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继电保护可靠性及其风险评估研究

作　者: 戴志辉
导　师: 王增平
学　校: 华北电力大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 继电保护可靠性风险评估动态故障树蒙特卡罗仿真 Petri网
分类号: TM774
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

继电保护作为电力系统的第一道防线,应具有选择性、快速性、灵敏性和可靠性。其中,保护系统的可靠性是影响电力系统稳定运行的重要因素之一,也是优化保护设计和运行的重要参考依据。论文在分析继电保护可靠性需求的基础上,针对如何建立客观、准确的可靠性模型及符合保护系统工作特点的可靠性与风险评估方法开展研究。首先从继电保护系统可靠性的概念和特点入手,提出了主要针对继电保护硬件系统可靠性分析的“3RF技术”,即继电保护故障模式及影响分析(RFMEA)、保护可靠性故障树分析技术(RFTA)和继电保护故障报告、分析与纠正措施系统(RFRACAS)。研究了3RF技术在保护可靠性分析中的应用,从可靠性预防、分析、处理及数据收集与初步挖掘等方面将其发展成一整套继电保护可靠性程序。其中,RFMEA分析各种失效模式及其影响,主要为RFTA提供定性的建模依据。RFTA方法涵盖了保护系统可靠性模型及其求解方法：动态故障树与马尔可夫(Markov)状态空间相结合的微机保护系统动态可靠性模型能反映实际保护系统的故障与修复过程、拓扑与逻辑关系、备用及闭锁等特性,建模简单,易实现模块化；而基于动态故障树结构函数与蒙特卡罗(Monte Carlo)仿真的模型求解方法在发挥Markov方法与Monte Carlo仿真方法优势的同时,降低了Markov状态划分的难度及系统级故障树模型的求解复杂度,能为寻找系统薄弱环节、提高保护设计可靠性及制定更为合理的检修周期提供参考。RFRACAS是一个信息系统,保证保护的失效信息、缺陷信息能及时准确的收集、分析,为评估和改善保护可靠性提供基础数据支撑。总体上,3RF技术适用于继电保护的设计、研制、应用及维护过程,有助于在相同可靠性要求下缩减研发时间和费用,相同投资情况下提高保护系统的可靠性。其次,提出了继电保护原理性失效的双层概率模型,在真实反映保护原理及时序特性的基础上,根据系统运行情况和保护定值,定量计算保护原理与特定故障或系统运行状态匹配程度的随机性。其第一层是赋时Petri网描述的保护逻辑动态层,用于处理保护逻辑关系和时序关系,反映保护逻辑的动态过程；第二层是模糊信息层,在模糊Petri网中体现各保护逻辑元件及其组合的概率信息。双层模型克服了常规可靠性评估方法只反映某些固定模式下的长期可靠性水平、而忽略实时运行条件及保护时间定值等因素对可靠性影响的不足,旨在为提高保护运行可靠性提供参考。第三,立足新形势下基于通信系统实现的继电保护发展现状,针对至关重要但目前关注有限的该类保护重要支撑技术的可靠性,即保护通信系统的可靠性,以连通可靠性为切入点,以能较全面反映各层次通信系统的区域集中式广域保护的通信系统为载体,进行了分层分析和综合评估。最后,为使保护系统各种失效模式及其对保护系统可靠性的影响可以在一个统一的模型中得以综合反映,从保护失效机理出发提出了基于失效模式竞争的保护可靠性综合分析方法。并在继电保护可靠性分类分析和综合分析的基础上,考虑保护失效发生的可能性及失效后果的严重程度,将脆弱性评估方法与继电保护可靠性分析相结合、将继电保护风险评估与其在电力系统中的动作行为和配合关系相结合进行保护风险的集成评估,评估流程严格模拟相关保护的动作时序特性,旨在提高保护风险评估的准确性。算例表明风险评估可为保护系统运行能力的在线监控与分析、保护定值在线校验等提供可参考的冗余信息,并有助于对保护系统潜在问题的认知和理解。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
Contents  13-17
第1章绪论  17-30
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  17-20
    1.1.1 课题背景及意义  17-19
    1.1.2 研究目的  19-20
  1.2 继电保护可靠性及风险评估研究现状  20-28
    1.2.1 继电保护可靠性指标  21-23
    1.2.2 继电保护可靠性评估模型及求解  23-26
    1.2.3 继电保护风险评估  26
    1.2.4 继电保护可靠性研究的新进展  26-28
  1.3 本文的主要工作  28-30
第2章继电保护可靠性影响因素及可靠性与风险评估理论基础  30-49
  2.1 引言  30-31
  2.2 继电保护系统可靠性影响因素及保护失效分类  31-33
    2.2.1 继电保护系统可靠性特点  31
    2.2.2 继电保护系统可靠性影响因素  31-33
    2.2.3 继电保护失效分类  33
  2.3 可修复系统的主要可靠性指标  33-36
    2.3.1 主要可靠性指标  33-34
    2.3.2 指标的相互关系  34-36
  2.4 风险评估  36-39
    2.4.1 风险定义及特点  36-37
    2.4.2 风险评估方法  37-39
  2.5 蒙特卡罗仿真  39-42
    2.5.1 非序贯蒙特卡罗仿真简介  40-41
    2.5.2 序贯蒙特卡罗仿真  41
    2.5.3 反函数法产生任意分布伪随机数  41-42
  2.6 动态故障树分析  42-45
    2.6.1 静态故障树分析(FTA)简介  43
    2.6.2 动态故障树(DFT)  43-45
  2.7 Petri网  45-48
    2.7.1 Petri网结构  45-46
    2.7.2 Petri网的分析方法  46-47
    2.7.3 赋时Petri网  47-48
    2.7.4 模糊Petri网  48
  2.8 本章小结  48-49
第3章继电保护硬件系统可靠性评估  49-78
  3.1 引言  49-50
  3.2 继电保护故障模式及影响分析(RFMEA)  50-52
  3.3 基于动态故障树与蒙特卡罗仿真的保护可靠性评估方法(RFTA)  52-64
    3.3.1 可靠性指标  53-54
    3.3.2 基于扩展动态故障树的可靠性模型  54-58
    3.3.3 基于Monte Carlo仿真的模型求解  58-60
    3.3.4 算例分析  60-63
    3.3.5 方法的特点及应用问题  63-64
  3.4 继电保护故障报告、分析与纠正措施系统(RFRACAS)  64-76
    3.4.1 可靠性基础数据收集方案  64-70
    3.4.2 基于缺陷分析的保护装置可靠性评价  70-76
  3.5 3RF的综合应用  76-77
  3.6 本章小结  77-78
第4章继电保护原理性失效概率模型  78-95
  4.1 引言  78-79
  4.2 保护逻辑动态仿真层  79-85
    4.2.1 基于PTPN的保护逻辑模型及数据结构与算法  80-81
    4.2.2 保护逻辑图元件库  81-82
    4.2.3 逻辑图动态分析的算法流程  82-83
    4.2.4 微机保护逻辑内部动态仿真分析与模型验证  83-85
  4.3 保护失效概率信息层及双层信息的综合分析  85-94
    4.3.1 保护元件的瞬时失效概率模型  85-88
    4.3.2 基于FPN的保护原理性失效概率模型综合分析  88-91
    4.3.3 综合算例  91-94
  4.4 本章小结  94-95
第5章基于通信系统实现的继电保护可靠性评估  95-106
  5.1 引言  95-96
  5.2 保护通信系统结构  96-97
  5.3 保护通信系统可靠性分层FTA模型  97-101
    5.3.1 变电站通信网络的分层结构  97-98
    5.3.2 变电站通信网络的分层RFTA模型  98-100
    5.3.3 LPC通信系统可靠性模型  100-101
    5.3.4 广域通信主干网络和区域网络可靠性  101
  5.4 算例分析  101-105
    5.4.1 算例系统介绍  102
    5.4.2 子站通信系统可靠性分析  102-103
    5.4.3 LPC通信可靠性分析  103
    5.4.4 区域网络及主干网可靠性分析  103-104
    5.4.5 通信系统整体可靠性分析  104-105
  5.5 本章小结  105-106
第6章基于失效模式竞争的继电保护风险评估  106-131
  6.1 引言  106
  6.2 保护系统风险评估方案构成  106-107
  6.3 基于模式竞争的继电保护系统失效概率  107-109
  6.4 继电保护风险评估指标  109-112
    6.4.1 保护系统运行风险指标  110-111
    6.4.2 损失负荷计算  111-112
  6.5 继电保护运行风险评估流程  112-114
  6.6 基于ATP/EMTP模块内嵌技术的保护风险评估测试系统  114-127
    6.6.1 保护内嵌与闭环测试  114-120
    6.6.2 平台在电网振荡及故障分析中的应用  120-122
    6.6.3 闭环测试系统的开放式扩展  122-123
    6.6.4 风险评估算例分析  123-127
  6.7 原理性失效风险评估的意义及作用  127-128
  6.8 继电保护风险评估软件方案设计  128-130
  6.9 本章小结  130-131
第7章结论及展望  131-134
  7.1 结论  131-132
  7.2 需进一步开展的工作  132-134
参考文献  134-146
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  146-148
攻读博士学位期间参加的科研工作  148-149
致谢  149-150
作者简介  150

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