李辰龍, 徐妍, 徐海波, 劉增稷, 譚敏剛(. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 0；. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 06；.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 0096)

0 引 言

安全穩(wěn)定控制裝置作為電網(wǎng)第二、三道防線，在電網(wǎng)中起到了不可替代的作用[1]。穩(wěn)定控制裝置的具體種類包括區(qū)域安全穩(wěn)定控制裝置、失步解列裝置、頻率電壓控制裝置和備用電源自投裝置等，通?；诮y(tǒng)一的硬件裝置平臺(tái)實(shí)現(xiàn)[2]。穩(wěn)定控制裝置的硬件一般由一個(gè)或多個(gè)機(jī)箱組成，其內(nèi)部模塊大致可分為五個(gè)部分：信號(hào)或控制輸入輸出單元、模擬量采集單元、中央處理計(jì)算單元、人機(jī)界面和對(duì)外通信單元[3-4]。隨著智能變電站的建設(shè)，穩(wěn)定控制裝置已全面支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定控制裝置是一種跨間隔設(shè)備，具有采樣控制元件多、跨不同電壓等級(jí)等特點(diǎn)，穩(wěn)控裝置通過SV協(xié)議從過程層合并單元采集模擬量數(shù)據(jù)，通過GOOSE協(xié)議與過程層智能操作箱、間隔層的保護(hù)裝置交互開關(guān)控制信息，通過MMS協(xié)議監(jiān)控站控層管理后臺(tái)[5]。因此，穩(wěn)定控制裝置的可靠運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，安全穩(wěn)定控制裝置也在不斷升級(jí)，裝置的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)一步提升，但仍然存在一些漏洞和問題[6-7]。電網(wǎng)的穩(wěn)定依賴于穩(wěn)控裝置的可靠運(yùn)行，因此分析穩(wěn)控裝置的可靠性具有重要意義。

目前引起穩(wěn)控裝置故障的原因主要有硬件故障、軟件故障、通信故障和人為誤操作，這些故障又可以分為顯性故障和隱性故障，其中對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定威脅較大的是隱性故障[8]。目前，對(duì)繼保裝置的研究較多，而對(duì)穩(wěn)控裝置的研究較少，并且對(duì)隱性故障的研究也剛剛起步。裝置可靠性分析的方法主要有蒙特卡洛法、故障樹法、重點(diǎn)抽樣法和馬爾科夫狀態(tài)空間法等，有些研究將這些方法進(jìn)行融合，利用各個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)出新的方法[9]。隨著裝置的功能和復(fù)雜度不斷增加，一些方法的缺陷逐漸暴露出來。故障樹法構(gòu)造樹的多余量非常繁重且難度較大，容易遺漏對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響的事件。馬爾科夫狀態(tài)空間法雖然對(duì)裝置故障的預(yù)測(cè)效果較好，但不適合中長期的預(yù)測(cè)，且計(jì)算量較大。因此本文應(yīng)用蒙特卡洛法分析穩(wěn)控裝置的穩(wěn)定性。

裝置的穩(wěn)定性包括硬件穩(wěn)定性和軟件穩(wěn)定性，本文以蒙特卡洛法為基礎(chǔ)，結(jié)合南瑞SCS-500E穩(wěn)控裝置，提出該裝置的可靠性分析方法。本文首先列舉了穩(wěn)控裝置在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的故障并對(duì)這些故障進(jìn)行分類。然后分析蒙特卡洛法的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)的故障數(shù)據(jù)建立模件失效模型，分析模件的失效率，基于蒙特卡洛法建立穩(wěn)控裝置的故障模型。最后通過仿真驗(yàn)證方法的正確性。

1 導(dǎo)致穩(wěn)控裝置故障的原因

安全穩(wěn)定控制裝置正常工作的條件是硬件和軟件正常工作，且判據(jù)、定值和策略與電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行方式相符。安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)正常工作的條件是各裝置布點(diǎn)、功能正確并能正常工作，且站間通道能正確收發(fā)數(shù)據(jù)和命令。一旦某一部分存在隱性故障，將會(huì)導(dǎo)致裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)或控制措施不足、過重[10-13]。導(dǎo)致安全穩(wěn)定控制裝置故障的原因主要包括以下幾種：

(1)由安全穩(wěn)定控制裝置硬件因素導(dǎo)致的故障?？赡苡稍ъ`、老化或環(huán)境因素引起的元件損壞或不正常工作等原因引起，如裝置的工作電源失效導(dǎo)致其輸出的電壓和功率不能滿足裝置正常運(yùn)行的需要、輸入部分模擬量和開關(guān)量測(cè)量回路故障、控制輸出的跳閘回路故障、高溫以及老化導(dǎo)致硬件工作異常，這些因素都可能導(dǎo)致裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。

(2)由安全穩(wěn)定控制裝置軟件缺陷導(dǎo)致的故障?？赡苁怯稍O(shè)計(jì)缺陷、邏輯錯(cuò)誤等原因?qū)е隆?/p>

(3)由安全穩(wěn)定控制裝置判據(jù)不合理導(dǎo)致的故障。這種類型的隱性故障主要是由于判據(jù)本身的設(shè)置不合理，導(dǎo)致裝置的各種元件投停判據(jù)、故障跳閘判據(jù)和無故障跳閘判據(jù)不能完全適應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行特性，造成電網(wǎng)運(yùn)行方式以及故障類型的誤判。特別是具有不確定性、間歇性的新能源大規(guī)模集中接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的運(yùn)行特性變化較快，可能導(dǎo)致判據(jù)不能適應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行方式。

(4)由安全穩(wěn)定控制裝置定值不合理導(dǎo)致的故障。主要包括以下兩種情況：①定值沒有適應(yīng)電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行方式，特別是當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生了一些變化，而整定值卻沒有修改的情況，此時(shí)，即使出口回路正常運(yùn)行，但定值不合理仍然會(huì)導(dǎo)致裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)；②原始設(shè)置的定值適應(yīng)電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行方式，但是由于存儲(chǔ)器工作環(huán)境較惡劣或長期不間斷運(yùn)行等原因造成存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的定值出現(xiàn)錯(cuò)誤。

(5)由安全穩(wěn)定控制裝置策略不合理導(dǎo)致的故障。這種類型的隱性故障主要是由于控制策略(包括控制措施和控制量)沒有適應(yīng)電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行方式，特別是大規(guī)模新能源集中接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的運(yùn)行方式和運(yùn)行特性變化較大，控制策略可能不能與電網(wǎng)的運(yùn)行方式相匹配，此時(shí)，即使出口回路正常運(yùn)行，但是策略不正確仍然會(huì)導(dǎo)致裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)或控制措施不足、過重。

(6)由安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)站間通信通道不能正確收發(fā)數(shù)據(jù)或命令導(dǎo)致的故障?？赡苁怯赏ㄐ胖袛?、延時(shí)和誤碼等原因?qū)е隆?/p>

(7)由安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)裝置布點(diǎn)不合理或功能配置不合理導(dǎo)致的故障。

(8)由安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)與其他二次設(shè)備系統(tǒng)之間的配合不當(dāng)導(dǎo)致的故障。主要包括：①安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)與繼電保護(hù)系統(tǒng)(如電廠涉網(wǎng)保護(hù)、直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng))配合不當(dāng)導(dǎo)致的故障[14]；②安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)與其他安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)之間的配合不當(dāng)導(dǎo)致的故障等。

(9)由其他因素導(dǎo)致的安全穩(wěn)定控制裝置故障。這種故障主要包括：①現(xiàn)場(chǎng)對(duì)線路的操作與裝置所要求的操作順序不匹配，導(dǎo)致裝置誤動(dòng)；②由于對(duì)安全穩(wěn)定控制裝置的了解不夠詳細(xì)和深入，導(dǎo)致調(diào)度指令錯(cuò)誤；③進(jìn)行安全穩(wěn)定控制裝置試驗(yàn)時(shí)缺少安全措施，導(dǎo)致裝置誤動(dòng)；④裝置出廠試驗(yàn)不徹底、裝置到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后調(diào)試不足以及投運(yùn)后運(yùn)行管理不足造成的隱患等。

2 蒙特卡洛法分析裝置可靠性

蒙特卡洛法是一種隨機(jī)模擬方法，以概率和統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，使用隨機(jī)數(shù)解決計(jì)算問題的方法。將所求解的問題與一定的概率模型相聯(lián)系，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)模擬或抽樣，以獲得問題的近似解。

穩(wěn)控裝置可靠性分析較為復(fù)雜，穩(wěn)控裝置為分布式結(jié)構(gòu)，一個(gè)裝置由多個(gè)機(jī)箱組成，每個(gè)機(jī)箱由多個(gè)模件組成，每個(gè)模件可能出現(xiàn)的故障多種多樣，問題的維數(shù)可能高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千。在分析該問題時(shí)，難度隨維數(shù)的增加呈指數(shù)增長，而蒙特卡洛法的復(fù)雜性不依賴于維數(shù)，因此相比于馬爾科夫狀態(tài)空間法等傳統(tǒng)的數(shù)值方法，蒙特卡洛法有其自身的優(yōu)勢(shì)。

2.1 模件失效率

裝置的穩(wěn)定性可以用失效率這個(gè)參數(shù)來衡量，失效率是工作到某時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。失效率用λ表示。穩(wěn)控裝置的各個(gè)模件由大量電子元器件組成，元器件的失效率計(jì)算較為復(fù)雜，需要的參數(shù)較多，如基本失效率、環(huán)境系數(shù)和溫度系數(shù)等，電容需要考慮電容量系數(shù)，電感需要考慮電壓應(yīng)力系數(shù)、集成電路需要考慮電路復(fù)雜度，因此對(duì)單個(gè)元器件建立精確的概率模型較復(fù)雜。本文根據(jù)《MIL-HDBK-217F》，利用元器件的已知屬性計(jì)算各個(gè)元器件的失效率λh。穩(wěn)控裝置各個(gè)模件的軟件系統(tǒng)由多個(gè)軟件模塊組成，當(dāng)一個(gè)軟件模塊失效時(shí)則認(rèn)為該模件的軟件系統(tǒng)失效。本文根據(jù)軟件的復(fù)雜度計(jì)算得到軟件模塊失效率λs。因此穩(wěn)控裝置模件失效率如式(1)所示。

(1)

式中:λb為模件失效率;λhi為元器件i的失效率;m為元器件數(shù)量;λsi為軟件模塊i的失效率;n為軟件模塊數(shù)量。

考慮到每個(gè)元器件對(duì)于模件的重要程度不同，例如某個(gè)小電容的失效可能不會(huì)影響模件的功能，而某個(gè)芯片的失效可能會(huì)導(dǎo)致模件失效，為表示元器件的重要程度，引入系數(shù)α，α∈(0,1)。修正后的裝置模件失效率如式(2)所示。

(2)

式中:αhi為元器件i對(duì)于模件穩(wěn)定運(yùn)行的重要程度;αsi為軟件模塊i對(duì)于模件穩(wěn)定運(yùn)行的重要程度。

根據(jù)模件間的邏輯關(guān)系，可以得到穩(wěn)控裝置的失效率為：

(3)

式中：λM為裝置失效率;λbi為第i個(gè)模件的失效率;k為模件數(shù)量。

2.2 裝置失效模型

本文利用蒙特卡羅法評(píng)估裝置的可靠性，首先對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模件的狀態(tài)進(jìn)行抽樣，包括主控模件、開入模件、開出模件、電源模件、通信模件和人機(jī)接口模件等。對(duì)于系統(tǒng)中任一模件，用λbi表示其失效率，Xi表示系統(tǒng)的狀態(tài)，1代表系統(tǒng)故障，0代表正常運(yùn)行，R為區(qū)間[0,1]上均勻分布的隨機(jī)數(shù)，則Xi的表達(dá)式為：

(4)

穩(wěn)控裝置的故障可以分為顯性故障和隱性故障，顯性故障指能夠被裝置自檢發(fā)現(xiàn)的故障，隱性故障指不能被裝置自檢發(fā)現(xiàn)的故障，當(dāng)裝置處于隱性故障狀態(tài)時(shí)，受到外部觸發(fā)，裝置發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)，進(jìn)入顯性故障狀態(tài)。對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定而言，只要裝置不發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，則認(rèn)為處于正常運(yùn)行狀態(tài)。因此定義觸發(fā)條件C和觸發(fā)率η，則模件i的觸發(fā)條件Ci的表達(dá)式如下：

(5)

修正后的故障狀態(tài)為：

(6)

Xi*的概率函數(shù)P的表達(dá)式為：

(7)

一個(gè)裝置包含m個(gè)模件，則X*=(X1*,X2*,…,Xm*)，當(dāng)各個(gè)模件故障相互獨(dú)立時(shí)，裝置故障的概率函數(shù)為：

(8)

3 算例分析

3.1 原始數(shù)據(jù)

本文僅考慮裝置處于偶然失效期，根據(jù)SCS-500E的浴盆曲線，此時(shí)各個(gè)模件的失效率為常數(shù)。取元器件質(zhì)量系數(shù)為0.25，生產(chǎn)工藝成熟系數(shù)為1，環(huán)境系數(shù)為2.5，運(yùn)行溫度40 ℃。根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算得到裝置各模件的失效率如表1所示，各模件的觸發(fā)概率η如表2所示。

表1 SCS-500E各模件失效率

表2 SCS-500E各模件觸發(fā)概率

3.2 故障概率計(jì)算

本算例取采樣點(diǎn)數(shù)500 000個(gè)，在一年內(nèi)，穩(wěn)控裝置各個(gè)模件處于顯性故障狀態(tài)的概率如表3所示。

表3 SCS-500E各模件顯性故障概率

考慮隱性故障，穩(wěn)控裝置各模件的故障概率如表4所示。

表4 SCS-500E各模件實(shí)際故障概率

由表3和表4數(shù)據(jù)可以得到穩(wěn)控裝置正常運(yùn)行、出現(xiàn)顯性故障和實(shí)際出現(xiàn)故障的概率，如表5所示。

表5 SCS-500E各狀態(tài)概率

由表5可知，安全穩(wěn)定控制裝置出現(xiàn)故障的概率很小，并且電網(wǎng)中一般有兩套以上不同原理的穩(wěn)控裝置同時(shí)工作，所以由穩(wěn)控裝置故障導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)的概率非常小。穩(wěn)控裝置實(shí)際出現(xiàn)故障的概率要比出現(xiàn)顯性故障的概率高很多，裝置處于隱性故障狀態(tài)時(shí)若沒有外部條件觸發(fā)，裝置將一直運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行中，若裝置沒有出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)，則認(rèn)為裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)裝置可能處于隱性故障狀態(tài)而沒有被觸發(fā)，因此穩(wěn)控裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)的概率要略低于統(tǒng)計(jì)值。表5的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符，證明本文評(píng)估安全穩(wěn)定控制裝置可靠性的方法是正確的。

4 結(jié)束語

安全穩(wěn)定控制裝置的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成較為復(fù)雜，目前裝置內(nèi)部在線自檢能力有限，很多故障以及一些誤操作無法自動(dòng)檢測(cè)并采取措施，穩(wěn)控裝置的拒動(dòng)與誤動(dòng)將影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文首先列舉了穩(wěn)控裝置實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立模件失效模型，之后利用蒙特卡洛法計(jì)算裝置的故障概率，并通過算例驗(yàn)證了方法的正確性。根據(jù)本文分析，安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性非常高。本文通過蒙特卡羅法計(jì)算得到裝置的故障概率，可以為裝置設(shè)計(jì)與控制策略的選取提供參考。本文僅考慮了單個(gè)裝置的可靠性，多個(gè)地區(qū)的穩(wěn)控裝置配合問題也可能導(dǎo)致裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，未來應(yīng)考慮穩(wěn)控裝置間的協(xié)調(diào)和通信問題對(duì)裝置可靠性的影響。