崇志強(qiáng)，戴志輝，焦彥軍

（華北電力大學(xué)電力工程系，保定 071003）

隨著電力需求的增長和電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制策略更加復(fù)雜，在傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)日益不能完全滿足電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行要求的情況下，廣域保護(hù)系統(tǒng)WAPS（wide area protection system）應(yīng)運(yùn)而生[1～3]。WAPS是通過現(xiàn)代通信技術(shù)獲取電力系統(tǒng)中各點(diǎn)的實時信息、動態(tài)監(jiān)控電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，綜合分析、辨識可能給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重后果的擾動并采取相應(yīng)控制措施以消除或減輕擾動所造成后果的一種電力控制保護(hù)系統(tǒng)[4～7]。依據(jù)廣域保護(hù)系統(tǒng)決策方式大致可將廣域保護(hù)系統(tǒng)劃分為：集中式、分布式、分層區(qū)域式3種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中分層區(qū)域式的保護(hù)系統(tǒng)由3層構(gòu)成[5]，位于最底層的本地測控單元、位于中間層的區(qū)域決策層和位于最頂層的系統(tǒng)保護(hù)中心，其信息傳輸網(wǎng)由主干網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)構(gòu)成。分層區(qū)域式廣域保護(hù)既解決了集中式結(jié)構(gòu)對保護(hù)中心的過度依賴，又可做到分布式廣域保護(hù)做不到的全局最優(yōu)決策。

光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)SDH（synchronous digital hierarchy）具有統(tǒng)一的世界標(biāo)準(zhǔn)，靈活的同步復(fù)用方式，組成環(huán)網(wǎng)有著很強(qiáng)的自愈能力，自愈恢復(fù)時間一般為40～80ms，因此SDH光網(wǎng)絡(luò)承載IP業(yè)務(wù)的自愈環(huán)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用廣域保護(hù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)[8～9]，廣域保護(hù)系統(tǒng)功能必須依靠通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，因此廣域保護(hù)系統(tǒng)的可靠性很大程度上依賴于通信網(wǎng)的可靠性。目前有大量文獻(xiàn)針對電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化[10]、通信安全體系[11]等方面進(jìn)行了探討，對廣域保護(hù)通信系統(tǒng)可靠性的研究還比較少，在評估區(qū)域網(wǎng)和主干網(wǎng)的可靠性也只是單從網(wǎng)絡(luò)連通性來進(jìn)行分析[12]，未詳細(xì)分析信息的傳輸原理，因此本文考慮了信息傳輸原理來進(jìn)行廣域保護(hù)通信網(wǎng)的可靠性評估。

1 可靠性基本概念

失效率λ（t）失效率是指元件在時刻t之前處于正常工作狀態(tài)，在時刻t之后單位時間內(nèi)失效的次數(shù)，元件在時刻t的失效率λ（t）為

修復(fù)率μ（t）修復(fù)率是指元件在時刻t之前沒有被修復(fù)，在時刻t之后單位時間內(nèi)被修復(fù)的概率，元件在時刻t的修復(fù)率μ（t）為

可用度A（t）可用度是指元件在起始時刻正常工作的條件下，時刻t正常工作的概率，一般求解的是穩(wěn)態(tài)可用度即

式中：MTTF為平均無故障時間；MTTR為平均故障修復(fù)時間；若系統(tǒng)或設(shè)備的故障分布為指數(shù)分布則其穩(wěn)態(tài)可用度為

應(yīng)用Markov狀態(tài)空間法求解狀態(tài)概率的一般步驟為：①根據(jù)所分析問題作出合理假設(shè)并定義每種狀態(tài)的具體含義；②建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；③建立并求解式（5）即可得到設(shè)備或者系統(tǒng)處于各狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。

式中：Q為狀態(tài)轉(zhuǎn)移率矩陣；P為穩(wěn)態(tài)概率向量；Pi為第i個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。

2 主干網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)的可靠性評估

分層區(qū)域式廣域保護(hù)的通信網(wǎng)絡(luò)主要分為兩層，其中，主干網(wǎng)絡(luò)用于連接系統(tǒng)保護(hù)中心SPC（system protection center）與區(qū)域保護(hù)中心LPC（local protection center），區(qū)域網(wǎng)絡(luò)用于連接LPC與變電站和發(fā)電廠。目前電力系統(tǒng)通信主干網(wǎng)絡(luò)主要采用SDH自愈環(huán)網(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實際所連接的變電站和發(fā)電廠的類型和數(shù)目可以選擇SDH星型網(wǎng)絡(luò)和SDH環(huán)網(wǎng)。

2.1 SDH環(huán)網(wǎng)的可靠性評估

在工程應(yīng)用中，常見的自愈環(huán)結(jié)構(gòu)有通道保護(hù)環(huán)和復(fù)用段保護(hù)環(huán)，其中二纖單向通道保護(hù)環(huán)具有不需自動保護(hù)倒換協(xié)議APS（automatic protect switch），傳輸延時小等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)通信網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用，故本文以二纖單向通道環(huán)網(wǎng)為例進(jìn)行后續(xù)評估，其他類型的SDH自愈環(huán)網(wǎng)可靠性評估方法與二纖單向通道保護(hù)環(huán)網(wǎng)可靠性評估方法類似。

二纖單向通道環(huán)網(wǎng)由2路光纖組成兩個環(huán)網(wǎng)，其中一路光纖為主用光纖，另一路為備用光纖。發(fā)送端同時向兩路光纖發(fā)送信號，主用和備用光纖同時攜帶業(yè)務(wù)信號分別沿兩個相反方向傳輸數(shù)據(jù)信號，接收端通過倒換開關(guān)選擇接收其中信號質(zhì)量好的一路光纖所攜帶的信號（一般情況下常選擇主用光纖信號）。在主用光纖的某一段發(fā)生故障時，倒換開關(guān)倒換接收端接受信號的方式，光纖所攜帶的數(shù)據(jù)信號仍然可以通過備用光纖傳送到各保護(hù)中心，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 二纖單向通道SDH環(huán)網(wǎng)Fig.1 Single-direction，ring-structure and dual-passage SDH optic fiber network

復(fù)用模塊、保護(hù)倒換模塊組合在一起用通信接口IU（interface unit）表示。設(shè)主用光纖信號沿順時針方向傳輸信號，備用光纖信號沿逆時針方向傳輸信號，任何一個接口故障都視為SDH通信主干環(huán)網(wǎng)故障，將影響信號在環(huán)網(wǎng)中的傳輸，而光纖系統(tǒng)的不同故障類型對SDH通信主干環(huán)網(wǎng)的影響不同，因此主干網(wǎng)的可靠性框圖視為串聯(lián)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 SDH環(huán)網(wǎng)可用性框圖Fig.2 Availability block diagram for SDH optic fiber network

由于倒換開關(guān)大都采用并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)可假設(shè)倒換開關(guān)絕對可靠。單個接口的可用度為

式中：μIU為接口的修復(fù)率；λIU為接口的故障率。

研究光纖系統(tǒng)的可靠性模型需建立每區(qū)段光纖的獨(dú)立故障和共模故障模型，每一傳輸區(qū)段光纖可能分別獨(dú)立故障，也可能出現(xiàn)共因故障。根據(jù)Markov狀態(tài)空間法建立一個區(qū)段光纖的狀態(tài)模型如圖3所示。

圖3 單區(qū)段光纖的M arkov模型Fig.3 M arkovmodel for optic fiber ofone sector

圖3中λL為一根光纖的故障率，μL為一根光纖的修復(fù)率，λ1為主光纖和備用光纖共模故障率。

設(shè)P=[P0P1P2P3]，P中各元素分別為狀態(tài)0、1、2、3的穩(wěn)態(tài)概率，由式（5）即可求出狀態(tài)0、1、2、3的穩(wěn)態(tài)概率。

一區(qū)段主用光纖備用光纖都正常工作的概率為P0，一區(qū)段只有備用光纖的故障的概率為P1，一區(qū)段只有主用光纖故障的概率為P2，一區(qū)段兩光纖都故障的概率為P3?？紤]到光纖的可靠性很高，故假設(shè)最多只有兩個區(qū)段光纖故障，其他光纖系統(tǒng)故障類型的概率對環(huán)網(wǎng)可用度的貢獻(xiàn)可忽略不計，對光纖系統(tǒng)的工作情況分析如下。

1）所有區(qū)段光纖都正常，其概率

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

2）只有一個區(qū)段光纖故障，可分為3種情況。

（1）一區(qū)段只有備用光纖的故障，其故障的概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

（2）一區(qū)段只有主用光纖故障，其故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

（3）一區(qū)段兩光纖都故障，其故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

3）有兩個區(qū)段光纖故障，可分為3種情況。

（1）兩個區(qū)段都是兩條主備光纖同時故障，其故障概率

此時SDH環(huán)網(wǎng)不可用。

（2）兩個區(qū)段都是只有一條光纖故障，可分為3種情況。

①故障區(qū)段都是主用光纖故障，此種情況的故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

②故障區(qū)段都是備用光纖故障，此種情況的故障概率為

此時SDH環(huán)網(wǎng)可用。

③一個故障區(qū)段主用光纖故障，另一個區(qū)段備用光纖故障，此種情況的故障概率為

此時會出現(xiàn)某一節(jié)點(diǎn)不能向另一或幾個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，或者某一節(jié)點(diǎn)不能接收另一或幾個節(jié)點(diǎn)的信息，故SDH環(huán)網(wǎng)不可用。

（3）一個區(qū)段主備光纖都故障，另一區(qū)段一條光纖故障。其故障概率

此種故障比③所述故障更為嚴(yán)重，故SDH環(huán)網(wǎng)不可用。

故光纖系統(tǒng)的可用度為

SDH環(huán)網(wǎng)的可用度為

2.2 星型網(wǎng)可靠性評估

區(qū)域網(wǎng)絡(luò)可采用星形或者環(huán)形，環(huán)網(wǎng)的狀態(tài)空間已由上文給出，下面討論區(qū)域網(wǎng)為星形結(jié)構(gòu)的可靠性模型。星形網(wǎng)絡(luò)中所有子站均和區(qū)域保護(hù)中心連接，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中SDH設(shè)備之間均有兩條光纖通信，IU4為區(qū)域保護(hù)中心的通信接口。

圖4 星形網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Star network

建立2個SDH設(shè)備間光纖的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。圖中λL、μL分別為一區(qū)段一路光纖的獨(dú)立失效率和修復(fù)率，λ1為一區(qū)段兩路光纖的共模失效率，設(shè)P=[P0P1P2]為3個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率矩陣，因此光纖的可用度為ALi=P0+P1。

圖5 星型網(wǎng)絡(luò)單區(qū)段光纖的Markov模型Fig.5 Markov model for the star network of one sector

可以看出，2個SDH設(shè)備之間兩條光纖都失效，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)失效，只要某一SDH設(shè)備失效或每路光纖失效，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)就失效，設(shè)n為子站的個數(shù)，于是星型網(wǎng)絡(luò)的可用度為

整個分層區(qū)域式廣域保護(hù)通信網(wǎng)的可用度為

圖6 IEEE14母線系統(tǒng)Fig.6 IEEE 14 bus system

3 算例分析

以圖6所示IEEE14母線系統(tǒng)為例，建立一個廣域保護(hù)通信網(wǎng)進(jìn)行可靠性分析。目前電力數(shù)據(jù)網(wǎng)一般通過復(fù)合地線光纜或自承式光纜相連，通信鏈路與輸電線并行，有輸電線路相連的變電站之間就有通信鏈路。圖6將通信系統(tǒng)分為3個區(qū)域，站2、4分別作為區(qū)域1、2的保護(hù)中心，將站5作為系統(tǒng)保護(hù)中心，也作為區(qū)域3的區(qū)域保護(hù)中心。站2、4、5以環(huán)網(wǎng)連接，組成通信主干網(wǎng)，各區(qū)域網(wǎng)絡(luò)為星形連接。可靠性基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

設(shè)SDH網(wǎng)通信光纖修復(fù)時間為48 h，SDH接口的故障修復(fù)時間為24 h。通信網(wǎng)可靠性計算結(jié)果如表2所示。

表1 元件的可靠性數(shù)據(jù)Tab.1 Reliability data of components （10-6 h-1）

表2 廣域保護(hù)通信網(wǎng)可靠性計算結(jié)果Tab.2 Reliability results of WAPS communication network

式中：Azg為主干網(wǎng)的可用度，一般Azg=ARNET；Aqyj為編號為j的區(qū)域網(wǎng)的可用度，若區(qū)域網(wǎng)為環(huán)網(wǎng)則Aqyj=ARNET；若區(qū)域網(wǎng)為星網(wǎng)則Aqyj=ASNET；k為區(qū)域網(wǎng)的數(shù)目。

可見雖然光纖的故障率高于接口，但是采用SDH自愈環(huán)網(wǎng)通道保護(hù)功能減小了光纖的故障對環(huán)網(wǎng)可靠性的影響，因此要提高SDH環(huán)網(wǎng)的可靠性應(yīng)重點(diǎn)提高接口的可靠性。在星型網(wǎng)和自愈環(huán)網(wǎng)接口數(shù)目相同的條件下，雖然自愈環(huán)網(wǎng)光纖數(shù)目比星型網(wǎng)多，但是自愈環(huán)網(wǎng)的可靠性卻比星型網(wǎng)的可靠性高，由式（19）得整個分層區(qū)域式廣域保護(hù)通信網(wǎng)的可用度為0.999 034。

4 結(jié)語

分層區(qū)域式廣域保護(hù)集中了分布式、集中式廣域保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，對分層區(qū)域式廣域保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估一方面可以為尋找影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為主干網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計提供參考依據(jù)，如當(dāng)某一區(qū)域網(wǎng)變電站和發(fā)電廠數(shù)目達(dá)到一定數(shù)目時，采用星型網(wǎng)連接可靠性不能滿足要求，則可采用SDH自愈環(huán)網(wǎng)連接；另一方面也可為通信系統(tǒng)的風(fēng)險評估提供基本的概率信息。

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