國網(wǎng)湖北省電力公司 鄂士平 張 洪 國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院 王作維 張侃君 黎恒烜

南京南瑞繼保電氣有限公司 劉東超 丁 杰 胡桂平

引言

智能變電站在工作時(shí)需要發(fā)送運(yùn)行、狀態(tài)和控制等數(shù)字化信息[1]，從而使得各種各樣的智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Devices，IED )在智能變電站中的大量應(yīng)用。智能變電站作為連接智能設(shè)與變電站的紐帶，智能變電站運(yùn)行可靠性與信息傳輸共同決定了智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可用性，是智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)不可或缺的一部分。因而進(jìn)一步研究網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的可靠性具有非凡意義。

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)建立的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 IEC68150

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)[2],按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，變電站通信系統(tǒng)通常分為三層：站控層、間隔層和過程層。對于站控層和間隔層，主要是通過運(yùn)用抽象的通信服務(wù)接口映射方法來制造報(bào)文規(guī)范、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、光纖網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)。對于間隔層和過程層，兩者之間采用的網(wǎng)絡(luò)則是單向傳輸以太網(wǎng)，它的特點(diǎn)是從一點(diǎn)到多點(diǎn)進(jìn)行連接。對于智能變電站而言，其智能電子設(shè)備包含了IED、測量控制單元以及繼電器，它們使用統(tǒng)一的協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)交換信息。

1.2 VLAN

VLAN，即虛擬局域網(wǎng)。作為一種現(xiàn)代的交換技術(shù)，通過虛擬局域網(wǎng)，管理員可以在同一個(gè)物理局域網(wǎng)內(nèi)針對不同的用戶使用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)。在虛擬局域網(wǎng)具體的使用過程中，可以依據(jù)邏輯需求，將其劃分成為不同的廣播域，在局域網(wǎng)上所形成的每一個(gè)虛擬局域網(wǎng)都具有一致的特點(diǎn)和屬性。從物理層來看，虛擬局域網(wǎng)涵蓋了一組有共同需求的計(jì)算機(jī)工作站。由于虛擬局域網(wǎng)是依據(jù)實(shí)際的需求邏輯來進(jìn)行劃分的，因而只要處于同一虛擬局域網(wǎng)內(nèi)，工作站就可以處在不同的物理局域網(wǎng)段，而不是僅僅局限在同一個(gè)物理范圍之內(nèi)。對于虛擬以太網(wǎng)，其廣播以及單播流量并不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到另外的虛擬局域網(wǎng)，這樣有利于于對流量進(jìn)行控制、降低設(shè)備的硬件投資以及將網(wǎng)絡(luò)管理簡化，通過利用虛擬局域網(wǎng)的相關(guān)特性來進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。此外，變電站控制段和非控制段可以在邏輯上進(jìn)行劃分，無需依賴物理網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

1.3 生成樹協(xié)議

生成樹協(xié)議 (STP) 背后的基本思想是利用根網(wǎng)橋的交換機(jī)的根來創(chuàng)建“樹”。根據(jù)相關(guān)設(shè)置，選擇交換機(jī)作為根橋，且在任何時(shí)刻僅有單根橋。根橋作為起點(diǎn)，可以發(fā)送相關(guān)的配置信息，而非根橋則負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的配置信息。STP 最主要的應(yīng)用之一便是用其來避免局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的回環(huán)，將它用來處理關(guān)于以太網(wǎng)的“廣播風(fēng)暴問題”。生成樹協(xié)議作為以太網(wǎng)的一種關(guān)鍵保護(hù)技術(shù)，它可以消除以太網(wǎng)因連接錯(cuò)誤或事故而產(chǎn)生的回環(huán)，還可以為以太網(wǎng)提供連接功能的備份，可以與SDH 構(gòu)成以太中使用的雙重保護(hù)方法。

2 智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是智能變電站的基礎(chǔ)之一[3]。智能變電站系統(tǒng)一共包含了3個(gè)主要功能，分別是控制功能、監(jiān)視功能以及繼電保護(hù)功能。智能變電站通信系統(tǒng)部分我們可以將其劃分為三個(gè)層次，即站控層、間隔層以及過程層三個(gè)層次。

IEC61850還為智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)提供了相應(yīng)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小于25%時(shí)，以太網(wǎng)的響應(yīng)速度快于令牌總線網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示為一個(gè)典型的智能變電站結(jié)構(gòu)，該智能變電站包括36套主保護(hù)裝置和36套后備保護(hù)裝置，用以負(fù)責(zé)監(jiān)測線路、開關(guān)和變壓器。此外，還有72套IED 和保護(hù)裝置響應(yīng)電壓、電流、功率等信息的傳輸。在智能變電站以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的最底層，可以看出6個(gè)保護(hù)設(shè)備與6個(gè)IED 共同使用一個(gè)交換機(jī)。而6個(gè)交換機(jī)又通過星型網(wǎng)絡(luò)連接到路由器，進(jìn)而與服務(wù)器和廣域網(wǎng)進(jìn)行通信。

圖1 智能變電站的星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 智能變電站的網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

3.1 故障樹分析

在系統(tǒng)搭建流程中，F(xiàn)TA 為故障樹分析法，利用其對引起系統(tǒng)故障的各個(gè)因素（包括軟、硬件和外部環(huán)境等）進(jìn)行分析，并基于此繪制邏輯流程圖；此外，F(xiàn)TA 可以分析各種情況下故障發(fā)生的可能性及其緣由，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，并選擇與之相對于的補(bǔ)救對策。FTA 還可以定性和定量分析系統(tǒng)的可靠性，因而在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian network，BN）是根據(jù)概率分析理論和圖論的不確定性知識表示和推理進(jìn)而建立的模型[4]。BN 是一種有方向、沒有環(huán)網(wǎng)的圖，由結(jié)點(diǎn)和連接它們的有向線段組成。它的結(jié)點(diǎn)表示系統(tǒng)的隨機(jī)變量，結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系用有向線段描述；結(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系用該結(jié)點(diǎn)與其上一級結(jié)點(diǎn)間的條件概率表達(dá)。BN 技術(shù)類似于FTA，其能夠清晰說明事故多態(tài)性與故障邏輯關(guān)系的不確定性，廣泛用于討論系統(tǒng)的安全可靠性。

3.3 基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

本文利用貝葉斯和故障樹分析法的優(yōu)點(diǎn)，共同共同分析系統(tǒng)的可靠性；其能夠簡化運(yùn)算，并省略關(guān)于最小割集的分析部分。同時(shí)，采取BN 的雙向推理理論，分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。首先繪制故障樹圖，然后繪制基于故障樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。利用BN的邏輯關(guān)系，能夠進(jìn)一步解釋變量間的聯(lián)系。在此換算過程中，故障樹的“與”邏輯需要轉(zhuǎn)換為BN的“或”結(jié)點(diǎn)；故障樹中的“或”結(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)換為BN 的“與”結(jié)點(diǎn)。如圖2所示為BN 的與、或邏輯結(jié)點(diǎn)，關(guān)于結(jié)點(diǎn)( A，B，C )的值，“1”表示故障，“0”表示正常。

圖2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的與、或邏輯

FTA 是為了能夠求出終端事件發(fā)生的概率，一般是系統(tǒng)故障。對應(yīng)的完整處理是找到并計(jì)算系統(tǒng)的最小割集，通常是求解出頂事件的發(fā)生概率。例如圖2(a)中命名為“C”的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，關(guān)于“C”的失效概率函數(shù)如下：

所以圖2(b)中系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)‘C’的失效概率函數(shù)如下：

計(jì)算大系統(tǒng)時(shí)，對應(yīng)的計(jì)算量也大。BN 是基于變量的概率約束，表示的是節(jié)點(diǎn)間條件獨(dú)立性。根據(jù)BN 技術(shù)能夠極大的減少計(jì)算量，同時(shí)利用其雙向推理技術(shù)能夠識別系統(tǒng)內(nèi)薄弱環(huán)節(jié)。此外，F(xiàn)TA可以利用負(fù)荷點(diǎn)的失效事件得出可靠性指標(biāo)。

3.4 算例仿真分析

以圖中智能變電站的結(jié)構(gòu)為例，共有6個(gè)交換機(jī)，每個(gè)交換機(jī)包括12個(gè)裝置，分別對應(yīng)六個(gè)保護(hù)裝置連接口和IED 裝置連接口。一般認(rèn)為頂事件是指智能變電站發(fā)生的通信系統(tǒng)故障，而造成頂事件發(fā)生的原因有：故障發(fā)生處的微機(jī)保護(hù)裝置不動(dòng)作、路由器損壞和服務(wù)器失靈、智能電子設(shè)備連接口失效、系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備損壞、交換機(jī)發(fā)生故障等。

根據(jù)設(shè)備制造商提供的數(shù)據(jù)，假設(shè)平均修復(fù)時(shí)間值為48小時(shí)。設(shè)備的脫機(jī)程度和故障概率如表1所示，服對系統(tǒng)可靠性影響最大的是服務(wù)器，其遠(yuǎn)超IED 接口和采用雙配置的計(jì)算機(jī)保護(hù)設(shè)備。

表1 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的無效性

從表2可以看出，每個(gè)設(shè)備對可靠性所起的作用。因?yàn)閷ΡＷo(hù)裝置進(jìn)行了雙層配置，使得IED連接口和基于微處理器保護(hù)裝置的處理性能得到了改善，在很大程度降低了影響系統(tǒng)可靠性的故障發(fā)生概率。此外，還能夠得出交換機(jī)、路由器等設(shè)備在對系統(tǒng)可靠性的影響上，遠(yuǎn)超IED 連接口和采用雙配置的計(jì)算機(jī)保護(hù)裝置，且結(jié)果符合實(shí)際運(yùn)行情況。

表2 系統(tǒng)故障時(shí)設(shè)備的失效概率

4 結(jié)語

由于智能變電站中傳輸信息數(shù)量龐大，對網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求大大提高。將貝葉斯和故障樹相結(jié)合的方法不僅能夠減少計(jì)算復(fù)雜度，省略關(guān)于最小割集求解過程。而且能夠根據(jù)BN 的雙向推理技術(shù)對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，以加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。總而言之，BN 技術(shù)結(jié)合FTA 是未來智能變電站網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)可靠性的重要方法之一。