CN113051751A - 变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法 - Google Patents

变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，变电站继电保护系统根据保护装置出口跳闸方式的不同分为直跳模式和网跳模式两种，并且保护系统的信息采集方式也分为直采和网采两种形式；构建基于GO法的变电站继电保护系统模型，根据电站继电保护系统模型对继电保护系统进行可靠性分析。本发明将系统GO模型进行了分解,大大降低了由于大量共有信号的存在造成的GO运算的复杂程度；利用扩展GO法分析计算继电保护系统的可靠性可知,保护的直采网跳运行模式比网采网跳运行模式的可靠性要高,并且线路保护的可靠性优于变压器保护的可靠性,母线保护的可靠性最低。

Description

变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法
技术领域
本发明涉及一种变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，属于继电保护系统技术领域。
背景技术
变电站继电保护系统合理完善的配置和良好的工作可靠性是智能变电站安全稳定运行发挥其重要功能的保证。目前针对变电站继电保护系统可靠性做出了一系列的研究,主要的应用方法包括故障树法、可靠性框图法和最小路集法,但是没有进行定量分析。由于继电保护系统是一个可修复系统,因此在研究其可靠性时需要考虑各个单元的修复概率。成功流((goal oriented,GO)法不仅可以分析多时序、多状态、可修复系统的可靠性,而且具有原理简单、易于理解的优点,因此在系统可靠性分析中具有广阔的应用前景。智能变电站继电保护系统中的模块单元配置比较复杂,共有信号也比较多,GO法是一种将成功作为目标的,从事件源头经过一个由系统工程图直接推导而来的GO模型的计算来确定该系统某些概率的可靠性分析方法,主要应用于具有复杂时序和可修复系统。
在进行可靠性定量计算时基于组合状态的联合概率的计算方法比较繁琐,因此目前GO法定量计算中大多采用操作符的状态概率公式法。在GO模型中往往存在一种输入信号,它至少同时连接着两个或者两个以上操作符,这种输入信号被定义为共有信号。共有信号的存在加剧了状态概率公式法的计算难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，首先根据变电站继电保护系统的实际配置和结构建立了各种采样模式下的线路保护、母线保护和变压器保护的可靠性的GO模型；然后根据源点-汇点概念将系统GO模型进行了分解,简化了共有信号的状态累积概率计算，最后通过利用扩展GO法对智能变电站继电保护系统的可靠性进行了定量计算。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，变电站继电保护系统根据保护装置出口跳闸方式的不同分为直跳模式和网跳模式两种，并且保护系统的信息采集方式也分为直采和网采两种形式；构建基于GO法的变电站继电保护系统模型，根据电站继电保护系统模型对继电保护系统进行可靠性分析。
作为本发明的进一步改进，所述GO法利用推导出的GO模型和操作符计算规则实现系统的各种可靠性指标分析；
在GO模型中存在一种输入信号,它至少同时连接着两个或者两个以上操作符,这种输入信号被定义为共有信号。
作为本发明的进一步改进，对具有M个输入信号其中含有这种共有信号的系统的概率计算进行推导简化：
首先系统中仅含有一个共有输入信号S时,通过一次函数构造法来确定输出信号R的状态累积概率为
PR＝(1-PS)P′R+PSP"R， (1)
式中：PS和PR分别是共有信号S和输出信号R的状态累积概率；P＇R和P″R分别是共有信号S故障(PS＝0)和成功(PS＝1)状态下的概率；
当系统中含有N个共有输入信号Sn(1≤n≤N)时,将这些共有信号的状态累积概率定义为PSn，进行概率计算时对多个操作符进行逐次计算,则此时出现共有信号的高次项,为了简化计算用其一次项来代替：
Figure BDA0002985877740000021
式中：Kn是布尔型变量系数,当Kn＝0时表示共有信号Sn为故障状态,当Kn＝1时表示共有信号Sn为成功状态；PRK1K2…KN表示输出信号R在N个共有信号特定状态下的状态累积概率。作为本发明的进一步改进，基于GO法的变电站继电保护系统建模过程如下：针对不同的信息采集方式分别建立变电站各种类型继电保护的可靠性框图及其相对应的GO图；所述变电站继电保护类型包括线路保护模型框图及相应GO图、母线保护模型及相应GO图和变压器保护模型及相应GO图。
作为本发明的进一步改进，所述线路保护模型框图及相应GO图绘制过程如下：利用可靠性框图法根据变电站线路保护的实际结构制定出直采网跳方式下线路保护框图和网采网跳方式下线路保护的框图，并根据此框图可以得到其相应的GO图。
作为本发明的进一步改进，变电站中的母线为双母线设计,包括两回变压器支路进线和四回出线,利用RBD法制定出直采网跳方式母线保护模型框图和网采网跳方式母线保护模型框图，并根据此框图得到其相应的GO图。
作为本发明的进一步改进，根据变电站中变压器保护的配置结构,利用RBD法制定出直采网跳方式变压器母保护模型框图利用RBD法制定出直采网跳方式变压器母保护模型框图和网采网跳方式变压器母保护模型框图，并根据此框图可以得到其相应的GO图。
作为本发明的进一步改进，所述继电保护系统选取可靠度、平均失效时间MTTF和可用度3个指标来评估继电保护系统的可靠性。
作为本发明的进一步改进，继电保护系统的可靠性计算分析过程如下：扩展GO运算，GO图包含多个共有信号,为了方便表述设为n，从式(2)可知,对于具有n个共有信号的系统进行2n次GO运算计算出1状态累积概率；由于评估继电保护系统的可靠性指标为3个,计算出系统输出信号的概率需要进行3×2n次GO运算,十分繁琐，因此需要对GO图进行分解来简化计算：
首先绘制GO图的映射有向图G,步骤是将GO图中的输出信号流删去,将操作符作为图G的顶点,将信号流作为弧；定义有向图G中的顶点集为Vm＝{Vm1,Vm2,…,Vmn},顶点Vt和顶点集Vm满足如下关系时,将从顶点集Vm到顶点Vt之间的图形称为源点-汇点子图；
源点-汇点子图的存在是共有信号产生的根源,将这些源点-汇点子图从GO模型中剥离开进行单独GO运算，只对各个源点-汇点子图进行GO运算即可,则降低系统整体GO运算的计算强度。
作为本发明的进一步改进，通过GO简化计算,得出变电站继电保护系统在直采网跳和网采网跳方式下线路、母线和变电站的可靠性指标，直采网跳和网采网跳方式的可靠性指标进行纵向对比,以选取可靠性较高的运行模式。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明利用扩展GO法研究了标准变电站继电保护系统的可靠性,主要包括以下方面：
1)将系统GO模型进行了分解,大大降低了由于大量共有信号的存在造成的GO运算的复杂程度；
2)利用扩展GO法分析计算继电保护系统的可靠性可知,保护的直采网跳运行模式比网采网跳运行模式的可靠性要高,并且线路保护的可靠性优于变压器保护的可靠性,母线保护的可靠性最低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是直采网跳方式下线路保护的框图及相应GO图；
图2是网采网跳方式下线路保护的框图及相应GO图；
图3是直采网跳方式下母线保护的框图及相应GO图；
图4是网采网跳方式下母线保护的框图及相应GO图；
图5是直采网跳方式下变压器保护的框图及相应GO图；
图6是网采网跳方式下变压器保护框图及GO图；
图7是直采网跳方式下线路保护操作符图表；
图8是网采网跳方式下线路保护操作符图表；
图9是直采网跳方式下母线保护操作符图表；
图10是网采网跳方式下母线保护操作符图表；
图11是直采网跳方式下变压器保护操作符图表；
图12是网采网跳方式下变压器保护操作符图表；
图13是各设备可靠性参数图表；
图14是线路保护可靠性指标图表；
图15是母线保护可靠性指标图表；
图16是变压器保护可靠性指标图表。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，变电站继电保护系统根据保护装置出口跳闸方式的不同分为直跳模式和网跳模式两种，并且保护系统的信息采集方式也分为直采和网采两种形式；构建基于GO法的变电站继电保护系统模型，根据电站继电保护系统模型对继电保护系统进行可靠性分析。
具体的，所述GO法利用推导出的GO模型和操作符计算规则实现系统的各种可靠性指标分析；
在GO模型中存在一种输入信号,它至少同时连接着两个或者两个以上操作符,这种输入信号被定义为共有信号。
具体的，对具有M个输入信号其中含有这种共有信号的系统的概率计算进行推导简化：首先系统中仅含有一个共有输入信号S时,通过一次函数构造法来确定输出信号R的状态累积概率为
PR＝(1-PS)P′R+PSP"R， (1)
式中：PS和PR分别是共有信号S和输出信号R的状态累积概率；P＇R和P″R分别是共有信号S故障(PS＝0)和成功(PS＝1)状态下的概率；
当系统中含有N个共有输入信号Sn(1≤n≤N)时,将这些共有信号的状态累积概率定义为PSn，进行概率计算时对多个操作符进行逐次计算,则此时出现共有信号的高次项,为了简化计算用其一次项来代替：
Figure BDA0002985877740000051
式中：Kn是布尔型变量系数,当Kn＝0时表示共有信号Sn为故障状态,当Kn＝1时表示共有信号Sn为成功状态；PRK1K2…KN表示输出信号R在N个共有信号特定状态下的状态累积概率。具体的，基于GO法的变电站继电保护系统建模过程如下：针对不同的信息采集方式分别建立变电站各种类型继电保护的可靠性框图及其相对应的GO图；
所述变电站继电保护类型包括线路保护模型框图及相应GO图、母线保护模型及相应GO图和变压器保护模型及相应GO图。
具体的，所述线路保护模型框图及相应GO图绘制过程如下：利用可靠性框图法根据变电站线路保护的实际结构制定出直采网跳方式下线路保护框图和网采网跳方式下线路保护的框图，并根据此框图可以得到其相应的GO图。
直采网跳方式下线路保护的框图及相应GO图如图1所示，网采网跳方式下线路保护的框图及相应GO图如图2所示。
直采网跳方式下线路保护操作符,如图7所示；网采网跳方式下线路保护操作符,如图8所示。
具体的，变电站中的母线为双母线设计,包括两回变压器支路进线和四回出线,利用RBD法制定出直采网跳方式母线保护模型框图和网采网跳方式母线保护模型框图，并根据此框图得到其相应的GO图。
直采网跳方式下母线保护的框图及相应GO图如图3所示，网采网跳方式下母线保护的框图及相应GO图如图4所示。
直采网跳方式下母线保护操作符,如图9所示；网采网跳方式下母线保护操作符,如图10所示。
具体的，根据变电站中变压器保护的配置结构,利用RBD法制定出直采网跳方式变压器母保护模型框图和网采网跳方式变压器母保护模型框图，并根据此框图可以得到其相应的GO图。
直采网跳方式下变压器保护的框图及相应GO图如图5所示，网采网跳方式变压器保护的框图及相应GO图如图6所示。
直采网跳方式下变压器保护操作符,如图11所示；网采网跳方式下变压器保护操作符,如图12所示。
具体的，所述继电保护系统选取可靠度、平均失效时间MTTF和可用度3个指标来评估继电保护系统的可靠性。由于设备在继电保护系统中所处的位置不同,当其发生故障后对保护系统的运行状态影响情况也不同。图13给出了各设备可靠性参数。
具体的，继电保护系统的可靠性计算分析过程如下：扩展GO运算，GO图包含多个共有信号,为了方便表述设为n，从式(2)可知,对于具有n个共有信号的系统进行2n次GO运算计算出1状态累积概率；由于评估继电保护系统的可靠性指标为3个,计算出系统输出信号的概率需要进行3×2n次GO运算,十分繁琐，因此需要对GO图进行分解来简化计算：
首先绘制GO图的映射有向图G,步骤是将GO图中的输出信号流删去,将操作符作为图G的顶点,将信号流作为弧；定义有向图G中的顶点集为Vm＝{Vm1,Vm2,…,Vmn},顶点Vt和顶点集Vm满足如下关系时,将从顶点集Vm到顶点Vt之间的图形称为源点-汇点子图；
源点-汇点子图的存在是共有信号产生的根源,将这些源点-汇点子图从GO模型中剥离开进行单独GO运算，只对各个源点-汇点子图进行GO运算即可,则降低系统整体GO运算的计算强度。
具体的，通过GO简化计算,得出变电站继电保护系统在直采网跳和网采网跳方式下线路、母线和变电站的可靠性指标，如图14-16所示。
从图14-16所示中可以看出，由于变压器保护系统所连接的单元数目比较多，所以其保护可靠性相比于线路保护较低。由于母线的特殊性，其保护系统结构比较复杂，所连接的合并单元和智能终端数目也最多，运行可靠性也是最低的。因此，需要加强对母线保护系统元件进行定期检修。通过对图14-16的三个图表进行纵向对比可以发现，保护的直采网跳运行模式比网采网跳运行模式的可靠性要高，主要是因为网采网跳运行模式需要借助外部时钟和SV传输网络，在计算其可靠度时需要考虑此两项因素的不利影响。

Claims (10)

1.一种变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：变电站继电保护系统根据保护装置出口跳闸方式的不同分为直跳模式和网跳模式两种，并且保护系统的信息采集方式也分为直采和网采两种形式；构建基于GO法的变电站继电保护系统模型，根据电站继电保护系统模型对继电保护系统进行可靠性分析。
2.根据权利要求1所述的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：所述GO法利用推导出的GO模型和操作符计算规则实现系统的各种可靠性指标分析；
在GO模型中存在一种输入信号,它至少同时连接着两个或者两个以上操作符,这种输入信号被定义为共有信号。
3.利要求2述的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：对具有M个输入信号其中含有这种共有信号的系统的概率计算进行推导简化：
首先系统中仅含有一个共有输入信号S时,通过一次函数构造法来确定输出信号R的状态累积概率为
PR＝(1-Ps)P′R+PsP″R， (1)
式中：PS和PR分别是共有信号S和输出信号R的状态累积概率；P＇R和P″R分别是共有信号S故障(PS＝0)和成功(PS＝1)状态下的概率；
当系统中含有N个共有输入信号Sn(1≤n≤N)时,将这些共有信号的状态累积概率定义为PSn，进行概率计算时对多个操作符进行逐次计算,则此时出现共有信号的高次项,为了简化计算用其一次项来代替：
Figure FDA0002985877730000011
式中：Kn是布尔型变量系数,当Kn＝0时表示共有信号Sn为故障状态,当Kn＝1时表示共有信号Sn为成功状态；PRK1K2…KN表示输出信号R在N个共有信号特定状态下的状态累积概率。
4.根据权利要求3述的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：基于GO法的变电站继电保护系统建模过程如下：针对不同的信息采集方式分别建立变电站各种类型继电保护的可靠性框图及其相对应的GO图；
所述变电站继电保护类型包括线路保护模型框图及相应GO图、母线保护模型及相应GO图和变压器保护模型及相应GO图。
5.根据权利要求3述的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：所述线路保护模型框图及相应GO图绘制过程如下：利用可靠性框图法根据变电站线路保护的实际结构制定出直采网跳方式下线路保护框图和网采网跳方式下线路保护的框图，并根据此框图可以得到其相应的GO图。
6.根据权利要求3述的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：变电站中的母线为双母线设计,包括两回变压器支路进线和四回出线,利用RBD法制定出直采网跳方式母线保护模型框图和网采网跳方式母线保护模型框图，并根据此框图得到其相应的GO图。
7.根据权利要求3的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：根据变电站中变压器保护的配置结构,利用RBD法制定出直采网跳方式变压器母保护模型框图利用RBD法制定出直采网跳方式变压器母保护模型框图和网采网跳方式变压器母保护模型框图，并根据此框图可以得到其相应的GO图。
8.根据权利要求3述的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：所述继电保护系统选取可靠度、平均失效时间MTTF和可用度3个指标来评估继电保护系统的可靠性。
9.根据权利要求8的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：继电保护系统的可靠性计算分析过程如下：扩展GO运算，GO图包含多个共有信号,为了方便表述设为n，从式(2)可知,对于具有n个共有信号的系统进行2n次GO运算计算出1状态累积概率；由于评估继电保护系统的可靠性指标为3个,计算出系统输出信号的概率需要进行3×2n次GO运算,十分繁琐，因此需要对GO图进行分解来简化计算：
首先绘制GO图的映射有向图G,步骤是将GO图中的输出信号流删去,将操作符作为图G的顶点,将信号流作为弧；定义有向图G中的顶点集为Vm＝{Vm1,Vm2,…,Vmn},顶点Vt和顶点集Vm满足如下关系时,将从顶点集Vm到顶点Vt之间的图形称为源点-汇点子图；
源点-汇点子图的存在是共有信号产生的根源,将这些源点-汇点子图从GO模型中剥离开进行单独GO运算，只对各个源点-汇点子图进行GO运算即可,则降低系统整体GO运算的计算强度。
10.根据权利要求9的变电站继电保护系统模型及其可靠性计算方法，其特征在于：通过GO简化计算,得出变电站继电保护系统在直采网跳和网采网跳方式下线路、母线和变电站的可靠性指标，直采网跳和网采网跳方式的可靠性指标进行纵向对比,以选取可靠性较高的运行模式。
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