趙冬玲，劉書倫

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源454650)

智能化變電站通信系統(tǒng)失效模型分析

趙冬玲，劉書倫

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源454650)

針對(duì)當(dāng)前智能化變電站通信系統(tǒng)存在的問題，對(duì)智能化變電站通信系統(tǒng)失效模型進(jìn)行了研究，分析了變電站通信網(wǎng)絡(luò)失效模型，該模型采用故障樹分析法建立故障樹失效模型，進(jìn)行了變電站通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通信網(wǎng)絡(luò)失效分析，應(yīng)用這些通信系統(tǒng)失效模型分析方法可以實(shí)現(xiàn)智能化變電站二次設(shè)備失效模型的建立和求解，為二次設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

智能化;變電站;通信系統(tǒng);失效模型

智能變電站采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備［1］，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能［2］，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動(dòng)的變電站［2］。智能變電站二次系統(tǒng)由智能組件組成，主要包括保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、智能終端和合并單元等，其主要特征是數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、信息交互網(wǎng)絡(luò)化［3］。

智能變電站是利用現(xiàn)代傳感技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)，通過變電站數(shù)據(jù)信息共享，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、故障錄波、測(cè)量、控制、計(jì)量和監(jiān)視等基本功能，并可支持電網(wǎng)智能控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)、在線監(jiān)測(cè)、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站。以往的傳統(tǒng)變電站使用的是常規(guī)互感器，而智能變電站不僅使用了可以測(cè)量數(shù)字化的非常規(guī)互感器，還以工業(yè)以太網(wǎng)代替了現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)了站間互相操作。由此可以看出通信網(wǎng)絡(luò)是智能變電站的基礎(chǔ)，其性能的好壞將直接影響智能化變電站的性能的高低。為保證智能變電站的可靠性，必須保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。故而，通信網(wǎng)絡(luò)的失效模型分析就成了變電站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要一環(huán)。

一、基于故障樹分析的失效模型

故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)由美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的H.A.Walson首先提出，它是一種系統(tǒng)可靠性分析方法。利用故障樹可以尋找潛在故障或進(jìn)行故障診斷，還可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析與預(yù)測(cè)，已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐［4］。對(duì)于由多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的變電站通信系統(tǒng)，也可以應(yīng)用故障樹分析法研究其系統(tǒng)的可靠性。

(一)可靠性理論的基本概念

可靠性理論是進(jìn)行故障樹分析的基礎(chǔ)。其中幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，如可靠度、失效率、平均壽命、系統(tǒng)有效度和失效度等介紹如下:

(1)可靠度R產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間t內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率稱為該產(chǎn)品的可靠度，記為R(t)=P(T＞t)，t≥0。

(2)失效率λ單位時(shí)間內(nèi)失效的元器件數(shù)與元器件總數(shù)之比稱為失效率，它也是時(shí)間的函數(shù)。

(3)平均壽命對(duì)于不可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命指的是平均工作時(shí)間(Mean Time To Failure，MTTF)，對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命指的是相鄰故障間的平均工作時(shí)間(Mean Time Between Failure，MTBF)。二者統(tǒng)稱為平均壽命。

(二)故障樹分析法的基本步驟

(1)定義系統(tǒng)和系統(tǒng)故障，確定系統(tǒng)故障事件，即“頂事件”;

(2)建造故障樹;

(3)進(jìn)行定性與定量分析［4］。

二、變電站通信網(wǎng)絡(luò)失效模型

智能化變電站通信網(wǎng)絡(luò)通常包括集線器(hubs)、交換機(jī)(switches)、路由器(routers)、IED網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備(IED Network Interfaces)和服務(wù)器(servers)等硬件設(shè)備。通信網(wǎng)絡(luò)的故障有保護(hù)設(shè)備故障、交換機(jī)故障、IED設(shè)備接口故障、路由器故障和服務(wù)器故障。而保護(hù)設(shè)備故障又有保護(hù)失效、保護(hù)接口失效、電子設(shè)備失效。由此可以建立如圖1所示的故障樹模型，其中頂事件定義為變電站通信系統(tǒng)故障。

圖1 變電站通信網(wǎng)絡(luò)故障樹模型

三、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通信網(wǎng)絡(luò)失效分析

變電站站二次系統(tǒng)采用的是分層分布式結(jié)構(gòu)，由站控層、間隔層和過程層組成。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)逐漸成為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的模式。以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大概有星形和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。首先以環(huán)網(wǎng)為模型，建立如圖2所示失效模型［5］。

圖2 環(huán)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)模擬圖

電子元件的失效率關(guān)系曲線是一條“浴盆曲線”，其分為三段:初始運(yùn)行期、穩(wěn)定運(yùn)行期、耗損期。在穩(wěn)定運(yùn)行期間，其失效率為一常數(shù)保持不變。設(shè)在同一變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)接口的失效率為λ，單位長度鏈路的失效率為μ，如果假定單環(huán)網(wǎng)絡(luò)IEDi與IEDj之間進(jìn)行信息交換按最短路徑需通過m個(gè)交換機(jī)，鏈路長度為Lij1，不難得到備用通道需經(jīng)過n+2-m個(gè)交換機(jī)(交換機(jī)總個(gè)數(shù)為n)，鏈路長度為Lij2，鏈路總長L=Lij1+Lij2，則其失效率可由下式表示:

其平均無故障時(shí)間MTBF為:

由上式可知，單環(huán)路網(wǎng)絡(luò)的失效率主要與鏈路長度以及環(huán)路中交換機(jī)的個(gè)數(shù)有關(guān)，鏈路越長、交換機(jī)個(gè)數(shù)越多，則其失效率越高。下面，我們建立星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)模擬圖，如圖3所示。

圖3 星網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)模擬圖

單星形網(wǎng)絡(luò)IED之間的通信路徑通過交換機(jī)的臺(tái)數(shù)m與星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的層數(shù)v有關(guān)，m=2 (υ-1)+1，設(shè)IEDi與IEDj之間進(jìn)行信息交換的鏈路長度為Lij，則其可靠度可由下式表示［5］:

其平均無故障時(shí)間MTBF為:

單星形網(wǎng)絡(luò)的失效率主要與鏈路長度以及星形結(jié)構(gòu)的層數(shù)有關(guān)，鏈路越長、結(jié)構(gòu)層數(shù)越多，則其失效率越高［6］。

四、結(jié)語

本文對(duì)智能化變電站通信系統(tǒng)失效模型進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析了變電站通信網(wǎng)絡(luò)失效模型，進(jìn)行了變電站通信系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通信網(wǎng)絡(luò)失效分析，應(yīng)用這些通信系統(tǒng)失效模型分析方法可以實(shí)現(xiàn)智能化變電站二次設(shè)備失效模型的建立和求解，為二次設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］劉盛.智能變電站中電子式互感器的研究應(yīng)用［D］.杭州:浙江大學(xué)，2011.

［2］刁守斌.智能變電站的規(guī)劃與建設(shè)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2012.

［3］王云茂，張春欣.智能變電站二次系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)探討［J］.電力與電工，2010，(2).

［4］韓小濤，尹項(xiàng)根，張哲.故障樹分析法在變電站通信系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，(1).

［5］楊穎安.數(shù)字化變電站工程應(yīng)用研究［D］.廣州:中山大學(xué)，2009.

［6］胡長金.智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)可靠性研究［J］.電氣應(yīng)用，2011，(17).

［責(zé)任編輯 程光輝］

Failure Model Analysis of Communication System in Intelligent Substation

ZHAO Dong-ling，LIU Shu-lun
(Jiyuan Vocational and Technical College，Jiyuan 454650，Henan)

On the base of the existing problems of communication system in intelligent substation，failure model research on the intelligent substation is made.The failure model is made by applying the method of fault tree analysis and failure analysis on topology and communication network of substation communication system is made.The application of these communication system failure model analysis method can realize the establishment and solution of intelligent substation secondary equipment failure model，to provide a solid foundation for risk assessment of secondary equipment failure.

intelligent;substation;communication system;failure model

10.3969/j.issn.1672-0342.2014.02.003

TM63

A

1672-0342(2014)02-0009-04

2014-03-18

趙冬玲(1972-)，女，河南濟(jì)源人，濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系副教授，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)開發(fā)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。