500kV变电站输电线路保护配置方案设计及可靠性分析.docx
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500kV变电站输电线路保护配置方案设计及可靠性分析
500kV变电站输电线路保护配置方案设计及可靠性分析
500kV变电站作为枢纽变电站,是影响电力系统安全运行的一个重要组成部分。
本设计以500kV福园变电站为依托,对变电站线路保护进行双重化保护配置设计,并运用马尔可夫空间状态法对其可靠性进行分析,包括继电保护不同的双重化结构模式对保护装置的可信赖性和安全性的影响和主保护双重化后,对后备保护性能要求的变化及其对系统可靠性的影响,结果表明,随着后备保护配置的完善,可用度增加了,拒动率降低率,但同时升高了误动率。
关键词:
双重化保护可靠性分析马尔可夫
1绪论
1.1课题的目的及意义
随着我国智能电网的建设和新能源电力的接入电网以及超高压输电的发展,现代电力系统的运行效率在不断提高,但同时也带来一系列的不稳定性,电力系统的结构变得越来越复杂,发生故障的可能性也随之越来越高。
电力系统继电保护是防止故障扩大,保证电力系统稳定运行的的主要措施,是电力系统不可缺少的重要部分,特别是在超高压输电线路中,继电保护的可靠动作对系统正常运行起到重要作用。
因此,保护方案的配置及其可靠性在电网中的作用极其重要。
1.2继电保护现状
当今时代,随着电力系统规模不断扩大和等级的不断进步,已经形成以500kV为主要电压等级的结构,且随着超高压输电和特高压输电的建设,以及新能源发电接入电网和无人值守变电站的建设,系统的结构和运行方式日趋复杂,对继电保护的要求也越来越高。
尽管现代电网的设计运行技术近年来取得了长足发展,但仍不可能完全避免大电网瓦解事故的发生。
因此,对电力系统可靠性问题的研究具有明显的工程应用价值和现实意义
1.3论文主要工作
本文通过分析继电保护保护配置原则和设计方法以及可靠性分析方法。
并以惠州供电局500kV福园变电站为依托,对其500kV输电线路的保护系统进行配置,并分析其系统的可靠性,给出具体配置图纸。
本文主要工作如下:
(1)介绍继电保护的分类及基本要求,延伸到对500kV线路保护配置的要求,给出主保护及后备保护的配置设计以及设备的选择,并给出设计图纸;
(2)介绍可靠性分析的基本概念,指标及影响因素,并介绍常用的可靠性分析方法,并用马尔可夫空间状态法对三种双重化模式的可靠性进行分析。
2继电保护配置设计
2.1线路故障原因
在电力系统运行的过程中,线路发生故障的原因可能有以下几种:
(1)雷击,大风,地震,冰雪覆盖等外部原因造成的元件损坏;
(2)设备绝缘老化,损坏造成的故障;
(3)运行人员误操作造成的故障。
2.2继电保护的基本概念
当系统发生故障时,只靠人眼观察识别是很难及时发现故障的,且发现故障时也难以及时手动切除,因此需要继电保护来完成这些功能。
继电保护是对系统的运行情况进行监测,当电力系统发生的故障时能及时发现故障,发出报警信号,或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。
2.3继电保护的分类
通过正确区分电力系统正常运行与发生故障或异常情况时电气量及非电气量的变化规律及特点,继电保护通常分成以下几类:
(1)反应线路电流幅值增大的过电流保护
(2)反应母线电压降低的低电压保护
(3)反应电流与电压同时变化而构成的距离保护
(4)反应电流与电压同时变化而构成的功率方向保护
(5)反应序分量变化的序分量保护
(6)反应电气元件两端电气量同时变化的纵联保护
(7)反应温度升高、气体浓度增大的非电气量保护
2.4线路继电保护的要求
2.3.1继电保护基本要求
(1)选择性:
是指继电保护装置动作时,仅将故障元件从电力系统中切除,保证系统中非故障元件仍然继续运行,尽量缩小停电范围。
(2)速动性:
是指快速的切除故障,可以提高电力系统并列运行的稳定性,减少用户在电压降低的情况下的工作时间,以及缩小故障元件的损坏程度。
(3)灵敏性:
是指对于保护范围内故障或不正确运行状态的反应能力。
(4)可靠性:
是指在保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时,它不应该拒绝动作,而在任何其他该保护不应该动作情况下,则不应该错误动作。
在不同的电力系统结构和电气元件处于不同的系统位置时,评价安全性和可信赖性的侧重点会有所差别,最终目的是尽量减少误动和拒动带来的危害。
2.3.2500kV线路保护的配置要求
对于500kV电压等级输电线路的设计应该遵照强化主保护整定配置,简化后备保护的整定配置,实行双重化保护配置。
主保护通常采用高频方向保护、高频距离保护和分相电流差动保护。
正常运行时,均有两套完全独立的保护装置同时并联运行,两套保护分别经不同的跳闸线圈跳闸,两套保护的直流电源分别取自两组完全独立的直流电源,当一套主保护拒动时,另一套仍能正常切除故障。
同时配有近后备保护,一般配备断路器失灵保护,零序电流保护、相间距离保护作为后备保护。
2.5500kV福园变电站线路继电保护的配置方案
2.4.1保护配置方案
(1)保护配置
根据500kV线路保护的配置要求,决定采用两套主保护加近后备保护的配置来设计福园变电站500kV侧输电线路的继电保护。
主保护配置采用分相电流差动保护和高频距离保护。
分相电流差动保护是用光纤通道实时地向对侧传递每相电流的采样数据,同时接收对侧的电流采样数据,两侧保护利用本地和对侧电流数据经过同步处理后分相进行电流差计算,一般采用允许式光纤信号,具有全线速动特性,这种保护原理具有灵敏度高,简单可靠和动作速度快,能适应电力系统振荡、非全相运行、双回线跨线故障等各种复杂的故障和不正常运行状态,满足超高压输电线路配置要求。
因此主保护1采用此保护方法,同时配备三段式距离保护和零序电流保护作为后备保护构成全套保护。
高频距离保护是方向阻抗继电器,收发信机与距离保护配合构成高频距离:
与距离Ⅰ段构成欠范围,与距离Ⅱ段构成超范围。
欠范围方式由距离Ⅰ段发信,收到对侧载波机跳闸信号后加速Ⅱ段跳闸。
超范围方式由方向元件起动由监频转为跳频发信,当收到对侧载波跳闸信号后加速Ⅱ段跳闸。
由于允许式方案比闭锁式方案要快,安全性要强,且独立性也会更强,因此500kV线路保护一般采用的是超范围允许式高频保护。
高频距离保护能灵敏、快速地反应各种对称和不对称故障,不受线路分布电容的影响,但电压二次回路断线时将误动,应采取断线闭锁措施,高频保护采用高频载波通道,后备保护采用零序方向过流保护构成全套保护。
(2)保护装置的选择
主保护1采用南京南瑞公司的RCS-931型号保护装置,因为该装置采用了单片机+DSP的模块化设计,装置核心能集中到一块CPU插件上,并且选用的DSP插件运算速度快,内存大,能完成主后备保护的功能且有较大的冗余,不需要拓展外部存储器,简洁可靠,可以满足500kV线路保护的要求。
主保护2采用ABB公司的REL531型号保护装置,该装置无起动元件,总是在故障监测和区内故障判别,多个处理器完成不同功能,可用于中性点直接接地的超高压电网中,能满足变电站500kV侧线路保护的要求。
2.4.2线路保护具体配置图纸
见附录。
3继电保护可靠性分析
3.1继电保护可靠性分析的基本概念
可靠性是指元件、设备或系统在预定时间内、规定时间下完成规定功能的能力。
可靠性涉及到了元件故障统计和数据处理、系统定性定量的评估、经济性与可靠性的协作关系、系统的运行维护等各个方面。
而对于继电保护来说,其可靠性主要表现为当被保护对象发生故障时,保护装置能准确动作,以发出报警信号或跳闸,及时处理故障设备;当被保护对象无故障时,保护处于监测状态,不动作。
3.2继电保护主要可靠性指标
(1)可靠度R(t):
可靠度指组件或系统在起始时刻正常的条件下,在时间区间[0,t)不发生故障的概率。
(2)可用度A:
可用度指组件或系统在起始时刻正常工作的条件下,时刻t正常工作的概率。
(3)失效密度f(t):
失效密度指组件或系统在(t,t+△t]间发生首次失效的概率。
(4)失效率λ(t):
失效率指组件或系统从起始时刻至时刻t完好条件下,在时刻t以后单位时间内发生失效的概率。
(5)平均无故障工作时间(MTBF):
平均无故障工作时间指无故障工作时间的数学期望值。
(6)修复分布函数G(t):
修复分布函数指组件或系统在起始时刻失效的情况下,在时间区间(0,t]修复的概率。
(7)修复密度g(t):
修复密度为修复分布函数G(t)的一阶微分。
(8)修复率μ(t):
修复率指组件或系统在起始时刻至时刻t故障的条件下,在时刻t后每单位时间里修复的概率。
(9)平均修复时间(MTTR):
MTTR是修复时间的期望值。
3.3继电保护可靠性分析的影响因素
影响继电保护可靠性的因素主要包括以下几个方面。
(1)装置硬件
(2)装置软件
(3)互感器等相关一次设备
(4)二次回路
(5)继电保护定值
(6)装置制作水平、人为因素、天气及运行维护水平等其他因素。
3.4可靠性分析的方法——Markov空间状态法
对继电保护进行可靠性分析的方法有故障树法,网络法,马尔可夫空间状态法等很多种,本文采用的是马尔可夫(Markov)状态空间法。
(1)马尔可夫过程
随机环境中的某一随机过程可由条件概率定义,即
(3-1)
一般随机变量X(t)的条件概率和整个过程中t以前构成此过程的所有随机变量的取值有关。
有一类非常重要的随机过程还具有如下的特殊性质:
若集合中的时刻按次序排列,在条件,i=1,2,…,n-1下的分布函数等于条件下的分布函数即
(3-2)
具有上述性质的过程被称为马尔可夫过程(MarkovProcess)。
在马尔可夫过程中,处于时间时的随机变量的概率与时随机变量的取值有关,而与以前过程的历史无关,这种性质也被称为“无记忆性”或“无后效性”。
通常情况下,马尔可夫过程的参数与状态空间可以是连续的也可以是离散的,在实际系统中,通常研究具有离散状态空间和连续时间参数的齐次马尔可夫过程。
这里的齐次指转移概率与t无关,而只与时间差值有关,即
(3-3)
对于微小的值,齐次马尔可夫过程中的转移概率为
(3-4)
(3-5)
上述公式中,是已知过程在间隔开始时处于状态i的条件下在期间内状态不发生变化的概率。
和定义为转移密度,即
(3-6)
(3-7)
在齐次马尔可夫过程中,转移密度是一常数。
假定在某一给定的时刻,过程处于状态i,则在下一时间间隔内,此过程或者从状态i转移到其他状态,或者仍停留在状态i。
因此有
(3-8)
对于一个有n个状态的系统,转移概率可形成矩阵,记为
(3-9)
称为转移概率矩阵,方阵中元素均为非负值并且每行元素之和为1.然后转移密度矩阵A定义为
(3-10)
式3-10中:
I为单位矩阵;A矩阵中每行的元素相加为0。
根据卡普曼-哥莫柯洛夫方程
(3-11)
式3-11中:
∑是对状态空间中所有状态k进行的。
如果时间等于与之和,那么,根据全概率公式可将两个相邻时间间隔与的转移概率组合成对间隔的一个单一转移概率,而与以前所经历的状态无关。
若转移密度已知,则可求出状态概率,即
(3-12)
如果只需求平稳状态概率,则不必求解上述微分方程组。
当时,若存在且趋于与起始值无关的常数,此时,因此式3-12可写为
(3-13)
联立式3-8即可求出各状态的平稳状态概率。
利用Markov空间状态法,可以计算出电力系统可靠性的可用度,不可用度,拒动率及误动率,具体步骤为:
(1)确定系统可能发生的状态,并根据各状态间的转移关系,画出状态转移图;
(2)根据状态转移图,列出状态转移密度矩阵A如式3-10,并各状态概率与电力系统各个量的关系;
(3)利用式3-8及式3-13,即可求得各状态的稳态概率P,分析电力系统的可靠性。
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- 关 键 词:
- 500 kV 变电站 输电 线路 保护 配置 方案设计 可靠性分析