基于IEC 61850智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性評(píng)估

徐毅, 袁保平, 朱學(xué)珍, 吳文濤, 夏軼煒, 程思

(國(guó)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(guò)程中，變電站是電力網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)，它由大量變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)控制，監(jiān)督和保護(hù)的開關(guān)設(shè)備和測(cè)量設(shè)備組成。變電站內(nèi)變電站通信的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)為SAS設(shè)計(jì)提供了廣泛的解決方案[1]。數(shù)字信號(hào)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(hù)系統(tǒng)帶來(lái)了重大改變，但也會(huì)造成整體系統(tǒng)可靠性不足。因此，盡管實(shí)施IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)不僅覆蓋保護(hù)設(shè)備，還覆蓋SAS內(nèi)部的通信系統(tǒng)。IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫冗余通信的應(yīng)用，可以促進(jìn)時(shí)間關(guān)鍵信號(hào)(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(dòng)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(dòng)態(tài)信息交換。通常，SAS是一種分層結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)層，即站控層、間隔層和過(guò)程層，它們通過(guò)兩條總線連接：站級(jí)總線和過(guò)程總線。本文將考慮兩條總線的拓?fù)浼軜?gòu)，以評(píng)估SAS系統(tǒng)的可靠性[4]。在可靠性和成本方面，對(duì)不同的站控層和間隔層通信系統(tǒng)的可能組合進(jìn)行了分析和評(píng)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(gè)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)中有十個(gè)間隔。對(duì)于星型架構(gòu)，中央站級(jí)交換機(jī)連接到所有間隔交換機(jī)，并進(jìn)一步連接到每個(gè)間隔中分配的智能電子設(shè)備(IED)。中央交換機(jī)成為整個(gè)SCN的單點(diǎn)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(guò)形成交換機(jī)環(huán)而提供了固有的通信冗余，沒(méi)有單點(diǎn)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(shí)間，它比傳統(tǒng)的生成樹協(xié)議(STP)更快，發(fā)生故障時(shí)的平均故障轉(zhuǎn)移時(shí)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(gè)以太網(wǎng)端口(運(yùn)行PRP，DANP的雙連接節(jié)點(diǎn))的IED連接到兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)這兩個(gè)局域網(wǎng)(LAN)同時(shí)發(fā)送重復(fù)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包LAN A和LAN B)。因此，如果一個(gè)數(shù)據(jù)幀無(wú)法到達(dá)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(wú)需任何重新配置時(shí)間，從而提供了無(wú)縫的冗余。

根據(jù)IEC實(shí)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(diǎn)(SAN)，因此，與PRP網(wǎng)絡(luò)的連接需要一個(gè)Redbox。文中，假設(shè)所有的保護(hù)和控制裝置都具有兩個(gè)并行通信端口[5]。因此，可靠性模型中未考慮Redbox，站點(diǎn)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(guò)程總線架構(gòu)

2.1 過(guò)程總線組成

對(duì)于SCN架構(gòu)，必須考慮間隔層和過(guò)程層的冗余，以消除所有單點(diǎn)故障。基于IEC 61850-9-2的過(guò)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(dāng)主要組件(CT/VT和斷路器)可靠時(shí)，在可靠性分析中可不考慮這些組件[6]。每套保護(hù)和控制設(shè)備的電源也被認(rèn)為是完全可靠的，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)由多個(gè)電源提供，包括AC，電池和不間斷電源(UPS)。

每個(gè)架構(gòu)都有專用的IED，它們執(zhí)行控制和保護(hù)功能。一個(gè)MU(合并單元)處理并提供一個(gè)保護(hù)和控制單元所需的所有信息。IEC兼容的IED應(yīng)該有一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘作為時(shí)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(fù)的外部時(shí)間源(TS)，以符合IEEE 1588的要求，從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確地系統(tǒng)級(jí)時(shí)間同步。

由于通信在過(guò)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(jī)的可靠性。以太網(wǎng)交換機(jī)(ESW)是連接以太網(wǎng)接口的活動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)，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(guò)程總線架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 兩種可能的過(guò)程總線架構(gòu)

間隔保護(hù)單元(BPU)在兩種體系結(jié)構(gòu)中均已實(shí)現(xiàn)冗余。與備份保護(hù)相比，冗余Main2保護(hù)還提供了更快的響應(yīng)時(shí)間。因此，當(dāng)Main1保護(hù)功能無(wú)法正常工作時(shí)，可以防止整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)誤操作。與第一過(guò)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(guò)復(fù)制過(guò)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(diǎn)(DANP)，因此可以通過(guò)不同的間隔連接到單個(gè)局域網(wǎng)(LAN A，不帶虛線部分)或兩個(gè)獨(dú)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(duì)過(guò)程總線體系結(jié)構(gòu)的影響，不包括不同拓?fù)涞钠渌赡芙鉀Q方案。

3 系統(tǒng)可靠性評(píng)估

3.1 可靠性評(píng)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(hù)程序，才能開始可靠性評(píng)估。在可修復(fù)的系統(tǒng)中，可以通過(guò)自檢或手動(dòng)測(cè)試程序來(lái)檢測(cè)電子組件中的故障[7]。然后可以修復(fù)有問(wèn)題的組件或?qū)⑵涮鎿Q。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)所有故障設(shè)備，將影響整個(gè)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(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)可以看作是串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜組合。對(duì)于不可修復(fù)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(wú)限的，這意味著一旦組件進(jìn)入故障狀態(tài)，就永遠(yuǎn)無(wú)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(fù)率時(shí)，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(guò)進(jìn)行等效過(guò)渡率的概念以計(jì)算組合系統(tǒng)的等效修復(fù)/故障率。平均故障時(shí)間(MTTF)，平均維修時(shí)間(MTTR)以及整個(gè)系統(tǒng)的可用性。

3.2 組件可靠性數(shù)據(jù)

為了客觀地評(píng)估不同的SAS架構(gòu)，需要就組件的可靠性參數(shù)達(dá)成一致。變電站中使用的所有元件的平均故障時(shí)間(MTTF)和平均維修時(shí)間(MTTR)值及其相對(duì)成本均可提供[8]。間隔IED和外部時(shí)間源(TS)被認(rèn)為是相對(duì)不穩(wěn)定的設(shè)備，此外，GPS時(shí)間參考信號(hào)很容易出現(xiàn)故障，阻塞或干擾。以太網(wǎng)交換機(jī)(SW)的可靠性指標(biāo)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(jī)比星形架構(gòu)的站交換機(jī)更可靠，而星形架構(gòu)的站交換機(jī)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(zhǎng)度)。此外，所有故障設(shè)備都可以在24小時(shí)內(nèi)檢測(cè)到并修復(fù)或更換，組件的相對(duì)成本只能粗略估算，因?yàn)閷?shí)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(guò)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：?jiǎn)涡切握竞蛦芜^(guò)程總線

架構(gòu)2：?jiǎn)苇h(huán)站總線和單過(guò)程總線

架構(gòu)3：雙星站總線和單過(guò)程總線

架構(gòu)4：雙環(huán)站總線和單過(guò)程總線

架構(gòu)5：?jiǎn)涡钦究偩€和雙重過(guò)程總線

架構(gòu)6：?jiǎn)苇h(huán)站總線和雙重過(guò)程總線

架構(gòu)7：雙星站總線和雙重過(guò)程總線

架構(gòu)8：雙環(huán)站總線和雙重過(guò)程總線

其中，前四個(gè)SAS體系結(jié)構(gòu)在間隔通信網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)冗余，而在后四個(gè)體系中實(shí)現(xiàn)冗余。此外，從站總線到過(guò)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(diǎn)故障。

短暫性腦缺血發(fā)作病情雖較輕，短時(shí)間內(nèi)病情緩解，但如反復(fù)發(fā)作常可誘發(fā)卒中，其發(fā)病機(jī)制主要是微血栓形成和動(dòng)脈粥樣硬化。依據(jù)其特點(diǎn)，可將其歸屬于中醫(yī)學(xué)“中風(fēng)”范疇，其病機(jī)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(fù)損傷神經(jīng)細(xì)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(píng)估中所用數(shù)據(jù)的高度不確定性，因此進(jìn)行了敏感性分析，以確定假定數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的影響。此外，此方法還可用于識(shí)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)價(jià)值(RRW)：組件i的RRW指數(shù)通過(guò)使組件完美(λi=0)，同時(shí)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(gè)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(duì)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(píng)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(gè)組件的RRW值

這些結(jié)果突出顯示了對(duì)系統(tǒng)可靠性影響最大的組件。對(duì)于架構(gòu)1，通過(guò)提高站交換器的可靠性來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的整體可靠性增強(qiáng)，這代表了通信路徑中的單點(diǎn)故障(RRW短波=1.83)。同時(shí)，就整個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)而言，站切換的故障將導(dǎo)致所有下游間隔單元的信息丟失。然而，對(duì)于相對(duì)可靠的架構(gòu)8，最初被認(rèn)為是最不可靠的IED對(duì)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(duì)架構(gòu)1系統(tǒng)的不可靠性影響

圖5 MTTF對(duì)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(duì)以太網(wǎng)交換機(jī)(SW)和IED最敏感。敏感組件的可靠性提高會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性的最大提高，而設(shè)備可靠性的下降則會(huì)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(duì)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(duì)不同的SCN體系結(jié)構(gòu)，當(dāng)交換機(jī)的可用性相當(dāng)高時(shí)，環(huán)形站總線是一種可靠且具有成本效益的拓?fù)洹RP的SCN體系結(jié)構(gòu)的使用是一種經(jīng)濟(jì)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(guò)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(rèn)為是一種昂貴的可靠性增強(qiáng)方法，因此僅應(yīng)對(duì)任務(wù)關(guān)鍵型組件實(shí)施。另外，維修在增強(qiáng)系統(tǒng)性能方面起著至關(guān)重要的作用，如果可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)有缺陷的組件，則系統(tǒng)的MTTF會(huì)大大增加。敏感性分析表明，每個(gè)組件對(duì)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(duì)基于IEC 61850的智能電站性能的影響。因此，可以實(shí)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。