狀態(tài)檢修下繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析

狀態(tài)檢修下繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析

0狀態(tài)檢修下的可靠性研究為了保證電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須保證電氣系統(tǒng)的高可靠性運(yùn)行。預(yù)防性檢修是提高保護(hù)系統(tǒng)可靠性的有效方法。通過定期檢修,可以檢查出故障或隱患,檢修周期越短,越能夠及時(shí)查出故障或隱患,但頻繁的檢修會(huì)降低保護(hù)的可用性,同時(shí)檢修成本也會(huì)增加。文獻(xiàn)使用狀態(tài)空間法建立了保護(hù)系統(tǒng)的馬爾科夫模型,分析了檢修周期對(duì)保護(hù)異常失效率的影響,以“可用度最大”為目標(biāo)求解最優(yōu)檢修周期。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)考慮了微機(jī)保護(hù)的自檢率對(duì)最優(yōu)檢修周期的影響。文獻(xiàn)建立了雙重化保護(hù)的馬爾科夫模型。文獻(xiàn)結(jié)合超高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際配置情況,建立了狀態(tài)空間模型。文獻(xiàn)提出了保護(hù)年均經(jīng)濟(jì)損失,以保護(hù)年均經(jīng)濟(jì)損失最小為目標(biāo)求解最優(yōu)檢修周期。上述文獻(xiàn)通過建立繼電保護(hù)系統(tǒng)的馬爾科夫模型,對(duì)定期檢修下的保護(hù)可靠性進(jìn)行了研究,并求解了最優(yōu)檢修周期。隨著檢修技術(shù)的發(fā)展,狀態(tài)檢修成為提高保護(hù)可靠性的新的途徑。狀態(tài)檢修工作的基礎(chǔ)是狀態(tài)監(jiān)測,通過在線監(jiān)測以及巡視、巡檢得到的運(yùn)行信息進(jìn)行評(píng)估得到設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài),根據(jù)設(shè)備狀態(tài)選擇相應(yīng)的檢修策略。與傳統(tǒng)的定期檢修相比,狀態(tài)檢修下保護(hù)系統(tǒng)的可靠性有何變化,狀態(tài)檢修下如何確定保護(hù)系統(tǒng)的檢修周期,是需要研究的新問題。本研究應(yīng)用狀態(tài)空間法,建立保護(hù)系統(tǒng)在狀態(tài)檢修模式下的馬爾科夫模型,對(duì)比傳統(tǒng)的定期檢修模式,分析狀態(tài)檢修對(duì)保護(hù)系統(tǒng)可靠性的影響以及狀態(tài)檢修下最優(yōu)檢修周期的變化。1狀態(tài)評(píng)估效率c狀態(tài)檢修以設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況為依據(jù),通過狀態(tài)監(jiān)測方法得到設(shè)備的運(yùn)行信息,通過狀態(tài)評(píng)估得到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此狀態(tài)監(jiān)測以及狀態(tài)評(píng)估是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)。繼電保護(hù)系統(tǒng)包含大量微電子元件、高集成電路,與一次設(shè)備相比,狀態(tài)監(jiān)測相對(duì)較難實(shí)現(xiàn)。微機(jī)保護(hù)具有一定的自檢功能,可以發(fā)現(xiàn)一些集成電路器件的特定故障及一些交流回路的斷線故障,但難以發(fā)現(xiàn)器件劣化及回路接觸不良等問題。通過紅外監(jiān)視可以發(fā)現(xiàn)一些回路的接觸不良,通過絕緣監(jiān)視也可以發(fā)現(xiàn)可能存在的絕緣下降。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,能夠進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估的運(yùn)行信息會(huì)越來越多。有鑒于此,本研究引入狀態(tài)評(píng)估效率c,用來表示狀態(tài)評(píng)估反映當(dāng)前設(shè)備實(shí)際狀態(tài)的有效程度。當(dāng)前保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)檢修主要是根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來確定檢修時(shí)間以及檢修內(nèi)容。本研究將保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為良好狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴(yán)重狀態(tài)。其中良好狀態(tài)可以延長檢修周期,異常狀態(tài)適時(shí)安排檢修,嚴(yán)重狀態(tài)盡快安排檢修。保護(hù)系統(tǒng)在狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移與裝置老化造成的性能下降及部件故障有關(guān),其轉(zhuǎn)移時(shí)間可認(rèn)為近似服從指數(shù)分布。2狀態(tài)空間模型本研究運(yùn)用狀態(tài)空間法,以單一保護(hù)裝置為例進(jìn)行分析,在建立狀態(tài)空間模型時(shí)有如下假設(shè):(1)保護(hù)裝置在良好狀態(tài)、異常狀態(tài)、嚴(yán)重狀態(tài)下均能正常工作,但3種狀態(tài)下保護(hù)的故障率不同,良好狀態(tài)故障率最低,嚴(yán)重狀態(tài)故障率最高。(2)檢修時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)所有故障且不引入新故障,檢修后保護(hù)處于良好狀態(tài)。(3)檢修時(shí)保護(hù)需退出運(yùn)行,停電檢修。(4)狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)評(píng)估不影響保護(hù)運(yùn)行。(5)保護(hù)在各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移時(shí)間服從指數(shù)分布。本研究在以上假設(shè)基礎(chǔ)上建立單一保護(hù)的狀態(tài)空間模型,如圖1所示。圖1中:狀態(tài)1、狀態(tài)2和狀態(tài)3表示C和P正常運(yùn)行,能夠完成系統(tǒng)要求的功能,但P所處狀態(tài)不同,其故障率不同。狀態(tài)1中P為良好狀態(tài),狀態(tài)2中P為異常狀態(tài),狀態(tài)3中P為嚴(yán)重狀態(tài)。此時(shí)若C發(fā)生故障,則進(jìn)入狀態(tài)4,P正常跳閘隔離C,進(jìn)入狀態(tài)8。狀態(tài)8中C得到維修后,恢復(fù)到狀態(tài)1。狀態(tài)7表示對(duì)P進(jìn)行檢修。如果系統(tǒng)處于狀態(tài)1,則通過定期檢修進(jìn)入狀態(tài)7;如果系統(tǒng)處于狀態(tài)2和狀態(tài)3,進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估發(fā)現(xiàn)后進(jìn)入狀態(tài)7,若狀態(tài)評(píng)估未能發(fā)現(xiàn),則通過定期檢修進(jìn)入狀態(tài)7。P發(fā)生故障后,如果保護(hù)通過自檢發(fā)現(xiàn)故障,則進(jìn)入狀態(tài)11,對(duì)保護(hù)進(jìn)行維修后,恢復(fù)到狀態(tài)1。若自檢未能發(fā)現(xiàn)故障,則進(jìn)入狀態(tài)5,此時(shí)保護(hù)處于故障狀態(tài),不能完成系統(tǒng)要求的功能。此時(shí)如果狀態(tài)評(píng)估或定期檢修發(fā)現(xiàn)故障,則進(jìn)入狀態(tài)11進(jìn)行維修。如果未能發(fā)現(xiàn)故障,同時(shí)C發(fā)生故障,則進(jìn)入狀態(tài)6,此時(shí)P不能夠正確動(dòng)作,故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,從狀態(tài)6進(jìn)入狀態(tài)10。狀態(tài)10對(duì)后備保護(hù)采用手動(dòng)合閘,進(jìn)入狀態(tài)9。狀態(tài)1在C和P同時(shí)發(fā)生故障的情況下進(jìn)入狀態(tài)6,狀態(tài)7和狀態(tài)11由于P故障或者退出運(yùn)行,當(dāng)C發(fā)生故障時(shí),等同于C和P同時(shí)發(fā)生故障。3狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣確定圖1中的狀態(tài)空間模型可以計(jì)算保護(hù)可用度,其中各狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的定義及單位如下:FP為保護(hù)裝置故障率,為裝置平均無故障時(shí)間倒數(shù),次/h;s為保護(hù)裝置的自檢概率;FST為保護(hù)裝置能夠自檢出的故障次數(shù),FST=s×FP,次/h;FPP為保護(hù)裝置不能自檢出的故障次數(shù),FPP=(1-s)×FP,次/h;FC為被保護(hù)的一次設(shè)備的故障率,次/h;FCC為保護(hù)裝置和被保護(hù)的一次設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障的概率,次/h;μP為保護(hù)裝置的維修率,即為裝置維修時(shí)間的倒數(shù),次/h;μC為被保護(hù)的一次設(shè)備的維修率,即為被保護(hù)元件維修時(shí)間的倒數(shù),次/h;Rt為保護(hù)裝置進(jìn)行檢修的效率,即為檢修時(shí)間的倒數(shù),次/h;Sn為主保護(hù)正常跳閘情況下故障切除時(shí)間的倒數(shù),次/h;Sb為后備保護(hù)動(dòng)作情況下,故障切除時(shí)間的倒數(shù),次/h;Sm為手動(dòng)操作重合閘隔離故障的效率,次/h;c為狀態(tài)評(píng)估效率,即狀態(tài)評(píng)估反映設(shè)備實(shí)際狀態(tài)的概率;θins為保護(hù)由運(yùn)行狀態(tài)到定期檢修的轉(zhuǎn)移概率,θins=1/Q,次/h;Q為保護(hù)裝置定期檢修周期,h;θc為保護(hù)由運(yùn)行狀態(tài)到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)移概率,θc=c/T,次/h;T為保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)估周期,h;θ為保護(hù)由運(yùn)行狀態(tài)到檢修狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率,θ=θins+θc,次/h;F12為保護(hù)由良好狀態(tài)到異常狀態(tài)的概率,次/h;F13為保護(hù)由良好狀態(tài)到嚴(yán)重狀態(tài)的概率,次/h;F23為保護(hù)由異常狀態(tài)到嚴(yán)重狀態(tài)的概率,次/h。保護(hù)系統(tǒng)駐留某一狀態(tài)的概率可由狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣解得,由圖1可得狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣A為:本研究定義各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率矩陣為:由狀態(tài)空間法可得:由式(2)可以解得各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。保護(hù)系統(tǒng)的不可用度為:4狀態(tài)檢修對(duì)保護(hù)不可用度的影響本研究以實(shí)際線路單一保護(hù)系統(tǒng)為例,采用文獻(xiàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù),以檢修周期Q為自變量,保護(hù)不可用度RelUN為因變量,考察Q在1h~106h內(nèi)變化時(shí),檢修周期與保護(hù)不可用度之間的關(guān)系。(1)定期檢修下保護(hù)裝置的可用度分析。狀態(tài)評(píng)估效率c=0時(shí),保護(hù)裝置實(shí)際上處于定期檢修。本研究分別取保護(hù)自檢率s為0、0.5、0.9,考察3種情況下的保護(hù)不可用度與檢修周期的關(guān)系。結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看到,當(dāng)保護(hù)裝置自檢概率s=0時(shí),保護(hù)不可用度隨檢修周期的增長而逐漸降低,在800h附近取得最小值0.3%,即最優(yōu)檢修周期為800h,此后保護(hù)不可用度隨檢修周期的增長而逐漸升高;當(dāng)保護(hù)裝置自檢概率s=0.5時(shí),最優(yōu)檢修周期約為1000h,保護(hù)不可用度最小值為0.2%;當(dāng)保護(hù)裝置自檢概率s=0.9時(shí),最優(yōu)檢修周期約為4000h,保護(hù)不可用度最小值為0.087%。由此可見,通過自檢可以提高保護(hù)裝置的可靠性,自檢概率越高,保護(hù)裝置的可靠性也越高,同時(shí)最優(yōu)檢修周期也越長。(2)狀態(tài)檢修下保護(hù)裝置的可用度分析。本研究取保護(hù)自檢率s=0.5,狀態(tài)評(píng)估周期T=1周,分別取狀態(tài)評(píng)估效率c為0、0.2、0.5,考察保護(hù)不可用度與檢修周期的關(guān)系。結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到,狀態(tài)評(píng)估效率c=0時(shí),檢修方式為定期檢修,保護(hù)不可用度隨檢修周期的增長先減小后增大,最優(yōu)檢修周期約為1000h,此時(shí)保護(hù)不可用度為0.2%;當(dāng)狀態(tài)評(píng)估效率c=0.2時(shí),保護(hù)不可用度隨檢修周期的增長而下降,此時(shí)檢修周期增長不會(huì)降低保護(hù)的可用度,且保護(hù)不可用度最小值有所下降,約為0.09%;當(dāng)狀態(tài)評(píng)估效率c=0.5時(shí),檢修周期越長,保護(hù)不可用度越低,保護(hù)不可用度最小值下降至0.04%。由此可見,狀態(tài)檢修可以延長保護(hù)裝置的最優(yōu)檢修周期,同時(shí)可以提高保護(hù)裝置的可用度,狀態(tài)評(píng)估效率越高,保護(hù)裝置可用度越高。狀態(tài)檢修可以有效提高保護(hù)的可靠性。由圖2和圖3可以看出,定期檢修下保護(hù)裝置的可用度在最優(yōu)檢修周期處取得最大值,檢修周期過長或過短,保護(hù)裝置的可用度都不能達(dá)到最大;高自檢率的保護(hù)裝置具有較長的最優(yōu)檢修周期。本研究對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行狀態(tài)檢修后,通過狀態(tài)評(píng)估可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置的異常狀態(tài),因此,狀態(tài)檢修下保護(hù)裝置的檢修周期可以大大延長,同時(shí)保護(hù)裝置具有更高的可用度,過頻的檢修只會(huì)降低保護(hù)裝置的可用度;狀態(tài)評(píng)估的效率越高,對(duì)裝置異常狀態(tài)發(fā)現(xiàn)的概率越大,因此在較高的評(píng)估效率下保護(hù)裝置具有更好的可靠性。5狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)檢修狀態(tài)空間法是對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的有效方法,本研究運(yùn)用狀態(tài)空間法,建立了保護(hù)裝置在狀態(tài)檢修下的馬爾科夫模型。分析結(jié)果表明,通過保護(hù)裝置的自檢功能可以排除裝置的部分故障,提