智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)研究*

俞 斌，張 理，高 博，丁津津，汪 玉，李遠(yuǎn)松

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽合肥230022)

0 引言

目前，電力一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)結(jié)合日益緊密，由電力二次系統(tǒng)不可靠運(yùn)行造成電力一次系統(tǒng)事故的事件也日益增多，電力二次系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)是電力系統(tǒng)一個(gè)緊迫的問(wèn)題［1-3］。智能變電站是電力一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)融合的樞紐，研究智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，對(duì)提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性具有重要意義。

針對(duì)變電站二次系統(tǒng)可靠性問(wèn)題相關(guān)的研究已有一些，如文獻(xiàn)［4-5］分別采用GO 和圖論等方法對(duì)數(shù)字變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型和方法進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［6-7］從邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接層面入手，對(duì)數(shù)字變電站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析;文獻(xiàn)［8-9］在分析智能設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)特征的基礎(chǔ)上，以節(jié)點(diǎn)和支路為元素，分析智能變電站二次系統(tǒng)可靠性;文獻(xiàn)［10］以保護(hù)系統(tǒng)整體功效為可靠性評(píng)估目標(biāo)。但以上文獻(xiàn)在可靠性評(píng)估時(shí)，大多將軟件、二次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等分開(kāi)單獨(dú)評(píng)估其可靠性，并采用較為單一的可靠性指標(biāo)。

然而，智能變電站二次系統(tǒng)支持功能自由分布，單個(gè)功能一般由多個(gè)設(shè)備和軟件配合執(zhí)行，單個(gè)設(shè)備或者軟件也往往參與多個(gè)功能的執(zhí)行。將軟件、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等分開(kāi)單獨(dú)評(píng)估其可靠性易丟失其間的交互關(guān)系，僅采用單一的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)也不能滿足實(shí)際運(yùn)行要求。因此，文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］提出面向功能對(duì)二次系統(tǒng)可靠性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行研究，并將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)分為安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，但是文獻(xiàn)對(duì)二次系統(tǒng)可靠性指標(biāo)尚未進(jìn)行深入研究。

本研究面向功能提出了將功能穩(wěn)態(tài)不可用率(steady unavailability of function，US)，系統(tǒng)功能失效概率(loss of function probability，LOFP)和系統(tǒng)期望功能失效量(expected functions not working，EFNW)作為智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性評(píng)估指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于非序貫蒙特卡羅仿真方法的可靠性評(píng)估算法，實(shí)現(xiàn)了智能變電站二次系統(tǒng)可靠性量化分析，并驗(yàn)證了所述可靠性指標(biāo)的適用性和有效性。

1 智能變電站二次系統(tǒng)功能信息模型

IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)的功能信息模型進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，其中與智能變電站二次系統(tǒng)功能相關(guān)的各要素闡述如下:

物理裝置。二次系統(tǒng)中客觀存在的二次設(shè)備、電力軟件等，符號(hào)e。

邏輯節(jié)點(diǎn)。二次系統(tǒng)中交換數(shù)據(jù)或執(zhí)行任務(wù)的最小部分，符號(hào)ln。邏輯節(jié)點(diǎn)是物理裝置整體或部分的行為和方法的抽象。

物理連接。二次系統(tǒng)的采集回路、控制回路、通信網(wǎng)絡(luò)等，用于連接不同物理裝置并傳遞信息，符號(hào)c。

邏輯連接。邏輯節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路，是信息傳送的途徑，是對(duì)通信信道和通信設(shè)備的抽象，依托于物理連接，符號(hào)lc。

功能。二次系統(tǒng)中獨(dú)立執(zhí)行某個(gè)任務(wù)的信息和物理裝置的集合，也可以表示為邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接的集合，符號(hào)f。

系統(tǒng)。執(zhí)行一系列綜合任務(wù)的所有功能的集合，用sys=F={f1，f2，…，fn}表示。

功能樹(shù)。對(duì)二次系統(tǒng)基于功能分解形成的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)圖譜。

功能圖。表示功能包含的邏輯節(jié)點(diǎn)、邏輯連接之間交互關(guān)系的圖譜，即功能完成流程圖。

基于以上功能信息模型，便可以基于功能對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行分解。系統(tǒng)功能圖如圖1所示。變電站二次系統(tǒng)sys 先被分為第一層的f1，f2，f33 個(gè)大功能，f1，f2，f3再分別被分為第2 層的5 個(gè)，3 個(gè)和2 個(gè)功能，最終系統(tǒng)被分為k 層得到w 個(gè)功能，形成完整的二次系統(tǒng)功能樹(shù)，而最后一層功能可以稱為葉功能，也是本研究可靠性評(píng)估的主要對(duì)象。

圖1 系統(tǒng)功能樹(shù)

2 面向功能的智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性評(píng)估指標(biāo)

實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)運(yùn)行人員往往更為關(guān)心業(yè)務(wù)功能的可用性，即二次系統(tǒng)既定的業(yè)務(wù)功能能否完成、完成效果如何、若不能完成將帶來(lái)什么后果。單獨(dú)給出某個(gè)設(shè)備或軟件的可靠性分析結(jié)果不能很好地回答上述問(wèn)題。

因此，智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估應(yīng)該以二次系統(tǒng)的功能為基礎(chǔ)，建立相對(duì)應(yīng)的可靠性評(píng)估指標(biāo)，從而全面分析功能和二次系統(tǒng)的可靠性。本研究建立了以下智能變電站二次系統(tǒng)可靠性指標(biāo):

(1)功能穩(wěn)態(tài)不可用率(steady unavailability of function，Us):

式中:Af(t)—功能可用率;tfailure—功能故障時(shí)間;ttotal—總時(shí)間。

(2)系統(tǒng)功能失效概率(loss of function probability，LOFP):

式中:S—二次系統(tǒng)中有功能失效的所有狀態(tài)集合;pi—二次系統(tǒng)在狀態(tài)i 的概率。

(3)系統(tǒng)期望功能失效量(expected functions not working，EFNW):

式中:Ci—二次系統(tǒng)在狀態(tài)i 的功能失效數(shù)量，pi—二次系統(tǒng)在狀態(tài)i 的概率。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 仿真系統(tǒng)及參數(shù)

為驗(yàn)證可靠性評(píng)估指標(biāo)的有效性，本研究在Matlab 上編程實(shí)現(xiàn)了基于非序貫蒙特卡羅仿真方法的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估算法。仿真算法以T1-1 型智能變電站二次系統(tǒng)為對(duì)象，為方便計(jì)算，算例只分析主要運(yùn)行、控制功能。

依據(jù)功能信息模型對(duì)T1-1 型智能變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行分解，得到總計(jì)20 個(gè)葉功能，具體如表1所示。分布在D1Q1，E1Q1，E1Q2，E1Q3 4 個(gè)間隔中，各功能包含邏輯連接和邏輯節(jié)點(diǎn)及其名稱含義參見(jiàn)文獻(xiàn)［13］，其分布如圖2所示，部分不同間隔里完全相同的功能邏輯節(jié)點(diǎn)沒(méi)有體現(xiàn)在圖上，如間隔E1Q1 和E1Q3 完全一致，圖中只給出E1Q3 間隔。

表1 T1-1 型智能變電站二次系統(tǒng)功能

圖2 T1-1 型智能變電站二次系統(tǒng)主要功能及邏輯節(jié)點(diǎn)

邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接的可靠性數(shù)據(jù)主要參考文獻(xiàn)［14］，具體如表2所示。

表2 邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接可靠性數(shù)據(jù)

3.2 算法設(shè)計(jì)與流程

基于非序貫蒙特卡羅仿真方法的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估流程如圖3所示。主要包含以下步驟:

(1)根據(jù)二次系統(tǒng)各邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接故障率和修復(fù)率進(jìn)行非序貫蒙特卡羅抽樣。

(2)根據(jù)二次系統(tǒng)功能圖，構(gòu)建可靠性模型得到不同功能的狀態(tài)。

(3)判斷二次系統(tǒng)功能是否存在冗余配置，若是，對(duì)冗余功能進(jìn)行抽樣，計(jì)算冗余的功能狀態(tài);若否，保持功能狀態(tài)不變;從而得到最終的二次系統(tǒng)狀態(tài)集。

(4)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)下的二次系統(tǒng)功能失效量FNW。

(5)判斷FNW 方差系數(shù)是否滿足條件，若否，則重復(fù)進(jìn)行1 ～4 步;若是，則執(zhí)行下一步。

(6)計(jì)算二次系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)US，LOFP 和EFNW。

圖3 基于非序貫蒙特卡羅仿真方法的可靠性評(píng)估流程

3.3 結(jié)果分析

為分析智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和冗余配置等不同對(duì)二次系統(tǒng)可靠性的影響，仿真算例分以下幾種方式進(jìn)行。

Case1:單星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即二次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)都是單重配置。

Case2:雙星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)都是雙重配置，但網(wǎng)絡(luò)互為獨(dú)立。

Case3:并行冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［15］，二次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)都是雙重配置，網(wǎng)絡(luò)并行冗余。

對(duì)上述3 種情況分別進(jìn)行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算，結(jié)果如表3、表4所示。

表3 功能穩(wěn)態(tài)不可用率US* 10－4

(續(xù)表)

表4 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

通過(guò)以上仿真算例可以看出，本研究所述功能穩(wěn)態(tài)不可用率US能夠反映具體功能的可靠性，同時(shí)系統(tǒng)功能失效概率LOFP 和期望功能失效量EFNW 兩個(gè)指標(biāo)能夠反映智能變電站二次系統(tǒng)全局運(yùn)行的可靠性。如Case1 中，通過(guò)US可以看出功能20 母差保護(hù)的不用率比其他功能的不可用率都要大，主要原因是母差保護(hù)涉及的邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接分布在多個(gè)間隔中，因而受影響因素更多;而功能5 和功能11 的結(jié)果表明，盡管與其相關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)的MTBF 較小，但由于間隔連鎖功能分布比較集中，其不可用率反而要小。通過(guò)LOFP 和EFNW 兩個(gè)指標(biāo)可以看出單星型網(wǎng)絡(luò)在所給相同可靠性數(shù)據(jù)下，系統(tǒng)功能失效量和失效概率都比較大。Case1 與Case2 結(jié)果比較可以看出，單個(gè)功能的US在雙網(wǎng)冗余情況下比單網(wǎng)配置下降明顯，前者基本約為后者的0.02 倍;而智能變電站二次系統(tǒng)的LOFP 和EFNW 指標(biāo)，Case2 分別下降為Case1 的0.061倍和0.024 倍，表明目前智能變電站采用的雙星型冗余網(wǎng)絡(luò)能夠顯著提升二次系統(tǒng)可靠性。而Case3相比Case2，各個(gè)可靠性指標(biāo)依然有顯著提高，可見(jiàn)并行冗余網(wǎng)絡(luò)在今后智能變電站中有實(shí)際應(yīng)用意義。

另外，本研究對(duì)3 個(gè)Case 進(jìn)行對(duì)邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接的故障率的靈敏度分析，采用改變邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接的故障率系數(shù)K，再對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)如圖4、圖5所示。

由圖4 三條EFNW 曲線斜率比較可知，單個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)具有最高的故障率敏感性，雙星型次之，并行冗余最小，即最可靠，這與已有的研究具有一致性。而由圖5 可以看出，相比EFNW 指標(biāo)，LOFP 能更快的反映二次系統(tǒng)可靠性隨邏輯節(jié)點(diǎn)和邏輯連接故障率的變化程度?？梢?jiàn)，本研究所述的LOFP 和EFNW 兩個(gè)指標(biāo)確實(shí)能很好地反映智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性及其變化規(guī)律。

圖4 系統(tǒng)期望功能失效量靈敏度分析

圖5 系統(tǒng)功能失效概率靈敏度分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究依據(jù)智能變電站二次系統(tǒng)的共性提出了把功能穩(wěn)態(tài)不可用率US，系統(tǒng)功能失效概率LOFP 和系統(tǒng)期望功能失效量EFNW 作為智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于非序貫蒙特卡羅仿真方法的可靠性評(píng)估算法。

算例分析表明，本研究所提出的智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性分析指標(biāo)具有良好可行性和可操作性，能為智能變電站二次系統(tǒng)功能分布的合理性，運(yùn)行的可靠性提供切實(shí)有效的依據(jù)。

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