220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究

摘要：智能變電站是城市電力系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可靠性的要求比較高。為此，結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)探討220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，從多方面提出了一些切實(shí)有效的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：智能變電站；自動(dòng)化系統(tǒng)；基本思路

作者簡(jiǎn)介：李國(guó)（1978-），男，廣東深圳人，深圳市華力特電氣股份有限公司，工程師。（廣東 深圳 518000）

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）27-0218-02

智能變電站是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，其采用了先進(jìn)、可靠的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化等為基本要求，自動(dòng)完成信息的收集、保護(hù)和檢測(cè)等基本功能，在保證城市供電安全性和促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)通信是影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及功能發(fā)揮的最重要因素，若電力工作者沒(méi)有做好自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性分析工作，就很可能影響到220kV智能變電站的正常運(yùn)作，并阻礙到城市電力系統(tǒng)的健康發(fā)展。因此，本文從多方面分析了自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的影響，以期提高自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

一、220kV智能變電站中自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性分析

1.220kV智能變電站中自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性的分析思路

自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性主要是指系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，能夠滿足用電客戶正常通信的需求能力。對(duì)智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其基本的分析思路主要是：通過(guò)平均故障的時(shí)間（MTTF）以及平均無(wú)故障的時(shí)間（MTBF）等參數(shù)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)基本元素可靠性進(jìn)行評(píng)估，與此同時(shí)，采用功能比較全面或具備降級(jí)等功能的可靠度R（t）、可用度A和效能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析和評(píng)估，并根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估。[1]

2.220kV智能變電站的智能組件及其可靠度、可用度模型分析

智能變電站的智能組件主要是電子器件，其組件較為典型，屬于故障率的曲線。且故障率會(huì)隨著時(shí)間變化而變化，當(dāng)故障率是常數(shù)時(shí)，其正常的壽命期在Ⅱ區(qū)內(nèi)；故障率在Ⅰ、Ⅲ區(qū)時(shí)較高，主要是因?yàn)樵O(shè)備投入生產(chǎn)并且逐漸老化。

二、優(yōu)化220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性的策略分析

1.提升220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中智能組件的可靠性

由于節(jié)點(diǎn)以及鏈路的失效，降低了自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性，且節(jié)點(diǎn)的失效影響相比鏈路更大。要提升自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，最為直接、有效的辦法主要是減少智能組件的失效性，提升其可靠性。智能組件是電子設(shè)備中的一種，其可靠性受電子元件可靠性以及電路的結(jié)構(gòu)、制造的工藝、操作的方法以及使用的環(huán)境等方面的影響。

2.網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及冗余的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)智能組件的可靠性要求高，除此之外，還必須要有先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)層次。具備高可靠性以及先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，并且利用和設(shè)計(jì)合理，才能充分利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高可靠性以及高性能，將自動(dòng)化系統(tǒng)高可靠性發(fā)揮至極限。將冗余技術(shù)利用到自動(dòng)化系統(tǒng)中，不僅會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜程度，還會(huì)增加成本，而且系統(tǒng)的可靠性與其自身冗余與否無(wú)正比關(guān)系，因此利用冗余技術(shù)時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行定量與定性的分析。

220kV智能變電站在實(shí)施設(shè)計(jì)方案時(shí)，采用的主要是通過(guò)功能冗余以及網(wǎng)絡(luò)方式來(lái)確保系統(tǒng)可靠性，例如在220kV及其以上電壓系統(tǒng)中采用互感器、交換機(jī)、保護(hù)裝置、合并的單元以及智能終端等兩套智能的組件，且冗余網(wǎng)絡(luò)裝置中利用雙以太網(wǎng)以及雙網(wǎng)絡(luò)裝置等。網(wǎng)絡(luò)中，一般采用的是冗余的配置，其目的是提升通信可靠性。

（1）采用網(wǎng)絡(luò)環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)圖1中三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——總線型、環(huán)型結(jié)構(gòu)以及星型結(jié)構(gòu)的框圖，并計(jì)算出各自的可用度，對(duì)其可用度進(jìn)行分析，尋找出能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表1所示的是三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇捎枚冉Y(jié)果。可以看出，總線型以及星型的可靠性明顯低于環(huán)型網(wǎng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。但必須注意的是，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)時(shí)還應(yīng)控制好建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的成本問(wèn)題。

表1 三種不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可用度

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MTTF/a可用度

總線型7.500.99987824

單環(huán)型13.930.99995129

單星型13.640.99993303

既要保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，又要節(jié)約建設(shè)的成本，最直接的辦法就是核心網(wǎng)中應(yīng)用環(huán)型結(jié)構(gòu)，并將星型的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于接入網(wǎng)中，形成復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交換機(jī)個(gè)數(shù)以及鏈路的長(zhǎng)度決定了環(huán)型網(wǎng)絡(luò)可靠性，因此環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中RSTP作為備用鏈接，并且通過(guò)間隔層、站控層等設(shè)備與其他的IED及信息的交互，找到最短的路徑。但是220kV智能變電站部分功能實(shí)時(shí)性要求高，因此環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的最短路徑應(yīng)符合節(jié)點(diǎn)以及延時(shí)等方面的要求。

（2）冗余技術(shù)具體分析。

1）系統(tǒng)與元件的冗余。目前，220kV智能變電站中網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要采用的是雙星型的拓?fù)淙哂嘟Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是自動(dòng)化系統(tǒng)的冗余方式，而元件的冗余如圖2所示。參照可靠性框圖的分析方法計(jì)算出MTTF以及A的取值，并與220kV線路的間隔系統(tǒng)中冗余的可用度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果證明，與系統(tǒng)冗余的可靠度相比元件的冗余更高。

2）并聯(lián)冗余技術(shù)。自動(dòng)化系統(tǒng)中首個(gè)冗余單元早獲取得到的可靠度最大，冗余單元增加到第五個(gè)時(shí)系統(tǒng)無(wú)故障工作的時(shí)間智能增加20%，采用并聯(lián)的冗余技術(shù)能夠?qū)⑾到y(tǒng)無(wú)故障的工作時(shí)間提升50%。

3）冗余技術(shù)可分為工作以及非工作的冗余，其中工作冗余主要是在系統(tǒng)中任一單元失效時(shí)能夠自行完成，且無(wú)需借助外部單元的檢測(cè)或判斷等。在220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，需具備持續(xù)工作的系統(tǒng)，因此可以將工作冗余應(yīng)用到系統(tǒng)中，提升其工作的效率。

4）在對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用模塊化結(jié)構(gòu)及熱播、熱插功能等設(shè)備。這樣，不僅能夠提升組網(wǎng)方式的靈活性，還能在正常供電的基礎(chǔ)上更換有故障的模塊，從而延長(zhǎng)計(jì)算機(jī)工作的時(shí)間，提升其工作能力，提高自動(dòng)化系統(tǒng)容錯(cuò)的能力。

5）為提升自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)盡可能把冗余的方法應(yīng)用于系統(tǒng)中薄弱或關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

6）自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，如服務(wù)器等一部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)技術(shù)的性能要求較高，成本高，因此尋找既能提升系統(tǒng)的可靠性又能節(jié)約成本的冗余技術(shù)是其關(guān)鍵。通過(guò)元件冗余技術(shù)優(yōu)化220kV智能變電站智能組件，能夠?qū)崿F(xiàn)其要求。

（3）優(yōu)化冗余以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體方案。將環(huán)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用到核心網(wǎng)中，且接入網(wǎng)主要應(yīng)用星型的結(jié)構(gòu)，以此組合而成的復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行元件的冗余，不僅能夠提升拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠度，還能提升自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠度。其中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性的框圖如圖3所示，雙星型的拓?fù)淙哂嗫驁D如圖4所示。

采用可靠性框圖的分析方法可以得出MTTF以及A的值，并且優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提升系統(tǒng)的可靠度。但必須注意的是，單純提升子系統(tǒng)的可靠度無(wú)法達(dá)到優(yōu)化的目的。[2]

3.220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中流量的控制和管理

過(guò)程層的網(wǎng)絡(luò)主要是將SV、IEEE1588時(shí)鐘以及GOOSE等數(shù)據(jù)進(jìn)行同步傳輸，要降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，提升其效率，就必須過(guò)濾這些組播的數(shù)據(jù)，并且對(duì)其進(jìn)行管理。目前，智能變電站中用來(lái)過(guò)濾及管理組播的方式主要是GMRP以及VLAN，兩種方式亦可以同時(shí)進(jìn)行，其方法主要是在VLAN內(nèi)部中采用GMRP過(guò)濾組播，并且根據(jù)智能變電站各個(gè)裝置優(yōu)化傳輸?shù)男诺溃_(dá)到網(wǎng)絡(luò)延遲和負(fù)載的目的。

由于攻擊或病毒致使廣播風(fēng)暴出現(xiàn)時(shí)可以利用端口的流量對(duì)其進(jìn)行控制和管理，而避免回路造成廣播風(fēng)暴，可以采用能夠完全和RSTP/STP兼容的環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)。與此同時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)中交換機(jī)頻繁出現(xiàn)通斷現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)其并發(fā)訪問(wèn)，訪問(wèn)的過(guò)程中要確保數(shù)據(jù)的同一性、完整性。

4.提升網(wǎng)絡(luò)故障的診斷力度，加強(qiáng)自動(dòng)化智能分析和預(yù)警

在220kV智能變電站網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置在線故障的診斷系統(tǒng)，并且采用故障分析的模型對(duì)MMS、GOOSE通信的異常或錯(cuò)誤以及SV等進(jìn)行診斷。工作人員將診斷出來(lái)的故障內(nèi)容和后臺(tái)監(jiān)控的時(shí)間做比對(duì)，找出自動(dòng)化系統(tǒng)中存在的隱患以及發(fā)生故障的原因，并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理。

5.保障220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境

智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中常受到強(qiáng)電磁的干擾，要提升二次設(shè)備可靠性，必須減少惡劣環(huán)境對(duì)其的影響。在220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，通過(guò)提升智能組件本身抗干擾的能力，還應(yīng)采取有效的措施解決惡劣環(huán)境對(duì)智能組件的影響。智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通信占據(jù)了重要位置，因此，通過(guò)將信息的加密技術(shù)以及防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)應(yīng)用到智能變電站中，以此加強(qiáng)變電站智能組件的網(wǎng)絡(luò)安全，才能確保220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了探討，在優(yōu)化智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，電力工作人員在衡量指標(biāo)時(shí)要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、安全性、可擴(kuò)展性以及實(shí)時(shí)性等方面來(lái)展開，綜合評(píng)估智能變電站中自動(dòng)化的系統(tǒng)。電力工作人員還必須分析自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響因素，制定切實(shí)可行的方案和改進(jìn)的措施，進(jìn)一步促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行的安全、可靠，加快電網(wǎng)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]余洋.余春收.智能化變電站的自動(dòng)化可靠性分析[J].科技與企業(yè)，2012，（23）.

[2]胡長(zhǎng)金.智能變電站自動(dòng)化可靠性研究[J].電氣應(yīng)用，2011，（17）.