數字化變電站冗余體系結構的改進及其可靠性和經濟性評估

摘要：該文對數字變電站常見的余度構成進行了研究，給出了兩種不同的改造方式：集中備份和交錯備份，并全面對比了不同配置方式的可靠性與經濟性。分析結果顯示，這兩種改良方法均比現有的幾個經典方法更為合理有效，具有重大應用價值；而二次結構的防護體系，由于其可靠性較高，不需要對單個單元的防護進行多余的網絡配置。

關鍵詞：數字化變電站；冗余體系結構；可靠性；經濟性評估

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.027

中圖分類號：TM 63；TM 76 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）10-00-03

Improvement of Redundant Architecture for Digital Substation and Its Reliability and Economic Evaluation

Abstract： This article studies the common redundancy components of digital substations and provides two different retrofitting methods： centralized backup and interleaved backup， and comprehensively compares the reliability and economy of different configuration methods. The analysis results show that both of these improved methods are more reasonable and effective than several existing classical methods， and have significant application value; The secondary structure protection system， due to its high reliability， does not require additional network configuration for individual unit protection.

Keywords： digital substation; redundant architecture; reliability; economic evaluation

1 數字化變電站典型冗余結構

隨著新型互感器、IEC61850標準、網絡通信技術和智能開關技術的不斷成熟，使得數字變電站技術逐漸發展為一個全新的技術開發平臺。在電力系統中，監控、遙控和繼電保護的可靠性、實時性和經濟性都得到了很大的提升。隨著電力系統技術水平的不斷提高，電力系統的智能化程度越來越高。當前，如何實現高可靠性和高經濟性的電力系統的架構，是電力系統中可靠性研究的重點和難點。本文對目前廣泛使用的兩種余度系統構型、雙環網構型進行了分析和對比，在此基礎上，給出了集中儲備型和交錯儲備型兩種改進方法，并分別就實時性、經濟性進行了分析與對比。采用故障樹分解法對二者進行了可靠度的定量研究。

一套完善的自動化變電站設備，其自動化元件、執行元件是必不可少的，且其數據交換對高速、高可靠等提出了更高的要求。當前，隨著電力電子設備應用電網的供電水平不斷提高，對電網運行的可靠性提出了更高的需求，加之二次防護技術在電網中的廣泛使用，使得傳統的將以太網開關為基礎的單一通信網絡中的冗余法已經很難達到預期的效果。因此，在變電站的通信備份化設計中，采用雙重通信網路的備份法比較普遍。雙環網的冗余架構能夠在雙重故障或多個故障下保持正常通信，且網絡結構簡潔，是目前在數字化變電站中應用最廣泛的一種雙層網絡冗余架構。該雙環網由兩條相互分離的環路組成。與用戶界面或入口相連的開關位于變電站級，是環形內部的主要開關?？梢酝ㄟ^該入口與控制中心或其他變電站進行通信。與各自區間相關聯的區間開關在區間層中，當某一區間的IED之間有必要進行通信時，可以在區間中添加對應的開關，如果沒有必要，該區間中的IED可以直接連接到區間開關。雙環網具有網絡簡化、高可靠的特點，是在控制層與隔層間使用比較頻繁的網絡形式。

2 改進的冗余結構

雖然雙環網冗余結構擁有上述優點，但其所需交換機數目較多。因為每個交換機都有自己本身固有延時（約100郵），當報文傳送到交換機的數量越來越多時，就會產生大量的網絡延時，同時，隨著交換機數量的增加，系統的投入也會越來越大。筆者針對雙環網的特點，給出了兩種不同的設計方法，即雙環網的中心備份和雙環交叉分支備份。

2.1 雙環網集中備份改進模式

在雙環網架構下，沒有專門的備份開關，而只有一個中央備份開關在同一時間內進行多個時間的備份開關。從圖1可以看出，設置的區間1和區間2，區間3和區間4共享一個中央后備開關。這種集中備用方式能有效地降低環路中開關數量。IEC61850雙網通信方式存在著許多可能的解決方法（雙網雙工、雙網熱備份、網絡層冷備份等），指出IEC61850雙網熱備份以其高可靠、實時性和互用性等優點，已經被廣泛應用于數字化變電站。因此，在對雙環網進行集中備份改造時，也應用了這種方法。在這種情況下，中心備份開關所在的環形網絡為“熱備份”模式，僅接收各種類型的數據包，不做任何的轉發。環形雙環形網絡中心備份的技術方案為：在工作鏈路上，按照標準化的生成樹序列（如RSTP、快速生成樹、IEEE802.1W等），將工作環路上的開關兩個接口設置為前向狀態和阻止狀態。環網中主交換機循環發送一幀檢測報文。一旦檢測到發生故障，立刻將交換機阻塞端口切換成轉發端口，并告知其他交換機改變轉發路徑，實現網絡冗余。在這個時候，主機開關還是會繼續繼續循環地傳送偵測消息。更換連接后，故障仍未得到解決，表明在工作環路上有兩個以上的連接失效，或者是一個時間間隔開關發生了失效，而在失效開關所在的時間區間，無法通過切換該傳輸堵塞端口將消息傳送到控制中心，因此必須開啟一個熱備份回路。此時集中備用交換機端口迅速切換到轉發狀態，并發送報文通知其他交換機完成相應切換。

2.2 雙環網交叉備份改進

在雙環網架構中，區間1的工作開關被用作區間2的待機開關，相反區間2的工作開關也被用作區間1的待機開關。區間3和區間4也一樣，以便對開關進行交叉備份。也可以減少對開關數量的要求。在圖3中可以看到，環路中的區間開關既要充當當前區間的工作開關，又要充當其他區間的備份開關，兩者都要處于正常工作狀態。由于無法采用集中式備份模式的方式，僅采用一條環形網鏈路作為熱備份鏈路，所以必須采用雙網雙工的方式。在這種方式下，IED的2個網絡端口分別被賦予了不同的MAC/IP位址，并同時將同一消息傳送到工作開關和備份開關。當鏈路或開關發生故障時，無須進行任何的接口轉換和重新配置，即可保證數據包的高效傳送。當然，這樣的通信方式由于報文的多次傳輸勢必會在區間上增大IED的負荷。當發生故障時，可以避免將報文發送到失效鏈路或失效的開關上，從而減輕了IED的負荷。需要指出，工作開關與備份開關應處于兩個獨立的環路中，不然單環網絡中的數據會反復傳送，既會加重系統的負荷，又無法實現冗余性[1]。

3 實時性分析

雙環網的熱備份方式具有其內在的缺點，即處于熱備份狀態的開關從僅接收消息轉換為發送消息時無法實現0時刻切換，具有切換延遲。正如前文所述，開關自身具有自身的延遲（大約100 ms）。在環網中，切換延遲和本征延遲均隨著網絡中開關個數的增多而積累。另外，若備份架構中使用的開關數目過多，則在備份切換時，會向其他開關傳遞信息，亦會對網路造成影響。通過對雙環網的優化，可以有效地減小環路中開關數量，減小開關的積累時間和內在延遲，同時減小開關數據對網絡的沖擊（在交叉儲備改善方式下，雙網雙工的傳輸不會受到延時和網絡震蕩的干擾）。因此，該方法在實時性上優于一般的雙環網。

4 經濟性比較

在雙環網中，采用集中式備份和交錯備份兩種方式，這兩種方式都使得中間層交換設備所承載的業務量增大，同時對交換設備的性能也提出了更高的要求。ZYJ.860 F系列智能化以太網絡開關在行業中表現出良好的運行效率（環路自動恢復、動態環路技術）、高可靠度（抗沖擊、抗電磁干擾）、高性價比，是目前最理想的解決方案。文中以該開關為實例，比較了每種類型的冗余度結構的經濟性能。由于開關的重要程度及所承載的信息流的大小有差異，因此有相應的埠數量及埠模式。作為一個4區間的電力變壓器系統實例，針對雙環網結構的集中備用改進和交叉備用改進分別比普通雙環網結構投資減少4.8萬元和6.8萬元，減少比重為25％和35.5％，文中所述的兩種改造方式在經濟性方面優勢都較為顯著，而且該優點會隨著變電站的規模增加而越來越大[2]。

5 可靠性評估

筆者從時間和經濟兩方面對兩種常用的雙環網架構以及兩種不同的改造方式進行了比較，結果表明，這種新的雙環網比現有的方法更具優勢。但是改造后的系統能否達到變電站自動化的需求，仍有待于量化評估。

5.1 故障樹分析法簡介

以一個變電站為例子，假定這個變電站有30臺主要保護設備，30臺備份保護設備，通過Ethernet連接到變電站自動化系統中，幾臺交換機，一臺服務器，為用戶提供人機界面，并設置一臺路由器。按照制造商給出的元器件損壞程度進行分類。根據失效樹的原理，通過對其進行邏輯操作，可以得到整個系統的失效有效性。針對以上不同的電力系統，構建故障樹的故障模型。在主保護中，如果發生保護設備的內在故障，或者是由于保護設備與交換機的界面發生故障，就會失去正常的工作狀態。

5.2 故障樹分析法簡介

在一個交叉儲備改善模型中，其有效度分別為96.473%和99.9035%。利用相同的方法，可以得到不同的網絡冗余結構的有效性。受篇幅所限，我就不一一贅述了。在表2中給出了有效性的計算結果。在雙環網的中心備份方案中，采用兩個區間共用一臺中央備份開關的方案。表2中的資料顯示，三種不同的網路架構均具備較高之可靠度，但在網路架構上進行改良后，其系統之可靠度并無顯著降低。實際上，無論采用中央備份或交叉備份，都不會影響雙環網的冗余架構，也不會顯著地降低系統的可靠度，而且在環路中僅使用少量開關，可以減小開關失效的幾率，從而略微提升系統的可靠性。但是由于采用了失效樹方法對其可靠性進行了研究，沒有將其作為一個整體來進行，忽略了其在整個體系中的重要作用。但在此基礎上，本文提出了一種新的方法，即在兩層環形網絡中，區間開關只需同時進行一次或多次的數據包傳輸，其重要度要高于一般雙層環形網絡。在進行體系可靠度計算時，這一點是不可忽略的。

在單次防護中引入了冗余后，整個系統（特別是母線）的可靠性得到了顯著的提升，且以集中備份和特殊備份兩種方式最為可靠，但與一般的專用備份相比，后者的投入要低33.5萬元。就可靠度而言，交叉儲備比專門儲備稍差一些，但是其總的總投資額要少于305 000美元。所以，從可靠性與經濟性兩方面來看，采用單一保護時，應采用集中備份或交叉備份。在二次防護中使用了多余的結構，雖然投入分別增加了540 000元、150 000元、260 000元，但是在線路和母線保護的可用率上，幾乎沒有增加多少，說明經過二次化的配置以后系統已經是非?？煽康?，不需要為每個單一保護的網絡結構做多余的布置[3]。

6 結束語

本文從經濟性、可靠性等方面對數字化變電站冗余系統接口進行了改進。模擬結果表明，該方案優于傳統雙環網結構，具有較強的市場競爭力，可供數字化變電站的總體架構設計參考。本文的研究結果表明，集中備份與交叉備份方式優于傳統專用備份方式，為數字化變電站架構設計提供參考。變電站自動化系統的發展經歷了架構逐步改變、原有功能不斷優化重組、新功能不斷涌現的過程。因此，如何設計一種實時性、可靠性、經濟性、可擴展性好的系統架構，以適應未來數字化變電站的發展需求，是一個亟待解決的問題。

參考文獻

[1] 朱林，陳金富，段獻忠．數字化變電站冗余體系結構的改進及其可靠性和經濟性評估[J]．電工技術學報，2009，24（10）：147-151．

[2] 張穎，曾翔，文明，等．數字化變電站通信冗余實施方案的改進及可靠性分析[J]．電力系統保護與控制，2012，40（5）：124-128．

[3] 曾翔．數字化變電站通信冗余改進方案的研究[D]．長沙：長沙理工大學，2012．