基于IEC 61850智能變電站通信網絡的可靠性評估

徐毅, 袁保平, 朱學珍, 吳文濤, 夏軼煒, 程思

(國網安徽省電力公司 休寧縣供電公司， 安徽 黃山 245400)

0 引言

在智能電網技術應用過程中，變電站是電力網絡中的一個戰略節點，它由大量變電站自動化系統(SAS)控制，監督和保護的開關設備和測量設備組成。變電站內變電站通信的IEC 61850標準的出現為SAS設計提供了廣泛的解決方案[1]。數字信號處理、信息和通信技術的使用給變電站中使用的儀表、監視、通信、控制和保護系統帶來了重大改變，但也會造成整體系統可靠性不足。因此，盡管實施IEC 61850標準提供了靈活性，但必須考慮系統的可用性和性能要求。

根據IEC 60870-4，可靠性定義為設備或系統在指定條件下，指定時間段內執行其預期功能的度量[2]。一種提高SAS可靠性的解決方案是按照IEC 61850的要求，用串行通信鏈代替銅纜線，以減少系統中電子設備的數量。另一種方法是在站層和間隔層中引入冗余。但是，這必須遵循相應的協議標準，協議是作為SAS中數據傳輸的基礎。由于以太網通信技術是SAS的核心，因此冗余設計不僅覆蓋保護設備，還覆蓋SAS內部的通信系統。IEC 62439標準實現了無縫冗余通信的應用，可以促進時間關鍵信號(例如跳閘消息、采樣數據)的傳輸，也將滿足超高壓變電站自動化系統中極高的可靠性要求。

根據IEC 61850，變電站中的數據傳輸基于必要的數據模型和通信服務[3]。但是，成功的通信還依賴于可靠的變電站通信網絡(SCN)架構，該架構可提供大型地理位置分散的電力系統的動態信息交換。通常，SAS是一種分層結構，包括三個層，即站控層、間隔層和過程層，它們通過兩條總線連接：站級總線和過程總線。本文將考慮兩條總線的拓撲架構，以評估SAS系統的可靠性[4]。在可靠性和成本方面，對不同的站控層和間隔層通信系統的可能組合進行了分析和評估。

1 變電站總線架構

1.1 星形和環形架構

各種通信設備的站總線，方便了站控層與間隔層之間的通信以及IED架構內的通信。兩種典型的SCN架構，星形和環形架構，如圖1所示。

圖1 星形(左)和環形(右)型SCN體系結構

假定每個自動化結構中有十個間隔。對于星型架構，中央站級交換機連接到所有間隔交換機，并進一步連接到每個間隔中分配的智能電子設備(IED)。中央交換機成為整個SCN的單點故障，因此大大影響了間隔信息的可用性。但是，環形體系結構通過形成交換機環而提供了固有的通信冗余，沒有單點故障。IEEE 802.1中定義的快速生成樹協議(RSTP)集成在環結構中， RSTP環形體系結構可以提供從250 ms到12 s的重新配置時間，它比傳統的生成樹協議(STP)更快，發生故障時的平均故障轉移時間為30 s。

1.2 基于IEC 62439-3架構的并行冗余協議(PRP)

并行冗余協議(PRP)的概念是將帶有兩個以太網端口(運行PRP，DANP的雙連接節點)的IED連接到兩個獨立的網絡，并通過這兩個局域網(LAN)同時發送重復的以太網數據包LAN A和LAN B)。因此，如果一個數據幀無法到達目的地，則目的地仍可以從另一網絡接收所需的信息，而無需任何重新配置時間，從而提供了無縫的冗余。

根據IEC實現的雙星形和雙環形SCN冗余架構，如圖2所示。

圖2 雙星(左)和環形(右)SCN冗余架構

部分IED是單連接節點(SAN)，因此，與PRP網絡的連接需要一個Redbox。文中，假設所有的保護和控制裝置都具有兩個并行通信端口[5]。因此，可靠性模型中未考慮Redbox，站點控制中心需要防火墻設施，以防止數據受到外部網絡攻擊。

2 過程總線架構

2.1 過程總線組成

對于SCN架構，必須考慮間隔層和過程層的冗余，以消除所有單點故障。基于IEC 61850-9-2的過程總線包括硬件設備，軟件，固件模塊和用戶定義的設置，這在滿足SAS的可靠性和性能要求方面增加了難度。

當主要組件(CT/VT和斷路器)可靠時，在可靠性分析中可不考慮這些組件[6]。每套保護和控制設備的電源也被認為是完全可靠的，因為它可以同時由多個電源提供，包括AC，電池和不間斷電源(UPS)。

每個架構都有專用的IED，它們執行控制和保護功能。一個MU(合并單元)處理并提供一個保護和控制單元所需的所有信息。IEC兼容的IED應該有一個內部時鐘作為時間戳，提供約1ms的精度。由于采樣電流和電壓還不足，因此需要考慮重復的外部時間源(TS)，以符合IEEE 1588的要求，從而實現更準確地系統級時間同步。

由于通信在過程總線結構中起著重要的作用，因此必須考慮以太網介質和以太網交換機的可靠性。以太網交換機(ESW)是連接以太網接口的活動通信節點，該接口能接收，處理并將以太網數據包轉發到特定端口。

2.2 系統架構

關于間隔層通信網絡中的冗余，文中考慮了兩種基于IEC 61850的過程總線架構，如圖3所示。

圖3 兩種可能的過程總線架構

間隔保護單元(BPU)在兩種體系結構中均已實現冗余。與備份保護相比，冗余Main2保護還提供了更快的響應時間。因此，當Main1保護功能無法正常工作時，可以防止整個保護系統誤操作。與第一過程總線體系結構(圖3左)相比，體系結構2(圖3右)還通過復制過程總線開關(SW)在通信系統中提供了冗余。

假定所有間隔的P&C IED是雙連接節點(DANP)，因此可以通過不同的間隔連接到單個局域網(LAN A，不帶虛線部分)或兩個獨立的LAN(LAN A和LAN B)液位開關。由于空間的限制，僅考慮冗余對過程總線體系結構的影響，不包括不同拓撲的其他可能解決方案。

3 系統可靠性評估

3.1 可靠性評估方法

全面了解系統的物理布局，可靠性數據以及維護程序，才能開始可靠性評估。在可修復的系統中，可以通過自檢或手動測試程序來檢測電子組件中的故障[7]。然后可以修復有問題的組件或將其替換。如果不能及時發現所有故障設備，將影響整個系統的可靠性。因此，在考慮和不考慮維修的情況下，都要檢查系統的可靠性。

由于整個變電站自動化系統(SAS)可以看作是串聯和并聯結構的復雜組合。對于不可修復的系統，假定其組件的故障率具有恒定值Ai。盡管維修率是無限的，這意味著一旦組件進入故障狀態，就永遠無法返回正常。假設變電站組件的故障大致呈指數分布。考慮組件修復率時，使用馬爾可夫模型可顯示組合系統處于向上或向下狀態的概率。通過進行等效過渡率的概念以計算組合系統的等效修復/故障率。平均故障時間(MTTF)，平均維修時間(MTTR)以及整個系統的可用性。

3.2 組件可靠性數據

為了客觀地評估不同的SAS架構，需要就組件的可靠性參數達成一致。變電站中使用的所有元件的平均故障時間(MTTF)和平均維修時間(MTTR)值及其相對成本均可提供[8]。間隔IED和外部時間源(TS)被認為是相對不穩定的設備，此外，GPS時間參考信號很容易出現故障，阻塞或干擾。以太網交換機(SW)的可靠性指標取決于其采用的端口數量。因此，環形架構的站交換機比星形架構的站交換機更可靠，而星形架構的站交換機需要更多的以太網接口。以太網介質(EM)的可靠性和成本數字還取決于SAS的地理分布(電纜長度)。此外，所有故障設備都可以在24小時內檢測到并修復或更換，組件的相對成本只能粗略估算，因為實際成本還取決于變電站的地理分布以及組件的供應商。

考慮到前面提到的過程總線和站總線結構的所有可能組合，比較了八種SCN架構(Arch1-8)。

架構1：單星形站和單過程總線

架構2：單環站總線和單過程總線

架構3：雙星站總線和單過程總線

架構4：雙環站總線和單過程總線

架構5：單星站總線和雙重過程總線

架構6：單環站總線和雙重過程總線

架構7：雙星站總線和雙重過程總線

架構8：雙環站總線和雙重過程總線

其中，前四個SAS體系結構在間隔通信網絡中沒有實現冗余，而在后四個體系中實現冗余。此外，從站總線到過程總線的架構7和架構8是完全冗余的，從而消除了變電站系統中的所有單點故障。

短暫性腦缺血發作病情雖較輕，短時間內病情緩解，但如反復發作常可誘發卒中，其發病機制主要是微血栓形成和動脈粥樣硬化。依據其特點，可將其歸屬于中醫學“中風”范疇，其病機關鍵是瘀血阻于腦府脈絡，致脈絡不通而發病。因此中西醫在治療本病均以抗血栓形成、改善血液循環為主。疏血通注射屬于一種中成藥注射劑，其主要成分是水蛭、地龍，二者均屬于蟲類藥，具有搜剔脈絡、活血化瘀的功效，而疏血通注射液則具有活血化瘀、通經活絡的作用，藥理作用則顯示本品具有較好的抗凝、降低血液粘稠度、改善腦部微循環、修復損傷神經細胞等作用[4] 。綜上，采用疏血通注射液治療短暫性腦缺血發作效果理想，值得推廣。

4 敏感性分析

4.1 靈敏度分析方法

由于可靠性評估中所用數據的高度不確定性，因此進行了敏感性分析，以確定假定數據對風險評估結果的影響。此外，此方法還可用于識別系統中最弱和最關鍵的組件。然后可以提高這些關鍵組件的可靠性，以實現更高的整體系統可靠性。這里使用兩種方法[9]。

降低風險價值(RRW)：組件i的RRW指數通過使組件完美(λi=0)，同時將其他組件的所有故障率均在其基值上反映。

大范圍方法：每個組件的可靠性數據又在很大范圍內變化，以檢查每種類型的組件的可靠性對整體系統可靠性/不可靠性的影響。

4.2 靈敏度分析結果

由于篇幅所限，這里僅介紹架構1和架構 8的組件靈敏度分析，這是根據先前評估得出的分別具有最低和最高可靠性的體系結構。如表1所示。

表1 架構1和8每個組件的RRW值

這些結果突出顯示了對系統可靠性影響最大的組件。對于架構1，通過提高站交換器的可靠性來實現最高的整體可靠性增強，這代表了通信路徑中的單點故障(RRW短波=1.83)。同時，就整個變電站自動化系統而言，站切換的故障將導致所有下游間隔單元的信息丟失。然而，對于相對可靠的架構8，最初被認為是最不可靠的IED對整體可靠性的影響最大(RRWed=1.93)。因此，設備的重要性取決于其可靠性、系統中的位置和通信體系結構。

架構1和架構8系統可靠性的變化，如圖4、圖5所示。

圖4 MTTF對架構1系統的不可靠性影響

圖5 MTTF對架構8系統的不可靠性影響

可以得出類似的結論：Arch1和Arch8分別對以太網交換機(SW)和IED最敏感。敏感組件的可靠性提高會導致系統可靠性的最大提高，而設備可靠性的下降則會明顯損害系統。雖然以太網媒體(EM)之類的設備具有很高的可靠性，但由于數量比其他組件要大，對這兩種體系結構的系統可靠性都具有很大的影響。

5 總結

針對不同的SCN體系結構，當交換機的可用性相當高時，環形站總線是一種可靠且具有成本效益的拓撲。PRP的SCN體系結構的使用是一種經濟且被廣泛接受的解決方案，可滿足SAS中的可用性和性能要求。過程總線中的冗余大大提高了分布式功能的可靠性，但是，冗余一直被認為是一種昂貴的可靠性增強方法，因此僅應對任務關鍵型組件實施。另外，維修在增強系統性能方面起著至關重要的作用，如果可以及時發現并修復有缺陷的組件，則系統的MTTF會大大增加。敏感性分析表明，每個組件對通信服務故障的影響取決于其位置，可靠性和數量。

上述方法有利于分析SCN架構對基于IEC 61850的智能電站性能的影響。因此，可以實現優化變電站SCN體系結構和通信網絡的可靠性。