網絡化繼電保護的可靠性評估模型

張延旭

摘 要：網絡化保護缺少有效的網絡化保護可靠性評估模型，致使網絡化保護的可靠性評估和提升缺乏理論依據。本文建立了虛擬連接的可靠性模型，為網絡化繼電保護分析提供了有效方法。

關鍵詞：網絡化；繼電保護；可靠性

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A

0.引言

網絡的引入引發了眾多關于繼電保護新原理和架構體系的探討與研究，以提高繼電保護的性能和電力系統的穩定性。然而網絡化保護缺少有效的網絡化保護可靠性評估模型，致使網絡化保護的可靠性評估和提升缺乏理論依據。本文建立了虛擬連接的可靠性模型，為網絡化繼電保護分析提供了有效方法。

1.虛擬連接失效的故障樹模型

對于虛擬連接而言，可能引起保護失效的因素主要包括：（1）跳閘GOOSE報文誤碼（GBER）；（2）報文丟包（LS），分為GOOSE報文丟包（GLS），SV報文丟包（SLS）和PTP報文丟包（PLS）；（3）虛擬連接斷線（LB），包括GOOSE報文對應的虛擬連接斷線（GLB），SV報文連接斷線（SLB）以及PTP報文連接斷線（PLB）；（4）報文在網絡中的傳輸延時超過規定的范圍（DE），具體可分為GOOSE報文延時過大（GDE），SV（SDE）報文延時過大和PTP報文延時過大（PDE）。

根據繼電保護誤動和拒動與上述各因素的關系，可構建虛擬連接存在誤動和拒動因素的故障樹模型，如圖1和圖2所示。

2.誤碼失效率模型

如果GOOSE的誤碼恰好發生在表示跳閘信息的那一位，則既可能引起繼電保護誤動，也可能引起拒動，兩者概率相等。假設某GOOSE虛擬連接所映射的物理鏈路共有w個實體設備，其誤碼率均為BER，若該GOOSE報文的長度為L，則由該虛擬連接誤碼引發誤動或拒動的失效率為則誤碼引發的誤動和拒動的失效率均為?λGBER。

3.丟包失效率模型

丟包對誤動和拒動產生影響的原因不同。對于采用差動保護原理的保護而言，若由于SV報文的丟包導致差動的計算結果超過了動作值，則會引起誤動。若SV的丟包過多使得保護裝置根本無法判斷是否發生故障，則可能會引起保護的拒動，可以認為SV丟包引發誤動和拒動的概率各占50%。跳閘GOOSE報文的丟包會引發繼電保護的拒動。PTP報文的丟包會引起時鐘之間的同步精度，一般幾幀報文的丟失對同步精度影響不大，但若發生持續大量的PTP報文丟包，則時鐘失步嚴重，在恰當的時鐘偏差值下，均有可能引發誤動和拒動，可以認為時鐘失步引發誤動和拒動的概率各占50%。

丟包主要在交換機中發生，對于某一確定的交換設備而言，其丟包率與交換機負載成負指數關系。而網絡化保護系統中交換機的負載具有一定的確定性，主要體現為在網絡正常工作的情況下，SV報文和PTP報文的負載確定，GOOSE報文的負載有一個確定的上界。因此，可以根據虛擬連接與實體設備之間的映射關系計算出某臺交換機的負載上界，進而確定交換機的丟包率。對于網絡發生如廣播風暴，擁塞等故障的情況，由于其丟包情況比較極端，因此將這一類丟包歸于引發虛擬連接斷線的原因。

對于不同報文而言，由于其重要度不同而被賦予了不同的優先級，若SV報文和GOOSE報文共有p路，優先級均為y1，而PTP報文有q路，優先級均為y2，則可利用加權的方法來近似計算不同報文的丟包率。假設由n幀SV報文i丟包可以引發繼電保護的拒動或誤動，則SV報文的丟包失效率λSLS可近似地利用下式進行計算。

式中，li為SV報文的負載流量，Lk為報文經過的第k臺交換機的總負載，K為常數系數，m表示SV報文i的虛擬連接所映射的物理鏈路共有m臺交換機。λPLS和λGLS也可以利用類似的方法進行計算。SV報文和PTP報文丟包引發的誤動或拒動的失效率分別為?λSLS和?λPLS。

4.虛擬連接斷線失效率模型

虛擬連接發生斷線使繼電保護發生拒動的原因與丟包類似，而使繼電保護發生誤動的原因主要是PTP連線斷線引發的時鐘失步。虛擬連接斷線失效率與其所映射的實體設備的故障率相關。一個簡單的MU到保護IED的某SV報文的虛擬連接所映射的物理鏈路如圖3所示。

其中，FB和SW分別代表光纖和交換機?？梢?，該SV報文虛擬連接的斷線失效率λSLB可依據其所映射的物理設備的故障率求得，如式（3）。

5.報文延時過大失效率模型

IEC61850-5對各類報文的最大網絡傳輸延時做了規定，報文傳輸延時超過規定范圍所引發繼電保護拒動和誤動的原因與虛擬連接斷線類似。

報文在交換機中的駐留時間在報文傳輸總延時中占了絕大部分，其他延時占總延時的份額較少且相對固定。由于交換機的排隊延時與網絡的實時負載密切關聯，因此交換機駐留時間具有波動性。若某臺交換機同屬于q路GOOSE報文的虛擬連接所映射的物理鏈路，則在網絡正常工作的情況下，該交換機可能的最大負載（最長排隊延時）是在該q路報文均突發的情況下產生的。而廣播風暴等網絡故障被歸為虛擬連接斷線，因此，此時的報文延時過大失效率為0。

若在大方式下，有報文的延時已經超過了規定的范圍，則報文延時過大失效率與GOOSE報文的突發概率相關?？紤]到排隊延時與負載基本上成正比關系，假設每一種GOOSE突發的概率（相對好統計一點）均為λpri，其發生后均會增加d個單位的排隊延時，則對于SV報文而言，其報文延時過大失效率λSDE為

其中，T表示所規定的SV報文的最大傳輸延時，E表示SV報文虛擬連接所映射的物理鏈路上除排隊延時外相對固定的部分，m為該鏈路上交換機的臺數。λGDE和λPDE的計算方法類似。

結論

本文構建了虛擬連接的可靠性模型，該模型能夠為網絡化繼電保護的可靠性研究提供建模和評估手段，有利于提升網絡化繼電保護系統的可靠性。

參考文獻

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