徐毅, 袁保平, 朱學珍, 吳文濤, 夏軼煒, 程思

(國網(wǎng)安徽省電力公司 休寧縣供電公司， 安徽 黃山 245400)

0 引言

在智能電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過程中，變電站是電力網(wǎng)絡(luò)中的一個戰(zhàn)略節(jié)點，它由大量變電站自動化系統(tǒng)(SAS)控制，監(jiān)督和保護的開關(guān)設(shè)備和測量設(shè)備組成。變電站內(nèi)變電站通信的IEC 61850標準的出現(xiàn)為SAS設(shè)計提供了廣泛的解決方案[1]。數(shù)字信號處理、信息和通信技術(shù)的使用給變電站中使用的儀表、監(jiān)視、通信、控制和保護系統(tǒng)帶來了重大改變，但也會造成整體系統(tǒng)可靠性不足。因此，盡管實施IEC 61850標準提供了靈活性，但必須考慮系統(tǒng)的可用性和性能要求。

根據(jù)IEC 60870-4，可靠性定義為設(shè)備或系統(tǒng)在指定條件下，指定時間段內(nèi)執(zhí)行其預(yù)期功能的度量[2]。一種提高SAS可靠性的解決方案是按照IEC 61850的要求，用串行通信鏈代替銅纜線，以減少系統(tǒng)中電子設(shè)備的數(shù)量。另一種方法是在站層和間隔層中引入冗余。但是，這必須遵循相應(yīng)的協(xié)議標準，協(xié)議是作為SAS中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。由于以太網(wǎng)通信技術(shù)是SAS的核心，因此冗余設(shè)計不僅覆蓋保護設(shè)備，還覆蓋SAS內(nèi)部的通信系統(tǒng)。IEC 62439標準實現(xiàn)了無縫冗余通信的應(yīng)用，可以促進時間關(guān)鍵信號(例如跳閘消息、采樣數(shù)據(jù))的傳輸，也將滿足超高壓變電站自動化系統(tǒng)中極高的可靠性要求。

根據(jù)IEC 61850，變電站中的數(shù)據(jù)傳輸基于必要的數(shù)據(jù)模型和通信服務(wù)[3]。但是，成功的通信還依賴于可靠的變電站通信網(wǎng)絡(luò)(SCN)架構(gòu)，該架構(gòu)可提供大型地理位置分散的電力系統(tǒng)的動態(tài)信息交換。通常，SAS是一種分層結(jié)構(gòu)，包括三個層，即站控層、間隔層和過程層，它們通過兩條總線連接：站級總線和過程總線。本文將考慮兩條總線的拓撲架構(gòu)，以評估SAS系統(tǒng)的可靠性[4]。在可靠性和成本方面，對不同的站控層和間隔層通信系統(tǒng)的可能組合進行了分析和評估。

1 變電站總線架構(gòu)

1.1 星形和環(huán)形架構(gòu)

各種通信設(shè)備的站總線，方便了站控層與間隔層之間的通信以及IED架構(gòu)內(nèi)的通信。兩種典型的SCN架構(gòu)，星形和環(huán)形架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 星形(左)和環(huán)形(右)型SCN體系結(jié)構(gòu)

假定每個自動化結(jié)構(gòu)中有十個間隔。對于星型架構(gòu)，中央站級交換機連接到所有間隔交換機，并進一步連接到每個間隔中分配的智能電子設(shè)備(IED)。中央交換機成為整個SCN的單點故障，因此大大影響了間隔信息的可用性。但是，環(huán)形體系結(jié)構(gòu)通過形成交換機環(huán)而提供了固有的通信冗余，沒有單點故障。IEEE 802.1中定義的快速生成樹協(xié)議(RSTP)集成在環(huán)結(jié)構(gòu)中， RSTP環(huán)形體系結(jié)構(gòu)可以提供從250 ms到12 s的重新配置時間，它比傳統(tǒng)的生成樹協(xié)議(STP)更快，發(fā)生故障時的平均故障轉(zhuǎn)移時間為30 s。

1.2 基于IEC 62439-3架構(gòu)的并行冗余協(xié)議(PRP)

并行冗余協(xié)議(PRP)的概念是將帶有兩個以太網(wǎng)端口(運行PRP，DANP的雙連接節(jié)點)的IED連接到兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)，并通過這兩個局域網(wǎng)(LAN)同時發(fā)送重復的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包LAN A和LAN B)。因此，如果一個數(shù)據(jù)幀無法到達目的地，則目的地仍可以從另一網(wǎng)絡(luò)接收所需的信息，而無需任何重新配置時間，從而提供了無縫的冗余。

根據(jù)IEC實現(xiàn)的雙星形和雙環(huán)形SCN冗余架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 雙星(左)和環(huán)形(右)SCN冗余架構(gòu)

部分IED是單連接節(jié)點(SAN)，因此，與PRP網(wǎng)絡(luò)的連接需要一個Redbox。文中，假設(shè)所有的保護和控制裝置都具有兩個并行通信端口[5]。因此，可靠性模型中未考慮Redbox，站點控制中心需要防火墻設(shè)施，以防止數(shù)據(jù)受到外部網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2 過程總線架構(gòu)

2.1 過程總線組成

對于SCN架構(gòu)，必須考慮間隔層和過程層的冗余，以消除所有單點故障。基于IEC 61850-9-2的過程總線包括硬件設(shè)備，軟件，固件模塊和用戶定義的設(shè)置，這在滿足SAS的可靠性和性能要求方面增加了難度。

當主要組件(CT/VT和斷路器)可靠時，在可靠性分析中可不考慮這些組件[6]。每套保護和控制設(shè)備的電源也被認為是完全可靠的，因為它可以同時由多個電源提供，包括AC，電池和不間斷電源(UPS)。

每個架構(gòu)都有專用的IED，它們執(zhí)行控制和保護功能。一個MU(合并單元)處理并提供一個保護和控制單元所需的所有信息。IEC兼容的IED應(yīng)該有一個內(nèi)部時鐘作為時間戳，提供約1ms的精度。由于采樣電流和電壓還不足，因此需要考慮重復的外部時間源(TS)，以符合IEEE 1588的要求，從而實現(xiàn)更準確地系統(tǒng)級時間同步。

由于通信在過程總線結(jié)構(gòu)中起著重要的作用，因此必須考慮以太網(wǎng)介質(zhì)和以太網(wǎng)交換機的可靠性。以太網(wǎng)交換機(ESW)是連接以太網(wǎng)接口的活動通信節(jié)點，該接口能接收，處理并將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到特定端口。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

關(guān)于間隔層通信網(wǎng)絡(luò)中的冗余，文中考慮了兩種基于IEC 61850的過程總線架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 兩種可能的過程總線架構(gòu)

間隔保護單元(BPU)在兩種體系結(jié)構(gòu)中均已實現(xiàn)冗余。與備份保護相比，冗余Main2保護還提供了更快的響應(yīng)時間。因此，當Main1保護功能無法正常工作時，可以防止整個保護系統(tǒng)誤操作。與第一過程總線體系結(jié)構(gòu)(圖3左)相比，體系結(jié)構(gòu)2(圖3右)還通過復制過程總線開關(guān)(SW)在通信系統(tǒng)中提供了冗余。

假定所有間隔的P&C IED是雙連接節(jié)點(DANP)，因此可以通過不同的間隔連接到單個局域網(wǎng)(LAN A，不帶虛線部分)或兩個獨立的LAN(LAN A和LAN B)液位開關(guān)。由于空間的限制，僅考慮冗余對過程總線體系結(jié)構(gòu)的影響，不包括不同拓撲的其他可能解決方案。

3 系統(tǒng)可靠性評估

3.1 可靠性評估方法

全面了解系統(tǒng)的物理布局，可靠性數(shù)據(jù)以及維護程序，才能開始可靠性評估。在可修復的系統(tǒng)中，可以通過自檢或手動測試程序來檢測電子組件中的故障[7]。然后可以修復有問題的組件或?qū)⑵涮鎿Q。如果不能及時發(fā)現(xiàn)所有故障設(shè)備，將影響整個系統(tǒng)的可靠性。因此，在考慮和不考慮維修的情況下，都要檢查系統(tǒng)的可靠性。

由于整個變電站自動化系統(tǒng)(SAS)可以看作是串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的復雜組合。對于不可修復的系統(tǒng)，假定其組件的故障率具有恒定值A(chǔ)i。盡管維修率是無限的，這意味著一旦組件進入故障狀態(tài)，就永遠無法返回正常。假設(shè)變電站組件的故障大致呈指數(shù)分布。考慮組件修復率時，使用馬爾可夫模型可顯示組合系統(tǒng)處于向上或向下狀態(tài)的概率。通過進行等效過渡率的概念以計算組合系統(tǒng)的等效修復/故障率。平均故障時間(MTTF)，平均維修時間(MTTR)以及整個系統(tǒng)的可用性。

3.2 組件可靠性數(shù)據(jù)

為了客觀地評估不同的SAS架構(gòu)，需要就組件的可靠性參數(shù)達成一致。變電站中使用的所有元件的平均故障時間(MTTF)和平均維修時間(MTTR)值及其相對成本均可提供[8]。間隔IED和外部時間源(TS)被認為是相對不穩(wěn)定的設(shè)備，此外，GPS時間參考信號很容易出現(xiàn)故障，阻塞或干擾。以太網(wǎng)交換機(SW)的可靠性指標取決于其采用的端口數(shù)量。因此，環(huán)形架構(gòu)的站交換機比星形架構(gòu)的站交換機更可靠，而星形架構(gòu)的站交換機需要更多的以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)介質(zhì)(EM)的可靠性和成本數(shù)字還取決于SAS的地理分布(電纜長度)。此外，所有故障設(shè)備都可以在24小時內(nèi)檢測到并修復或更換，組件的相對成本只能粗略估算，因為實際成本還取決于變電站的地理分布以及組件的供應(yīng)商。

考慮到前面提到的過程總線和站總線結(jié)構(gòu)的所有可能組合，比較了八種SCN架構(gòu)(Arch1-8)。

架構(gòu)1：單星形站和單過程總線

架構(gòu)2：單環(huán)站總線和單過程總線

架構(gòu)3：雙星站總線和單過程總線

架構(gòu)4：雙環(huán)站總線和單過程總線

架構(gòu)5：單星站總線和雙重過程總線

架構(gòu)6：單環(huán)站總線和雙重過程總線

架構(gòu)7：雙星站總線和雙重過程總線

架構(gòu)8：雙環(huán)站總線和雙重過程總線

其中，前四個SAS體系結(jié)構(gòu)在間隔通信網(wǎng)絡(luò)中沒有實現(xiàn)冗余，而在后四個體系中實現(xiàn)冗余。此外，從站總線到過程總線的架構(gòu)7和架構(gòu)8是完全冗余的，從而消除了變電站系統(tǒng)中的所有單點故障。

短暫性腦缺血發(fā)作病情雖較輕，短時間內(nèi)病情緩解，但如反復發(fā)作常可誘發(fā)卒中，其發(fā)病機制主要是微血栓形成和動脈粥樣硬化。依據(jù)其特點，可將其歸屬于中醫(yī)學“中風”范疇，其病機關(guān)鍵是瘀血阻于腦府脈絡(luò)，致脈絡(luò)不通而發(fā)病。因此中西醫(yī)在治療本病均以抗血栓形成、改善血液循環(huán)為主。疏血通注射屬于一種中成藥注射劑，其主要成分是水蛭、地龍，二者均屬于蟲類藥，具有搜剔脈絡(luò)、活血化瘀的功效，而疏血通注射液則具有活血化瘀、通經(jīng)活絡(luò)的作用，藥理作用則顯示本品具有較好的抗凝、降低血液粘稠度、改善腦部微循環(huán)、修復損傷神經(jīng)細胞等作用[4] 。綜上，采用疏血通注射液治療短暫性腦缺血發(fā)作效果理想，值得推廣。

4 敏感性分析

4.1 靈敏度分析方法

由于可靠性評估中所用數(shù)據(jù)的高度不確定性，因此進行了敏感性分析，以確定假定數(shù)據(jù)對風險評估結(jié)果的影響。此外，此方法還可用于識別系統(tǒng)中最弱和最關(guān)鍵的組件。然后可以提高這些關(guān)鍵組件的可靠性，以實現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)可靠性。這里使用兩種方法[9]。

降低風險價值(RRW)：組件i的RRW指數(shù)通過使組件完美(λi=0)，同時將其他組件的所有故障率均在其基值上反映。

大范圍方法：每個組件的可靠性數(shù)據(jù)又在很大范圍內(nèi)變化，以檢查每種類型的組件的可靠性對整體系統(tǒng)可靠性/不可靠性的影響。

4.2 靈敏度分析結(jié)果

由于篇幅所限，這里僅介紹架構(gòu)1和架構(gòu) 8的組件靈敏度分析，這是根據(jù)先前評估得出的分別具有最低和最高可靠性的體系結(jié)構(gòu)。如表1所示。

表1 架構(gòu)1和8每個組件的RRW值

這些結(jié)果突出顯示了對系統(tǒng)可靠性影響最大的組件。對于架構(gòu)1，通過提高站交換器的可靠性來實現(xiàn)最高的整體可靠性增強，這代表了通信路徑中的單點故障(RRW短波=1.83)。同時，就整個變電站自動化系統(tǒng)而言，站切換的故障將導致所有下游間隔單元的信息丟失。然而，對于相對可靠的架構(gòu)8，最初被認為是最不可靠的IED對整體可靠性的影響最大(RRWed=1.93)。因此，設(shè)備的重要性取決于其可靠性、系統(tǒng)中的位置和通信體系結(jié)構(gòu)。

架構(gòu)1和架構(gòu)8系統(tǒng)可靠性的變化，如圖4、圖5所示。

圖4 MTTF對架構(gòu)1系統(tǒng)的不可靠性影響

圖5 MTTF對架構(gòu)8系統(tǒng)的不可靠性影響

可以得出類似的結(jié)論：Arch1和Arch8分別對以太網(wǎng)交換機(SW)和IED最敏感。敏感組件的可靠性提高會導致系統(tǒng)可靠性的最大提高，而設(shè)備可靠性的下降則會明顯損害系統(tǒng)。雖然以太網(wǎng)媒體(EM)之類的設(shè)備具有很高的可靠性，但由于數(shù)量比其他組件要大，對這兩種體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性都具有很大的影響。

5 總結(jié)

針對不同的SCN體系結(jié)構(gòu)，當交換機的可用性相當高時，環(huán)形站總線是一種可靠且具有成本效益的拓撲。PRP的SCN體系結(jié)構(gòu)的使用是一種經(jīng)濟且被廣泛接受的解決方案，可滿足SAS中的可用性和性能要求。過程總線中的冗余大大提高了分布式功能的可靠性，但是，冗余一直被認為是一種昂貴的可靠性增強方法，因此僅應(yīng)對任務(wù)關(guān)鍵型組件實施。另外，維修在增強系統(tǒng)性能方面起著至關(guān)重要的作用，如果可以及時發(fā)現(xiàn)并修復有缺陷的組件，則系統(tǒng)的MTTF會大大增加。敏感性分析表明，每個組件對通信服務(wù)故障的影響取決于其位置，可靠性和數(shù)量。

上述方法有利于分析SCN架構(gòu)對基于IEC 61850的智能電站性能的影響。因此，可以實現(xiàn)優(yōu)化變電站SCN體系結(jié)構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。