多功能保护的可靠性考虑

Gerald F.Johnson,Member.IEEE

Basler Electric Company

I简介

大多数电力公司已经采用数字多功能保护技术作为在过去十年中发生巨大变化的行业中生存的手段。在重组和萎缩的资源下，保护工程师正在继续采用通信、多功能保护技术以减少成本并用更少的人员维持运行性能。我们正处于一个技术发展的阶段，在这个阶段我们需要退后一步，考虑有关保护可靠性的一些问题。我们必须定期审查我们的应用和维护理念，以确保它们与机电和固态设备等前代技术一样，满足长期保护可靠性。

本文的目的是评估数字多功能保护系统与前代技术的可靠性。我们将定义与保护继电器有关的可靠性，确定一组影响前代和数字多功能技术的可靠因素，详

细讨论每个因素，并得出有关多功能保护整体可靠性的结论。

Ⅱ定义

无论采用何种保护技术，保护继电器工程师最重要的设计考虑因素之一就是可靠性。可靠性对许多人来说意味着许多事情，但对于保护继电器工程师而言，可靠性由两个特定的性能特征定义：

• 可信性
• 安全性

可信性是衡量继电器或继电器系统在预期运行时的运行信心。

安全性是衡量继电器或继电器系统的可靠性的标准，当预计不运行时，系统将无法运行。

为使保护继电器系统100%可靠，它必须在每次预计运行时运行，并且在预计不运行时不运行。两种类别中除完美之外的任何其他因素都会导致可靠性低于100%。实际上，经验丰富的保护工程师都明白，100%的可靠性并不是一个现实的目标，即使它是，它也无法提供。

有许多因素会影响整体保护可靠性方程。本文的其余部分将致力于探索影响保护可靠性的一组选定因素，包括每种因素对前代技术的影响与其对当前数字多功能技术的影响。我们首先确定影响前代技术的可靠性因素，然后确定影响多功能技术的可靠性因素。

Ⅲ可靠性因素-预测技术

根据行业经验，作者确定以下因素列表对静态和机电(前代技术)性能可靠性有影响:

电力系统

公司组织

保护理念

新产品评估

技术进步

保护产品复杂性

人员经验/培训

设计标准

辅助设备

装配方法

安装和调试测试

电气环境

维护程序

记录保存

运营分析程序(反馈到维护和设计，关闭循环)

IV.可靠性因素-多功能技术

根据行业经验，作者确定以下因素列表对数字多功能性能可靠性有影响:

电力系统

公司组织

保护理念

新产品评估

技术进步

保护产品复杂性

人员经验/培训

设计标准

辅助设备

装配方法

安装和调试测试

电气环境

维护程序

记录保存

运营分析程序(反馈到维护和设计，关闭循环)

图1.影响保护可靠性的因素

V.观察

正如所预料的那样，前代和数字多功能技术的因素列表是相同的。影响一种技术的可靠性因素会影响所有技术:问题在于程度。下一部分将评估每个因素对两个技术组的影响程度或水平，确定每个技术组的优缺点。

VI.详细审查可靠性因素

A.电力系统

保护可靠性始于对受保护的电力系统(输电线路、邻居关系、发电源和负载)的全面了解以及州、联邦和地区机构对系统施加的相关规划和操作指南。

基于这些知识和类似应用的历史操作经验，可以选择特定类型(工作原理)的保护继电器(例如:线路保护-方向比较、相位比较、许可方案等)。记住这一点，保护理念和电力公用事业的大多数标准都是基于经验并且已经发展多年。

通过对规划部门的规划突发事件的全面了解，系统保护人员可以进行学习，并就特定应用所需的保护可靠性水平做出明智的决策，再次考虑类似设施的运行历史。做出正确的应用选择为长期保护可靠性提供了适当的基础。

一旦确定了保护类型，根据应用情况，可能需要将可靠性偏向于超出特定类型的固有偏差。例如，“通常关闭阻塞方案的方向性比较”固有地偏向于可靠性。进行高速跳闸决定所需的系统数量(伏特、安培、角度)是在本地得出的，如果故障在超出保护区域的地方，除非从线路的远端接收到阻塞信号，否则将跳闸。根据设计，该方案的安全性略低于某些方案，并且偶尔会导致比清除故障所需的更大的中断区场；然而，当检测到故障时，该方案将会跳闸的可信度很高。

继续该示例，两条新的传输线被添加到从给定电站发出的总线。系统参数表明这些线路上的故障必须高速清除或单元不稳定。换句话说，单位不能忍受第二个区域备份清除时间。因此，单个超越区域的固有可靠性偏差，通常在定向比较系统中找到步进区域备份，对于该应用来说是不够的。该应用将需要进一步的可靠性偏差以满足特定的可靠性要求。这可以通过添加第二主区域或来自不可制造商的独立主包来实现。

如引言中所述，很少有公用事业公司能够承担与“镀金”相关的成本，包括其保护系统的安全性和可靠性。工程决策必须基于具体的应用，同时要理解在保护系统中可以投入的资金是有限的。保护工程师必须全面了解该系统的电源系统和操作要求，以确保应用决策最大限度地提高保护可靠性。

与电力系统相关的技术观察:无论采用何种技术，误用保护产品都会对保护可靠性产生同样的影响。但是，假设保护工程师对电力系统有很好的理解，并且做出了正确的应用决策,可以进行以下观察:

• 前代技术经过时间测试，不需要新标准，并且在工程、操作和维护循环中都可以被所有人员理解。
• 过时和成本缓慢但肯定会淘汰前一代技术组的产品。凭借扩展的范围和多重保护元件，多功能保护系统提供比前代技术更高的灵活性和设置精度，从而减少由于临界或有限范围导致的“不正确”操作。
• 更低的成本/功能、更小的尺寸以及多功能系统的功能/功能灵活性使保护工程师可以更自由地提高保护可靠性，而无需额外成本。
• 通过自我测试和监控，内部顺序事件和示波器以及远程通信，多功能保护系统能够识别问题，从服务中移除自身，并通知远程位置的情况。在变为“不正确”操作之前，可以识别和纠正大多数情况，从而提高整体保护可靠性。

B.公司组织

正如引言中所提到的，在过去十年中，我们都见证了电力行业的许多变化。这些变化使保护组织难以专注于保护可靠性。

由于联邦立法迫使从控制发电、输电和配电资源的垄断实体发展成为负责相同资源的独立公司的竞争实体，电力行业一直处于变态，看不到尽头。1992年的能源政策法案(EPACT)和1996年4月的FERG颁布的第888号和第889号命令引发了针对放松管制的联邦和州立法的压倒性优势。几年前，加利福尼亚率先在该国实施了第一个州级放松管制计划。委婉地说，该计划导致了彻底的混乱，最近的事态发展(2001年1月)涉及轮流停电，电力公司无法负担自由市场发电的成本，或自己发电的燃料成本(天然气)

谢天谢地，并非所有公用事业都在经历这种程度的分心。但是，大多数电力公用事业保护组织多年来都感受到了重组,调整或缩减规模的影响。但这些变化并非都是坏事。恰恰相反，垄断性电力环境中的保护组织总是倾向于人为高峰工作量，使他们在山谷中过度使用。恰恰相反，在垄断的电力设施环境中，保护组织总是倾向于以人为本，以达到工作负荷的高峰，导致在山谷中人员过剩。上世纪80年代中期和90年代初引入的办公自动化努力，如计算机辅助设计和绘图以及各种故障研究程序，在早期就开始收到成效，并加剧了人员过剩的问题。更像是竞争企业的所有者迫使我们所有人重新评估我们完成工作的方式。

但是近年来，有人认为钟摆摆动太远了。关注资本和Oamp;M预算削减迫使公用事业领导者更多地考虑短期成本而不是长期可靠性。早期的课程降低了大多数公司的平均经验水平，同时要求每位员工以较少的经验做更多的事情。请记住，大多数公司的高保护可靠性基于其经理，工程师和技术人员的经验水平以及有效的维护计划。当然可以，维护项目往往是第一个经历预算削减的项目，而实际上，它们应该是最后一个

在许多公司。年轻的工程师们曾经请教和学习的圣贤们已经不复存在，取而代之的，如果有的话，人员只比接受咨询的工程师大几岁。这种环境导致许多公司缺乏技术领导力，并且没有任何放松的迹象。值得重申的是，短期财务目标已经取代了许多公司的长期可靠性目标。

保护工程师的职业责任的一个重要部分是与组织问题和管理理念保持同步并影响其可能对保护可靠性产生负面影响的变化。

与公司组织相关的技术观察:公司组织是整体保护可靠性的主要因素。效果的程度在某些方面类似于前代和数字多功能技术，但在其他方面不同。可以进行以下观察:

• 削减维护预算导致延长或消除日常维护计划将降低前代技术的保护可靠性，但对多功能系统几乎没有影响。
• 通过不允许用户在应用之前了解产品的细节，消除诸如新产品评估之类的支持程序可以影响多功能系统的可靠性。这也适用于前代的技术，但程度较小，因为该组中提供的新产品较少，并且大多数产品已经被很好地理解并用于成熟的保护方案中。
• 低成本安装，减少维护，及时运行分析和实时计量，远程通信以及提高保护可靠性的竞争压力促使人们转向多功能保护系统。
• 一旦创建了设计标准，就可以通过软件轻松复制多功能应用程序。要充分利用该技术，测试和调试程序必须适用于数字产品(专注于系统测试而不是组件测试)。
• 年轻的保护工程师比以前的产品更快地适应多功能产品，因为它们是通过计算机技术提出的。

C.保护哲学

保护理念由全球指导方针组成，旨在在给定的电力系统的应用范围内保持高水平的保护可靠性。在大多数公司。这一理念是在电力系统受保护情况和运行经验的基础上发展起来的。此外，区域电力池指南可以影响保护理念。根据业务性质的定义，保护理念非常保守。也就是说，如果保护系统未能清除故障，则公众的安全和福祉将受到威胁。

保护哲学的一个简单类比就是从保险角度来考虑它。有许多覆盖范围，如家庭，汽车和生活，覆盖程度不同(保守程度)。首先，个人必须选择合适的团体(如果您没有汽车，则不需要汽车保险)，然后选择合适的程度或覆盖范围。保守的个人通常比不那么保守的人有更多的保险。此外，个人拥有的覆盖范围越多，成本就越高。支付每月保费类似于日常维护，将在后面的部分中讨论。

这同样适用于保护理念。传输线、总线、变压器和分配电路在不同程度的保守性中都需要不同类型的覆盖(可靠性偏差基于特定应用)。保守主义的规模在每个公用事业中都是独一无二的，并且基于经营历史，并且在很大程度上基于保护人员的理由技能。保守主义的水平也有相应的成本水平。从哲学的角度来看，保护可靠性受到覆盖类型、保守程度和总体成本(通过保守性降低保护成本的压力)的影响。

近年来，数字多功能技术的广泛接受与放松管制和竞争带来的财政压力相吻合，为无意违反基本保护理念创造了机会。在一个多功能设备中具有多个保护元件，倾向于认为该单个多功能设备满足给定区域的主要和备用保护可靠性要求。电学上这是真的。对于图2中的变压器区域，同一设备可以提供主要和备份保护。但是，从可靠性的角度来看，单一的意外故障可能会消除主要和后备保护，违反了基本的哲学准则。

图2.变压器区域

利用这些多功能并满足保护理念指导要求的正确方法是使用中继系统为一个区域提供主要保护，为下游区域提供备用保护，如下图所示:图3。主区域的备份保护应由单独的设备提供。此外，使用来自单独制造商的备份保护消除了共模故障的可靠性问题。

图3.主要和备份保护

与保护相关的技术观察理念:保护理念包括全球指导原则，旨在在给定电力系统的整个应用范围内保持高水平的保护可靠性。前代技术与数字多功能技术的比较揭示了与保护可靠性相关的一些有趣差异。可以进行以下观察:

• 前代技术如果完全可操作，则可提供多个(单个)相位或区域继电器和接地继电器的高可靠性。当使用包含所有相、区域和接地元件的三相设备复制给定的保护原理时，必须仔细考虑保护可靠性问题，例如单一意外故障和共模故障。
• 通过自我测试和监控，内部顺序事件和示波以及远程通信，数字多功能保护系统能够识别问题，从服务中移除自身，并通知远程位置的情况。在变为“不正确”操作之前，可以识别和纠正大多数情况，从而提高整体保护可靠性。
• 保护工程师必须防止无意中违反其公司的哲学准则。例如，使用多功能设备来提供给定区域的主要和备用保护可能导致单个意外事故的破坏，从而禁用该区域的所有保护。
• 多功能技术(多元素，多个设置组和更多灵活性)更容易满足哲学目标，甚至允许进行哲学改进。
• 应考虑共同模式故障对单个制造商多功能保护系统的可靠性影响。单个制造商的前代技术利用多个(单个)相，区域和接地继电器来抵消共模故障。通过一个多功能设备中的所有保护元件和相位，使用单个制造商的设备进行给定区域的主要和备份保护，可以创建可能禁用所有保护的共模故障。

D.新产品评估

多年来，一大批保护工程师和技术人员在将大型保护和控制产品应用于电力系统之前，一直在评估新的保护和控制产品。通常情况下，应用程序需要启动由对不同制造商的产品进行面对面比较组成的评估过程。

要列入要评估的产品列表，制造商必须满足评估人员定义的特定应用和可靠性指南。评估计划旨在公平和客观，主要目的是选择最符合特定应用和可靠性要求的产品。次要但同样重要的可靠性好处是在评估过程中获得的亲密产品知识。评估人员会将这些知识传授给负责操作分析和维护程序的标准开发人员、设计工程师和技术人员，从而快速提高所有相关人员的熟练程度。采用这种方法的公司比不采用这

英语原文共 13 页

资料编号：[4807]