李生虎, 錢 壯, 唐彩林

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

智能變電站測控系統(tǒng)可靠性評估

李生虎, 錢 壯, 唐彩林

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章基于智能變電站單套測控裝置跨接雙網(wǎng)結(jié)構(gòu),提出新的測控系統(tǒng)可靠性模型,采用蒙特卡羅和故障樹混合算法求解。根據(jù)測控系統(tǒng)功能實現(xiàn)效果,引入運行狀態(tài)概率評估模型。算例分析對比測控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo),獲得測控系統(tǒng)各運行狀態(tài)的概率。研究結(jié)果對智能變電站測控系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計和運行維護具有借鑒意義。

智能變電站;測控系統(tǒng);蒙特卡羅仿真;故障樹;可靠性計算;狀態(tài)評估

0 引 言

與常規(guī)站相比,智能變電站結(jié)構(gòu)及功能都存在一定差異[1-2],需要考慮其可靠性建模。文獻[3]分析智能變電站保護系統(tǒng)信息流拓撲結(jié)構(gòu),用最小路集法計算可靠性;文獻[4]采用可靠性框圖,基于不同采樣、跳閘方式,建立保護系統(tǒng)可靠性模型;文獻[5]采用分層馬爾科夫模型,對全數(shù)字化保護系統(tǒng)進行可靠性分析;文獻[6]采用動態(tài)故障樹方法建立3種網(wǎng)絡(luò)下的通信系統(tǒng)可靠性模型。但是現(xiàn)有文獻多針對保護或通信系統(tǒng)[7-9],測控系統(tǒng)可靠性評估未見相關(guān)研究。

作為間隔層二次設(shè)備,測控設(shè)備跨接過程層雙網(wǎng),接收來自合并單元同步采樣的電壓、電流信息,并以GOOSE (generic object oriented substation event)機制與過程層設(shè)備雙向傳遞遙信數(shù)據(jù)和跳閘命令[10-11],完成監(jiān)視控制等功能。對于工程上普遍采用“直采直跳”模式的雙重化保護系統(tǒng)而言,其組網(wǎng)方式為光纖直連方式,而測控系統(tǒng)采用光纖直連和交換機組網(wǎng)組合方式,且保護系統(tǒng)和測控系統(tǒng)實現(xiàn)功能不同,2個系統(tǒng)有相互獨立元件。

考慮到測控系統(tǒng)與保護系統(tǒng)存在重復(fù)元件,單獨分析測控系統(tǒng)不足以反映重復(fù)元件故障對測控和保護系統(tǒng)可靠性的影響。評估測控和保護系統(tǒng)可靠性,直接采用故障樹分析 (fault tree analysis, FTA)[12-13],重復(fù)元件多次參與計算,存在誤差,有必要引入蒙特卡羅和FTA相結(jié)合的混合算法[14-15]。從量化可靠性水平來說,測控系統(tǒng)部分功能的缺失,未必影響其整體功能的實現(xiàn)。僅以失效概率來量化測控系統(tǒng)可靠性,不能完全反映系統(tǒng)運行風(fēng)險。

本文基于單套測控裝置跨接雙網(wǎng)結(jié)構(gòu),建立智能變電站測控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),依據(jù)引起測控系統(tǒng)失效原因建立故障樹模型。采用蒙特卡羅方法抽樣剔除重復(fù)元件后的測控和保護系統(tǒng)所有元件狀態(tài),消除重復(fù)元件對計算結(jié)果的影響,再依據(jù)FTA得到測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)函數(shù),合并得到系統(tǒng)狀態(tài),計算可靠性指標(biāo)。從功能實現(xiàn)角度出發(fā),將測控系統(tǒng)運行狀態(tài)劃分為良好、一般、預(yù)警、嚴重。計算結(jié)果對比測控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)可靠性指標(biāo),得到測控系統(tǒng)各運行狀態(tài)概率,可深入了解測控系統(tǒng)的運行特征,以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、指導(dǎo)系統(tǒng)運行維護。

1 智能變電站測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站過程層設(shè)備完全數(shù)字化后,采樣數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)信息均需經(jīng)過程層網(wǎng)絡(luò)到達測控裝置。目前220 kV及以上電壓等級智能變電站測控裝置大多采用獨立配置方式,配置模式一般為配單套測控裝置跨接雙網(wǎng)模式。以某220 kV智能變電站的線路測控系統(tǒng)方案為例,單套測控跨接雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單套測控跨接雙網(wǎng)

測控裝置單套配置,跨接到過程層的A、B網(wǎng)。站內(nèi)傳輸采樣值和開關(guān)狀態(tài)信息的方式分別為:220 kV保護A通過光纖直連方式直采A網(wǎng)合并單元MU1(merging unit)信息,直跳A網(wǎng)智能終端IT1(intelligent terminal);220 kV保護B通過光纖直連方式直采B網(wǎng)合并單元MU2信息,直跳B網(wǎng)智能終端 IT2;而220 kV測控一方面通過光纖直連方式直采MU1信息,來自MU1的采樣值信息單向傳輸?shù)綔y控裝置,另一方面采用交換機組網(wǎng)方式采集MU1、MU2信息以及IT1、IT2信息,遙信數(shù)據(jù)和開關(guān)狀態(tài)信息以GOOSE 機制在過程層設(shè)備和測控裝置之間雙向傳遞。

2 智能變電站測控系統(tǒng)可靠性模型

2.1 測控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1將線路測控系統(tǒng)信息傳輸回路分為:直采線路MU1回路、線路MU1組網(wǎng)回路、線路MU2組網(wǎng)回路、線路IT1組網(wǎng)回路和線路IT2組網(wǎng)回路。直采回路采用光纖直連方式,直接根據(jù)信息傳輸路徑建立直采回路拓撲結(jié)構(gòu);各組網(wǎng)回路中不同交換機之間不能直接通信,由信息傳輸路徑,建立各組網(wǎng)回路的星型結(jié)構(gòu)。綜上得到線路測控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖2中,點劃線框內(nèi)元件為測控系統(tǒng)特有元件,虛線框內(nèi)元件為測控系統(tǒng)與保護系統(tǒng)共有元件。

圖2 測控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

在后續(xù)圖表中符號如下:MCD為測控裝置;PR為繼電保護;MU為合并單元;IT為智能終端;TF為尾纖;TC為尾纜;OF為光纖;DF為配線架;SW為交換機。假設(shè)同步時鐘源可靠性大于系統(tǒng)內(nèi)各裝置,故本文可靠性模型中不考慮同步時鐘源模塊。

同理,將線路保護系統(tǒng)的信息傳輸回路分為:直采線路MU1回路和直跳線路IT1回路。保護系統(tǒng)各信息回路采用光纖直連方式,再根據(jù)各信息回路的傳輸路徑,建立線路保護系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示,圖3中虛線框內(nèi)元件為保護系統(tǒng)與測控系統(tǒng)共有元件。

圖3 保護系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

對比保護和測控系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu),就采集線路MU1信息而言,保護系統(tǒng)的直采線路MU1回路為單向信息傳輸回路,由合并單元出發(fā),中間經(jīng)尾纖、配線架、光纖等傳輸元件,最后到達保護裝置;與保護系統(tǒng)的直采MU1回路相比,測控系統(tǒng)直采MU1回路同樣由合并單元出發(fā),中間傳輸元件增加尾纜,直至測控裝置;而測控系統(tǒng)中的線路MU1組網(wǎng)回路為雙向信息傳輸回路,由測控裝置發(fā)送所需采樣信息,經(jīng)尾纖、尾纜、交換機、配線架以及光纖等傳輸介質(zhì),到達合并單元,合并單元接受指令,發(fā)送相應(yīng)信息,經(jīng)上述傳輸介質(zhì),最后到達測控裝置。MU2、IT1、IT2的信息傳輸原理與MU1類似,不再贅述。

2.2 測控系統(tǒng)FTA建模

測控系統(tǒng)FTA如圖4所示。以測控系統(tǒng)故障為頂事件,失效因素有直采線路MU1子系統(tǒng)故障、線路MU1組網(wǎng)子系統(tǒng)故障、線路IT1組網(wǎng)子系統(tǒng)故障、線路MU2組網(wǎng)子系統(tǒng)故障以及線路IT2組網(wǎng)子系統(tǒng)故障,各子系統(tǒng)之間為串聯(lián)關(guān)系。對各子系統(tǒng)進行失效因素分析,組成各子系統(tǒng)的元件互為串聯(lián)關(guān)系。對于直采線路MU1子系統(tǒng)而言,其由尾纖、尾纜、光纖、配線架、合并單元以及測控裝置等構(gòu)成,若有1個元件故障,直采線路MU1子系統(tǒng)故障;對于線路MU1組網(wǎng)子系統(tǒng)而言,該子系統(tǒng)通過交換機組網(wǎng)方式構(gòu)成信息傳輸回路,在組成元件上,除直采線路MU1子系統(tǒng)中所包含的元件類型,還增加交換機元件,同理若有1個元件故障,線路MU1組網(wǎng)子系統(tǒng)故障;線路MU2組網(wǎng)子系統(tǒng)、線路IT1組網(wǎng)子系統(tǒng)、線路IT2組網(wǎng)子系統(tǒng)的失效因素分析與線路MU1組網(wǎng)子系統(tǒng)類似。

同理,以保護系統(tǒng)故障為頂事件,保護系統(tǒng)失效因素有直采線路MU1子系統(tǒng)故障和直跳線路IT1子系統(tǒng)故障,2個子系統(tǒng)之間為串聯(lián)關(guān)系,且組成子系統(tǒng)的元件也互為串聯(lián)關(guān)系,由此建立保護系統(tǒng)的FTA模型如圖5所示。

圖4 測控系統(tǒng)故障樹

圖5 保護系統(tǒng)故障樹

3 測控系統(tǒng)可靠性仿真

設(shè)剔除重復(fù)事件后的測控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)底事件總數(shù)為n,第i個底事件在第j次仿真中的失效抽樣時間為:

(1)

其中，F(xiàn)i為第i個底事件失效分布函數(shù);ηi為產(chǎn)生隨機序列的第i個數(shù)。非序貫蒙特卡羅仿真步驟如下:

(1) 設(shè)置測控系統(tǒng)最大仿真時間為tmax,測控系統(tǒng)由基本單元x1,x2,…,xn1組成,Z1,Z2,…,Zp為系統(tǒng)所有的最小割集,φr(X)(r=1, 2,…,p)為各最小割集的結(jié)構(gòu)函數(shù),由于系統(tǒng)由各最小割集串聯(lián)而成,測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)為:

(2)

(2) 設(shè)測控系統(tǒng)中n1個基本單元對應(yīng)(1)式中的抽樣時間分別為t1j,t2j,…,tn1j,將上述抽樣時間由從小到大排序為tf1,tf2,…,tfn1,同時相對應(yīng)的基本單元排序為x1′,x2′,…,xn1′。

(3) 依次將xk′(k=1, 2,…,n1)置為失效狀態(tài),同時判斷xk′對應(yīng)的抽樣時間tfk是否小于最大仿真時間tmax。若tfk

經(jīng)多次仿真,計算測控系統(tǒng)失效概率、可靠度和基本單元模式重要度。

4 測控系統(tǒng)可靠性計算

4.1 可靠性指標(biāo)

設(shè)系統(tǒng)最大仿真時間為tmax,將(0,tmax]分為m個區(qū)間,則任一時間段tr-1～tr失效次數(shù)統(tǒng)計為:

φj,r(tk,j) ,tk,j∈(tr-1,tr)

(3)

其中,N為最大仿真次數(shù);φj,r(tk,j)為基本單元xk在第j次仿真的第r個時間間隔內(nèi)的狀態(tài)變量。則t≤tr內(nèi)系統(tǒng)失效的統(tǒng)計次數(shù)為:

φj,r(tk,j),tk,j≤tr

(4)

(1) 系統(tǒng)不可靠度。系統(tǒng)在時刻tr的不可靠度定義為Fs(tr)=P(t≤tr),其點估計值為:

(5)

其中,φj(t)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)函數(shù)在第j次仿真中的狀態(tài)變量。

系統(tǒng)可靠度的點估計值為:

(6)

(2) 系統(tǒng)失效概率分布。系統(tǒng)在tr時刻失效概率分布為P(tr)=P(tr-1

(7)

(3) 系統(tǒng)平均故障間隔時間。系統(tǒng)平均故障間隔時間(mean time between failure, MTBF)定義為:

(8)

則系統(tǒng)MTBF的點估計值為:

(9)

(4) 基本單元模式重要度。基本單元xi的模式重要度定義為:

(10)

基本單元模式重要度用來判斷系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié),WN(xi)越大說明xi為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

4.2 狀態(tài)評估

測控系統(tǒng)的運行狀態(tài)與各子系統(tǒng)功能實現(xiàn)相關(guān)。在2.2節(jié)測控系統(tǒng)可靠性建模中,各子系統(tǒng)互為串聯(lián)關(guān)系。在劃分測控系統(tǒng)運行狀態(tài)時,認為各子系統(tǒng)同等重要。元件故障直接導(dǎo)致某一子系統(tǒng)不可用,影響該子系統(tǒng)功能的實現(xiàn),從而影響測控系統(tǒng)運行狀態(tài)。若某元件出現(xiàn)在不同子系統(tǒng)中的次數(shù)越多,該元件故障會導(dǎo)致越多的子系統(tǒng)故障,即測控系統(tǒng)的運行狀態(tài)越差。據(jù)此,將測控系統(tǒng)劃分為良好、一般、預(yù)警、嚴重4種運行狀態(tài),測控系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)見表1所列。測控系統(tǒng)處于各運行狀態(tài)的概率Pk(k=1,2,3,4)為:

(11)

其中,Ω為各運行狀態(tài)對應(yīng)故障元件的集合;l為測控系統(tǒng)的元件總數(shù);ξi為各元件的故障概率。

表1 測控系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)

5 算例分析

智能變電站內(nèi)元件可靠性參數(shù)見表2所列[3-7]。本文為驗證混合算法,設(shè)定所有設(shè)備的平均修復(fù)時間(mean time to repair, MTTR)為24 h[4],元件可修復(fù)且無冗余。所有元件的失效分布函數(shù)均服從指數(shù)分布。

表2 元件可靠性參數(shù)

設(shè)定測控系統(tǒng)、保護系統(tǒng)的最大工作時間分別為600 000 h和2 300 000 h,將其分成200個區(qū)間進行統(tǒng)計,蒙特卡羅仿真次數(shù)設(shè)為50 000次。對比FTA和混合算法下保護、測控系統(tǒng)的MTBF指標(biāo),結(jié)果見表3所列。相比于FTA,混合算法下的保護和測控系統(tǒng)的MTBF指標(biāo)較大。采用FTA,重復(fù)元件多次參與計算,其可靠性計算結(jié)果偏悲觀。同時,相比于保護系統(tǒng),測控系統(tǒng)的平均壽命遠小于保護系統(tǒng)。對于同一間隔,測控系統(tǒng)同時擁有保護A、B網(wǎng)的元件,其結(jié)構(gòu)比單獨的保護A網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

表3 不同算法下系統(tǒng)MTBF比較

測控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的失效概率分布、可靠度分布如圖6、圖7所示。在測控、保護系統(tǒng)的失效模型中,2個系統(tǒng)的失效概率分布曲線前半段呈線性,后半段由于失效概率數(shù)值非常小,曲線呈振蕩趨勢。由于各元件都為串聯(lián)關(guān)系,整體近似服從指數(shù)分布,擬合后的線性失效概率曲線可相應(yīng)驗證。隨著時間的推移逐漸減小,在大約第18個時間間隔(測控系統(tǒng)在6 a后,保護系統(tǒng)在24 a后),2個系統(tǒng)可靠度下降到0.5。

圖6 測控系統(tǒng)可靠性曲線

圖7保護系統(tǒng)可靠性曲線

測控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)的基本單元模式重要度排序見表4所列。對于測控系統(tǒng)而言,交換機的重要度最高,合并單元其次,配線架最低,由于在測控系統(tǒng)中交換機的故障率最高,合并單元其次,配線架最低;對于保護系統(tǒng)而言,合并單元的模式重要度最高,智能終端其次,配線架最低。

表4 元件模式重要度排序比較

智能變電站測控系統(tǒng)各運行狀態(tài)概率結(jié)果見表5所列。測控系統(tǒng)處于良好狀態(tài)的概率最大,處于其余3種狀態(tài)概率較低,從側(cè)面說明測控系統(tǒng)功能實現(xiàn)情況良好。但處于預(yù)警狀態(tài)的概率大于處于一般、嚴重狀態(tài)的概率。說明在測控系統(tǒng)中,隸屬2個不同子系統(tǒng)的同一元件數(shù)目較多。

表5 測控系統(tǒng)運行狀態(tài)概率

6 結(jié) 論

本文基于單套測控裝置跨接雙網(wǎng)結(jié)構(gòu),提出新的測控系統(tǒng)可靠性模型,采用故障樹和蒙特卡羅法相結(jié)合的混合仿真算法,引入系統(tǒng)運行狀態(tài)概率評估模型,得到以下結(jié)論:

(1) 相比于“直采直跳”模式的保護系統(tǒng),跨接過程層雙網(wǎng)的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,平均壽命降低,失效概率提高;兩者可靠度下降幅度相同,測控系統(tǒng)所用時間遠小于保護系統(tǒng)。

(2) 對于“直采直跳”模式的保護系統(tǒng),合并單元和智能終端為關(guān)鍵設(shè)備;而對于經(jīng)光纖直連與交換機組網(wǎng)組合方式的測控系統(tǒng),應(yīng)首先關(guān)注交換機,其次為合并單元和智能終端。

(3) 測控系統(tǒng)處于良好狀態(tài)的概率最大,處于一般、預(yù)警、嚴重狀態(tài)的概率較小。因測控系統(tǒng)中隸屬于2個子系統(tǒng)的元件數(shù)目較多,處于狀態(tài)預(yù)警狀態(tài)的概率大于處于一般、嚴重狀態(tài)的概率。

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Reliabilityevaluationtomeasurementandcontrolsysteminsmartsubstations

LI Shenghu, QIAN Zhuang, TANG Cailin

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The new reliability model for the measurement and control system(MCS) across linking two process level networks is proposed and solved by the hybrid method of Monte Carlo simulation and fault tree analysis(FTA). Based on the fulfillment of the expected function, the operating status of the MCS is probabilistically evaluated. The reliability indices of the MCS and protection system are compared by numerical analysis, and the probability of different operating states of MCS is obtained. The research results can be used for the planning and maintenance of MCS in smart substation.

smart substation; measurement and control system(MCS); Monte Carlo simulation; fault tree(FT); reliability calculation; state evaluation

2016-03-14；

2016-05-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277049)

李生虎(1974-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師;

錢 壯(1993-),女,安徽池州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生，通信作者,E-mail:zh-qian93@126.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.012

TM721

A

1003-5060(2017)09-1209-06

(責(zé)任編輯 張 镅)