基于Bellcore標(biāo)準(zhǔn)的電力通信保護(hù)切換裝置可靠性研究

李 洋，高新中，王 棟

（國網(wǎng)山西省電力公司信息通信分公司，山西 太原 030001）

基于Bellcore標(biāo)準(zhǔn)的電力通信保護(hù)切換裝置可靠性研究

李 洋，高新中，王 棟

（國網(wǎng)山西省電力公司信息通信分公司，山西 太原 030001）

采用Bellcore標(biāo)準(zhǔn)，對電力通信保護(hù)切換裝置可靠性進(jìn)行預(yù)測與分析。建立了保護(hù)切換裝置元器件與單元的失效模型，計(jì)算出保護(hù)切換裝置的失效率，進(jìn)而給出保護(hù)切換裝置可靠性預(yù)測的過程及方法。通過分析保護(hù)切換裝置的可靠性，能夠及時發(fā)現(xiàn)保護(hù)切換裝置存在的故障及隱患，確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

電力通信；Bellcore標(biāo)準(zhǔn)；保護(hù)切換裝置

0 引言

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止事故發(fā)生起到關(guān)鍵性的作用。為了滿足繼電保護(hù)信息傳輸?shù)募夹g(shù)要求，山西電網(wǎng)繼電保護(hù)64 kb/s復(fù)用通道、2Mb/s復(fù)用通道均安裝了保護(hù)專用通道切換裝置[1]。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護(hù)主、備用通道的快速、可靠切換，保障繼電保護(hù)信號的安全傳送。

隨著全省電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，繼電保護(hù)切換裝置的數(shù)量不斷增加。截止2012年底，共有繼電保護(hù)保護(hù)切換裝置1 300余臺。因此，保護(hù)切換裝置的可靠性變得尤為重要，將直接影響繼電保護(hù)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對其可靠性進(jìn)行分析。綜合考慮當(dāng)前電力系統(tǒng)通信的技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件，以可靠性為中心的設(shè)備維護(hù)是一種最佳選擇。它用技術(shù)分析取代以往的經(jīng)驗(yàn)規(guī)定，把技術(shù)分析引入設(shè)備維護(hù)管理中，維修決策的依據(jù)是技術(shù)分析的結(jié)果。根據(jù)通信設(shè)備所選用的電路、元器件、可靠性結(jié)構(gòu)模型、工作環(huán)境、工作應(yīng)力來推測產(chǎn)品可能達(dá)到的可靠性水平。

1 繼電保護(hù)通道切換裝置

繼電保護(hù)通道切換裝置能夠根據(jù)繼電保護(hù)通道的技術(shù)要求，提供高可靠性繼電保護(hù)通道的高壓電力線路繼電保護(hù)專用通道切換。

1.1 裝置簡介

繼電保護(hù)通道切換裝置采用主、備用通道切換方式，當(dāng)主用傳輸線路發(fā)生故障時，立即發(fā)出告警，與此同時檢測另一條通道的健康狀態(tài)，如果另一條通道正常，則迅速切換至備用通道進(jìn)行傳輸，切換時間約為15ms。當(dāng)主通道恢復(fù)正常時，備用通道將延時20 s切換回主用通道。在64 kbit/s速率接口基礎(chǔ)上增加了2Mbit/s速率接口，以適應(yīng)電流差動保護(hù)對2M傳輸通道接入的要求。采用獨(dú)立的雙－48 V直流電源接入功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

保護(hù)通道切換裝置利用主、備用通道的快速可靠切換，以及靈活的切換方式配置包括主備切換模式以及A、B切換模式。以適應(yīng)不同通道情況的需求，保障繼電保護(hù)信號的穩(wěn)定傳輸。實(shí)現(xiàn)了基于IP骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)的集中網(wǎng)管，網(wǎng)絡(luò)配置、分類告警、模糊查詢、告警上報(bào)等功能以便于分析故障規(guī)律，及時消缺功能，并能夠通過網(wǎng)管對保護(hù)切換模式進(jìn)行設(shè)置。

保護(hù)切換裝置既為繼電保護(hù)的傳輸通道提供了保障，又增強(qiáng)了保護(hù)通道的冗余，而且接入部署方便，實(shí)現(xiàn)比較簡單。保護(hù)切換裝置的接入方式如圖1所示。

圖1 保護(hù)切換裝置接入示意圖

1.2 設(shè)備元器件分類

繼電保護(hù)切換裝置主要由主電路板、電源電路板和4個可拆卸的業(yè)務(wù)小卡構(gòu)成，電路板上的元器件類型包括：電感、電容、電阻、電源模塊、集成電路、晶體管、晶振以及連接器等。其中，電容主要包括貼片瓷介電容（包括0805、1206電容） 共157個、貼片膽電容共44片、鋁電解電容3個、插裝電容10個、安規(guī)電容4個。電阻主要包括貼片電阻385片，貼片阻排47個，其中貼片電阻排可以看作是幾個串聯(lián)的電阻。集成電路包括微處理器、動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM（Dynamic Random Access Memory）、2 M接口芯片、可編程門陣列FPGA（Field-Programmable Gate Array） 芯片數(shù)字電路等。晶體管主要包括二極管3個、瞬變電壓抑制二極管TVS（Transient Voltage Suppressor）105個、三極管2個、整流橋2個。

2 可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)Telcordia SR-332簡介

Bellcore可靠性預(yù)計(jì)是目前最通用的商用電子產(chǎn)品平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure）的權(quán)威性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的。Bellcore可靠性預(yù)計(jì)法可用于預(yù)計(jì)器件、單元以及串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性，故障率預(yù)計(jì)值。

Telcordia SR-332標(biāo)準(zhǔn)（下面將簡稱”Bellcore標(biāo)準(zhǔn)”）包括3種常用的預(yù)計(jì)產(chǎn)品可靠性的方法。方法I是基于計(jì)數(shù)法的可靠性預(yù)計(jì)。這一方法可以用于獨(dú)立器件或單元，依據(jù)元器件所處的環(huán)境不同分為3種情況。方法II綜合了方法I和從實(shí)驗(yàn)室得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行單元或器件級產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)。方法III在進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，進(jìn)行在線的可靠性統(tǒng)計(jì)預(yù)計(jì)。

2.1 單元失效率模型

在Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中，固有失效率是通過單元內(nèi)所有器件的失效率總和再乘以單元環(huán)境系數(shù)計(jì)算而得

2.2 質(zhì)量系數(shù)劃分

Bellcore標(biāo)準(zhǔn)按單元所處環(huán)境的嚴(yán)酷程度將其πE分為了五類：地面固定可控、地面固定不可控、地面可移動、空中環(huán)境及太空環(huán)境，環(huán)境系數(shù)值依次遞增。結(jié)合以太網(wǎng)交換機(jī)的使用環(huán)境重點(diǎn)介紹地面固定可控以及地面固定不可控兩種環(huán)境。

a）地面固定可控：環(huán)境應(yīng)力接近為0的最佳工作和維護(hù)環(huán)境。典型的應(yīng)用包括中心辦公室、環(huán)境條件受控的地下室、環(huán)境條件受控的遠(yuǎn)端掩蔽所、以及環(huán)境受控的用戶指定場所。此環(huán)境條件下環(huán)境系數(shù)πE取1。

b）地面固定不可控：具有一些環(huán)境應(yīng)力，有限的維護(hù)。典型的應(yīng)用有：遠(yuǎn)程終端，用戶指定的有一定振動、沖擊、溫度或大氣變化的場所。此環(huán)境條件下環(huán)境系數(shù)πE取2。

2.3 元器件失效率模型

式中：λG——器件固有失效率，F(xiàn)IT；

πQ——質(zhì)量等級因子；

πS——電應(yīng)力系數(shù)；

πT——溫度應(yīng)力因子。

2.3.1 元器件基本失效率

Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中已給出大多數(shù)元器件的基本失效率數(shù)據(jù)列表。對于集成電路，可以根據(jù)其類別、晶體管個數(shù)、邏輯門個數(shù)、容量大小以及有源器件的類型等查得相應(yīng)的基本失效率。而對于其他元件如電阻、電容等可直接根據(jù)其材質(zhì)類別和阻值、容量等查得此類元件的基本失效率。

2.3.2 質(zhì)量系數(shù)劃分

根據(jù)不同的元器件制造水平與質(zhì)量過程控制水平，Bellcore標(biāo)準(zhǔn)將元器件的質(zhì)量等級劃分為四級。

質(zhì)量等級0：這一級別是指那些經(jīng)返工、修改、搶修的商用器件，在生產(chǎn)過程中沒有進(jìn)行質(zhì)量認(rèn)證、控制，主要的設(shè)備生產(chǎn)廠家或其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)承包商沒有建立一個有效的反饋和糾正措施系統(tǒng)。然而，為確保器件滿足設(shè)計(jì)應(yīng)用而采取了相應(yīng)的步驟。

質(zhì)量等級I：這一級別是指商用的器件，其獲得和使用沒有經(jīng)過設(shè)備生產(chǎn)廠家全面的器件質(zhì)量認(rèn)證和控制，但是需滿足以下條件。

a）為確保器件滿足設(shè)計(jì)應(yīng)用和生產(chǎn)過程而采取了相應(yīng)的步驟。

b）建立了一個有效的信息反饋和糾正措施系統(tǒng)以快速定位和解決生產(chǎn)和現(xiàn)場中的問題。

質(zhì)量等級II：這一級別的器件需滿足等級I中的a）和b）外，還需滿足以下幾方面要求。

c）銷售說明書中必須明確說明器件主要特性（電特性、機(jī)械特性、熱特性以及環(huán)境特性等）和可接受的質(zhì)量等級。

d）器件或器件生產(chǎn)商必須是在優(yōu)選器件或生產(chǎn)商清單上的（器件認(rèn)證必須報(bào)告壽命和使用期限試驗(yàn)）。

e）質(zhì)量控制：設(shè)備供應(yīng)商或器件供應(yīng)商進(jìn)行了充分的平均質(zhì)量水平AQLS（Average Quality Level）/故障百萬分比DPMS（Defect Per Million pcs）檢驗(yàn)，以確保持續(xù)的質(zhì)量水平。

質(zhì)量等級III：這一級別的器件是指滿足質(zhì)量等級I和II中從a）到e），以及如下要求的器件。

f）器件系列必須要有周期性的重新質(zhì)量認(rèn)證。

g）質(zhì)量控制必須包括壽命早期的100%的篩選（溫度循環(huán)或老化）可靠性控制。

h）必須進(jìn)行老化篩選，且要明確可接受的缺陷數(shù)，并且不能超過2%。

i）器件或設(shè)備供應(yīng)商必須進(jìn)行持續(xù)的可靠性增長。

Bellcore標(biāo)準(zhǔn)對世界各大元器件制造廠商進(jìn)行了質(zhì)量等級評估。一般的大廠商生產(chǎn)的電子元器件，其質(zhì)量等級均定為II級，對應(yīng)質(zhì)量系數(shù)為1。

2.3.3 溫度系數(shù)及電應(yīng)力系數(shù)劃分

Bellcore基本失效率數(shù)據(jù)列表中每一類元器件的基本失效率是在假定工作溫度處于40℃、電應(yīng)力百分比為50%的前提下給出的。當(dāng)實(shí)際的工作溫度高于或低于參考溫度40℃時，需要利用溫度系數(shù)對元器件的失效率進(jìn)行修正。而當(dāng)元器件的實(shí)際電應(yīng)力百分比高于或低于參考值50%時，則需利用電應(yīng)力系數(shù)對失效率進(jìn)行修正。

當(dāng)元器件的工作溫度高于65℃時，可通過計(jì)算求得溫度系數(shù)。在元器件基本失效率數(shù)據(jù)列表中，Bellcore還給出了每一類元器件的溫度曲線值。當(dāng)工作溫度低于65℃時，則可通過此溫度曲線值及相應(yīng)的工作溫度，利用查表的方式查得此類元器件的溫度系數(shù)。

電應(yīng)力系數(shù)的計(jì)算公式

式中：P0——參考電應(yīng)力百分比；

P1——實(shí)際電應(yīng)力百分比；

m——電應(yīng)力曲線值。

電應(yīng)力百分比為實(shí)際電應(yīng)力與額定電應(yīng)力之比。例如，對于電阻來講，電應(yīng)力百分比為工作電壓與額定電壓的比值；而電容的電應(yīng)力百分比則為工作時直流電壓與交流峰值電壓之和與額定電壓之比。電應(yīng)力系數(shù)也可以通過利用實(shí)際電應(yīng)力百分比和電應(yīng)力曲線值查表的方式查得。

具體的不同器件類別電應(yīng)力計(jì)算方式如表1所示。

表1 器件電應(yīng)力計(jì)算

還有部分元器件由于電應(yīng)力對其影響較小，因此其電應(yīng)力系數(shù)取值為1，具體的器件包括集成電路、連接器、電感、光學(xué)器件、晶振等。

3 保護(hù)切換裝置可靠性預(yù)測

基本可靠性是指將產(chǎn)品中的所有器件看成一個串聯(lián)系統(tǒng)，任何一個器件的失效都會導(dǎo)致產(chǎn)品失效。下面將結(jié)合Bellcore標(biāo)準(zhǔn)分別對每類元器件的基本失效率、質(zhì)量系數(shù)、溫度系數(shù)以及電應(yīng)力系數(shù)進(jìn)行分析。

3.1 電容失效率

繼電保護(hù)切換裝置中的電容主要包括貼片瓷介電容（包括0805、1206電容）、貼片電容、鋁電解電容、插裝電容及安規(guī)電容。

根據(jù)Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中有對電容的失效率參數(shù)的描述，見表2所示。其中溫度應(yīng)力曲線并不等同于溫度系數(shù)，需要進(jìn)一步結(jié)合此溫度曲線值及相應(yīng)的元器件工作溫度，利用查表的方式查得此類元器件的溫度系數(shù)。電應(yīng)力曲線也不等同于電應(yīng)力系數(shù)，需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際電應(yīng)力百分比和電應(yīng)力曲線值，利用查表的方式查得此類元器件的電應(yīng)力系數(shù)。

表2 繼電保護(hù)切換裝置電容元器件失效率

3.2 電阻失效率

繼電保護(hù)切換裝置中的電阻主要包括貼片阻排、貼片電阻。其中貼片電阻排可以看作是幾個串聯(lián)的電阻，因此在計(jì)算失效率時可以直接參考貼片電阻的失效率計(jì)算方式，然后再乘以貼片阻排中的電阻數(shù)量即可得到貼片阻排的失效率。

根據(jù)Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中有對電阻的失效率參數(shù)的描述，如表3所示。

3.3 晶振失效率

根據(jù)Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中有對晶振的失效率參數(shù)的描述，其中晶振的溫度應(yīng)為系數(shù)和電應(yīng)力系數(shù)均為1，如表4所示。

表3 繼電保護(hù)切換裝置電阻元器件失效率

表4 繼電保護(hù)切換裝置晶振元器件失效率

3.4 晶體管失效率

繼電保護(hù)切換裝置中的晶體管主要包括二極管、TVS管（瞬變電壓抑制二極管）和三極管。根據(jù)Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中有對晶體管的失效率參數(shù)的描述，見表5。

表5 繼電保護(hù)切換裝置晶振元器件失效率

3.5 集成電路失效率

繼電保護(hù)切換裝置中的集成電路包括微處理器、動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM、2 M接口芯片、FPGA芯片數(shù)字電路等。

對集成電路失效率的預(yù)計(jì)，一方面可以查閱集成電路的產(chǎn)品說明書，生產(chǎn)商一般會直接給出集成電路的使用失效率；如果無法直接查閱到集成電路的失效率，可以結(jié)合Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中集成電路失效率的計(jì)算方法，計(jì)算其失效率。其中集成電路的電應(yīng)力系數(shù)為1。

部分集成電路的使用失效率由廠家的產(chǎn)品介紹書中直接給出，如表6所示。

表6 繼電保護(hù)切換裝置部分元器件失效率

根據(jù)上述計(jì)算，確定了元器件的失效率后，根據(jù)公式計(jì)算保護(hù)切換裝置的失效率。此時需要確定環(huán)境系數(shù)。保護(hù)切換裝置對應(yīng)到Bellcore中的環(huán)境為地面固定可控條件，想要的環(huán)境系數(shù)為1。此條件適用于所有元器件都處于適宜的環(huán)境應(yīng)力下，并且有良好的運(yùn)行及維修保養(yǎng)條件，與保護(hù)切換裝置實(shí)際使用環(huán)境比較接近。通過計(jì)算，可得保護(hù)切換裝置的失效率

考慮到實(shí)際使用中的一些因素，從保護(hù)切換裝置可靠性的角度，建議保護(hù)切換裝置的使用壽命宜在10 a以內(nèi)。

結(jié)合山西電力通信的實(shí)際情況，由于繼電保護(hù)保護(hù)切換裝置于2003年左右開始投入運(yùn)行，現(xiàn)運(yùn)時間將近10 a的設(shè)備故障逐漸增多，與理論計(jì)算結(jié)果非常接近。

4 結(jié)論

基于Bellcore標(biāo)準(zhǔn)的可靠性分析方法，對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)通道切換裝置的可靠性進(jìn)行分析，對于像繼電保護(hù)切換裝置這樣的設(shè)備，由于其元器件相對簡單，可以準(zhǔn)確預(yù)測其可靠性。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高的電力通信設(shè)備，單純采用這種基于設(shè)備元器件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方法很難得到正確的結(jié)果，需要結(jié)合設(shè)備的實(shí)際使用狀況和設(shè)備零部件的維修情況從整個壽命周期的角度加以綜合分析和判斷。

［1］ 高新中，羅紅波，韓冬生.光纖繼電保護(hù)光電轉(zhuǎn)換裝置的雙電源供電方式［J］.山西電力，2007（增刊）：1-3.

Research of Power Communication Protection Switching Device Reliability Based on Bellcore Standard

LIYang，GAO Xin-zhong，WANG Dong
（State Grid Information&Telecomm unication Com pany of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Bellcore standard was adopted to predictand analyse the reliability ofpower communication protection switching device.The failuremodel to protectswitching device componentsand unitwasestablished to calculate the failure rate of the device，and then the reliability prediction processandmethod ofprotection switchingdevicewereput forward.Byanalyzing the reliability ofprotection switching device，faultand riskscan be found timely，which ensures the safeand stableoperation for power system.

electric power communication；Bellcore standard；protection switching device

TP309.3

B

1671-0320（2014）03-0068-05

2014-02-13，

2014-04-11

李 洋（1978-），男，黑龍江哈爾濱人，2011年于山東大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院博士后工作站出站，高級工程師，從事電力系統(tǒng)通信運(yùn)行維護(hù)工作；

高新中（1954-），男，山西太原人，1983年畢業(yè)于太原工業(yè)學(xué)院無線電技術(shù)專業(yè)，高級工程師，從事電力系統(tǒng)通信規(guī)劃、工程和技術(shù)管理工作；

王 棟（1981-），男，山西運(yùn)城人，2008年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)通信專業(yè)，工程師，從事電力系統(tǒng)通信運(yùn)行維護(hù)工作。