唐志軍，翟博龍，晁武杰，林國棟，江信海

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福建福州 350007；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司，福建福州 350003）

智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評估與分析研究

唐志軍1，翟博龍1，晁武杰1，林國棟1，江信海2

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福建福州 350007；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司，福建福州 350003）

智能變電站二次系統(tǒng)是信息化時代的新型產(chǎn)物，通過與傳統(tǒng)電力管理中的繼電保護、自動安裝裝置以及智能化通信手段結(jié)合，保證基礎(chǔ)電力管理智能化、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息模型標準化的實施[1]。目前，隨著電力系統(tǒng)工作量日漸增加，二次系統(tǒng)運行問題也日漸突出，研究智能變電站二次系統(tǒng)，提高其可靠性已成為目前國際上關(guān)于智能變電站研究的重點和難點。

現(xiàn)今，關(guān)于智能變電站二次系統(tǒng)可靠性研究報道較多，文獻[2-3]提出利用故障樹方式進行分析，并通過計算獲得了通信系統(tǒng)的可用率及失效度；文獻[4]則采用數(shù)字化繼電保護系統(tǒng)，通過可靠性框圖，研究了不同冗余條件的可靠性問題；文獻[5]則基于IEC 61850-9-2后系統(tǒng)的可靠性，獲得了系統(tǒng)可靠性與智能電子設(shè)備的正比例關(guān)系；文獻[6]則基于智能變電站二次系統(tǒng)的通信鏈路作為支路、以智能設(shè)備作為節(jié)點，利用通信鏈路傳輸數(shù)據(jù)的可靠性模型，基于層次分析法，研究智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，該結(jié)果具有一定的實用性和合理性。然而這些可靠性評估并不全面，且沒有考慮元器件的失效性。但在實際運行中，智能變電站二次系統(tǒng)的器件失效問題是無法避免的。本文主要結(jié)合失效模型，利用評估指標系統(tǒng)期望功能失效量、功能穩(wěn)態(tài)不可用率和失效概率，并利用非序貫蒙特卡羅方法，通過仿真分析，評估智能變電站二次系統(tǒng)可靠性。與已有研究相比，本文創(chuàng)新點在于綜合考慮了器件失效狀態(tài)，并基于評估指標系統(tǒng)和非序貫蒙特卡羅法進行分析。

1 智能變電站二次系統(tǒng)

隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能變電站也得到了高速發(fā)展。智能變電站以IEC 61850標準為基礎(chǔ)進行劃分，目的是實現(xiàn)智能設(shè)備的信息共享，使變電站的朝著智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。相對于傳統(tǒng)變電站，智能變電站在電氣二次系統(tǒng)方面有很大區(qū)別。

1.1 智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬于分布式結(jié)構(gòu)，基于IEC 61850的智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三層，即：過程層、間隔層以及站控層。具體示意圖如圖1所示。

從邏輯結(jié)構(gòu)考慮，變電站內(nèi)部包括兩層網(wǎng)絡(luò)，其中過程網(wǎng)絡(luò)主要確保信息暢通、實現(xiàn)信息共享。依據(jù)IEC 61850標準，過程網(wǎng)絡(luò)包括兩種重要數(shù)據(jù)——SMV采樣值報文和GOOSE報文，這些報文方式包括整個變電站所有信息。SMV采樣值報文主要用于上傳過程的電流電壓發(fā)送；在后期，上送開關(guān)量及下文發(fā)合閘控制命令的行文則由GOOSE報文完成。為此，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，這兩種報文要相互合作，不可分割。

圖1 智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the secondary system of an intelligent substation

1.2 智能變電站二次系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)

1）關(guān)鍵設(shè)備

目前，智能變電站的關(guān)鍵設(shè)備包括電子式互感器、保護測控一體化裝備以及智能組件等。其中，保護測控一體化裝置是二次系統(tǒng)的重要設(shè)備，不可缺少，包括兩部分——保護裝置和測控裝置，在智能變電站中采用測控一體化裝置，主要原因有兩個方面[7-8]：一是確保整個二次系統(tǒng)運行正常；基于IEC61850協(xié)議，保護測控裝置的建模和通信。電子式互感器組成包括4部分，具體為：傳感、單元及采集單元、本體結(jié)構(gòu)，主要用于完成二次裝置測量電流、電壓等參數(shù)的測控、保護、計量和錄波等。

2）關(guān)鍵技術(shù)

利用IEC 61850標準，構(gòu)建智能變電站的無障礙通信方式和智能變電站。未來，對于IEC 61850標準，既可以在變電站內(nèi)部使用，也會在變電站間、調(diào)度中心間以及變電站等中使用。IEC 61850標準包括3個核心技術(shù)，即：基于功能進行節(jié)點劃分，并利用邏輯原理進行設(shè)備抽象；定義抽象通信服務(wù)接口，使通信功能與技術(shù)存在明顯界限；進行變電站文件配置，完成物理設(shè)備的自我表達。

2 智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評估分析

2.1 二次系統(tǒng)可靠性評估指標

針對智能變電站二次系統(tǒng)，電網(wǎng)運行人員更加關(guān)注系統(tǒng)功能的可用性，即更加關(guān)注二次系統(tǒng)既定的業(yè)務(wù)能否實現(xiàn)，實現(xiàn)效果怎樣，以及能否達到預期目標。如果單獨給出某設(shè)備或軟件可靠性分析結(jié)果，難以有效表示上述問題。為此，本文基于二次系統(tǒng)功能，借鑒俞斌等[7]構(gòu)建的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評估指標，構(gòu)建了以下指標，即：

1）系統(tǒng)期望功能失效量（Expected functions not working，EFNW）

式中：Ci為智能變電站二次系統(tǒng)在狀態(tài)i下的功能失效數(shù)量，Pi為二次系統(tǒng)在狀態(tài)i的概率。

2）功能穩(wěn)態(tài)不可用率Us

式中：Af（t）為功能的可用率，tfailure為功能故障時間，為總時間。

3）系統(tǒng)功能失效概率（Lossoffunction probability，LOFP）

式中：S為智能變電站二次系統(tǒng)中有功能失效狀態(tài)全部集合；Pi為在狀態(tài)i條件下二次系統(tǒng)的失效概率。

2.2 智能變電站二次系統(tǒng)可靠性模型

智能變電站結(jié)構(gòu)屬于分層分布式，總體可靠性與節(jié)點可靠性和支路可靠性密切相關(guān)。基于此，本文基于節(jié)點及支路可靠性模型，進行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性分析。

1）節(jié)點可靠性模型

所謂智能變電站的網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點指的是二次系統(tǒng)使用的智能設(shè)備和子系統(tǒng)。其中，網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點可靠度用Aij表示，具體模型如下：

式中，λ為故障率；μ為修復率；MTTR為平均修復時間；MTTF為智能變電站系統(tǒng)持續(xù)運行時間。在二次系統(tǒng)中，不同元件可靠度對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不同影響，因此，元件失效或停止運行對系統(tǒng)的重要度用ai表示，確定方式為：首先確定目標層為二次系統(tǒng)可靠性的層次分析模型；接著進行判斷矩陣構(gòu)建，并進行一次性檢驗；最后基于特征值方法進行重要度計算。

獲得二次系統(tǒng)各設(shè)備的失效率、重要度和修復率，便可利用下式進行系統(tǒng)可靠性的等效失效率計算，即[6]：

則智能變電站二次系統(tǒng)中各設(shè)備對變電站二次系統(tǒng)的等效可用度Aei可表示為

2）支路可靠性模型

通信網(wǎng)絡(luò)在智能變電站中極其重要，目前通信網(wǎng)絡(luò)已成為智能變電站二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵支路。對整個系統(tǒng)來講，通信網(wǎng)絡(luò)可靠度極為重要，原因在于通信網(wǎng)絡(luò)的功能為擔負數(shù)據(jù)傳輸。通信系統(tǒng)的效果可用于描述其可靠度，可用E表示，其模型為

相控陣超聲技術(shù)發(fā)展已有20多年，初期主要用于醫(yī)療領(lǐng)域，而隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用成為現(xiàn)實。其主要原理是通過控制超聲聲束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，通過有限的陣元有序排列構(gòu)成的換能器陣列中各陣元的激勵時序，調(diào)整各個陣元發(fā)射信號的波形、幅度和延遲來改變聲波到達物體內(nèi)某點的相位關(guān)系，實現(xiàn)空間的疊加合成，完成超聲聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦。其工作原理圖如圖3。

式中，A為可用性，D為可行性，對于A和D，當兩者都具有較高的數(shù)值時，則整個通信系統(tǒng)性能好，可靠度高。

3 算例分析

3.1 仿真系統(tǒng)及參數(shù)

為有效評估智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，本章利用非序貫蒙特卡羅進行仿真，智能變電站二次系統(tǒng)型號選用T1-1型，如圖2所示。且算例僅僅從運行、控制兩方面進行考慮。二次系統(tǒng)參考功能信息模型進行分解，可得到20個葉功能，如表1所示。其中，各功能邏輯連接和節(jié)點的名稱及含義見文獻[9]，在D1Q1、E1Q1、E1Q2、E1Q3間隔分布。

圖2 T1-1型智能變電站二次系統(tǒng)主要功能及邏輯節(jié)點Fig.2 Main functions and logical nodes of the secondary system of the T1-1 type intelligent substation

表1 T1-1型智能變電站二次系統(tǒng)功能節(jié)點及邏輯節(jié)點Tab.1 Functional and logical nodes of the secondary system of the T1-1 type intelligent substation

而對于邏輯節(jié)點及連接的可靠性數(shù)據(jù)，主要依據(jù)文獻[10]，具體如表2所示，其中MTTR和MTBF分別表示平均修復時間和故障間隔時間。

表2 邏輯節(jié)點及邏輯連接的可靠性數(shù)據(jù)Tab.2 Reliability data of logical nodes and logical connections

3.2 算法實現(xiàn)

進行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評估，仿真方法為非序貫蒙特卡羅，具體實現(xiàn)為：

1）依照智能變電站二次系統(tǒng)各邏輯節(jié)點及連接的修復率及故障率，抽樣進行非序貫蒙特卡羅仿真；

2）利用二次系統(tǒng)功能圖，進行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性模型建立，得到不同的功能狀態(tài)；

4）計算功能失效量FNW；

5）判定FNW方差系數(shù)指標要求能否滿足要求，如果滿足，則執(zhí)行下一步，如果不滿足，則需要重復1～4步；

6）對二次系統(tǒng)的可靠性指標進行計算，包括系統(tǒng)期望功能失效量（EFNW）、功能穩(wěn)態(tài)不可用率Us、系統(tǒng)功能失效概率（LOFP）。

3.3 仿真結(jié)果及其分析

分析不同狀態(tài)下智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，包括通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及冗余配置兩種狀態(tài)，判斷方式包括：

a：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為單星型，指二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)都滿足單重配置要求；

b：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為雙星型，指二次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)都滿足雙重配置要求，且通信網(wǎng)絡(luò)獨立；

c：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為并行冗余，指二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)既滿足雙重配置要求，又滿足通信網(wǎng)絡(luò)并行冗余。

針對上述3種方式，計算可靠性指標，所得結(jié)果如表3和表4所示。

由上述結(jié)果可知：

本研究描述的功能穩(wěn)態(tài)不可用率、系統(tǒng)功能失效概率以及期望功能失效量均可以有效反應(yīng)智能變電站二次系統(tǒng)全局運行的可靠性。

本研究分析3個案例的邏輯節(jié)點及連接故障率的靈敏度，通過變化邏輯節(jié)點及連接故障率系數(shù)，計算智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性，所得結(jié)果如圖3和圖4所示。

表3 功能穩(wěn)態(tài)不可用率（×10-4）Tab.3 Unavailability of the functional steady state（×10-4）

表4 系統(tǒng)可靠性指標Tab.4 System reliability indicators

通過分析圖3可以發(fā)現(xiàn)：3條EFNW曲線斜率對比發(fā)現(xiàn)單星型網(wǎng)絡(luò)故障率敏感期最高、雙星型次之，并行冗余最低，也最可靠。通過分析圖4可以發(fā)現(xiàn)：LOFP相對于EFNW，可以更加快速的展現(xiàn)二次系統(tǒng)可靠性依據(jù)邏輯節(jié)點及連接故障率的變化。這表明基于系統(tǒng)功能失效概率（LOFP）以及失效量（EFNW）、功能穩(wěn)態(tài)不可用率Us作為評估標準，利用非序貫蒙特卡羅仿真方法進行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性有效。

圖3 期望功能失效量靈敏度Fig.3 Expected function failure quantity sensibility

圖4 功能失效概率靈敏度Fig.4 Expected functions failure probability

4 結(jié)論

智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，也是智能化技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)。為有效解決智能變電站二次系統(tǒng)在實際運行中存在器件失效的問題，本文采用系統(tǒng)期望功能失效量、功能穩(wěn)態(tài)不可用率和失效概率3個評價指標，利用非序貫蒙特卡羅仿真方法，研究智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，并進行分析與評估。實踐表明，這種方法具有良好的可行性和可操作性，適宜分析器件失效問題。

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Research on Reliability Evaluation and Analysis of the Secondary System in the Intelligent Substation

TANG Zhijun1，ZHAI Bolong1，CHAO Wujie1，LIN Guodong1，JIANG Xinhai2
（1.Fuzhou Electric Power Research Institute，State Grid Fujian Electric Power Company，F(xiàn)uzhou 350007，F(xiàn)ujian，China；2.Fujian Billion Yung Information Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350003，F(xiàn)ujian，China）

To address device failures which exist in the secondary system of the intelligent substation in the actual operation，taking the expected function failure rate，function steady-state unavailability and function failure probability as the evaluation criteria，we use the non-sequential Monte Carlo simulation method to analyze and evaluate the secondary system reliability of the intelligent substation through simulations.

intelligentsubstation； secondary system；reliability

為有效解決在實際運行中，智能變電站二次系統(tǒng)存在器件失效問題，采用系統(tǒng)期望功能失效量、功能穩(wěn)態(tài)不可用率和失效概率3個評價指標，利用非序貫蒙特卡羅，通過仿真分析，研究智能變電站二次系統(tǒng)可靠性。

智能變電站；二次系統(tǒng)；可靠性

1674-3814（2017）09-0084-05

TM62

A

國家自然科學基金資助項目（51271110）；國家電網(wǎng)福建省電力公司科研資助項目（NC2012068）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51271110）；Technical Research Program of the State Grid Fujian Province Electric Power Company（NC2012068）.

2017-03-15。

唐志軍（1973—），男，工程碩士，高級工程師，研究方向：繼電保護與自動化。

（編輯 李沈）