智能變電站網絡結構可靠性分析

國網湖北省電力公司 鄂士平 張 洪 國網湖北省電力公司電力科學研究院 王作維 張侃君 黎恒烜

南京南瑞繼保電氣有限公司 劉東超 丁 杰 胡桂平

引言

智能變電站在工作時需要發送運行、狀態和控制等數字化信息[1]，從而使得各種各樣的智能電子設備(Intelligent Electronic Devices，IED )在智能變電站中的大量應用。智能變電站作為連接智能設與變電站的紐帶，智能變電站運行可靠性與信息傳輸共同決定了智能變電站自動化系統的可用性，是智能變電站自動化系統不可或缺的一部分。因而進一步研究網絡通信系統的可靠性具有非凡意義。

1 智能變電站網絡建立的關鍵技術

1.1 IEC68150

IEC61850標準是通用網絡通信平臺的變電站自動化系統的唯一國際標準[2],按照IEC61850標準，變電站通信系統通常分為三層：站控層、間隔層和過程層。對于站控層和間隔層，主要是通過運用抽象的通信服務接口映射方法來制造報文規范、傳輸控制協議/網絡協議、光纖網絡或者以太網。對于間隔層和過程層，兩者之間采用的網絡則是單向傳輸以太網，它的特點是從一點到多點進行連接。對于智能變電站而言，其智能電子設備包含了IED、測量控制單元以及繼電器，它們使用統一的協議通過網絡交換信息。

1.2 VLAN

VLAN，即虛擬局域網。作為一種現代的交換技術，通過虛擬局域網，管理員可以在同一個物理局域網內針對不同的用戶使用虛擬局域網技術。在虛擬局域網具體的使用過程中，可以依據邏輯需求，將其劃分成為不同的廣播域，在局域網上所形成的每一個虛擬局域網都具有一致的特點和屬性。從物理層來看，虛擬局域網涵蓋了一組有共同需求的計算機工作站。由于虛擬局域網是依據實際的需求邏輯來進行劃分的，因而只要處于同一虛擬局域網內，工作站就可以處在不同的物理局域網段，而不是僅僅局限在同一個物理范圍之內。對于虛擬以太網，其廣播以及單播流量并不會轉發到另外的虛擬局域網，這樣有利于于對流量進行控制、降低設備的硬件投資以及將網絡管理簡化，通過利用虛擬局域網的相關特性來進一步提高網絡的安全性。此外，變電站控制段和非控制段可以在邏輯上進行劃分，無需依賴物理網絡構成。

1.3 生成樹協議

生成樹協議 (STP) 背后的基本思想是利用根網橋的交換機的根來創建“樹”。根據相關設置，選擇交換機作為根橋，且在任何時刻僅有單根橋。根橋作為起點，可以發送相關的配置信息，而非根橋則負責接收和轉發相應的配置信息。STP 最主要的應用之一便是用其來避免局域網網絡的回環，將它用來處理關于以太網的“廣播風暴問題”。生成樹協議作為以太網的一種關鍵保護技術，它可以消除以太網因連接錯誤或事故而產生的回環，還可以為以太網提供連接功能的備份，可以與SDH 構成以太中使用的雙重保護方法。

2 智能變電站的網絡通信結構

IEC61850標準是智能變電站的基礎之一[3]。智能變電站系統一共包含了3個主要功能，分別是控制功能、監視功能以及繼電保護功能。智能變電站通信系統部分我們可以將其劃分為三個層次，即站控層、間隔層以及過程層三個層次。

IEC61850還為智能變電站自動化系統提供了相應的以太網結構，當網絡負載小于25%時，以太網的響應速度快于令牌總線網絡。如圖1所示為一個典型的智能變電站結構，該智能變電站包括36套主保護裝置和36套后備保護裝置，用以負責監測線路、開關和變壓器。此外，還有72套IED 和保護裝置響應電壓、電流、功率等信息的傳輸。在智能變電站以太網結構的最底層，可以看出6個保護設備與6個IED 共同使用一個交換機。而6個交換機又通過星型網絡連接到路由器，進而與服務器和廣域網進行通信。

圖1 智能變電站的星型以太網結構

3 智能變電站的網絡可靠性分析

3.1 故障樹分析

在系統搭建流程中，FTA 為故障樹分析法，利用其對引起系統故障的各個因素（包括軟、硬件和外部環境等）進行分析，并基于此繪制邏輯流程圖；此外，FTA 可以分析各種情況下故障發生的可能性及其緣由，進而計算系統發生故障的概率，并選擇與之相對于的補救對策。FTA 還可以定性和定量分析系統的可靠性，因而在電力系統中得到了廣泛的應用。

3.2 貝葉斯網絡技術

貝葉斯網絡（Bayesian network，BN）是根據概率分析理論和圖論的不確定性知識表示和推理進而建立的模型[4]。BN 是一種有方向、沒有環網的圖，由結點和連接它們的有向線段組成。它的結點表示系統的隨機變量，結點之間的關系用有向線段描述；結點間的聯系用該結點與其上一級結點間的條件概率表達。BN 技術類似于FTA，其能夠清晰說明事故多態性與故障邏輯關系的不確定性，廣泛用于討論系統的安全可靠性。

3.3 基于故障樹的貝葉斯網絡技術研究

本文利用貝葉斯和故障樹分析法的優點，共同共同分析系統的可靠性；其能夠簡化運算，并省略關于最小割集的分析部分。同時，采取BN 的雙向推理理論，分析系統的薄弱環節。首先繪制故障樹圖，然后繪制基于故障樹的貝葉斯網絡。利用BN的邏輯關系，能夠進一步解釋變量間的聯系。在此換算過程中，故障樹的“與”邏輯需要轉換為BN的“或”結點；故障樹中的“或”結點需要轉換為BN 的“與”結點。如圖2所示為BN 的與、或邏輯結點，關于結點( A，B，C )的值，“1”表示故障，“0”表示正常。

圖2 貝葉斯網絡的與、或邏輯

FTA 是為了能夠求出終端事件發生的概率，一般是系統故障。對應的完整處理是找到并計算系統的最小割集，通常是求解出頂事件的發生概率。例如圖2(a)中命名為“C”的系統節點，關于“C”的失效概率函數如下：

所以圖2(b)中系統結點‘C’的失效概率函數如下：

計算大系統時，對應的計算量也大。BN 是基于變量的概率約束，表示的是節點間條件獨立性。根據BN 技術能夠極大的減少計算量，同時利用其雙向推理技術能夠識別系統內薄弱環節。此外，FTA可以利用負荷點的失效事件得出可靠性指標。

3.4 算例仿真分析

以圖中智能變電站的結構為例，共有6個交換機，每個交換機包括12個裝置，分別對應六個保護裝置連接口和IED 裝置連接口。一般認為頂事件是指智能變電站發生的通信系統故障，而造成頂事件發生的原因有：故障發生處的微機保護裝置不動作、路由器損壞和服務器失靈、智能電子設備連接口失效、系統保護設備損壞、交換機發生故障等。

根據設備制造商提供的數據，假設平均修復時間值為48小時。設備的脫機程度和故障概率如表1所示，服對系統可靠性影響最大的是服務器，其遠超IED 接口和采用雙配置的計算機保護設備。

表1 通信網絡設備的無效性

從表2可以看出，每個設備對可靠性所起的作用。因為對保護裝置進行了雙層配置，使得IED連接口和基于微處理器保護裝置的處理性能得到了改善，在很大程度降低了影響系統可靠性的故障發生概率。此外，還能夠得出交換機、路由器等設備在對系統可靠性的影響上，遠超IED 連接口和采用雙配置的計算機保護裝置，且結果符合實際運行情況。

表2 系統故障時設備的失效概率

4 結語

由于智能變電站中傳輸信息數量龐大，對網絡可靠性的要求大大提高。將貝葉斯和故障樹相結合的方法不僅能夠減少計算復雜度，省略關于最小割集求解過程。而且能夠根據BN 的雙向推理技術對薄弱環節進行分析，以加強系統可靠性。總而言之，BN 技術結合FTA 是未來智能變電站網絡分析系統可靠性的重要方法之一。