骤4）中SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式需要分情况讨论：当保护单元需要采集多个互感器的信息，或是控制多台断路器时，则其之间为串联关系，所对应的SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式为：

$R_{\mathrm{SV}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_{\mathrm{SV},j}$

$R_{\mathrm{GOOSE}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_{\mathrm{GOOSE},j}$

式中：n分别表示有n条SV信息回路和GOOSE信息回路。

当保护单元对应的互感器为冗余配置时，则其之间为并联关系，一般情况下断路器不会冗余配置，所以对应的SV信息可靠性表达式为：

$R_{\mathrm{SV}}=1-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-R_{\mathrm{SV},j})$

所述步骤5）中的单套继电保护可靠性是指与一个保护单元对应的SV信息和GOOSE信息的可靠性，由于SV信息和GOOSE信息对于保护而言需要同时正常工作，因而之间为串联关系，所以单套继电保护可靠性表达式为：

R_SYS,i＝R_SV·R_GOOSE

式中：R_SYS，i表示第i个保护单元对应的单套继电保护的可靠性。对于某一具体功能的保护，如果只有一个保护单元，则此即该保护的整套继电保护系统的总体可靠性。

所述步骤5）中的整套继电保护系统的总体可靠性是指针对某一具体功能的保护而言，所有完成相同功能的单套继电保护可靠性的并联之和，即当有多个保护单元冗余配置时，整套继电保护系统的总体可靠性表达式为：

$R_{\mathrm{SYS}}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-R_{\mathrm{SYS},i})$

所述步骤5）中布尔代数的相关运算法则是同一元件的可靠度在相乘计算时应合并为同一项，也就是说相同元件的可靠度不能重复进行相乘运算，用公式表示为：

R_i·R_i＝R_i

本方法的另一个发明目的在于提供一种智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算系统，该系统能够结合可视化的图形建模和可靠性的计算过程，可对模拟的继电保护系统进行可靠性分析计算，便于指导实际工程应用中的方案选择。

一种智能变电站继电保护系统的可靠性计算系统，该系统包括如下模块：

图形建模模块：图形建模模块用于提供绘制智能变电站保护系统方案的环境，支持方案图的绘制和元件可靠性参数的录入与维护，并对绘制完成的方案图生成用于可靠性评估的网络连通图；

可靠性计算模块：用于对完成图形建模的智能变电站继电保护系统进行元件连接关系存储，然后按照如下计算过程，计算图形建模模块所建立的继电保护系统的可靠性，步骤如下：

A）、利用最小路集法，计算同步对时信息各条信息回路的可靠性表达式，所述同步对时信息的信息回路包括同步时钟源到合并单元的信息回路、同步时钟源到保护单元的信息回路和同步时钟源到智能终端的信息回路。

B）、根据同步对时信息的可靠性修正被对时的三类元件的可靠性表达式，三类元件包括合并单元、保护单元和智能终端；

C）、利用最小路集法，将修正后的三类元件的可靠性表达式代入并计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性表达式；

D）、根据所有的SV信息回路可靠性表达式计算SV信息可靠性表达式，根据所有的GOOSE信息回路可靠性表达式计算GOOSE信息可靠性表达式。

E）、根据SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式计算单套继电保护可靠性表达式，根据所有单套继电保护可靠性表达式计算整套继电保护系统的总体可靠性表达式，按布尔代数的相关运算法则化简后代入数值计算可靠性值。

本发明对比现有技术，有如下优点：

1．由于智能变电站中继电保护系统的实现方案多种多样，仅靠枚举几种典型网络结构难以形成一种标准化的方法去评价所有继电保护系统的可靠性，本方法可对现有各种结构的继电保护系统进行可靠性定量计算，本方法在可靠性框图的基础上，分别分析同步对时、SV和GOOSE三类信号流的连通拓扑，作为评价整体系统可靠性的基础，具有一定的通用性。

2．本方法可通过软件实现继电保护系统环境的模拟并计算其可靠性，可以模拟实际继电保护系统的各种结构，便于各种方案的可靠性定量计算与比较，便于指导实际工程应用中的方案选择。

附图说明

图1是脉冲对时和编码对时的对时回路可靠性模型；

图2是网络对时的对时回路可靠性模型；

图3是SV报文信息可靠性模型；

图4GOOSE报文信息可靠性模型；

图5一个实际继电保护系统的结构框图。

具体实施方式

一套完整的继电保护系统需要完成测量比较、逻辑判断和执行输出三个部分的功能，因此保护系统的采样信息和控制信息的连通性至关重要。在智能变电站中，采样信息以SV报文为载体，控制信息以GOOSE报文为载体。除此之外，为使全站的智能电子装置都能工作在统一的时间坐标之下，同步对时信息的连通性也是一个不能忽略的问题。

智能变电站中的继电保护系统包含有八类功能模块，为了叙述方便，在本文及附图中将采用以下英文缩写：TS（Time Synchronization Source）为同步时钟源，TM（Transmission Media）为传输介质，MI（Mutual Inductor）为互感器，MU（MergingUnit）为合并单元，SW（Switch）为交换机，PR（Protection）为保护单元，IT（IntelligentTerminal）为智能终端，BR（Breaker）为断路器。

同步对时信息

同步对时信息起始于同步时钟源，终止于各个需要同步对时的智能电子装置，对于智能变电站继电保护系统而言，主要是指合并单元、保护单元和智能终端。只有对时信息回路可靠，才能保证智能电子装置的正常工作。不同对时方式，其可靠性模型是不相同的。其中脉冲对时和编码对时需要专用的对时网络，其模型结构一般为星型或分级星型的结构，如图1所示，而网络对时需要借助交换机组成的以太网，网络模型一般为树状结构，如图2所示。

SV报文信息

SV报文负责传递电力系统的电气量采样信息，SV报文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，其起始于互感器，终止于保护单元，其可靠性模型如图3所示。根据采样值传输规约的不同，交换机网络并不是其中必要的环节，例如对于IEC60044-7/8和IEC61850-9-1传输的采样值而言，其只支持点对点的通信方式，在此情况下可以不必要经过交换机，而对于采用IEC61850-9-2协议传输的采样值，可以支持交换机组网，从而减少接口和传输光纤的数量。

GOOSE报文信息

GOOSE报文作为跳合闸信号、断路器开关位置和闭锁信号等的载体，在保护单元和断路器之间双向流通，其可靠性模型如图4所示，同SV报文一样，GOOSE也可以兼容点对点或是组网两种传输方式，因此交换机网络对于GOOSE报文的信息流而言也不是必要的环节。

一套实际的继电保护系统就是由上述元件所组成的系统，再考虑部分元件的冗余配置情况，实际系统的可靠性模型可以用上述可靠性模型连接在一起，构成可靠性框图。

如果将传输介质看作节点间的线段，而其他元件看作节点，数字化继电保护系统可以看作一个连通网络系统，各类信息回路的可靠性可以运用最小路集法计算二端网络连通率。从而，对该系统采用以下可靠性计算过程：

1）、利用最小路集法，计算同步对时信息各条信息回路的可靠性表达式，所述同步对时信息的信息回路包括同步时钟源到合并单元的信息回路、同步时钟源到保护单元的信息回路和同步时钟源到智能终端的信息回路：

当系统的结构比较复杂时，每条信息流可能存在多条回路，此时元件之间的关系难以用简单的串并联所表示，需要用到最小路集的概念。所谓路径，是指能使始端节点和终端节点保持连通的线段和节点的集合。去掉任意一条线段或节点都不再保持连通的路径称为最小路径。而最小路集就是最小路径的集合。在继电保护系统的可靠性分析中，传输介质与接口作为一个整体可以看作节点之间的连线，而其他各功能单元均视为节点，无论连线还是节点都是有可靠性参数信息的实体（衡量可靠性的指标有很多，如可靠度、故障率、平均故障时间等，这些指标间有一定的关系。本文中用可靠度作为可靠性的衡量指标）。

对于任意一条最小路径L_i(i=1,2,…,n)，其中n为最小路径数量。每条路径可靠性的表达式如式(1)所示：

$P\left(L_i\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{R}_j---\left(1\right)$

式中：P(L_i)为最小路径L_i连通的概率；R_j(j＝1,2,…,m)为构成最小路径L_i的第j个元件的可靠性，其中元件可能为节点或是线段。

而对于任意一条信息流来说，只要有一条最小路径保持导通，回路就能正常工作，其之间为并联关系，因此回路的可靠性表达式如式(2)所示：

$R_{\mathrm{loop}}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_i\right))---\left(2\right)$

在对整个系统进行可靠性计算时，应注意布尔代数的相关运算法则。即同一元件的可靠度在相乘计算时应合并为同一项，也就是说相同元件的可靠度不能重复进行相乘运算，用公式表示为R_i·R_i＝R_i。只有将所有的表达式展开并按布尔代数的相关运算法则合并之后，才可以代入具体数值进行计算，否则将得到错误的结果。

2）、根据同步对时信息的可靠性修正被对时的三类元件的可靠性表达式，三类元件包括合并单元、保护单元和智能终端：

同步对时信息流的可靠性将直接影响被对时元件的可靠性，因此对时回路信息流的可靠性计算结果将用于修正被对时的三类元件的可靠性表达式。其计算表达式如式(3)、(4)和(5)所示：

$R_{\mathrm{MU}}^{\′}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{TS}-\mathrm{MU},i}\right))---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{PR}}^{\′}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{TS}-\mathrm{PR},i}\right))---\left(4\right)$

$R_{\mathrm{IT}}^{\′}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{TS}-\mathrm{IT},i}\right))---\left(5\right)$

式中：R'_MU、R'_PR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；L_TS-MU，i、L_TS-PR,i和L_TS-IT，i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，n表示最小路径的数量。

3）、利用最小路集法，将修正后的三类元件的可靠性表达式代入并计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性表达式：

同样采用最小路集法，找出互感器到保护元件，以及保护元件到断路器之间的所有最小路径，然后根据式(6)和式(7)计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性，其中合并单元、保护单元和智能终端的可靠性均为被对时回路可靠性修正后的可靠性。

$R_{\mathrm{SV},j}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{MI}-\mathrm{PR},i}\right))---\left(6\right)$

$R_{\mathrm{GOOSE},j}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-P\left(L_{\mathrm{PR}-\mathrm{BR},i}\right))---\left(7\right)$

式中：R_SV，j表示第j个互感器所对应的SV信息回路的可靠性表达式，R_GOOSE,j表示第j个断路器所对应的GOOSE信息回路的可靠性表达式，L_MI-PR,i和L_PR-BR,i分别表示第j条SV信息回路和第j条GOOSE信息回路中的第i条最小路径，其中SV的第i条最小路径始于互感器，经由合并单元和交换机网络后，最终到达保护单元；GOOSE的第i条最小路径始于保护单元，经由交换机网络和智能终端后，最终到断路器。

4）、根据所有的SV信息回路可靠性表达式计算SV信息可靠性表达式，根据所有的GOOSE信息回路可靠性表达式计算GOOSE信息可靠性表达式：

SV信息可靠性包括针对某一保护单元的所有与该保护单元对应的互感器到该保护单元的SV信息回路可靠性，GOOSE信息可靠性包括针对某一保护单元的所有与该保护单元对应的断路器到该保护单元的GOOSE信息回路可靠性。

式(6)和式(7)均为一个保护单元对应一台互感器，以及一个保护单元对应一台断路器的情况，当一套保护中需要多台互感器和断路器时，需要分情况讨论。如果是一个保护单元需要采集多个互感器的信息，或是需要控制多台断路器，这种情况下每条信息流的可靠性为串联关系，其可靠性计算如式(8)和式(9)所示：

$R_{\mathrm{SV}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_{\mathrm{SV},j}---\left(8\right)$

$R_{\mathrm{GOOSE}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_{\mathrm{GOOSE},j}---\left(9\right)$

式中：R_SV，j(j＝1,2,…,n)表示第i个互感器对应的SV信息回路的可靠性，R_GOOSE,j(j＝1,2,…,n)表示第i个断路器对应的GOOSE信息回路的可靠性。

如果互感器之间为冗余配置的情况，则每条信息流之间为并联关系，其可靠性计算如式(10)所示：

$R_{\mathrm{SV}}=1-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-R_{\mathrm{SV},j})---\left(10\right)$

4）、根据SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式计算单套继电保护可靠性表达式，根据所有单套继电保护可靠性表达式计算整套继电保护系统的总体可靠性表达式，按布尔代数的相关运算法则化简后代入数值计算可靠性值：

由于一套保护系统需要SV信息和GOOSE信息同时正常工作，因此对于智能变电站单套继电保护的可靠性来说两者之间为串联关系，其可靠性的计算式如式(11)所示：

R_SYS,i＝R_SV·R_GOSE                  (11)

式中：R_SYS，i表示第i个保护单元对应的单套继电保护的可靠性。

对于某一具体功能的保护，如果只有一个保护单元，则式(11)即该保护的整套继电保护系统的总体可靠性。当该功能的保护有多个保护单元冗余配置时，其之间为并联关系，此时整套保护系统的可靠性的计算如式所示：

$R_{\mathrm{SYS}}=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}(1-R_{\mathrm{SYS},i})---\left(12\right)$

式中：R_SYSi表示第i套保护对应的系统的可靠性。

上述基于最小路集法计算可靠性时，任一信息回路或系统的可靠性计算过程中，不能直接用可靠性参数直接代入，需等可靠性表达式展开后按照布尔代数的运算规则进行合并运算，将相乘的相同项合并为一项，才能得到最终的继电保护系统可靠性表达式，再代入相应的可靠性数值进行计算，否则将得到错误的结果。因此人工手算比较复杂，适合软件计算。

本方法还提供一种可靠性计算系统，该系统结合可视化的图形建模和上述可靠性的计算过程，可对模拟的继电保护系统进行可靠性分析计算，便于指导实际工程应用中的方案选择，该系统主要包括如下模块：

图形建模模块：图形建模模块用于提供绘制智能变电站保护系统方案的环境，支持方案图的绘制和元件可靠性参数的录入与维护，并对绘制完成的方案图生成用于可靠性评估的网络连通图。

图形建模能绘制如下元件：电子式互感器MI、合并单元MU、智能终端IT、同步时钟源TS、交换机SW、保护单元PR、断路器BR和传输介质TM。其中传输介质作为连接其他元件的支路。

此外，提供各类元件参数的录入界面。元件参数主要是可靠性参数。同类设备相同的可靠性参数，可用于评估不同组网模式或不同冗余配置情况下继电保护系统的整体可靠性差别；某类设备可靠性参数的变化，可用于评估该类设备可靠性在保护系统整体可靠性中的重要度或灵敏度。

可靠性计算模块：用于对完成图形建模的智能变电站继电保护系统进行元件连接关系存储，然后按照如下计算过程，计算图形建模模块所建立的继电保护系统的可靠性，步骤如下：

1)、利用最小路集法，计算同步对时信息各条信息回路的可靠性表达式；

2）、根据同步对时信息的可靠性修正被对时的三类元件的可靠性表达式；

3）、利用最小路集法，将修正后的三类元件的可靠性表达式代入并计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性表达式；

4）、根据所有的SV信息回路可靠性表达式计算SV信息可靠性表达式，根据所有的GOOSE信息回路可靠性表达式计算GOOSE信息可靠性表达式。

5）、根据SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式计算单套继电保护可靠性表达式，根据所有单套继电保护可靠性表达式计算整套继电保护系统的总体可靠性表达式，按布尔代数的相关运算法则化简后代入数值计算可靠性值。

某220kV数字化变电站继电保护系统的结构框图如图5所示。该系统采用IRIG-B码对时形式，对时网络为星型结构，两个互感器MI1和MI2分别为电流互感器和电压互感器，合并单元、保护单元和智能终端均双重化配置，SV采样值传输规约为IEC61850-9-2，交换机网络采用独立双网的形式，而GOOSE回路采用直连形式。图中的数字为传输介质的编号。

用元件的英文缩写来表示各条路径的组成。六条对时路径及可靠性表达式如表1所示：

表1

对于保护一，其有两条SV回路，每条回路有两条最小路径，分别为：

SV1:L₁:MI1-TM7-MU1′-TM11-SW1-TM15-PR1′

L₂:MI1-TM7-MU1′-TM12-SW2-TM16-PR1′

SV2:L₁:MI2-TM9-MU1′-TM11-SW1-TM15-PR1′

L₂:MI2-TM9-MU1′-TM12-SW2-TM16-PR1′

且SV1与SV2之间为串联关系，即：

R_SV＝R_SV1·R_SV2                  (13)

一条GOOSE回路，其中有两条最小路径，分别为：

GOOSE:L₁:PR1′-TM19-IT1′-TM23-BR

L₂:PR1′-TM20-IT2′-TM24-BR

由式(11)可知，保护一的可靠性为：

R_SYS1＝R_SV·R_GOOSE                (14)

对于保护二来说，算法与上述相同，此处省略计算过程，最终得到保护二的可靠性为R_SYS2。

最终得到整个保护系统的可靠性为：

R_SYS＝1-(1-R_SYS1)·(1-R_SYS2)              (15)

需注意的是，上述可靠性计算的中间步骤中不能用数值，需等公式化简后，才能代入各元件的可靠性数值。

假设同一类型元件具有相同的可靠度，各类元件的可靠度如表2所示：

表2

由上述数据代入后计算出该继电保护系统的可靠性为0.9879。

倘若还有另一种方案，则同样可以计算出系统可靠性，据此能评价不同方案可靠性的高低。

本方法先计算各对时回路的可靠性以修正被对时元件的可靠性，接着计算各SV回路和GOOSE回路的可靠性，最后计算出系统的可靠性。不同方案的系统可靠性结果可用于方案的选择与比较。

本发明根据智能变电站保护系统的特点，主要解决智能变电站继电保护系统方案的可靠性定量计算问题，其主要基于可靠性框图的最小路集算法，对智能变电站继电保护系统中使用的同步对时、SV报文和GOOSE报文三类信息的连通率（连通性概率）进行计算，并以此作为整个保护系统可靠性计算的基础。具体是对智能变电站继电保护系统中的信号流进行分类，并根据同步对时信息、SV和GOOSE信息的可靠性模型，应用最小路集法计算回路的可靠性，在此基础上，根据串并联关系计算整套继电保护系统的整体可靠性。且本方法还提供一种继电保护系统的可靠性分析系统，该系统采用建立可靠性框图的技术手段，模拟实际继电保护系统的组网模式和冗余配置方案，再结合上述可靠性计算方法，可利用计算机的快速计算能力计算各种模拟配置方案的可靠性，从而便于各种方案的可靠性定量计算与比较。

本发明能够实现智能变电站继电保护方案的可靠性定量计算，解决当前智能变电站继电保护方案科学选择的难题，也可以找出系统中的可靠性灵敏元件。因此，本发明对于智能变电站继电保护系统的设计与规划、以及设备选择具有十分重要的指导意义。

Claims (10)

1.一种智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于包括如下步骤： 

1)、利用最小路集法，计算同步对时信息各条信息回路的可靠性表达式； 

2)、根据同步对时信息的可靠性修正被对时的三类元件的可靠性表达式，三类元件为：合并单元、保护单元和智能终端； 

3)、利用最小路集法，将修正后的三类元件的可靠性表达式代入并计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性表达式； 

4)、根据所有的SV信息回路可靠性表达式计算SV信息可靠性表达式，根据所有的GOOSE信息回路可靠性表达式计算GOOSE信息可靠性表达式； 

5)、根据SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式计算单套继电保护装置的可靠性表达式，根据所有单套继电保护装置的可靠性表达式计算被保护设备的继电保护系统的总体可靠性表达式，按布尔代数的相关运算法则化简后代入各元件的可靠性数值，从而计算出继电保护系统的可靠性数值。 

2.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤1)中的最小路集法，即计算始端节点和末端节点间所有最小路径连通的概率，其中一条最小路径连通的概率的计算公式为： 

式中：L_i为第i条最小路径，i＝1,2,3,------n，n为最小路径数量，P(L_i)为最小路径L_i连通的概率；R_j为构成最小路径L_i的第j个元件的可靠性，m＝1,2,3,------m，m为路径上元件的数量，所述元件为路径上具有可靠性的节点或线段； 

当一条信息回路包含多条最小路径时，信息回路可靠性的计算表达式为： 

。

3.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤1)中的同步对时信息的信息回路包括同步时钟源到合并单元的信息回路、同步时钟源到保护单元的信息回路和同步时钟源到智能终端的 信息回路。 

4.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤2)中的三类元件为：合并单元、保护单元和智能终端。 

5.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤2)中的三类元件的修正公式为： 

式中：R'_MU、R'_PR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；L_TS-MU,i、L_TS-PR,i和L_TS-IT,i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，n表示最小路径的数量。 

6.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤3)中的SV信息回路和GOOSE信息回路的计算公式为： 

式中：R_SV,j表示第j个互感器所对应的SV信息回路的可靠性表达式，R_GOOSE,j表示第j个断路器所对应的GOOSE信息回路的可靠性表达式，L_MI-PR,i和L_PR-BR,i分别表示第j条SV信息回路和第j条GOOSE信息回路中的第i条最小路径，其中SV的第i条最小路径始于互感器，经由合并单元和交换机网络后，最终到达保护单元；GOOSE的第i条最小路径始于保护单元，经由交换机网络和智能终端后，最终到达断路器。 

7.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤4)中的SV信息可靠性包括针对某一单套继电保护装置的所有与该装置中保护单元对应的互感器到保护单元的SV信息回路可靠性，GOOSE信息可靠性包括针对某一单套继电保护装置的所有与该装置中保护单元对应的断路器到保护单元的GOOSE信息回路可靠性；SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式需要分情况讨论，当保护单元需要采集多个互感器的信息，或是控制多台断路器时，则其之间为串联关系，所对应的SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式为： 

式中：k，l分别表示有k条SV信息回路和l条GOOSE信息回路； 

当保护单元对应的互感器为冗余配置时，则其之间为并联关系，一般情况下断路器不会冗余配置，所以对应的SV信息可靠性表达式为： 

。

8.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤5)中的单套继电保护装置可靠性是指与一套保护装置对应的SV信息和GOOSE信息的可靠性，由于SV信息和GOOSE信息对于保护装置而言需要同时正常工作，因而之间为串联关系，所以单套继电保护装置的可靠性表达式为： 

R_SYS,i＝R_SV·R_GOOSE

式中：R_SYS,i表示第i套保护装置对应的可靠性；对于某一被保护设备，如果只配有一套继电保护装置，则此套继电保护装置的可靠性即为该被保护设备的继电保护系统的总体可靠性； 

被保护设备的继电保护系统的总体可靠性是指针对被保护设备而言，所有完成相同功能的单套继电保护装置可靠性的并联之和，即当有多套保护装置冗余配置时，被保护设备的继电保护系统的总体可靠性表达式为： 

。

9.根据权利要求1所述的智能变电站继电保护系统的可靠性定量计算方法，其特征在于：所述步骤5)中的布尔代数的相关运算法则是同一元件的可靠性在相乘计算时应合并为同一项，也就是说相同元件的可靠性不能重复进行相乘运算，用公式表示为： 

R_i·R_i＝R_i

式中，R_i表示元件i的可靠性。 

10.一种智能变电站继电保护系统的可靠性计算系统，其特征在于包括如下模块： 

图形建模模块：图形建模模块用于提供智能变电站保护系统方案的绘制环境，支持方案图的绘制和元件可靠性数值的录入与维护，并对绘制完成的方案图生成用于可靠性计算的网络连通图； 

可靠性计算模块：用于对完成图形建模的智能变电站继电保护系统进行元件连接关系存储，然后按照如下计算过程，计算图形建模模块所建立的继电保护系统的可靠性，步骤如下： 

A)、利用最小路集法，计算同步对时信息各条信息回路的可靠性表达式，所述同步对时信息的信息回路包括同步时钟源到合并单元的信息回路、同步时钟源到保护单元的信息回路和同步时钟源到智能终端的信息回路； 

B)、根据同步对时信息的可靠性修正被对时的三类元件的可靠性表达式，三类元件包括合并单元、保护单元和智能终端； 

C)、利用最小路集法，将修正后的三类元件的可靠性表达式代入并计算SV信息回路和GOOSE信息回路的可靠性表达式； 

D)、根据所有的SV信息回路可靠性表达式计算SV信息可靠性表达式，根据所有的GOOSE信息回路可靠性表达式计算GOOSE信息可靠性表达式； 

E)、根据SV信息和GOOSE信息的可靠性表达式计算单套继电保护装置的可靠性表达式，根据所有单套继电保护装置的可靠性表达式计算被保护设备的继电保护系统的总体可靠性表达式，按布尔代数的相关运算法则化简后代入各元件的可靠性数值，从而计算出继电保护系统的可靠性值。