CN107491876A - 一种智能变电站保护系统的风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变电站保护系统综合风险评估方法。利用马尔科夫过程，由每个二次设备的可靠性统计数据，计算它们的稳态可用度、稳态误动率、稳态拒动率。利用可靠性框图法，计算各保护系统的稳态可用度、稳态误动率、稳态拒动率。针对某保护误动或拒动的失效，计算对应主接线的故障频率及其相对值，获得失负荷量，将保护的稳态误动或拒动率、失负荷量、主接线的故障频率相对值的乘积，定义为该保护的风险。定量获得各保护系统异常时的风险、停运失效时的风险及其在全站综合风险的占比，通过排序，获得各保护失效带来风险的影响程度。本发明所提方法通过对保护失效的运行风险进行计算，能够定量评估其对智能变电站保护系统运行风险的影响。

Description

一种智能变电站保护系统的风险评估方法

技术领域

本发明涉及智能变电站自动化技术领域。

背景技术

在国网公司的倡导下，基于IEC61850的智能变电站得到快速的发展与应用，基于新理念和新技术的新设备大量涌现，智能变电站二次设备的信号输入输出方式、通信架构、系统集成度及智能化水平等方面都发生了很大的变革，在坚强智能电网的背景下，传统的可靠性研究方法和指标已经不能全面反映保护系统的运行状况，研究保护系统的风险评估具有重要意义。

智能变电站是联系电厂与用户的重要节点，也是智能电网建设的重要内容，在智能电网中承担着电压变换、电能集散和电压控制的重要作用，是智能电网最为重要的运行参数采集点和管控措施执行点。在既有的物理的电力网络的基础上，智能变电站二次系统吸收计算机科学、集成电路、智能控制、光电技术、现代通信及自动化技术等领域的研究，具有一次设备智能化、全站信息数字化及信息共享标准化等重要特征，智能变电站还发展了保护系统复杂性，它是一个由多套二次设备组成的系统，比如由合并单元、保护设备、智能终端等二次设备构成保护系统，设备状态可视化在内的诸多高级应用功能，在提升自动化及供电可靠性水平的同时，也极大地丰富了二次系统的内涵，有利推动了变电站的综合智能化水平，因此需要在新的环境下对智能变电站二次系统的可靠性进行评估。

中国专利公开号为CN104680431A，公开了《一种智能变电站二次系统可靠性评估方法》，利用智能变电站二次系统功能信息模型，建立智能变电站二次系统功能可靠性模型，再利用智能变电站二次系统功能，建立功能和系统两个粒度的智能变电站二次系统的可靠性评估指标，再以蒙特卡罗方法为基础，计算被评估的可靠性指标。中国专利公开号为CN102723775A，公开了《一种智能变电站二次系统可靠性评估方法》，将智能变电站系统划分为通信、控制、保护和站控层子系统，借助设备的平均无故障时间和平均修复时间参数，利用可用性框图，得到各子系统的可靠性参数，从而找到二次系统的薄弱环节，进而提高智能变电站二次系统的可靠性。中国专利公开号为CN102136113A，公开了《智能变电站二次系统可靠性评估方案》，利用可靠性框图、邻接矩阵和最小路集建立智能变电站二次系统可靠性评估模型，并将元件重要度分析引入到二次系统中，利用概率重要度和关键重要度实施元件重要度的评价等，对智能变电站二次系统可靠性进行评估。

上述相关专利主要侧重于，按照智能变电站二次系统的组成，仅建立二次系统自身的可靠性指标，但是它们均没有考虑保护系统失效时给电力系统带来的后果，例如，没有考虑不同保护系统失效会产生不同的主接线结构变化，影响了主接线的故障频率等可靠性指标；没有考虑不同保护系统失效带来不同的失负荷量等衍生问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能变电站保护系统的风险评估方法，它能有效解决传统的可靠性评估无法表达保护系统失效后果的问题，能够给出更加全面、客观的风险评估结果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，：一种智能变电站保护系统的风险评估方法，包括：

1)针对智能变电站所有二次设备，统一给出正常工作、误动、拒动三种状态，分析每个二次设备的正常工作状态、误动状态、拒动状态之间的转移情况，列出各二次设备的状态转移矩阵，利用马尔科夫过程，根据所有二次设备的可靠性统计数据，计算得到二次设备的可靠性指标；根据每个间隔下保护系统的二次设备组成及其可靠性指标，采用可靠性框图法，获得每个间隔下保护系统的稳态可用度、稳态误动率、稳态拒动率；针对其中一套保护系统失效的情景，获得对应的变电站主接线结构，采用最小路集法，计算得到此时主接线的故障频率及其相对值，由潮流计算获得对应电力系统的失负荷量，以上数据作为后续风险评估的基础数据；

2)针对电网未发生故障而一套保护系统发生异常动作或电网发生故障时相应的保护系统未正常动作的情景，构造智能变电站保护系统发生异常的异常风险，即采用该保护系统异常的发生概率、失负荷量、对应主接线的故障频率的相对值，以三者的乘积来定量评估该保护失效给电力系统带来的风险；

3)针对双重化配置的保护系统，当双套保护系统中的一套保护系统已停运而另一套保护系统发生失效时，称为该双重化保护系统发生停运失效，构造该保护系统的停运失效风险，即另一套保护系统失效的发生概率、失负荷量、对应主接线的实时故障频率的相对值三者的乘积；

4)构造双重化配置的保护系统其中一套保护系统停运而另一套保护系统发生失效作用下全站保护系统的综合风险，即当该保护系统发生停运失效时，计算其“停运失效风险”，而变电站其它保护系统均计算“异常风险”，将当前双重化配置的保护系统与其它保护系统的风险相加得到全站保护系统的综合风险。然后将当前保护系统的停运失效风险除以全站保护系统的综合风险，得到当前保护系统的停运失效风险的占比α，来表征该保护系统停运失效对整个变电站保护系统运行风险的影响程度。

所述针对其中一套保护系统失效下的情景，对应主接线的故障频率及其相对值的计算：当其中一套保护系统发生失效时，获得保护不正确动作导致电力系统元件停运的状况，即得到此时变电站新的主接线拓扑结构；将变电站主接线从进线到负荷侧母线的主接线结构等效为方块图，其中一套保护系统失效的情景下，对应主接线的故障频率及其相对值的计算：对于从进线到负荷侧母线的最小路集，依据“删去留下”算法，得到经不交化处理后的最小路集集合S；记为

其中，L_i为不交化处理后的一条路集；

计算得到此时变电站主接线的故障频率f_s：

其中，n表示路集的个数，表示路集L_i的可用率,表示路集L_i中正常工作元件的故障率之和，表示路集L_i中故障元件修复率之和；

事先计算得到主接线正常工作时的故障频率f_s0，用f_s除以f_s0，得到该保护系统发生失效时对应的主接线的故障频率的相对值；

依据该保护系统误动与拒动的失效情景对应的主接线结构，通过潮流计算得到电力系统的失负荷量；

所述保护系统的异常风险的计算：

为了能够综合表达保护系统失效带来后果的影响程度，其对电力设备的供电能力和可靠性指标的影响，将保护系统的失效后果定义为电力系统的失负荷量与主接线故障频率相对值的乘积；

当保护系统发生异常时，异常风险是指当电网发生故障时该保护系统未正常动作时称为拒动或电网未发生故障而该保护系统发生动作称为误动，这种拒动或误动的异常动作给电力系统带来的运行风险；

保护系统i的异常风险R_Bi：

其中，n为保护系统i异常情况类别的数目，n＝2为误动或拒动两类，p_j是该保护系统在j类失效下的概率，即稳态误动率或稳态拒动率，如果该保护系统为双重化配置的保护系统或单重化保护系统，则p_j是双重化保护系统或单重化保护系统的稳态误动率或稳态拒动率，j＝1，表示误动；j＝2，表示拒动，S_j是该保护系统在j类失效下的失负荷量，D_j是在该保护系统j类失效下对应主接线的故障频率的相对值，即当保护系统发生误动时，D_j为保护系统误动后主接线的故障频率与保护系统误动前主接线的故障频率之比；当保护系统发生拒动时，D_j为保护系统拒动后主接线的故障频率与保护系统正确动作时主接线的故障频率之比；

所述保护系统的停运失效风险的计算：

对于双重化配置的保护系统，构造该保护系统的停运失效风险，在保护系统运行过程中，其中一套保护系统停运后另一套保护系统发生误动或拒动时带来的风险；

双重化配置的保护系统i的停运失效风险R_Ri：

其中，n为保护系统i异常情况类别的数目，n＝2为误动或拒动两类，p_1j是该双重化保护系统有一套保护已停运而另一套保护参与运行发生失效时在j类失效下的误动或拒动的发生概率；

所述构造双重化配置的保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合风险，该保护系统的停运失效风险的占比α的计算：

当双重化配置的保护系统发生停运失效时，计算该保护系统的停运失效风险，而变电站其它保护系统均计算其异常风险，将当前双重化配置的保护系统与其它保护系统的风险相加，就得到该保护系统停运失效作用下的全站保护系统的综合风险R_si；

定义R_Si为双重化配置的保护系统i停运失效作用下全站保护系统的运行风险之和：

式中，R_Ri是双重化配置的保护系统i的停运失效风险，R_Bj是变电站其它第j个保护系统的异常风险；N是全站保护系统的数目；

对于双重化配置的保护系统，它的其中一套保护系统停运后另一套保护系统发生误动或拒动时，计算得到该保护系统的停运失效风险，变电站其它保护系统采用异常风险；将当前双重化配置的保护系统与变电站其它保护系统的风险值相加，得到该保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合风险。

构造一套保护系统i的停运失效风险R_Ri与其作用下全站保护系统的综合风险R_Si的占比α_i，表征一套保护系统i对整个变电站保护系统综合风险的影响程度；

通过对双重化配置的保护系统的停运失效风险的占比α进行排序，获得这些保护系统停运失效风险作用下对整个保护系统综合风险的影响程度。

本发明技术效果与优势在于：在智能变电站中各保护系统的可靠性指标(如稳态可用度、稳态误动率、稳态拒动率)基础上，首先构造智能变电站某保护系统发生异常时的异常风险指标，该指标不仅从保护系统的角度出发，考虑保护系统异常的发生概率，并且考虑电力系统方面的失负荷量、对应主接线的故障频率的相对值这两个后果指标，将三者的乘积作为某保护系统发生异常的异常风险指标，这样更为全面反映保护系统的风险。本发明还考虑了双重化配置的保护系统中一套保护发生停运而另一套发生失效带来的停运失效风险，计算获得此时全站保护系统的综合风险，然后获得该保护系统的停运失效风险的占比，来反映该保护系统的停运失效对全站保护系统风险的影响程度。

本发明定量表示保护系统失效的风险。依据各保护系统的失效情景，运用可靠性框图，给出了各保护系统各自的可靠性指标，包括稳态可用度、稳态误动率、稳态拒动率。再根据某保护系统的失效情景，获得对应的主接线结构图，利用方块图法计算出相应主接线的故障频率及其相对值，得到该失效情景下的失负荷量，使某保护系统失效的影响得以量化。

本发明构造了由失负荷量、主接线故障频率及其相对值共同表征的保护系统的失效后果指标，构造了由保护失效概率和失效后果共同表征的运行风险。针对不同保护系统的失效情景，计算其发生概率，获得保护系统的异常风险、停运失效风险及全站保护系统的综合风险，构造了某一双重化配置保护系统的停运失效风险与其作用下全站保护系统的综合风险的比值，从而量化地表达了智能变电站保护系统失效对全站风险的影响程度。从保护系统的失效概率和失效后果两个角度出发，综合反映了保护系统异常或停运失效带来的风险，具有一定的客观性、直观性和全面性。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为本发明的二次设备对应的状态转移图。

图3为本发明的一个保护系统的可靠性框图。

图4为一个典型220kV变电站电气结构示意图。

图5为一个变电站的工程计算用方块图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细的具体说明。一种智能变电站保护系统的风险评估方法流程图如图1所示。

1)智能变电站各保护系统的可靠性指标的计算和保护失效后果的计算。

①各二次设备的失效和修复服从指数分布，故可利用马尔科夫状态图法来求解设备处于三种状态的稳态可用度、稳态拒动率、稳态误动率。

对于一般意义的二次设备，其工作均包括正常工作、误动、拒动三种状态，某二次设备对应的状态转移图如图2所示。

图2中，A表示该设备的正常工作状态，B为I类失效状态(误动)，C为II类失效状态(拒动)，λ₁、λ₂、λ₃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，μ₁、μ₂、μ₃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。

由图2得到状态转移矩阵H：

记某二次设备处于各状态的稳态概率为P＝[p₁，p₂，p₃]^T，

联立以上方程，可求解得到某二次设备在三种状态下的稳态概率P，即稳态可用度p₁、稳态误动率p₂、稳态拒动率p₃。

②然后是计算保护系统的可靠性数据。依据国网公司的相关规范，直采直跳方式在智能变电站中得到了广泛的应用，本专利所提方法均建立在直采直跳组网方式的基础上。对于一个特定的保护系统，根据其结构组成可以获得可靠性框图，此处讨论一般意义上的保护系统的可靠性计算，不再逐一对各类型保护系统进行讨论。

对于一个保护系统，一般都有保护设备(PR)，它包含的合并单元(MU)、智能终端(IT)和光纤(FB)的个数分别为m、n、l，其可靠性框图如图3所示。

记该保护系统的稳态误动率为P_wu：

P_wu＝mP_{MU_wu}+P_{PR_wu}+nP_{IT_wu}

式中，P_{MU_wu}、P_{PR_wu}、P_{IT_wu}分别是合并单元、保护设备、智能终端的稳态误动率。

该保护系统的稳态拒动概率为P_ju：

P_ju＝mP_{MU_ju}+P_{PR_ju}+nP_{IT_ju}+lP_{FB_ju}

式中，P_{MU_ju}、P_{PR_ju}、P_{IT_ju}、P_{FB_ju}分别是合并单元、保护设备、智能终端、光纤的稳态拒动率。

该保护系统的稳态可用度为a：

a＝1-P_wu-P_ju

③以上的推导均针对单套保护系统，220kV及以上电压等级的电力设备均配置了双重化的保护系统，其可靠性需要做进一步的计算。

只有在两套保护同时拒动时，故障才无法由主保护切除，记双重化保护系统的稳态拒动率为P_{sc_ju}：

P_{sc_ju}＝P_ju1P_ju2

其中，P_ju1和P_ju2分别是A套和B套保护系统的拒动率。

至少有一套保护系统正常工作并且另一套不误动或拒动，即可认为正常工作，记双重化保护系统的稳态可用度为A：

A＝a₁a₂+a₁P_ju2+a₂P_ju1

其中，a₁和a₂分别是A套和B套保护系统的稳态可用度，P_ju1和P_ju2分别是A套和B套保护系统的稳态拒动率。

双重化保护系统的稳态误动率为P_{sc_wu}：

P_{sc_wu}＝1-A-P_{sc_ju}

④对变电站主接线的供电可靠性的计算：

收集电力元件的可靠性数据。

以断路器为分割点，断路器保留，断路器之间的电力元件用一个等效方块表示，从而将电气主接线图转换为方块图。

根据等效关系，遵循相关原理，计算等效方块的可靠性数据；

其中，λ_eq、μ_eq和P_eq分别是等效方块的故障率、修复率和可用度，λ_i、μ_i和P_i分别是第i个电力元件的故障率、修复率和可用度。

根据方块图，遵循一定的可靠性判据，搜索供电通路，形成得到电源到负荷的最小路集矩阵S₁。

利用“删去留下”算法，对最小路集S₁进行不交化处理，记不交化处理后的结果为最小路集S，将S按行进行划分，得到各路集L_i，即：

根据不交化的最小路集，计算不同可靠性判据下主接线的供电可靠性，不同可靠性指标的计算公式如下。

其中，f_s表示主接线的故障频率，表示路集L_i的可用率，表示路集L_i中正常工作元件的故障率之和，表示路集L_i中故障元件修复率之和。

⑤通过潮流计算，得到各保护系统失效时导致的失负荷量。

⑥计算保护系统的失效后果：

一个保护系统的失效后果定义为：该保护系统的失效情景下主接线的故障频率的相对值乘以相应的失负荷量。

需要指出的是，当保护系统发生误动时，故障频率的相对值表示为保护系统误动后主接线的故障频率与保护系统误动前主接线的故障频率之比；当保护系统发生拒动时，故障频率的相对值表示为保护系统拒动后主接线的故障频率与保护系统正确动作时主接线的故障频率之比。

2)对各保护系统的异常风险的计算：

异常风险是指当电网发生故障时某保护系统未正常动作(拒动)、或电网未发生故障而某保护系统发生异常动作(误动)给电力系统带来的运行风险。

保护系统i的异常风险R_Bi：

其中，n为保护系统i异常情况类别的数目，n＝2为误动或拒动两类，p_j是该保护系统在j类失效下的概率，即稳态误动率或稳态拒动率，如果该保护系统为双重化配置的保护系统或单重化保护系统，则p_j是双重化保护系统或单重化保护系统的稳态误动率或稳态拒动率，j＝1，表示误动；j＝2，表示拒动，S_j是该保护系统在j类失效下的失负荷量，D_j是在该保护系统j类失效下对应主接线的故障频率的相对值，即当保护系统发生误动时，D_j为保护系统误动后主接线的故障频率与保护系统误动前主接线的故障频率之比；当保护系统发生拒动时，D_j为保护系统拒动后主接线的故障频率与保护系统正确动作时主接线的故障频率之比；

具体地，异常风险R_B由异常误动风险R_B1和异常拒动风险R_B2两部分组成。

保护系统i的异常误动风险R_B1：

R_B1＝p_B1S_B1D_B1

p_B1是保护系统的稳态误动率，S_B1是相应的失负荷量，D_B1是保护误动后电气主接线的故障频率与误动前故障频率的比值。

保护系统i的异常拒动风险R_B2：

R_B2＝p_B2S_B2D_B2

p_B2是保护系统的稳态拒动率，S_B2是相应的失负荷量，D_B2是双套保护拒动后电气主接线的故障频率与保护正确动作时的故障频率的比值。

保护系统i的异常风险R_Bi：

R_Bi＝R_B1+R_B2

3)对保护系统的停运失效风险的计算。

对于双重化配置的某间隔保护系统，构造某保护系统的停运失效风险，在保护系统运行过程中其中一套保护系统停运后另一套保护系统的误动或拒动时，计算对应的风险，获得该保护系统停运失效给电力系统带来的运行风险。

双重化配置的保护系统i的停运失效风险R_Ri：

其中，n为保护系统i异常情况类别的数目，n＝2为误动或拒动两类，p_1j是该双重化保护系统有一套保护系统已停运而另一套保护系统参与运行发生失效时在j类失效下的误动或拒动的发生概率；

具体地，停运失效风险R_R由实时误动风险R_R1和实时拒动风险R_R2两部分组成。

保护系统i的实时误动风险R_R1：

R_R1＝p_R1S_R1D_R1

p_R1是双重化配置的保护系统其中一套已经停运的前提下另一套保护系统的稳态误动率，S_R1是相应的失负荷量，D_R1是保护误动后电气主接线的故障频率与误动前故障频率的比值。

保护系统i的实时拒动风险R_R2：

R_R2＝p_R2S_R2D_R2

p_R2是双重化配置的保护系统其中一套已经停运的前提下另一套保护系统的稳态拒动率，S_R2是相应的失负荷量，D_R2是双套保护拒动后电气主接线的故障频率与保护正确动作时的故障频率的比值。

保护系统i的停运失效风险R_Ri：

R_Ri＝R_R1+R_R2

4)构造某保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合运行风险、该保护的停运失效风险所占比例α的计算：

当某保护系统发生停运失效时，计算该保护系统的停运失效风险，而其它保护均计算其异常风险，将所有保护的风险相加，该得到该保护停运失效作用下全站各保护系统的运行风险。

定义R_Si为双重化配置的保护系统i停运失效作用下全站保护系统的运行风险之和：

式中，R_Ri是双重化配置的保护系统i的停运失效风险，R_Bj是变电站其它第j个保护系统的异常风险；N是全站保护系统的数目；

对于某双重化配置的保护系统，它的其中一套保护停运后另一套保护系统发生异常(误动或拒动)时，其它保护采用异常风险，当前该保护系统采用停运失效风险。将所有保护系统的风险值相加，得到该保护系统停运失效作用下全站各保护系统的综合风险。

构造一套保护系统i的停运失效风险R_Ri与其作用下全站保护系统的综合风险R_Si的占比α_i，表征一套保护系统i对整个变电站保护系统综合风险的影响；

通过对双重化配置的保护系统的停运失效风险的占比α进行排序，获得这些保护系统停运失效风险作用下对整个保护系统综合风险的影响程度。

实施案例

涉及数据处理和逻辑判断的保护装置可能导致保护系统的误动或拒动，合并单元的插值错误和数据处理出错可能导致保护系统的误动，合并单元自检出故障的退出可能导致相关保护的退出，光纤断链将使信息传输失败，只会导致保护系统拒动。

根据国家电网的相关数据，除光纤和交换机外，认为误动和拒动等可能发生，即误动率和拒动率均为元件故障率的1/2，所有二次设备的平均修复时间统一为24h，修复率μ＝1/(24/8760)＝365次/年。各二次设备的可靠性统计数据见表1。

表1各二次设备的可靠性统计数据

下面以合并单元为例，说明求解二次设备的稳态概率的求解流程。

对于合并单元，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，λ₁＝0.0033，λ₂＝0.0033，λ₃＝0，μ₁＝μ₂＝365，μ₃＝0，状态转移矩阵H：

又因为P₁+P₂+P₃＝1，进而得到如下所示的线性方程组：

求解此方程组，得到各状态的稳态可用度、稳态拒动率、稳态误动率分别为P₁＝0.99998192，P₂＝0.00000904，P₃＝0.00000904。

同理计算其它二次设备各状态的稳态概率，各二次设备三个状态下的稳态概率见表2。

表2各二次设备的稳态概率表

变电站主接线的可靠性指标的计算流程如下：

1.收集电力元件的可靠性数据，见表3。

表3电力元件的可靠性数据

2.以断路器为分割点，断路器保留，断路器之间的电力元件用一个等效方块表示，从而将电气主接线图转换为方块图图5所示。

3.根据等效关系，遵循相关原理，计算等效方块的可靠性数据；

其中，λ_eq、μ_eq和P_eq分别是等效方块的故障率、修复率和可用度，λ_i、μ_i、P_i分别是第i个电力元件的故障率、修复率、可用度。把相应数据带入上面3个式子，分别得到各等效方块的可靠性数据，见表4。

表4等效方块的可靠性数据

4.根据方块图，遵循不同的可靠性判据，搜索供电通路，形成最小路集，0表示该模块对供电通路无影响，1表示该模块正常工作时才能实现系统的连续的供电，从电源到负荷C₁的最小路集矩阵S₁为：

利用“删去留下”算法，对最小路集进行不交化处理，记不交化处理后的结果为最小路集S，将S按行进行划分，得到L_i，即：

5.根据不交化的最小路集，计算不同可靠性判据下电力系统的供电可靠性，不同可靠性指标的计算公式如下所示。

Q_s＝1-P_s

其中，P_s是系统的可用度，Q_s是系统的不可用度，f_s表示系统的故障频率，λ_s是系统的故障率，MTBF_s表示系统的平均无故障工作时间，表示L_i中正常工作元件的故障率之和，表示L_i中故障元件修复率之和。

带入对应数据，得到系统保证C₁连续供电的可靠性，计算结果如下：

P_s＝0.99996527

Q_s＝0.00003473

f_s＝0.00701480

λ_s＝0.00701505

MTBF_s＝142.55565a

对于220kV线路，单套保护系统的稳态误动率为P_wu，

P_wu＝2P_{MU_wu}+P_{PR_wu}+P_{IT_wu}

单套保护的稳态拒动概率为P_ju，

P_ju＝2P_{MU_ju}+P_{PR_ju}+P_{IT_ju}+3P_{FB_ju}

单套保护系统的稳态可用度为a，

a＝1-P_wu-P_ju

对于实际的220kV线路双重化保护系统，只有在两套保护系统同时拒动时，故障才无法由主保护系统切除，记双重化保护系统的拒动率为P_{sc_ju}：

P_{sc_ju}＝P_ju1P_ju2

其中，P_ju1和P_ju2分别是A套和B套保护系统的拒动率。

至少有一套保护系统正常工作并且另一套保护系统不误动，即可认为正常工作，记双重化保护系统的稳态可用度为A：

A＝a₁a₂+a₁P_ju2+a₂P_ju1

其中，a₁和a₂分别是A套和B套保护系统的稳态可用度，P_ju1和P_ju2分别是A套和B套保护系统的稳态拒动率。

双重化保护系统的稳态误动率为P_{sc_wu}：

P_{sc_wu}＝1-A-P_{sc_ju}

220kV线路保护系统的可靠性数据见表5。

表5双重化配置的220kV线路保护系统的可靠性指标

从以上结果可看出，保护系统的双重化配置有效降低了间隔内的保护系统同时拒动的概率，但也增加了保护系统误动的风险。

在分析供电可靠性时，采用以下可靠性判据：110kV I母或II母能够连续供电，同时35kV母线连续供电，就认为保护系统可靠。该判据下电力主接线的可靠性数据，见表6。

表6电力主接线的可靠性

以220kV线路A的保护系统为例。

1)电力系统无故障，220kV线路保护系统误动

电力系统并未发生短路故障，保护系统误判，发出跳闸信号，线路A被误切除。

该事件的发生概率P＝P_{sc_wu}＝0.000068。

此时，依据不同的可靠性判据，变电站主接线的可靠性指标如表7所示。

表7 220kV线路保护误动下变电站主接线的实时可靠性

以同时保证35kV和110kV母线连续供电为可靠性判据，对比表6和表7的数据，可发现，由于线路保护系统的误动作导致电气主接线的实时可靠性下降比为0.0002％，故障频率上升比为0.442％，对整个变电站电力系统的供电能力影响较小，其原因在于，该智能站有4条电源进线，冗余度很高。

2)线路A发生短路，两套保护系统同时拒动

对于220kV及以上高压输电线路，为确保能够瞬时切除全线范围故障，配备了两套相互独立的主保护系统。两套保护系统同时拒动的概率为P＝P_{sc_ju}＝1.6×10^-9。

可见，双重化配置的保护系统基本杜绝了因为主保护系统拒动导致故障无法及时选择性地切除的发生。这是一个极小的数值，实际中几乎不可能发生，根据中国电力科学研究院对220kV及以上电压等级继电保护设备动作情况的统计，从未出现过同一个电力元件的两套保护系统同时拒动的情况。

若出现220kV线路保护系统拒动，主变G的高压侧断路器跳开，线路A的对侧断路器跳开，故障影响设备包括线路A、母线E和主变G。主接线的实时可靠性数据见表8。

表8 220kV线路保护系统拒动下的主接线的实时可靠性

3)保护系统正常工作，断路器正常跳开。主接线的实时同情景1)。

在线路发生故障时，智能终端在接收到跳闸信号后跳开断路器，线路A切除，与线路无故障情况相比，主接线的实时可靠性下降比为0.0002％，故障频率上升比为0.44％。

以图4的220kV变电站电气结构中电源进线的线路保护为例，说明风险计算流程。不同故障情形下的失负荷量通过潮流计算获得。

1)无故障时的保护系统误动风险。

此时，设220kV线路保护系统的误动风险R₁，p₁是220kV线路保护系统的稳态误动率，S₁是相应的失负荷量，D₁是保护误动后电气主接线的故障频率与误动前主接线的故障频率的比值，计算得到

R₁＝0.000068×20.4×(0.12748017/0.12691938)＝0.001393

2)双套保护系统同时拒动

在这种情形下，p₂是220kV线路保护系统的稳态拒动率，S₂是相应的失负荷量，D₂是双套保护系统拒动后电气主接线的故障频率与保护系统正确动作时的故障频率的比值，计算得到线路保护系统的拒动风险R₂：

R₂＝1.6×10^-9×809.7×(1.11318176/0.12748017)＝0.000011

需要说明的是，若线路已经发生故障，保护系统和断路器配合正确切除故障，不视为保护的运行风险。因为保护系统和断路器执行了它们预设的作用，在不考虑可能由于潮流转移导致的一系列问题的前提下，并未给电力系统带来直接的风险。

3)线路保护系统的风险R是以上两种失效情景下的风险之和：

R＝R₁+R₂＝0.001393+0.000011＝0.001404

同理，可计算其它保护系统的异常风险。

各保护系统的异常风险计算结果如表9所示。

表9不同保护系统的异常风险表

智能变电站保护系统的停运失效风险

对于双重化配置的保护系统，某保护系统的停运失效风险是指系统运行过程中其中一套保护系统停运后另一套保护失效带来的风险。

对于220kV及以上电压等级，考虑其中一套保护系统停运后另一套保护系统实时运行带来的风险。由于未进行双重化配置，110kV母线保护系统不予考虑。

对于某220kV线路的保护系统，其停运失效风险是一套保护系统停运后另一套保护系统误动的风险R1’与拒动的风险R2’之和。计算如下：

R1’＝0.00003397×20.4×(0.12748017/0.12691938)＝0.000696

R2’＝0.00003945×809.7×(1.11318176/0.12748017)＝0.278930

R’＝R1’+R2’＝0.279626

对于图4的220kV变电站电气结构示意图，同理可得220kV母线保护系统和主变保护系统的停运失效风险。表10是不同保护系统的停运失效风险。

表10不同保护系统的停运失效风险表

某保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合风险、该保护系统的停运失效风险的占比。

下面考虑智能变电站某保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合风险R_Si。它是从电源进线到负荷侧母线之间的所有保护系统异常带来的风险，定义R_si为全站各保护系统的运行风险之和：

某保护系统停运失效作用下智能变电站整个保护系统的综合风险的计算方法是，对于某双重化配置的保护系统，它的其中一套保护停运后另一套保护系统异常时智能变电站保护系统的综合风险，其它保护系统均采用异常风险，而当前保护系统采用停运失效风险计算得到智能变电站保护系统的综合风险，进而得到某保护系统的停运失效风险与智能变电站保护系统的综合风险的比值α，表征该保护系统对整个变电站保护系统风险的影响。

针对图4的智能变电站，分别计算220kV线路保护系统、220kV母线保护系统、主变保护系统失效下智能变电站整个保护系统的综合风险。

下面以220kV线路保护系统为例，说明智能变电站整个保护系统综合风险的计算流程。

对于220kV线路的保护系统，它的其中一套保护系统停运后另一套保护系统会发生保护系统的误动与拒动时，由表10得到220kV线路的停运失效风险R_RL220＝0.279626。

由表9可得到其余保护系统的异常风险分别为：

单个220kV线路保护系统的异常风险R_L220＝0.001404。

单个220kV母线保护系统的异常风险R_B220＝0.025981。

单个主变保护系统的异常风险R_T＝0.029913。

单个110kV母线保护系统的异常风险R_B110＝1.2250571。

220kV线路保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合风险R_SL220：

R_SL220＝R_RL220+3×R_L220+2×R_B220+2×R_T+2×R_B110

＝0.279626+3×0.001404+2×0.025981+2×0.029913+2×1.2250571

＝2.84574

220kV线路的停运失效风险R_RL220在全站保护系统的综合风险R_SL220的比例α(％)：

α＝R_RL220/R_SL220×100％＝0.279626/2.84574×100％＝9.83％

同理，分别计算220kV母线保护系统、主变保护系统停运失效风险作用下智能变电站整个保护系统的综合风险R_S分别为3.070126、3.332136，对应的220kV母线保护系统、主变保护系统的停运失效风险在全站保护系统的综合风险R_S的比例α分别为17.22％、23.84％。如表11所示。

通过对表11中不同保护系统的停运失效风险的占比α进行排序，可看到主变保护系统的停运失效风险的占比最高，它对全站保护系统的运行风险的影响最大。

表11不同保护系统的停运失效作用下智能变电站保护系统的综合风险及其占比

本发明提出了智能变电站保护系统的运行风险评估方法。构造了由失效概率、主接线的故障频率、失负荷量共同表征的运行风险。针对不同失效情景，计算其发生概率，获得保护系统的异常风险、停运失效风险及全站的综合风险，量化地表达了智能变电站各保护系统失效时带来的风险，从保护系统的失效概率和失效后果两个角度，综合反映保护系统的风险，具有一定的客观性、直观性和全面性。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能变电站保护系统的风险评估方法，包括：

1)针对智能变电站所有二次设备，统一给出正常工作、误动、拒动三种状态，分析每个二次设备的正常工作状态、误动状态、拒动状态之间的转移情况，列出各二次设备的状态转移矩阵，利用马尔科夫过程，根据所有二次设备的可靠性统计数据，计算得到二次设备的可靠性指标；根据每个间隔下保护系统的二次设备组成及其可靠性指标，采用可靠性框图法，获得每个间隔下保护系统的稳态可用度、稳态误动率、稳态拒动率；针对其中一套保护系统失效的情景，获得对应的变电站主接线结构，采用最小路集法，计算得到此时主接线的故障频率及其相对值，由潮流计算获得对应电力系统的失负荷量，以上数据作为后续风险评估的基础数据；

2)针对电网未发生故障而一套保护系统发生异常动作或电网发生故障时相应的保护系统未正常动作的情景，构造智能变电站保护系统发生异常的异常风险，即采用该保护系统异常的发生概率、失负荷量、对应主接线的故障频率的相对值，以三者的乘积来定量评估该保护失效给电力系统带来的风险；

3)针对双重化配置的保护系统，当双套保护系统中的一套保护系统已停运而另一套保护系统发生失效时，称为该双重化保护系统发生停运失效，构造该保护系统的停运失效风险，即另一套保护系统失效的发生概率、失负荷量、对应主接线的故障频率的相对值三者的乘积；

4)构造双重化配置的保护系统其中一套保护系统停运而另一套保护系统发生失效作用下全站保护系统的综合风险，即当该保护系统发生停运失效时，计算其“停运失效风险”，而变电站其它保护系统均计算“异常风险”，将当前双重化配置的保护系统与其它保护系统的风险相加得到全站保护系统的综合风险，然后将当前保护系统的停运失效风险除以全站保护系统的综合风险，得到当前保护系统的停运失效风险的占比α，来表征该保护系统停运失效对整个变电站保护系统运行风险的影响程度。

2.根据权利要求1所述一种智能变电站保护系统的风险评估方法，其特征在于：所述针对其中一套保护系统失效下的情景，对应主接线的故障频率及其相对值的计算：当其中一套保护系统发生失效时，获得保护不正确动作导致电力系统元件停运的状况，即得到此时变电站新的主接线拓扑结构；将变电站主接线从进线到负荷侧母线的主接线结构等效为方块图，对于从进线到负荷侧母线的最小路集，依据“删去留下”算法，得到经不交化处理后的最小路集集合S；记为

其中，L_i为不交化处理后的一条路集；

计算得到此时变电站主接线的故障频率f_s：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>P</mi> <msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>&amp;mu;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，n表示路集的个数，表示路集L_i的可用率，表示路集L_i中正常工作元件的故障率之和，表示路集L_i中故障元件修复率之和；

事先计算得到主接线正常工作时的故障频率f_s0，用f_s除以f_s0，得到该保护系统发生失效时对应的主接线的故障频率的相对值；

依据该保护系统误动与拒动的失效情景对应的主接线结构，通过潮流计算得到电力系统的失负荷量。

3.根据权利要求1所述一种智能变电站保护系统的风险评估方法，其特征在于：所述保护系统的异常风险的计算：

为了能够综合表达保护系统失效带来后果的影响程度，其对电力设备的供电能力和可靠性指标的影响，将保护系统的失效后果定义为电力系统的失负荷量与主接线的故障频率相对值的乘积；

当保护系统发生异常时，异常风险是指当电网发生故障时该保护系统未正常动作时称为拒动或电网未发生故障而该保护系统发生动作称为误动，这种拒动或误动的异常动作给电力系统带来的运行风险；

保护系统i的异常风险R_Bi：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>p</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，n为保护系统i异常情况类别的数目，n＝2为误动或拒动两类，p_j是该保护系统在j类失效下的概率，即稳态误动率或稳态拒动率，如果该保护系统为双重化配置保护系统或单重化保护系统，则p_j是双重化保护系统或单重化保护系统的稳态误动率或稳态拒动率，j＝1，表示误动；j＝2，表示拒动，S_j是该保护系统在j类失效下的失负荷量，D_j是在该保护系统j类失效下对应主接线的故障频率的相对值，即当保护系统发生误动时，D_j为保护系统误动后主接线的故障频率与保护系统误动前主接线的故障频率之比；当保护系统发生拒动时，D_j为保护系统拒动后主接线的故障频率与保护系统正确动作时主接线的故障频率之比。

4.根据权利要求1所述一种智能变电站保护系统的风险评估方法，其特征在于：所述保护系统的停运失效风险的计算：

对于双重化配置保护系统，构造该保护系统的停运失效风险，在保护系统运行过程中，其中一套保护系统停运后另一套保护系统发生误动或拒动时带来的风险；

双重化配置保护系统i的停运失效风险R_Ri：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，n为保护系统i异常情况类别的数目，n＝2为误动或拒动两类，p_1j是该双重化保护系统有一套保护系统已停运而另一套保护系统参与运行发生失效时在j类失效下的误动或拒动的发生概率。

5.根据权利要求1所述一种智能变电站保护系统的风险评估方法，其特征在于：所述构造双重化配置的保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合风险，该保护系统的停运失效风险的占比α的计算：

当双重化配置的保护系统发生停运失效时，计算该保护系统的停运失效风险，而变电站其它保护系统均计算其异常风险，将当前双重化配置的保护系统与其它保护系统的风险相加，就得到该保护系统停运失效作用下的全站保护系统的综合风险R_si；

定义R_Si为双重化配置的保护系统i停运失效作用下全站保护系统的运行风险之和：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，R_Ri是双重化配置的保护系统i的停运失效风险，R_Bj是变电站其它第j个保护系统的异常风险；N是全站保护系统的数目；

对于双重化配置的保护系统，它的其中一套保护系统停运后另一套保护系统发生误动或拒动时，计算得到该保护系统的停运失效风险，变电站其它保护系统采用异常风险；将当前双重化配置的保护系统与变电站其它保护系统的风险值相加，得到该保护系统停运失效作用下全站保护系统的综合风险；

构造一套保护系统i的停运失效风险R_Ri与其作用下全站保护系统的综合风险R_Si的占比α_i，表征一套保护系统i对整个变电站保护系统综合风险的影响程度；

<mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

通过对双重化配置的保护系统的停运失效风险的占比α进行排序，获得这些保护系统停运失效风险作用下对整个保护系统综合风险的影响程度。