變電站自動化系統通信網絡可靠性研究綜述

摘 要：通信網絡技術作為變電站自動化實現的關鍵，其可靠性關系到整個系統的安全穩定運行。文章在總結了變電站綜合自動化系統通信網絡可靠性領域研究現狀的基礎上，指出其今后研究的方向。

關鍵詞：變電站自動化技術；通信網絡；可靠性

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）15-0096-02

當前，網絡通信等相關技術的快速發展正在持續促進電力自動化與信息化向深層次及更大集成度發展，以更有效的支撐電網的可靠、經濟運行。變電站自動化作為電力自動化中的一個重要內容倍受人們的關注，變電站自動化系統將變電站內的控制設備、保護、遠動、安全穩定控制、站內監控等部分通過網絡連接起來，實現了外設和信息的共享以及控制的自動化。

變電站自動化技術的關鍵是通信技術的實現，通信網絡技術的應用影響到變電站自動化系統的結構、功能、性能的改善和提高。通信網絡規模龐大，行為復雜，通信網絡的可靠性便成為通信網絡分析和應用中必須考慮的重要因素。

1 研究現狀

從20世紀60年代開始，人們已經在通信網絡的可靠性指標和可靠性評估方法上取得了一定的成果，因此，積極借鑒通信領域的相關研究成果應用于電力通信網絡的可靠性分析中很有必要。

1.1 可靠性評估指標

抗毀性是最早提出的通信網絡可靠性評估指標?？箽允擒娪镁W可靠性評估的一項重要指標，但是對于受人為破壞的可能性較小的民用網絡來說，網絡抗毀性的地位則顯得不是非常突出。

考慮到網絡部件的隨機失效的影響，人們提出了生存性這一網絡可靠性指標。網絡生存性描述了隨機破壞以及網絡拓撲結構對通信網絡可靠性的影響，它是通信網絡最基本的特性，也是通信網絡可靠性研究領域內研究最多的課題。

網絡的有效性是基于網絡業務性能（包括網絡的服務質量）的可靠性測度，是描述通信網絡傳輸能力的一個重要指標，包括網絡理論吞吐量、呼叫成功率、報文傳輸成功率、報文傳輸延時等。目前由于其定義和算法還不夠成，問題十分復雜，因此對網絡有效性的測度可行性較差。

1.2 可靠性評估方法

通信網絡的抗毀性研究只是從網絡的拓撲結構層面進行分析，應用圖論的有關理論和算法能夠基本滿足抗毀性評估的需要。對于網絡的生存性分析，比較簡單的通信網絡可以利用故障樹模型和故障樹分析法或建立相應的數學模型進行可靠性分析評估。考慮到部件具有多種工作模式和失效模式時，描述通信網絡的模型的狀態數將非常巨大，給網絡可靠性的計算帶來了很多困難。Chiou等提出了一種減少計算量的方法，克服了模型規模的限制。

在采用數學建模法來評估網絡的可靠性時，通常會遇到難以對系統進行精確的建模，或者雖然能夠建立相應的數學模型，但是模型過于龐大復雜難以進行求解的情況。利用計算機對通信網絡進行仿真，可以模擬和處理網絡運行中的一些模糊因素和不可知因素，彌補了單純的數學建模法的不足。計算機仿真是通信網絡可靠性評估的一種重要方法。

1.3 變電站自動化系統通信網絡可靠性

在電力領域，很多學者針對變電站自動化系統通信網絡的可靠性進行了研究。何衛等針對高電壓等級的變電站通信系統信息交換量大和數據實時性高的特點，建議采用雙網結構以實現冗余備用。除此之外，也有研究認為根據變電站自動化系統通信的特點，選用某種通信結構和網絡形式能夠有效提高通信的可靠性。

例如，林建等提出模塊化配合以太網通信方式的設計方案，以主模塊實現控制和通信管理，通過以太網聯系其他模塊。認為以太網本身的性能足以滿足變電站通信的要求。應該指出的是，上述關于通信網絡可靠性的研究，只是針對所采用的系統網絡結構的可靠性做出定性分析論述，缺乏量化的評判指標和方法理論上的論證。

徐立子根據變電站自動化系統的可靠性分析提出了相應的評估指標，并分類為硬件指標和軟件指標，在此基礎上對硬件設備的可靠性作了簡單評估。這使得變電站自動化系統的通信網絡可靠性研究大大的邁進了一步。

2 研究的方向

目前，人們對于通信網絡的可靠性還缺乏一個統一的概念。因此，有必要對通信網絡的可靠性概念進行深入地研究。

在對現有通信網絡可靠性分析的研究基礎之上，可以大致總結出分析的一般途徑：選擇一個合適的網絡可靠性指標，以此指標作為評估的基礎；對具體的網絡進行分析，結合數學理論建立模型，并由此模型計算出網絡的可靠性測度，或者對網絡進行仿真從而求出網絡的可靠性指標。

對于變電站綜合自動化系統通信網絡的可靠性研究也應該遵循這樣一條思路。

結構復雜的變電站自動化系統通信網絡的可靠性評估，可以采用仿真的方法進行分析，這基于兩方面的判斷：其一，當網絡結構趨于復雜時，難以對系統做出精確的數學描述，而且即使能夠建立起數學模型，其計算也相當困難。

其二，對于涉及變電站通信網絡性能的一些數據，目前還比較缺乏，無法對通信網絡進行完整的描述。

通常網絡可靠性的仿真分析可以按如下方式進行：首先確立網絡性能的某種評估指標，此種指標應該能夠反映網絡的功能有效性，例如，網絡部件失效時對網絡吞吐量的影響，傳輸延時引起網絡性能的變化等。然后依據上述過程對網絡的行為進行編程模擬，在考慮網絡部件失效引起網絡性能下降的情況下，得到與指標相關的網絡性能數據，并對這些數據進行數理統計，根據統計結果計算出網絡的功能有效性。

谷米等選擇了在變電站自動化系統中較多應用的LonWorks網絡進行仿真，編程模擬了報文在網絡中的傳輸過程，從而得到不同發送節點數目情況下網絡的性能參數，并依此對網絡的性能做出大致的評定。

變電站自動化系統的通信網絡具有較強的隨機性，根據概率論的相關原理，當抽樣次數足夠多時，抽樣的均值與期望的均值比較一致。在仿真過程中，有必要選擇合理的時間長度，以滿足精度要求。

另外，在電力系統發生故障情況下，網絡的信息量激增，在正常運行情況下滿足可靠性要求的網絡此時的表現也需要重新評估。此種情況在網絡可靠性仿真中必須有所考慮，從某種意義上來說，故障時網絡的性能更具有評估的價值。對網絡的所有狀態進行仿真分析在理論上顯然不可行，此時可以考慮選取一定的精度，對滿足此精度要求的網絡狀態進行分析，進而得到需要的結果。

3 結 語

隨著信息技術和計算機技術的發展，變電站自動化技術的應用更加深入，作為變電站自動化實現關鍵的通信網絡技術，地位更加突出。結合網絡的有效性指標對網絡進行仿真，可以得到網絡的功能評估結果。如何對變電站自動化系統中的通信網絡的信息傳輸過程進行準確的模擬，使得仿真結果能夠真實反映網絡的實際狀況；如何在仿真時考慮電網故障情況下網絡性能的變化。這些都是接下來的研究工作中所應該解決的問題。

參考文獻：

[1] 吳潮輝，胡玉蘭，黃傳榮.變電站自動化通信技術現狀及發展[J].華北電力技術，2002，（8）：52-54.

[2] Jacques Philippe Sauvé，Flāvia Estélia Silva Coelho.Availability Considerations in Network Design[A].Pacific Rim International Symposium，Dependable Computing[C]，2001：119-126.

[3] Shen Neng Chiou，Victor O.K.Li.Reliability Analysis of a Communication Network with Multimode Components[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1986，4（7）：1156-1161.

[4] 何衛，馬新平，張炎，等.變電站自動化分布式通信控制系統的設計[J].電力系統自動化，2000，（8）：48-50.

[5] 林健，胡敏強.基于以太網通信的變電站微機保護方案設計[J].江蘇電機工程，2004，（6）：34-36.

[6] 徐立子.變電站自動化系統的可靠性分析[J].電網技術，2002，（8）：68-72.