220kV智能變電站自動化系統研究

摘要：智能變電站是城市電力系統的重要組成部分，對網絡通信系統可靠性的要求比較高。為此，結合多年實踐經驗，通過探討220kV智能變電站自動化系統的可靠性，從多方面提出了一些切實有效的改進措施。

關鍵詞：智能變電站；自動化系統；基本思路

作者簡介：李國（1978-），男，廣東深圳人，深圳市華力特電氣股份有限公司，工程師。（廣東 深圳 518000）

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0218-02

智能變電站是未來電力系統發展的重要環節，其采用了先進、可靠的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化等為基本要求，自動完成信息的收集、保護和檢測等基本功能，在保證城市供電安全性和促進城市經濟發展方面發揮著至關重要的作用。在220kV智能變電站自動化系統運行過程中，網絡通信是影響系統運行可靠性及功能發揮的最重要因素，若電力工作者沒有做好自動化系統可靠性分析工作，就很可能影響到220kV智能變電站的正常運作，并阻礙到城市電力系統的健康發展。因此，本文從多方面分析了自動化系統對智能變電站自動化系統的影響，以期提高自動化系統運行的可靠性。

一、220kV智能變電站中自動化系統的可靠性分析

1.220kV智能變電站中自動化系統可靠性的分析思路

自動化系統的可靠性主要是指系統實際運行中，能夠滿足用電客戶正常通信的需求能力。對智能變電站自動化系統的可靠性進行評價，其基本的分析思路主要是：通過平均故障的時間（MTTF）以及平均無故障的時間（MTBF）等參數對其網絡基本元素可靠性進行評估，與此同時，采用功能比較全面或具備降級等功能的可靠度R（t）、可用度A和效能指標對系統的可靠性進行分析和評估，并根據系統拓撲機構來對整個自動化系統進行可靠性評估。[1]

2.220kV智能變電站的智能組件及其可靠度、可用度模型分析

智能變電站的智能組件主要是電子器件，其組件較為典型，屬于故障率的曲線。且故障率會隨著時間變化而變化，當故障率是常數時，其正常的壽命期在Ⅱ區內；故障率在Ⅰ、Ⅲ區時較高，主要是因為設備投入生產并且逐漸老化。

二、優化220kV智能變電站自動化系統可靠性的策略分析

1.提升220kV智能變電站自動化系統中智能組件的可靠性

由于節點以及鏈路的失效，降低了自動化系統可靠性，且節點的失效影響相比鏈路更大。要提升自動化系統的可靠性，最為直接、有效的辦法主要是減少智能組件的失效性，提升其可靠性。智能組件是電子設備中的一種，其可靠性受電子元件可靠性以及電路的結構、制造的工藝、操作的方法以及使用的環境等方面的影響。

2.網絡的拓撲結構以及冗余的優化設計方案

220kV智能變電站自動化系統對智能組件的可靠性要求高，除此之外，還必須要有先進的體系結構以及網絡層次。具備高可靠性以及先進的體系結構，并且利用和設計合理，才能充分利用網絡設備高可靠性以及高性能，將自動化系統高可靠性發揮至極限。將冗余技術利用到自動化系統中，不僅會增加系統復雜程度，還會增加成本，而且系統的可靠性與其自身冗余與否無正比關系，因此利用冗余技術時，要對其進行優化，并對其設計的方案進行定量與定性的分析。

220kV智能變電站在實施設計方案時，采用的主要是通過功能冗余以及網絡方式來確保系統可靠性，例如在220kV及其以上電壓系統中采用互感器、交換機、保護裝置、合并的單元以及智能終端等兩套智能的組件，且冗余網絡裝置中利用雙以太網以及雙網絡裝置等。網絡中，一般采用的是冗余的配置，其目的是提升通信可靠性。

（1）采用網絡環型拓撲結構優化網絡。根據圖1中三種不同拓撲結構——總線型、環型結構以及星型結構的框圖，并計算出各自的可用度，對其可用度進行分析，尋找出能夠優化網絡的拓撲結構，表1所示的是三種網絡拓撲可用度結果。可以看出，總線型以及星型的可靠性明顯低于環型網，因此在設計時可以采用環型拓撲結構優化網絡。但必須注意的是，優化網絡的結構時還應控制好建設網絡的成本問題。

表1 三種不同網絡結構的可用度

網絡拓撲結構MTTF/a可用度

總線型7.500.99987824

單環型13.930.99995129

單星型13.640.99993303

既要保證網絡的可靠性，又要節約建設的成本，最直接的辦法就是核心網中應用環型結構，并將星型的結構應用于接入網中，形成復合型拓撲結構。交換機個數以及鏈路的長度決定了環型網絡可靠性，因此環型網絡中RSTP作為備用鏈接，并且通過間隔層、站控層等設備與其他的IED及信息的交互，找到最短的路徑。但是220kV智能變電站部分功能實時性要求高，因此環型網絡的最短路徑應符合節點以及延時等方面的要求。

（2）冗余技術具體分析。

1）系統與元件的冗余。目前，220kV智能變電站中網絡的設計主要采用的是雙星型的拓撲冗余結構，該結構是自動化系統的冗余方式，而元件的冗余如圖2所示。參照可靠性框圖的分析方法計算出MTTF以及A的取值，并與220kV線路的間隔系統中冗余的可用度進行對比，對比結果證明，與系統冗余的可靠度相比元件的冗余更高。

2）并聯冗余技術。自動化系統中首個冗余單元早獲取得到的可靠度最大，冗余單元增加到第五個時系統無故障工作的時間智能增加20%，采用并聯的冗余技術能夠將系統無故障的工作時間提升50%。

3）冗余技術可分為工作以及非工作的冗余，其中工作冗余主要是在系統中任一單元失效時能夠自行完成，且無需借助外部單元的檢測或判斷等。在220kV智能變電站自動化系統中，需具備持續工作的系統，因此可以將工作冗余應用到系統中，提升其工作的效率。

4）在對計算機網絡進行設計時，可以采用模塊化結構及熱播、熱插功能等設備。這樣，不僅能夠提升組網方式的靈活性，還能在正常供電的基礎上更換有故障的模塊，從而延長計算機工作的時間，提升其工作能力，提高自動化系統容錯的能力。

5）為提升自動化網絡系統的可靠性，應盡可能把冗余的方法應用于系統中薄弱或關鍵的環節。

6）自動化網絡的系統中，如服務器等一部分設備的結構較為復雜，對技術的性能要求較高，成本高，因此尋找既能提升系統的可靠性又能節約成本的冗余技術是其關鍵。通過元件冗余技術優化220kV智能變電站智能組件，能夠實現其要求。

（3）優化冗余以及網絡拓撲結構的具體方案。將環型結構應用到核心網中，且接入網主要應用星型的結構，以此組合而成的復合型拓撲結構進行元件的冗余，不僅能夠提升拓撲結構的可靠度，還能提升自動化系統的可靠度。其中，拓撲結構可靠性的框圖如圖3所示，雙星型的拓撲冗余框圖如圖4所示。

采用可靠性框圖的分析方法可以得出MTTF以及A的值，并且優化后的網絡拓撲結構能夠提升系統的可靠度。但必須注意的是，單純提升子系統的可靠度無法達到優化的目的。[2]

3.220kV智能變電站自動化系統中流量的控制和管理

過程層的網絡主要是將SV、IEEE1588時鐘以及GOOSE等數據進行同步傳輸，要降低網絡延時，提升其效率，就必須過濾這些組播的數據，并且對其進行管理。目前，智能變電站中用來過濾及管理組播的方式主要是GMRP以及VLAN，兩種方式亦可以同時進行，其方法主要是在VLAN內部中采用GMRP過濾組播，并且根據智能變電站各個裝置優化傳輸的信道，達到網絡延遲和負載的目的。

由于攻擊或病毒致使廣播風暴出現時可以利用端口的流量對其進行控制和管理，而避免回路造成廣播風暴，可以采用能夠完全和RSTP/STP兼容的環網冗余技術。與此同時，自動化系統中交換機頻繁出現通斷現象時，應及時對其并發訪問，訪問的過程中要確保數據的同一性、完整性。

4.提升網絡故障的診斷力度，加強自動化智能分析和預警

在220kV智能變電站網絡中設置在線故障的診斷系統，并且采用故障分析的模型對MMS、GOOSE通信的異?；蝈e誤以及SV等進行診斷。工作人員將診斷出來的故障內容和后臺監控的時間做比對，找出自動化系統中存在的隱患以及發生故障的原因，并及時對其進行處理。

5.保障220kV智能變電站自動化系統運行的環境

智能變電站自動化系統在運行過程中常受到強電磁的干擾，要提升二次設備可靠性，必須減少惡劣環境對其的影響。在220kV智能變電站自動化系統中，通過提升智能組件本身抗干擾的能力，還應采取有效的措施解決惡劣環境對智能組件的影響。智能變電站自動化系統中網絡通信占據了重要位置，因此，通過將信息的加密技術以及防火墻等網絡安全技術應用到智能變電站中，以此加強變電站智能組件的網絡安全，才能確保220kV智能變電站自動化系統運行時的安全。

三、結束語

本文主要對220kV智能變電站自動化系統進行了探討，在優化智能變電站自動化系統時，電力工作人員在衡量指標時要結合經濟性、安全性、可擴展性以及實時性等方面來展開，綜合評估智能變電站中自動化的系統。電力工作人員還必須分析自動化網絡系統的影響因素，制定切實可行的方案和改進的措施，進一步促進電網運行的安全、可靠，加快電網發展。

參考文獻：

[1]余洋.余春收.智能化變電站的自動化可靠性分析[J].科技與企業，2012，（23）.

[2]胡長金.智能變電站自動化可靠性研究[J].電氣應用，2011，（17）.