功能安全在继电保护装置中的应用

功能安全在继电保护装置中的应用

咸光全 李 响

【摘 要】摘要 本文对功能安全标准及评估技术在继电保护装置中的应用进行了探讨。首先介绍了功能安全标准及其应用情况，进而结合目前继电保护装置存在的安全风险，分析了继电保护装置应用功能安全技术的必要性。使用风险图法，得到了继电保护装置应满足的安全完整性等级；结合IEC 61508标准，确定了保护装置应满足的目标失效量。为了实现保护装置安全性和可用性的兼顾，提出了基于保护、起动双重化带诊断架构的功能安全继电保护装置设计方案，并给出了包括诊断方法、减少共因失效、FMEA分析、故障注入测试以及安全芯片等相关技术的具体实施。 【期刊名称】《电气技术》 【年(卷),期】2019(020)012 【总页数】5

【关键词】功能安全；继电保护；可靠性；安全完整性等级

功能安全是指采取合理的技术和管理措施，保证系统功能的正确实现，从而避免由功能性故障导致的不可接受的风险。功能安全标准IEC 61508发布于2000年，并于2010年发布第2版，该标准提出了全新的评价和保证系统可靠性的理论及方法，将风险做为一个衡量危险的指标，并使用功能安全等级来表示降低风险的能力，是迄今为止安全相关系统的理论概括和技术总结[1]。 目前，功能安全以IEC 61508作为基础标准，已经在汽车、高铁、化工、医疗等行业得到了广泛的应用，并形成了各自的行业安全标准，但是在与国民经济息息相关的电力二次设备领域还没有得到重视[2]。继电保护装置是电力系统稳

定运行的重要保障，一旦失效，会带来极大的安全隐患，造成重大安全事故或经济损失[3-5]。继电保护装置由上千个元器件组成，元器件个性失效会导致保护发生拒动、误动风险[6]。近年来国内外的多起电力事故，再一次向我们敲响了警钟，完全有必要引进系统、全面的安全标准作为继电保护装置可靠运行的理论和方法支撑[7]。

本文对目前继电保护装置存在的安全风险进行了分析，并提出了引入功能安全标准和评估技术，实现装置运行状态的全面监视，提高装置可靠性，降低因硬件故障导致的拒动和误动风险。结合保护装置的特殊性，提出了基于保护、起动双重化带诊断架构的功能安全继电保护装置设计方案，实现了保护装置安全性和可用性的兼顾。给出了包括诊断方法、减少共因失效、FMEA分析、故障注入测试等功能安全相关技术在保护装置中的具体实施方法。

1 目前继电保护装置存在的安全风险

1.1 单套非冗余配置

对于110kV及以下电压等级的场合，一般继电保护装置按单套非冗余配置[8]。这种配置成本较低，但是安全性相对较差，拒动风险高。装置内部保护互感器、模数转换电路、逻辑处理CPU及出口回路等部件，都是单独运行的，任何一个部件失效，都有可能造成装置无法正常实现跳闸出口；虽然装置有自诊断功能，但诊断结果要么仅触发报警，要么闭锁装置出口，故障导向危险。一旦当一次设备发生故障时，保护装置失效，则会造成一次设备损坏或越级动作[9-10]。 1.2 双套冗余配置

对于220kV及以上电压等级的场合，一般继电保护装置按双套配置。双套配置实现了一定程度的冗余，当其中一台保护装置失效时，另一台保护装置仍然可

以实现正常的保护跳闸功能[11]，较单套配置安全性有了大幅度的提高，但仍存在以下不足：

1）虽然是双套配置，但是两个保护装置是独立运行的，他们之间无冗余通信。任何一个装置根据逻辑运算结果判断出一次设备故障时，则直接跳闸出口，增加了误动的可能性[12]。

2）有些涉及跳闸动作回路的器件故障时无法及时检测出来，当发生区外故障时开放起动电源后会造成误动，扩大停电范围。

3）目前提高可靠性的方法，主要靠经验。缺乏理论支撑，且缺少必要的故障注入测试。

综上所述，目前继电保护装置配置存在一定的安全风险，需要系统性地引入功能安全设计理念和管理方法，进一步提高继电保护装置的可靠性。

2 继电保护装置的功能安全

2.1 继电保护装置的功能安全定义

继电保护装置的安全功能是保证电力系统设备安全，提高用电的可靠性。当一次设备故障时，保护能够快速、可靠动作，及时将故障设备与电力系统隔离开，防止故障设备及其他一次设备损坏，避免越级跳闸，缩小故障影响范围，将故障危害程度降至最低。同时能实现装置的运行状态全面监测，在故障时及时检修隔离出来。

2.2 继电保护装置功能安全的特殊性

继电保护装置，不仅要在一次设备故障时可靠动作，还要在一次设备无故障时不能误动。在实际应用中，安全性和可用性往往是矛盾的。比如，目前110kV电压等级以下变电站中，单套继电保护自检故障时，会闭锁装置的出口正电源。