智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性的自動分析方法

高吉普1，張沛超2，何 旭2，徐長寶1

?

智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性的自動分析方法

高吉普，張沛超，何 旭，徐長寶

（1.貴州電力試驗研究院，貴州 貴陽 550002； 2.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

提出一種利用變電站配置描述文件自動進(jìn)行智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析的方法。通過解析SCD文件，形成虛端子和虛回路的謂詞表達(dá)式，進(jìn)而生成保護(hù)系統(tǒng)的邏輯連接圖。然后，在給出以太網(wǎng)交換機(jī)和光纖的描述模型的基礎(chǔ)上，通過謂詞演算識別出物理連接，并形成保護(hù)系統(tǒng)的物理連接圖。最后，將物理連接圖轉(zhuǎn)換為可靠性框圖并進(jìn)行可靠性計算。以一個典型的110 kV主變保護(hù)系統(tǒng)為例，驗證了上述保護(hù)系統(tǒng)可靠性自動分析方法的有效性。

智能變電站；保護(hù)；可靠性；變電站配置描述文件；邏輯連接；物理連接

0 引言

智能變電站系統(tǒng)除了要滿足所需的功能性要求外，還需滿足各種性能要求。例如，文獻(xiàn)[1]研究并提出了涵蓋了可靠性、可用性、實時性和經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)有效度指標(biāo)；文獻(xiàn)[2]從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論出發(fā)，以邏輯節(jié)點為節(jié)點、邏輯連接為邊，將智能變電站抽象成一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，初步揭示了邏輯節(jié)點的故障在系統(tǒng)中的傳播規(guī)律；文獻(xiàn)[3]基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)功能分解成由邏輯節(jié)點和邏輯連接構(gòu)成的邏輯節(jié)點連接圖，根據(jù)系統(tǒng)功能的可靠性框圖，計算系統(tǒng)的可用率。但上述文獻(xiàn)存在的共性問題是，在進(jìn)行系統(tǒng)性能分析之前，需要以人工方式建立相應(yīng)的性能評估模型。由于智能變電站具有復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得上述性能評估的效率較低。

智能變電站和常規(guī)變電站的一個重要區(qū)別是，前者在工程配置中廣泛采用變電站配置描述(Substation Configuration Description，SCD)文件。與變電站所采用的其他配置文件相比，SCD文件具有兩點重要區(qū)別，其一是該文件具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z法結(jié)構(gòu)和語義描述，因而實現(xiàn)了“機(jī)器可讀”（machine readable）；其二是該文件完整描述了變電站的一次系統(tǒng)拓?fù)?、智能電子裝置（Intelligent Electronic Device，IED）內(nèi)的功能拓?fù)湟约叭镜耐ㄐ磐負(fù)?。這樣，SCD文件的作用將不僅僅局限于工程配置，還可用于對智能變電站進(jìn)行自動的性能評估。

本文以智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的可靠性分析為例，提出一種利用SCD文件進(jìn)行自動的系統(tǒng)性能評估的方法，可以對采用不同組網(wǎng)方式的保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行自動分析，從而有助于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)并改善設(shè)計；由于評估的輸入僅是SCD文件，使得這種方法在顯著提高分析效率的同時，分析結(jié)果更具客觀性。

1 SCD建模

在SCD文件所描述的智能變電站系統(tǒng)中，包含了邏輯和物理兩個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 SCD中描述的邏輯與物理子系統(tǒng)

邏輯子系統(tǒng)以邏輯節(jié)點（LN）為核心。為了完成各種智能變電站功能，LN之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在IEC 61850中，利用邏輯連接（Logical Connection，LC）表示LN之間的虛擬通信連接。LC可通過多種服務(wù)方式實現(xiàn)，如Report、GOOSE、SV等；而物理子系統(tǒng)則以IED為核心。在IEC 61850中，利用物理連接（Physical Connection，PC）表示IED之間真實的通信連接。對于過程層網(wǎng)絡(luò)，物理連接由光纖、以太網(wǎng)交換機(jī)等元件組成。

為了能夠適應(yīng)不斷發(fā)展的通信技術(shù)，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)弱化了對物理通信介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的描述，這使得SCD文件中對邏輯連接描述的詳細(xì)程度明顯高于物理連接。但從可靠性分析的角度，物理連接是不可忽略的。但是，從SCD文件中完整地提取出可靠性分析所需的物理連接是比較困難的，這可用圖2說明。圖2所示的保護(hù)系統(tǒng)采用了“直采網(wǎng)跳”的結(jié)構(gòu)。其中，合并單元U1、U2與保護(hù)裝置R1之間通過直連光纖傳輸SV信號，而R1與智能終端T1之間則通過冗余網(wǎng)絡(luò)傳輸GOOSE信號。圖中利用虛線和實線同時表示了邏輯連接（GOOSE、SV虛回路）和物理連接（交換機(jī)、光纖）。邏輯連接最終需通過物理連接才能完成實際數(shù)據(jù)交換，SCD文件對前者的描述是直接的、充分的，而對后者的描述是間接的、不充分的。例如，U1和R1之間的SV信號是通過哪些光纖傳輸?shù)?？采用點對點方式還是交換機(jī)組網(wǎng)方式？通信回路是否存在冗余？

文獻(xiàn)[3]在基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行變電站可靠性評估方面做了很好的嘗試，但該文僅考慮了圖1中的邏輯子系統(tǒng)，這使其在進(jìn)行可靠性分析時需要做出如下假設(shè)：（1）不考慮光纖、交換機(jī)等通信設(shè)備；（2）不考慮通信冗余配置；（3）不考慮物理裝置，假設(shè)所有LN具有與物理裝置相同的故障率。顯然，上述假設(shè)與實際情況存在很大差距。

2 邏輯連接的自動識別

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對于邏輯連接有著詳盡的定義和描述。我國根據(jù)工程實踐，采用虛端子(Virtual Terminal，VT)和虛回路(Virtual Circuit，VC)表示GOOSE和SV，使之在設(shè)計、配置等環(huán)節(jié)更易于理解與使用，但虛端子所依據(jù)的對象模型仍是完全兼容于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的。這樣，自動識別出保護(hù)所依賴的邏輯連接，進(jìn)而找出與之關(guān)聯(lián)的其他IED就非常容易。

IED的輸入虛端子可以表示為4元謂詞公式，如式(1)。

其中：IED為SCD文件中IED的命名，全站唯一；AP為訪問點（Access Point）名稱；VTIN_id為輸入虛端子序號；FCDA為帶功能約束的數(shù)據(jù)屬性，其格式為LD/LN.DO.DA。式(2)為圖2中保護(hù)裝置R1所包含的一個輸入虛端子。

(2)

IED的輸出虛端子可以表示為5元謂詞公式，如式(3)。

其中：VTOUT_id為輸出虛端子序號；CB為該FCDA所對應(yīng)的GOOSE或SV控制塊名稱。式(4)為圖2中合并單元U1的一個輸出虛端子。

(4)

GOOSE和SV虛回路可表示為如式(5)謂詞公式。

其中：IED1為輸出虛端子所在的IED，即GOOSE或SV的發(fā)布方；CB為輸出虛端子所屬的GOOSE或SV控制塊；IED2為接收方；AP1、AP2分別為IED1、IED2的訪問點名稱。

圖2中，與保護(hù)裝置R1相關(guān)的虛回路有

其中：AmpSVCB和VolSVCB分別為合并單元U1、U2的SV控制塊；TripGOCB1為保護(hù)R1跳閘GOOSE控制塊；PosGOCB1為智能終端T1的斷路器位置GOOSE控制塊。

以IED為節(jié)點，以虛回路為邊，將式(6)所描述的虛回路轉(zhuǎn)化為有向圖，圖中邊的方向是從輸出虛端子指向輸入虛端子；然后將所有邊以其控制塊名稱代替，刪除冗余的邊，使得同名的邊僅保留一個。以圖2為例，經(jīng)上述處理后形成圖3所示的邏輯連接圖，圖中的有向邊為邏輯連接，其謂詞公式為

圖3中的四個有向邊分別為

(8)

圖3 保護(hù)系統(tǒng)的邏輯連接圖

3 物理連接的自動識別

在圖3中，SV控制塊AmpSVCB1和VolSVCB1分別經(jīng)由直連光纖C1、C2實現(xiàn)；GOOSE控制塊TripGOCB1、PosGOCB1則經(jīng)由交換機(jī)S1、S2實現(xiàn)，而且交換機(jī)S1和S2構(gòu)成了冗余的通信回路。必須根據(jù)圖3的邏輯連接進(jìn)一步識別出上述物理連接信息，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的可靠性分析。

3.1以太網(wǎng)交換機(jī)建模

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)主要針對保護(hù)、測控等IED建立了對象模型，對交換機(jī)建模考慮甚少。文獻(xiàn)[7-8]等基于語義擴(kuò)展的方法，對交換機(jī)進(jìn)行建模并將其作為獨立的IED進(jìn)行管理。本文利用IEC 61850 Ed2.0中新增的LCCH邏輯節(jié)點，建立了圖4所示的交換機(jī)最小化模型。圖中除了LPHD、LLN0等系統(tǒng)邏輯節(jié)點之外，還包括多個LCCH邏輯節(jié)點，每個LCCH實例對應(yīng)交換機(jī)的一個物理端口，包含該端口的訪問點名稱、VLAN標(biāo)識、端口編號以及遠(yuǎn)方端口號等重要屬性。

圖4交換機(jī)IED的對象模型

有了上述對象模型，以太網(wǎng)交換機(jī)也可作為IED并被包含到SCD文件中。

3.2光纖的描述

在SCD文件的通信(Communication)部分提供了對通信介質(zhì)的描述機(jī)制。以圖2中保護(hù)R1為例，其R1P3和R1P4兩個冗余端口分別接入光纖C3、C4。描述信息如圖5所示。其中，Connection和RedConn分別描述主物理連接和冗余物理連接。

圖5保護(hù)R1的物理連接描述

光纖連接可用如式(9)六元謂詞表示。

其中：AP為訪問點名稱；Port、Cable、RedPort、RedCable分別為主物理連接和冗余物理連接的通信端口號和光纜名稱。如果無冗余物理連接，則RedPort、RedCable為空。例如，圖2中光纖C1的描述為

(10)

3.3物理連接的識別

物理連接用如式(11)謂詞表示。

根據(jù)式(7)、式(9)，建立如式(12)謂詞演算公式。

(12)

上述公式中，以問號作為前導(dǎo)的謂詞參量（如?IED1）代表變量，同名變量代表同一個體。在推理過程中，通過模式匹配將常量賦值給變量。本文利用專家系統(tǒng)工具CLIPS完成上述謂詞表示和謂詞演算。通過推理，識別出圖2中的如式(13)物理連接。

以IED為節(jié)點，以物理連接為邊，可將式(13)描述的物理連接轉(zhuǎn)化為無向圖，如圖6。對比圖3與圖6可見，圖3中的TripGOCB1和PosGOCB1邏輯連接皆通過圖6中的光纖C3、C5和交換機(jī)S1實現(xiàn)物理連接；而圖6中的光纖C4、C6和交換機(jī)S2則是為上述邏輯連接提供的冗余通信通道。需注意的是，從可靠性角度，圖3中R1與T1之間的兩個邏輯連接是串行的，而在圖6中，R1與T1之間的兩個通信通道則是并行的。

圖6保護(hù)系統(tǒng)的物理連接圖

Fig. 6 Graph of physical connections of the protection system

在圖6中，如果光纖C3與C5之間通過多級交換機(jī)互聯(lián)，則形成無向圖的過程稍微復(fù)雜些。此時，可將問題轉(zhuǎn)換為搜索C3與C5之間的物理通信路徑，并以該路徑中的交換機(jī)端口應(yīng)屬于相同VLAN作為約束條件。因篇幅所限，對此不再詳述。

4 可靠性計算方法

4.1 可靠性框圖

可靠性框圖(Reliability Block Diagram，RBD)方法能夠描述完成特定系統(tǒng)功能的所有元件之間的連接關(guān)系。按如下規(guī)則將圖6變換為圖7所示的RBD圖：(1) 將圖6中冗余通信回路中的元件轉(zhuǎn)換為并聯(lián)結(jié)構(gòu)；(2) 將其余元件（含節(jié)點和邊）轉(zhuǎn)換為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖7保護(hù)系統(tǒng)的可靠性框圖

可以利用結(jié)構(gòu)函數(shù)描述RBD。結(jié)構(gòu)函數(shù)方法詳見文獻(xiàn)[10]。一旦建立了系統(tǒng)RBD，即可進(jìn)行各種可靠性分析計算。

4.2可靠性計算

假設(shè)智能變電站保護(hù)系統(tǒng)為不可修復(fù)系統(tǒng)，此時，用各元件的可靠性函數(shù)代入保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)即得到系統(tǒng)可靠性函數(shù)，繼而可求出系統(tǒng)的平均故障時間（MTTF）。

實際的智能變電站保護(hù)系統(tǒng)皆為可修復(fù)系統(tǒng)。此時，可以將蒙特卡羅法和RBD方法結(jié)合起來，通過大量的統(tǒng)計實驗進(jìn)行可靠性仿真，從而計算系統(tǒng)的平均可用性、平均首次故障時間（MTTFF）以及停運次數(shù)等可用性指標(biāo)。

5 算例

5.1典型組網(wǎng)方式

圖8為一座典型110 kV智能變電站的主變間隔，采用內(nèi)橋接線，主變保護(hù)為主后備一體化裝置，采用“直采網(wǎng)跳”方式。變電站配置信息利用SCD文件描述。通過解析SCD文件，利用本文提出的方法，通過“邏輯連接圖—物理連接圖—功能方框圖”的自動變換，形成圖9的RBD圖。為方便繪圖，圖9中用四取四模塊“4/4”代表串聯(lián)關(guān)系。

5.2可靠性計算

雖然SCD文件中并不記錄IED的可靠性參數(shù)，但包含了各IED的型號、制造廠等銘牌信息。這樣，就可以首先建立專門的IED可靠性數(shù)據(jù)庫，然后以IED的型號為關(guān)鍵字檢索可靠性參數(shù)。本文分析中采用表1所示的可靠性參數(shù)。

圖8系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖9 示例保護(hù)系統(tǒng)的功能方框圖

表1可靠性分析參數(shù)

Table 1 Parameters for reliability analysis

(1) 不可修復(fù)系統(tǒng)

首先假設(shè)保護(hù)系統(tǒng)為不可修復(fù)系統(tǒng)。根據(jù)圖9的RBD，可得到系統(tǒng)可靠性函數(shù)并繪制可靠性曲線，如圖10，進(jìn)而算得該保護(hù)系統(tǒng)的MTTF為6.677年。

圖10保護(hù)系統(tǒng)的可靠性曲線

(2) 可修復(fù)系統(tǒng)

現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)均采用定期檢修策略。將圖9的RBD和蒙特卡洛方法結(jié)合起來，進(jìn)行1 000次仿真，仿真時長為10年，可得到可修復(fù)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，如表2所示。

表2可修復(fù)系統(tǒng)的可靠性分析結(jié)果

Table 2 Results of reliability analysis for repairable system

6 結(jié)論

SCD文件具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z法結(jié)構(gòu)和語義描述，能夠完整描述智能變電站的一次、二次系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。SCD文件的作用不應(yīng)局限于工程配置，還可廣泛應(yīng)用于高級應(yīng)用以及智能變電站的性能評估。

以SCD文件作為主要輸入源進(jìn)行變電站可靠性的自動分析，既能對已有變電站設(shè)計方案進(jìn)行高效評估，發(fā)現(xiàn)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，又能對不同設(shè)計方案的可靠性進(jìn)行客觀比較。

利用SCD文件進(jìn)行可靠性自動分析的主要困難在于對物理連接的識別，利用本文提出的“邏輯連接圖—物理連接圖—可靠性框圖”的變換方法，有效解決了上述問題，且能適應(yīng)點對點和網(wǎng)絡(luò)等多種通信方式。

[1] 邱劍, 王慧芳, 陳志光, 等. 智能變電站自動化系統(tǒng)有效度評估模型研究[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(9): 1-9.

QIU Jian, WANG Hui-fang, CHEN Zhi-guang, et al. Research on effectiveness evaluation model of smart substation automation system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(9): 1-9.

[2] 張其林, 王先培, 趙宇. 基于IEC 61850的變電站自動化系統(tǒng)連鎖故障分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(2): 61-66.

ZHANG Qi-lin, WANG Xian-pei, ZHAO Yu. Analysis on cascading failures of substation automation system based on IEC 61850[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(2): 61-66.

[3] 杜雙育, 王先培, 謝光彬, 等. 基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)可靠性評估[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(5): 32-36, 41.

DU Shuang-yu, WANG Xian-pei, XIE Guang-bin, et al. Reliability evaluation of substation automation system based on IEC61850[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(5): 32-36, 41.

[4] IEC 61850-6 communication networks and systems in substations part 6: configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S]. 2004.

[5] IEC 61850-5 communication networks and systems in substations part 5: communication requirements for functions and device models[S]. 2003.

[6] 胡道徐, 沃建棟. 基于IEC 61850的智能變電站虛回路體系[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(17): 78-82.

HU Dao-xu, WO Jian-dong. Virtual circuit system of smart substations based on IEC 61850[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(17): 78-82.

[7] 朱林, 王鵬遠(yuǎn), 石東源. 智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測信息模型及配置描述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(11): 87-92.

ZHU Lin, WANG Peng-yuan, SHI Dong-yuan. Status monitoring information model and configuration description of communication network in smart substations[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(11): 87-92.

[8] 李鋒, 謝俊, 趙銀鳳, 等. 基于IEC 61850的智能變電站交換機(jī)IED信息模型[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(7): 76-80.

LI Feng, XIE Jun, ZHAO Yin-feng, et al. IEC 61850 based information model of switch intelligent electronic device for smart substations[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(7): 76-80.

[9] GIARRATANO J C, RILEY G D. Expert systems: principles and programming[M]. Fourth Edition. Course Technology, 2004.

[10] 侯偉宏, 張沛超, 胡炎. 數(shù)字化變電站系統(tǒng)可靠性與可用性研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(14): 34-38.

HOU Wei-hong, ZHANG Pei-chao, HU Yan. Reliability and availability study of the digital substation system[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(14): 34-38.

[11] 王勇, 韓學(xué)山, 丁穎. 計及站內(nèi)接線的電網(wǎng)可靠性評估的蒙特卡羅方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(5): 53-57.

WANG Yong, HAN Xue-shan, DING Ying. Monte Carlo simulation method for reliability analysis of power network including substation configuration[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(5): 53-57.

An automatic reliability analysis method for protection systems in smart substations

GAO Ji-pu, ZHANG Pei-chao, HE Xu, XU Chang-bao

(1. Guizhou Research Institute of Electric Power Experiment, Guiyang 550002, China; 2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education (Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University), Shanghai 200240, China)

This paper proposes an automatic method to analyze the reliability of the protection system in smart substation utilizing the Substation Configuration Description (SCD) file. First, the predicate expressions for virtual terminals and virtual circuits are derived from the SCD file, and the graph of logical connections of the protection system is constructed accordingly. Then, based on the modeling of Ethernet switch and optical fiber, the physical connections are recognized through predicate calculus, and the graph of physical connections is then constructed. Last, the graph of physical connections is transformed to reliability block diagram, thus the reliability calculations can be carried out. A typical 110 kV power transformer protection system is used as an example to demonstrate the effectiveness of the proposed method.

smart substation; protection; reliability; substation configuration description; logical connection; physical connection

TM77

A

1674-3415(2014)15-0107-06

2013-10-28；

2014-02-09

高吉普（1982-），男，碩士，工程師，研究方向為智能化變電站和智能電網(wǎng)相關(guān)研究；

張沛超（1970-），男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)保護(hù)與控制、智能變電站、電力系統(tǒng)仿真；E-mail: pczhang@sjtu.edu.cn

何 旭（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)可靠性、電力系統(tǒng)保護(hù)。

本文成果已申請國家發(fā)明專利（受理號：201310554206.4）