智能变电站继电保护及自动化系统的可靠性研究

刘 魁,冀慎龙

(国网山东省电力公司超高压公司,山东 济南 250000)

0 引言

继电保护微处理器机制的引入引起了人们对微处理器系统在短路情况下误触发的关注,如在110 kV侧或受各种性质的电磁干扰。这是由于信号功率的不同水平能够干扰控制元件的操作:对于机电继电器,该能量为10-3J;而对于微处理器系统,则为10-7J。在冶金设施复杂技术系统的电力驱动系统中也存在类似情况。在高压配电网的控制过程中,产生的电磁干扰比生产部门的环境大得多。现代系统的电力供应水平低且运行不可靠,与额定值的电压偏差较小,机电继电器的短期双过电压不会影响现有继电保护和自动化系统的可靠性指标[1-3]。

1 继电保护及自动化系统研究

微处理器系统的开发和引入最重要的内容是通过电源电路和控制电路的电流分离来解决系统稳定运行的问题,可采取措施将电磁干扰降低到可接受的水平(屏蔽装置的选择、保护接地系统的设计和防雷系统)。在这个阶段,通常现场测量的数量是最小的。因此,评估模型的作用越来越大,对初始数据的准确性和模型质量提出了更高的要求[4-5]。在设计阶段,要考虑二次换向电路和装置的电磁干扰参数,并全面评估电磁环境。

1.1 测试标准

已经公式化的问题可以通过简单地放大测试严格性来解决,同样的问题也可以使用相对损失最小化标准来解决。考虑到增加测试严格性的技术解决方案成本变化的增量性质使用标准如式(1)所示。

(1)

其中,ΔC是相对增加成本,即额外屏蔽、接地等;通过这些措施,系统将以更高的严格程度通过测试。C1是技术解决方案的初始成本。ΔX为增量,表示试验严格性。X1是初始值代表的测试严格度。

如果K<1,则增加测试严格性的额外技术措施的成本增量有一个非常小的、不显著的变化。在这种情况下,可以使用相对损失最小化标准。如果需要提供工业设施等级别的系统可靠性指标,则系数取值K≥1。在这种情况下,技术解决方案的选择方法不必考虑价格标准。

所考虑的方法具有一般的理论性质,对于实际应用需要明确以下几点要求。(1)系统的可靠性指标对将要开发系统的测试严格程度的依赖性。(2)使足够的测试严格性成为可能的技术措施成本。一般情况下,测试严格程度对系统可靠性指标的依赖性是相当复杂的行为,很难以分析的形式呈现。在实践中,可以通过与技术系统的类比来假设这种依赖性的指数形状。

相关成本C对微处理器继电保护系统无故障运行概率的近似依赖性,如图1所示。将无故障运行概率为0.998的系统作为基本(初始)值,相对成本为C=1。这些数据只是暂时地描述了真实情况,表明这种依赖性具有指数行为。因此,在最简单的情况下,将系统的错误触发数量减少一半,可使保护系统免受电磁干扰的成本增加约4倍。

图1 微处理器继电保护系统的相对成本对无故障运行概率的依赖性

1.2 故障诊断标准

极性故障是一种典型的故障。测量中每个环节的误差引入了一个综合误差项。由于相位误差在短时间内减小,因此,二次电流由等式(2)可知。

i1=(1+σi)i′1

(2)

在公式(2)中,i′1是无误差的测量回路的二次电流;σi是复合错误。此时,广义变换比为:

(3)

如果极性正确:

(4)

如果极性不正确:

(5)

可以看出,广义变换比的范围是ng∈(-1.11,-0.91)。如果可靠性系数设置为1.1,则极性失效的标准为ng∈(-1.21,-0.81)且极性失效的状态在该范围内。

2 电磁环境监测的常规方法

2.1 电磁环境常规方法分析

在变电站的室外开关设备运行过程中,由于腐蚀过程、与接地装置的接触失效以及电缆线路绝缘性能的退化,接地系统的质量指标会恶化。在变电站的运行中,设计阶段的缺陷显现出来。该情况需要采取常规措施来记录抗干扰的范围,确定故障位置,并随后监测问题所在区域。大多数情况下,为评估电磁环境而采取的措施无其他附加问题。因此,通过计算确定避雷器的短路和电流通过模式,其余参数如主控制板上工业和无线电频带的恒定磁场水平及主网络中开关时静电放电和脉冲干扰的功率可用于检测。

统计数据表明,继电保护自动化系统的大多数故障发生在雷击时,需要检查接地系统和与接地器接触的连续性,接地系统的一些元件在地下,使有效检测故障接地体的措施变得复杂。在检查过程中,遗漏的任何元件都是潜在的电磁干扰源。因此,开发一种实用的接地系统故障元件诊断方法,对于变电站电磁检测的进行具有重要的意义。现有的诊断装置的方法有:顺序功能分析法、半区间法、考虑故障概率的半区间法等。实践中,在电磁环境总体测量数据与计算数据比较的初步阶段,可以选择最有可能违反接地器完整性或与接地装置接触的区域,通常运用考虑元件故障概率的一半区间法,进行电磁环境监测。

如图2所示是无故障运行概率的变电站接地系统故障元件搜索算法,其中搜索范围包括了开关设备、接地系统和功能单元等。在诊断算法方案中,使用了搜索因子和区分功能单元来检查和诊断对象的故障。为了确保无故障操作,尤其需要关注接地器和故障接触的质量。通过计算加速和汇总概率,可以提高诊断时间的效率。

图2 考虑无故障运行概率的变电站接地系统故障元件搜索算法

2.2 继电保护系统在电磁环境的分析

微处理器继电保护系统在电磁环境中需要考虑以下方面:(1)电磁干扰。微处理器继电保护系统应具备抗电磁干扰的能力,以防止外部电磁辐射对其正常运行的干扰。这可以通过采用屏蔽材料和滤波器来降低外部电磁辐射对系统的影响。(2)电磁辐射。微处理器继电保护系统应具备低电磁辐射的特性,以降低对周围设备的电磁干扰。这可以通过合理的布局和设计、适当的电磁屏蔽措施和辐射消减技术来实现。(3)电磁兼容性。微处理器继电保护系统应符合电磁兼容性要求,即在电磁环境中同时保证系统的正常运行和不对其他设备产生干扰。这需要选择合适的组件和电磁屏蔽材料,进行合理的电磁兼容性测试和调整。(4)电源干扰。微处理器继电保护系统应具备抗电源干扰的能力,以避免电源的噪声、变化和干扰对系统的影响。这可以通过电源滤波器、稳压器和适当的电源设计来实现。(5)射频干扰。微处理器继电保护系统应具备抗射频干扰的能力,以避免射频信号对系统的干扰。这可以通过使用适当的射频屏蔽材料和设计合理的射频防护措施来实现。

在进行户外110 kV/220 kV开关设备的接地系统设计时,通常需要使用物理模型和数值解法来处理与接地电流和等效电荷法相关的问题。这些问题包括脉冲瞬态过程和相应电路微分方程的求解及使用初始数据来估计脉冲电势差。为了提高系统的抗干扰水平,需要考虑电缆屏蔽和双面接地的衰减系数,并进行电阻测试来确定系统的四度严格度。此外,还需要使用微秒脉冲干扰来评估微处理器设备的抗干扰水平。为了提高在大电流引起的电压脉冲冲击作用下的可靠性,建议立即更换参数不符合标准值的接地器,根据规范和技术文件的要求提供变压器组区域内横向接地之间的距离。

3 结语

在微处理器保护系统中,可靠性指标是评估系统可靠性水平的重要标准化技术特性。为了确保系统的高可靠性,需要使用高质量的电缆产品进行串行通道传输。同时,由于变量数量有限的数字数据传输格式,故障诊断和状态监测成为常规措施。在操作期间,还需评估电磁环境对微处理器系统的影响,并采取相应的接地系统和半间隔法来保障系统的无故障运行概率。