數字化變電站系統可靠性與可用性研究

蘇達 魯達

【摘要】鑒于IEC 61850的數字化變電站系統有著與傳統變電站系統不同的結構及特點。對現有的變電站可靠性分析方法多是針對單裝置或單間隔，很難找到針對整個變電站自動化系統的分析。詳細介紹了IEC 61850的數字化變電站系統的結構，系統分析了如何提高數字化變電站可靠性的方法，推出一種可以計算全站可靠性的方法。該方法可以有效的將數字化變電站系統劃分為四個子系統。巧用可用性框圖，對每個子系統參數的可靠性分別計算，而后通過可用性框圖，對整個變電站的可靠性參數進行計算。該方法分析計算了一典型數字化變電站系統的可靠性。得出在合理采用裝置冗余及采用IEC 62439-PRP的并行網絡冗余其可靠性能夠滿足 IEC 61508 的要求。

【關鍵詞】IEC 61850；數字化變電站系統；可靠性；并行冗余

引言：

相比傳統變電站自動化系統，無論從構成元件還是從系統結構上IEC61850數字化變電站都有著很大的不同。從元件上，數字化變電站系統分為一、二次設備兩個層面。由于以太網、智能斷路器及非常規互感器等新技術的應用，使得一、二次設備有著更為緊密的聯系；從結構上，數字化變電站可分為過程、間隔和站控層，各層內部與各層之間進行數據通信都是采用高速以太網。網絡參與系統功能實現并且能夠直接影響到整個系統的可靠性。這些都有效說明了數字化變電站的可靠性分析具有特殊性。另一方面，現有的變電站可靠性分析的方法大多針對單裝置或單間隔，少有針對整個變電站自動化系統。新技術不能以降低系統可靠性和可用性為代價。傳統變電站系統的可靠性要求滿足IEC 61508，我們應該如何分析和提高數字化變電站的可靠性？本文依據數字化變電站系統特點，闡述了提高數字化變電站可靠性的基本途徑，推出一種計算全站可靠性的方法。該方法將數字化變電站系統劃分為通信、控制、保護和站控層等四個子系統。

1、可靠性及可用性

IEC 60870-4標準應用于可靠性的定義為：“系統或設備在其特定的時間和特定的情況下，執行其預期功能的能力”。數字化變電站系統的可靠性則是通過一系列可靠性的參數來衡量的。

1，可靠度 R.可靠度是指系統或設備在規定的條件和時間內完成規定功能的概率。實際運用中假設系統或設備的故障是指數分布，其可靠度表達式為：（ ） e ，（ 0）tR t tλ ?= ≥ （1）其中，λ為系統或設備的故障率。

2，MTTF和MTBF.無故障的平均時間（MTTF）是指系統或設備出現第一次故障的平均期望時間。平均修復時間（MTTR）是指故障系統或設備得到修復所用的平均時間。兩次故障之間的平均時間（MTBF）包括平均修復時間。所以：MTBF MTTF MTTR = +（2）

3，不可用度q.1MTTRq AMTTF MTTR= ? =+（6）

2 提高數字化變電站的可靠性

依據數字化變電站的特點，其可靠性提高的基本途徑有：（1）用光纜替代銅纜，用以太網總線替代二次連接導線，從而可以大幅度減少系統中元件的數量；（2）利用網絡冗余和功能冗余來提高系統的可靠性；（3）提高系統可靠性充分利用系統和元件的自檢和監視。本文主要探討采用系統或裝置冗余以及網絡冗余來提高數字化變電站系統的可靠性與可用性。

2.1 功能冗余

同傳統變電站系統一樣，采用功能冗余以提高系統的可靠性。

2.2 網絡冗余

同傳統變電站不同的是，通信網絡直接參與數字化變電站用于保護和測控的功能，變電站自動化系統的可靠性將直接受其可靠性的影響。為了通信網絡可靠性的提高，網絡冗余設計是最通常采用的方法。IEC 62439 標準中提出利用并行冗余協議 PRP（Parallel Redundancy Protocol，PRP）用以提高系統的可靠性。基于 PRP 的冗余網絡要求裝置需包含雙以太網控制器和雙網絡端口，需要兩個完全獨立的以太網分別接入，用以實現裝置通信網絡的冗余。Fig.2 Network diagram based on PRP并行冗余協議的特點：（1）裝置內含有鏈路冗余實體（Link Redundancy Entity），該實體可以將來自應用層的數據同時發往雙端口。而其在接受數據時，該實體可以同時接收雙端口的數據，可以有效的保留第一個數據包并剔除重復的數據包。（2）兩個網絡都可以采用任意拓撲得結構。 如A網采用星型拓撲，B網采用環型拓撲。（3）采用通用交換機。IEC將在IEC 61850 Ed2.0中有效采用基于PRP的并行冗余網絡。下文中，假定變電站的站控層網絡與過程層網絡均是采用基于 PRP 的網絡結構。

3 可用性的計算

鏈路或交換機故障發生時，雙網之間可以進行無縫切換。站控層含有兩套獨立的系統：就地監控（Station HMI）與遠動系統（RTU），只要任一系統正常工作即可以完成對變電站的監控。就地監控和遠動系統具有雙網絡端口，兩個通信網絡通過交換機分別接入其中。間隔層因為有18個間隔，并且各自安裝間隔控制單元。間隔內保護系統采用的是雙重化配置，兩套保護均完全獨立。

3.1 通信系統

上述對于PRP的并行冗余通信網絡中，兩個網絡同是由 20 臺（站控層 2 臺、間隔層 18 臺）交換機相連而成通過網絡介質的環網。環網拓撲對環路上任一鏈路的故障都有一定程度的冗余。所有交換機都正常工作是環網拓撲正常通信的條件，并且最多只能有一條鏈路出現故障。所以鏈路可靠性表達式為：1em em0（1 ）i n i iniA C A A?== ?∑（7）其中：emA 是網絡介質可用度表達式；n 是環網中交換機之間的鏈路總數。

3.2 間隔保護系統

在數字化變電站系統內探討分析保護系統可用性時，主要應考慮網絡介質、斷路器 IED、合并單元、同步時鐘和交換機等的影響。間隔保護系統是采用兩套完全獨立的保護單元，只要任一保護單元正常工作，即可完成其保護的功能。

3.3 間隔控制系統

具有雙網絡端口的間隔控制系統內的控制單元，通過網絡介質接于兩個并行的冗余通信系統中，以實現控制系統通信的冗余。

4 結論

本文對于IEC 61850 的數字化變電站系統的特點，推出一種計算全站可靠性的方法。該方法將數字化變電站系統劃分為4個子系統，利用可用性框圖計算每個子系統的可靠性指標，最后計算得出全站的可靠性指標。結果顯示，同傳統變電站自動化系統相比，盡管數字化變電站系統中引入更多的電子裝置，但通過合理地實現功能冗余并采用基于IEC 62439 的并行冗余網絡，依舊可使各間隔及全站的可靠性達到IEC 61508標準所需求的級別。本文意在數字化變電站的可靠性分析方法和結果可為實施數字化變電站系統提供相應的理論依據。

參考文獻

[1] 高翔，張沛超.數字化變電站主要技術特征和關鍵技術[J].電網技術，2006，30（24）：67-71.

[2] 王剛，丁茂生，李曉華，等.數字繼電保護裝置可靠性研究[J].中國電機工程學報，2004，24（7）：47-52.

[3] 徐立子.變電站自動化系統的可靠性分析[J].電網技術，2002，26（8）：68-72.

[4] 張沛超，高翔，顧黃晶，等. 全數字化保護系統的主要問題及解決方案[J].電力自動化設備，2007，27（4）：104-107.

[5] 高翔，張沛超.數字化變電站系統結構[J].電網技術，2006，30（24）：73-77.