廣域保護系統數據網絡可靠性評估

李俊剛 張愛民 張 杭 劉 星 耿英三 魏 勇

（1.西安交通大學電氣工程學院 西安 710049 2.西安交通大學電子與信息工程學院 西安 710049 3.許繼集團 許昌 461000）

1 引言

目前，保護系統已獲得較為廣泛的應用，為電力系統進行更加有效的管理，保證系統安全運行起著重要的作用[1-8]。并且隨著相關技術的發展，站域與廣域保護系統也隨之出現。然而，廣域保護系統本身可能會故障，且后果非常嚴重。因此，在過去的幾年中，已經對廣域保護系統做了有關的可靠性研究[9-11]。但是這些研究均基于硬件的可靠性分析，帶有一定的局限性。

一般來說，廣域保護系統的功能對數據量交換和控制命令響應時間有嚴格的要求。然而，這兩方面的要求與通信信息流的質量有著密切的關系。因此，廣域保護系統的可靠性評估應考慮到信息可靠性，包括信息流的實時性、完整性和正確性[7]。因此如何評估廣域保護系統數據網絡的可靠性及其對保護系統可靠性的影響至關重要。

2 廣域保護系統框架

廣域保護系統用于電力系統監測和控制，增強電力系統的安全級別。它采用高精度的時鐘同步系統（GPS），為整個電力系統建立一個統一的時空坐標[12-14]，其通常包括四個部分：①PMU；②控制中心以及部署在其內部的 PDC和相關應用程序；③執行單元；④高速通信網絡。

廣域保護系統的層次結構如圖1所示。PMU和執行單元部署在變電站內。變電站通過路由器將局域網絡（LAN）連接到廣域網（WAN）。PMU相量數據通過廣域網上傳到PDC，當數據處理完成后，將相應的相量數據集傳送至相關應用程序，并進行相應的判定，然后將生成的控制命令通過廣域網發送至變電站內執行單元。

圖1 廣域保護系統結構Fig.1 Hierarchical structure of WAPS

3 廣域保護系統可靠性模型

為了反映不同的功能需求，廣域保護系統可靠性應考慮系統硬件組件和系統信息流等因素，包括信息的及時性、完整性和正確性。使用故障樹FTA概念[15]，可以對上述廣域控制系統的層次結構進行可靠性分析。廣域保護系統對應的FTA可靠性模型如圖2所示。

圖2 廣域保護系統FTA模型Fig.2 FTA model of WAPS

局域網絡中的PMU可用度為Arn，骨干網絡為Abn，控制中心為ACC，PDC可用度值為APDC，PMU數據信息流可用度為Apif，控制信息流可用度為Acif，執行單元可用度為 Acon，K為廣域保護系統中局域網絡的個數。整個廣域控制系統的可用度計算式為

3.1 局域網可靠性分析

根據不同的需求，局域網絡有多個通信網絡實現類型。如商業通信網絡，自愈環網，載波或微波通信信道。文獻[16]進行了討論和網絡可以使用的方法，并進行了可靠性評估。在此基礎上，本文采用一個簡單應用實例來進行說明。PMU被部署在變電站，連接到LAN。變電站局域網通過一個路由器連接到廣域網。相應的 FTA可靠性模型如圖3所示。

圖3 局域網FTA模型Fig.3 FTA model of local network

廣域保護系統的局域網絡可用度為

式中，Arn為本地網絡的可用度；APMU為本地網絡中的PMU的可用度；n為PMU個數；Art為路由器可用度；Aof為本地網絡中光纖的可用度。

3.2 骨干網絡可靠性分析

圖4所示為廣域保護系統的骨干通信網絡，采用光纖自愈雙環網，本文特取4個節點來分析骨干網絡的可靠性[17-18]。光纖可分為四個部分F1～F4，并通過網關 IU1～IU4連接。一個主光纖環逆時針發送數據，另一個光纖環處于待機狀態，順時針方向發送相同的數據包作為備份[11]。

圖4 骨干網絡網絡結構Fig.4 Backbone network structure

自愈環網主環作為工作通道，備環待機用于應急情況，通過網關來進行通道切換操作。任何一個網關發生故障或兩對光纖同時出現故障，骨干網絡即失敗[10]。相應的FTA可靠性模型如圖5所示。

圖5 骨干網絡FTA模型Fig.5 FTA model of Backbone network

骨干網絡可用度Abn計算式為

光纖系統的可用度AF為

由圖5分析可知，雙光纖故障的概率計算式為

式中，λF1P、μF1P、λF1S、μF1S分別為主環光纖和備用光纖獨立失效率和修復率。μF1S、μF1C為F1的光纖共因失效的故障率和維修率。一般來說，可以認為：λF1P=λF1S= λFi，μF1P=μF1S=μFi。

F1～F4光纖獨立失效和共因失效可以分別建模。

3.3 PMU相量數據信息流可靠性分析

在廣域保護系統中，需要考慮兩種類型的信息流：①PMU相量信息流，所有的PMU相量數據需要發送到PDC進行處理；②控制命令信息流，控制中心接收到的處理后數據，經過判定，相關的命令被發送至對應的執行單元。

廣域保護系統的層次結構中，PMU部署在變電站內關鍵位置，PDC部署在控制中心。PMU相量數據通過廣域網上傳到PDC，并依據時標分成不同的數據集。一旦一個時間標記的數據集完成，或者處理時間超出 PDC設置的等待時間，PDC即將相量數據集發送至對應應用程序[15]。

對比廣域網的傳輸延遲，局域網的傳輸延遲可以忽略不計。影響PDC數據包時間延遲TPDC的因素[19-21]有 PDC數據處理時間、PDC設置的超時參數和PMU數量。PDC數據處理時間與設置的超時參數或路由延遲相比可以忽略，因此在以下分析中予以排除。而廣域控制系統的通信網絡傳輸延遲為[20]

式中，TT0為PDC超時參數；TW為從PMU到PDC的傳輸延遲。

假設每一幀數據互相獨立，如果TW＞TT0，那么PMU相量數據包將丟失。P(TT0)為數據包丟失的概率。基于上述分析，一個 PMU相量數據包的可用度可以表示為

一般情況下，為滿足控制功能的要求，需要部署一定數量的PMU。考慮到PDC最大延遲和采樣數據分辨率，PMU相量信息流對應的 FTA可靠性模型如圖6所示，整個PMUs相量信息流可用度為

圖6 PMU相量數據信息流FTA模型Fig.6 FTA model of PMUs phasor information flow

式中，TT0為PDC超時參數；P(TT0)為在某超時參數的基礎上PMU相量數據丟失的概率；T為確保可靠的控制功能最大的延遲時間；s為采樣頻率；T/s為PMU相量數據包的冗余度；n為必要的PMU數量。

3.4 控制命令信息流可靠性分析

如前所述，PMU所提供的原始相量數據，通過高速通信系統進行傳輸，原始數據不能直接用于控制應用[9]。但是，當傳送到PDC后，經過處理便可用于由其他業務應用。可信的數據集將被轉發至應用業務需求的緩沖區中。經過適當的決策，相關的控制命令發送到執行單元。

鑒于控制信息流可靠性分析， P （ TC）為某個超時參數情況下，控制命令數據包丟失的概率；TC為執行單元的等待時間，這是為確保可靠控制功能情況下的最大延時。與上述 PMU相量數據包可用度類似。單個數據包的控制命令的可用度為

當控制命令發送引入重傳機制。每隔時間Tp進行一次重發，那么在第 i次重發機制下，控制命令數據包的可用度可以為

整個控制信息流可用度為[22]

4 仿真實驗

以 IEEE11總線系統為例進行分析，廣域控制系統結構如圖7所示。骨干網絡采用自愈環網，有4個網關單元IU，變電站2、4和8分別連接IU。其他變電站PMU單元和執行單元通過LAN連接變電站。根據圖7建立FTA模型。本文假設所有的相同類型組件具有相同的故障率。

圖7 IEEE11廣域保護系統Fig.7 WAPS in the IEEE11 system

4.1 局域網可靠性計算

文獻[23]中闡述了一種基于 Markov的狀態空間法的PMU可靠性評估方法，通過對PMU不同模塊可靠性進行分析，進而得出整體可靠性，其數據較為可行，從中可以獲取 PMU的可用度 APMU為0.998 3。假設所有的局域網光纖可靠性可以疏忽，每個路由器的可用度Art為0.995 5。每個LAN有兩個 PMU和兩個路由器，局域網可靠性結果如表 1所示。

表1 局域網可用度Tab.1 Availability of the PMUs LAN

可以看出，隨著 PMU和路由器的增加，本地通信網絡的可用度是下降的。然而，實際情況下，PMU數量的增加會導致數據冗余。因此，不會對系統的可靠性產生負面的影響。

4.2 骨干網絡可靠性計算

骨干網絡主要包括4個IUs，L1～L4表示相應的光纖。相應的FTA可靠性模型見圖5。骨干網絡的可靠性數據可以從文獻[11]和文獻[24]中獲取，在文獻[11]中利用這些數據，進行了廣域測量系統地通信網絡硬件可靠性評估，并獲得通信網絡硬件可靠性的驗證。因此本文選取骨干網絡的可靠性數據[11,24]作為骨干網絡的基礎數據，如表2所示。

表2 骨干網絡可靠性參數Tab.2 Reliability data of components in the backbone network

假設IU的可用度為0.999 0，骨干網絡可用度指標可以由式（3）計算得出為0.994 0。可以看出，雖然光纖具有較大的故障率，并且骨干網絡有多種失效模式，但是，由于引入了自愈環網，因此可以達到足夠高的可靠性水平。

4.3 PMU相量數據信息流仿真計算

為了取得較好的廣域控制系統 PMU相量信息流可靠性估計，可以利用 OPNET進行仿真，假定在系統中部署8臺PMU設備。此外，PDC和廣域控制系統的應用服務器位于控制中心。并按照圖8所示進行建模。

從已有的廣域控制系統傳輸延遲研究可知，本文引入報文延遲參數來表達WAN通信的延遲行為。選擇報文延遲參數均值和均方差分別為 0.014 7和0.000 02[25-26]，以此在仿真中對傳送數據進行設置，使信息流符合延遲值隨機分布。

仿真每個PMU相量數據包發送到PDC都基于以上延遲參數設置。超出等待時間會導致數據的延遲和丟失，從而影響系統的控制功能。所以本文以等待時間15ms和45ms為界限來進行模擬。表3中為有效的模擬數據。假設確保可靠的控制功能最大延遲時間為70ms，數據采樣頻率為30幀/s。

表3 PMU相量數據信息流可用度Tab.3 Reliability of the PMUs phasor information flow

可用度與PDC等待時間的對應結果為

計算結果見表3。

4.4 控制命令信息流仿真計算

控制命令信息流可靠性估計方法類似于 PMU相量信息流的分析方法。基于以上仿真系統，添加執行單元模型。一般情況下，所生成的控制命令，通過廣域網傳送到執行單元時，有一個從發送到執行命令的時間裕度，假設時間裕度為25ms，并且重發的時間間隔為2ms。

表4 控制命令信息流可靠性Tab.4 Reliability of the control command information flow

由表4可知，一幀控制命令數據包丟失的概率在7%以上。然而，通過式（11）可知，經過3次重傳之后，該控制命令的可用度達到0.999 9。因此，可以得知，由于重傳機制，相應的控制命令信息流可靠性可以得到保證。

4.5 廣域保護系統可靠性計算

廣域保護系統的FTA可靠性模型如圖2所示。局域網絡、骨干網絡的可靠性前面已進行計算，而PDC和CC通常具有非常高的可靠性，為了便于分析，假定其可靠性為1.0。同時，不同的控制功能需要不同的執行單元，也假定其可靠性為 1.0。那么廣域保護系統的可用度可以通過式（1）計算，表 5給出了廣域控制系統的可用度和 PDC超時參數設定在3次重發的控制命令的依賴關系，表6給出了廣域控制系統的可用度和控制命令重傳次數在 PDC超時參數設置35ms時的依賴關系。

表5 系統可用度和PDC超時參數的關系（3次重發）Tab.5 Dependency of the WAPS reliability and the PDC

表6 系統可用度和重發次數的關系（超時參數為35ms）Tab.6 Dependency of the WAPS reliability and the control command retransmission times

由表5、表6可知，PDC參數設置、控制命令傳輸機制對廣域控制系統循環可靠性有著重大影響。這表明廣域保護系統的可靠性不僅取決于其通信組件，如PMU、路由器和光纖的可靠性。同時也與 PDC參數設置和控制命令的重傳機制有著緊密的關系。

因此，在滿足系統功能要求的條件下，對于廣域保護系統而言，應該避免過分依賴多源采樣信息，其次，信息通信應該采用可靠的雙環網進行通信網絡冗余，在信息處理環節適當的設置 PDC超時參數，并且在控制命令傳送環節引入重發機制。這樣只有將系統中各種延時對功能可靠性的影響加以考慮，適當選取參數，才能有效提高系統的可用度。

5 結論

數據網絡對廣域繼電保護系統起著重要的作用，其對系統可靠性的影響處于初步研究階段。而目前的研究背景基本在電網理想狀態下且廣域信息能夠采集的前提下開展，并沒有考慮到電網拓撲變化頻繁、通信通道損壞部分數據等無法采集等特殊狀態。如信息采集和獲取的過分區域化和數據災難、工程化應用的系統結構、保護新原理、信息有效通信、信息冗錯和挖掘等。因此，廣域保護系統數據網絡的可靠性評估顯得極其困難。

本文以一典型的廣域集中式保護系統數據網絡為基礎，分析系統中相關因素對整體可靠性的影響。廣域保護系統數據網絡可靠性不僅與系統硬件有著密切關系，同時也與系統信息的及時性、完整性和正確性有著密切的關系。因此，本文弱化了復雜算法的影響，抽象出信息的流程機制，提出結合硬件與信息流可靠性的評估方法，在一定程度上能有效地評估廣域保護系統數據網絡可靠性，并對系統設計提供合理的建議。

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