安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)可靠性分析

趙麗莉,王夢璕，倪明，李雪明

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安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)可靠性分析

趙麗莉1,王夢璕2，倪明1，李雪明1

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.江西省電力設計院，江西 南昌 330096)

安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性對電力系統(tǒng)的運行有著重要影響。以SCS-500E安全穩(wěn)定控制裝置為例，分析了安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的組成及內(nèi)在配合關系。將故障樹法與馬爾可夫狀態(tài)空間法相結(jié)合，建立了安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的故障樹模型和馬爾可夫狀態(tài)空間模型，由此求得裝置分別處于正常運行、隱性誤動、隱性拒動和停運4個不同運行狀態(tài)時的概率。并定義了安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的可用度、處于隱性故障狀態(tài)的概率及因隱性故障發(fā)生停運的概率。最后以算例驗證了所求結(jié)果符合實際情況，表明所用方法的準確性。

安全穩(wěn)定控制裝置；硬件系統(tǒng)；隱性故障；故障樹；馬爾可夫

0 引言

安全穩(wěn)定控制裝置作為電網(wǎng)安全防御的第二道防線，其目的在于當系統(tǒng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時采取緊急控制以防止事故擴大。過去，安全穩(wěn)定控制裝置已為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行做出巨大貢獻，今后也將一直擔當著不可或缺的角色。但由于違規(guī)操作、定值設置與實際電網(wǎng)不匹配及設備長時間運行面臨的老化等隱患問題，由安全穩(wěn)定控制裝置的失效導致的電網(wǎng)故障不少[1-2]。我國即將建成具有“三縱三橫一環(huán)網(wǎng)”架構(gòu)特色的特高壓互聯(lián)電網(wǎng)，面對如此復雜的網(wǎng)架，更需要加強對二次控制系統(tǒng)可靠安全運行的監(jiān)控。不同于繼電保護裝置，安全穩(wěn)定控制裝置控制范圍廣，特別是區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)采取了分層分布式控制方式，利用多廠站的安全穩(wěn)定控制裝置的相互配合，實現(xiàn)了區(qū)域或更大范圍的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。因此，一旦安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)發(fā)生不正常動作行為，將造成相當嚴重的后果，付出很大代價。如某地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制子系統(tǒng)因通信誤碼、安全穩(wěn)定控制裝置通信模塊及校驗存在漏洞而誤動，誤切了增城地區(qū)714 MW的負荷。

為適應電網(wǎng)發(fā)展，安全穩(wěn)定控制裝置也一直在不斷升級中[3]，隨著電網(wǎng)的建設與發(fā)展，SCS-500E分布式安全穩(wěn)定控制裝置已得到廣泛應用，后期響應智能變電站的建設，將推進SSP-200安全穩(wěn)定控制裝置的應用。雖然升級過程中，安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性得到一定提高，但仍舊存有一定缺陷。系統(tǒng)的可靠運行有賴于裝置的可靠性，因此有必要對安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性進行分析。安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性研究[4]相對較少，而隱性故障的研究更是才剛剛起步。

繼電保護裝置與安全穩(wěn)定控制裝置同屬電力系統(tǒng)安全防御的一部分，二者在結(jié)構(gòu)上有一定的相似性。相對來說，繼電保護的可靠性研究[5-7]較多也較成熟，常用方法主要有故障樹法[8]、馬爾可夫狀態(tài)空間法、蒙特卡羅法和重點抽樣法等[9]。為充分利用這些方法的優(yōu)勢，一些研究將這些方法進行糅合，形成新的方法，如故障樹法與蒙特卡羅法的結(jié)合[10]、故障樹法與馬爾可夫狀態(tài)空間法的結(jié)合[11]。除此之外，其他方法如基于成功流的用于分析繼電保護系統(tǒng)的邏輯原理可靠性的GO法[12]，基于風險的用于尋找對繼電保護可靠性產(chǎn)生影響的關鍵因素的重要度分析法[13]等也相繼被提出，旨在能更準確地評估繼電保護的可靠性及其對電力系統(tǒng)的影響。

從裝置自身來看，一個裝置本體分為硬件和軟件兩部分，硬件(電子器件)的可靠性是保證整個裝置可靠運行的重要基礎。本文借鑒繼電保護可靠性研究經(jīng)驗，以SCS-500E分布式安全穩(wěn)定控制裝置為例，將故障樹法與馬爾可夫狀態(tài)空間法相結(jié)合，提出了該裝置硬件系統(tǒng)的可靠性的分析方法。首先在分析了安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的組成及內(nèi)在配合關系的基礎上，建立了安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)失效的故障樹模型，由此得到安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的失效率，然后將該失效率應用到安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的馬爾可夫狀態(tài)空間模型的建立中。文中認為安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)存在完全正常運行、隱性誤動、隱性拒動和停運4個不同的運行狀態(tài)，建立馬爾可夫狀態(tài)空間模型和馬爾可夫狀態(tài)空間方程，獲得裝置硬件系統(tǒng)處于4個不同運行狀態(tài)的概率。并定義了安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的可用度、處于隱性故障狀態(tài)的概率和因隱性故障而停運的概率。最后，以算例驗證，對安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的可靠性進行了分析。

1 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件系統(tǒng)組成

安全穩(wěn)定控制裝置按功能由主控單元、I/O單元和通信單元三部分組成。不同系列的安全穩(wěn)定控制裝置的硬件系統(tǒng)組成會有所差別。本文以SCS-500E安全穩(wěn)定控制裝置為例介紹裝置硬件系統(tǒng)組成。

SCS-500E分布式穩(wěn)定控制裝置采用背插式模塊化、整體面板結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)功能將輸入輸出模塊、通信模塊和決策模塊分別置于I/O單元、通信單元和主控單元插箱內(nèi)。主控單元為系統(tǒng)的樞紐單元，負責分析、決策和輸出控制，同時提供系統(tǒng)的人機接口、通信管理等。I/O單元是裝置與外部的直接接口，負責采樣分析和出口輸出，通過光纖與主控單元連接，主要完成數(shù)據(jù)的采集、計算、單元故障判斷以及與主機箱的信息交互。通信單元將主控單元通過光纖接口傳送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為八路E1/64K同向接口數(shù)據(jù)，以便接入SDH或PCM設備，通過數(shù)字通信網(wǎng)絡傳輸?shù)綄?cè)。通信單元的硬件設計基于大規(guī)?？删幊踢壿嬯嚵衅骷?，使用原理圖和VHD硬件描述語言編程，實現(xiàn)所要求的全部邏輯功能。

一套安全穩(wěn)定控制裝置的主控單元、I/O單元及通信單元是由一系列的穩(wěn)定控制模件(Stability Control Model, SCM)插入相應的插箱組成。SCS- 500E裝置的主控單元內(nèi)包括電源模件、接口管理模件、中央決策模件、光通信擴展模件、出口模件、強電開入模件、弱電開入模件以及模入模出模件；I/O機箱包括電源模件、交流頭模件、濾波模件、DCJ模件、出口模件、開入模件；通信機箱內(nèi)部包括通信主控板和通信接口板。

1.2 硬件系統(tǒng)原理

SCS-500E裝置每一插箱內(nèi)各穩(wěn)定控制模件以一定的邏輯關系相互聯(lián)接，通過機箱背板連成完整的硬件系統(tǒng)。主控單元、I/O單元和通信單元的硬件邏輯原理示意圖如圖1所示。

圖1 SCS-500E裝置硬件邏輯原理示意圖

2 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)失效分析

本文中主要考慮由元件失效引起的安全穩(wěn)定控制裝置失效，當單個元件發(fā)生失效時，其所在的穩(wěn)控模件即視為失效，則整個裝置視為失效。由于按鍵面板及觸摸屏處理模件、光通信接口模件與裝置的聯(lián)系較弱，其對裝置正常運行的影響很小，可忽略。根據(jù)安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成和原理，可建立安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)失效的故障樹模型如圖2所示。

圖2 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)失效故障樹模型

失效率是評估裝置可靠性的重要指標之一，定義為裝置在該時刻尚未失效，之后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。穩(wěn)控模件由大量的電子元器件構(gòu)成，多數(shù)元器件失效率計算要考慮基本失效率、環(huán)境系數(shù)、溫度應力系數(shù)、質(zhì)量系數(shù)、成熟系數(shù)等因素[14]。具體某個元器件的失效率計算可能還需考慮元器件自身的一些屬性，如晶體管還需考慮電壓應力系數(shù)和結(jié)構(gòu)系數(shù)因素，電容器還需考慮電容量系數(shù)和串聯(lián)電阻系數(shù)因素，集成電路需考慮電路復雜度失效率和封裝復雜度失效率因素。在元器件的部分屬性不知的情況下，可通過其已知的屬性查找該元器件的通用失效率來替代。根據(jù)《MIL-HDBK-217F》可計算各電子元器件的失效率，再由式(1)求各穩(wěn)控模件的失效率。

式中：SCM為單一穩(wěn)控模件失效率；為元器件的失效率；為穩(wěn)控模件內(nèi)元器件種類數(shù)；N為元器件的總個數(shù)。

根據(jù)圖2所示邏輯關系知安全穩(wěn)定控制裝置的失效率為

式中：為裝置失效率；main、IO和CU分別為主控單元、I/O單元和通信單元的失效率；、和分別為主控單元、I/O單元和通信單元的穩(wěn)控模件總數(shù)。

雖然理論上只要某個穩(wěn)控模件失效后裝置就失效，裝置失效率應如式(2)最終為各個穩(wěn)控模件失效率之和，但是各個穩(wěn)控模件對于裝置的重要性不一樣[15]，所以考慮各穩(wěn)控模件對于裝置的重要性，賦予各穩(wěn)控模件權重，式(2)可改寫為

式中：x為主控單元穩(wěn)控模件在安全穩(wěn)定控制裝置中對應的權重；為I/O單元穩(wěn)控模件在安全穩(wěn)定控制裝置中對應的權重；為通信單元穩(wěn)控模件在安全穩(wěn)定控制裝置中對應的權重；。

3 馬爾可夫狀態(tài)空間模型

經(jīng)分析安全穩(wěn)定控制裝置存在4個狀態(tài)：完全正常運行狀態(tài)、隱性誤動狀態(tài)、隱性拒動狀態(tài)和停運狀態(tài)。安全穩(wěn)定控制裝置正常運行時，若其某個元器件發(fā)生失效而沒被檢測出則裝置進入隱性故障狀態(tài)(隱性拒動狀態(tài)或隱性誤動狀態(tài))，如若元器件故障被檢測出則裝置進入停運狀態(tài)；當裝置的隱性故障被外界故障觸發(fā)后會導致裝置發(fā)生誤動或拒動，裝置相應進入停運狀態(tài)。

3.1 狀態(tài)空間模型建立的假設條件和參數(shù)說明

1) 假設安全穩(wěn)定控制裝置的在線自檢和監(jiān)視的故障檢出系數(shù)為1，未檢出元器件故障引發(fā)的誤動次數(shù)占未檢出元器件故障引發(fā)的誤動與拒動次數(shù)和的百分比為2，則裝置由正常運行狀態(tài)進入隱性故障誤動狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率和進入隱性拒動狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率分別為3和4，由正常狀態(tài)進入停運狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率為5，具體詳見式(4)~式(6)。

(5)

(6)

式中，為安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的失效率。

2) 設故障修復率為1，不考慮通信通道問題，不考慮裝置的閉鎖故障問題，裝置故障后即能被立即修復恢復如初，則裝置由停運狀態(tài)經(jīng)修復后即進入完全正常運行狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移率為1。

3) 設定期檢修率為2，且裝置的隱性誤動故障及隱性拒動故障在定期檢修時可被發(fā)現(xiàn)修復進入完全正常運行狀態(tài)，則裝置由隱性誤動狀態(tài)和隱性拒動狀態(tài)進入完全正常運行狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率均為2。

4) 設觸發(fā)安全穩(wěn)定控制裝置隱性拒動故障和隱性誤動故障的故障發(fā)生率分別為s和ex，則裝置由隱性誤動狀態(tài)和隱性拒動狀態(tài)經(jīng)外界故障觸發(fā)后進入停運狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率分別為s和ex。

5) 隱性誤動狀態(tài)與隱性拒動狀態(tài)之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)移，裝置由隱性誤動狀態(tài)到隱性拒動狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率為6，由隱性拒動狀態(tài)到隱性誤動狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率為7。

6) 上述故障率、修復率及占比等參數(shù)均為常數(shù)。

3.2 狀態(tài)空間模型

結(jié)合上述條件和參數(shù)可建立安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的馬爾可夫狀態(tài)空間模型如圖3所示。

圖3 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)馬爾可夫狀態(tài)空間模型

根據(jù)圖3的安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的馬爾可夫狀態(tài)空間圖建立式(7)所示的狀態(tài)空間方程。

(8)

3.3 硬件系統(tǒng)可靠性指標

由式(7)可求得安全穩(wěn)定控制裝置處于完全正常運行、隱性誤動狀態(tài)、隱性拒動狀態(tài)和停運狀態(tài)4個狀態(tài)時的概率。當安全穩(wěn)定控制裝置處于隱性誤動和隱性拒動狀態(tài)時，若裝置的隱性故障未被觸發(fā)，則裝置硬件系統(tǒng)的運行不會受到影響，只有隱性故障被觸發(fā)后裝置才會進入停運狀態(tài)，據(jù)此定義了以下幾個概率作為安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的可靠性指標：

1) 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)可用度。

2) 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)處于隱性故障狀態(tài)的概率h。

(10)

3) 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)因隱性故障被觸發(fā)發(fā)生停運的概率hs。

式中，ex和s分別為安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的隱性誤動狀態(tài)和拒動狀態(tài)被觸發(fā)的概率。

4 算例分析

4.1 失效率算例

本文考慮SCS-500安全穩(wěn)定控制裝置在偶然失效期內(nèi)的失效情況，根據(jù)產(chǎn)品失效特性的浴盆曲線[16]規(guī)律，此期間內(nèi)各元器件的失效率可近似視為常數(shù)。以某SCS-500E安全穩(wěn)定控制裝置為例，結(jié)合各元器件的屬性特征，利用文獻[17]提供的基礎數(shù)據(jù)計算元器件失效率，其中取元器件質(zhì)量系數(shù)為0.25；生產(chǎn)工藝成熟系數(shù)為1；SCS-500E裝置的環(huán)境類別為一般地面固定，取環(huán)境系數(shù)為2.5；SCS-500E裝置正常運行溫度范圍為-5°C～40°C，本文選取最高正常運行溫度=40°C。將計算得到的各元器件失效率代入式(1)計算得到各穩(wěn)控模件的失效率如表1所示。

考慮各穩(wěn)控模件的權重(見表2)，將表1和表2中數(shù)據(jù)代入式(3)得到裝置正常運行溫度為40℃時該SCS-500E裝置失效率=5.93×10-6/h=0.052/y。

表1 SCS-500E裝置穩(wěn)控模件失效率計算結(jié)果

表2 各模件的權重值

4.2 狀態(tài)概率算例

安全穩(wěn)定控制裝置馬爾可夫狀態(tài)空間圖中的各參數(shù)取值(除安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)失效率外其余為結(jié)合實際情況所作的假設值)如表3所示，本算例中假設裝置隱性故障的觸發(fā)事件為線路故障，表3中的λ和λ為線路故障率。因為線路故障發(fā)生概率服從泊松分布且?guī)缀跏撬查g發(fā)生，所以可用線路故障率代替線路故障發(fā)生概率[18]，即本文中以狀態(tài)轉(zhuǎn)移率λ和λ分別代替隱性拒動故障和隱性誤動故障被觸發(fā)的概率p和p。

表3 安全穩(wěn)定控制裝置馬爾可夫狀態(tài)空間圖各參數(shù)

將表3的各參數(shù)代入式(4)—式(6)，可得安全穩(wěn)定控制裝置由正常狀態(tài)分別到隱性誤動狀態(tài)、隱性拒動狀態(tài)和停運狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率如表4所示。

表4 圖3中部分狀態(tài)轉(zhuǎn)移率

將表3和表4數(shù)據(jù)代入式(7)可得安全穩(wěn)定控制裝置分別處于完全正常運行狀態(tài)、隱性誤動狀態(tài)、隱性拒動狀態(tài)和停運狀態(tài)時的概率值如表5所示。

表5 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)處于各狀態(tài)概率

結(jié)合表5的計算結(jié)果和式(9)—式(11)可計算得到安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)的相關可靠性指標值，見表6。

表6 安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)可靠性指標值

由表5知安全穩(wěn)定控制裝置處于停運狀態(tài)的概率相當小，數(shù)量級僅為10-5，可見裝置的可靠性很高。從表5和表6計算結(jié)果來看，安全穩(wěn)定控制裝置處于隱性故障狀態(tài)的概率略高。實際上，裝置處于隱性故障狀態(tài)時若無外界的觸發(fā)不會對裝置的正常運行產(chǎn)生影響，裝置處于隱性故障被觸發(fā)導致裝置停運須滿足“裝置處于隱性故障狀態(tài)”和“有觸發(fā)事件發(fā)生”兩個條件，缺一不可，當這兩個條件同時滿足時，裝置因隱性故障發(fā)生停運的概率已經(jīng)非常小，從表6的計算結(jié)果也可看出。另外，實際運行中若裝置沒有發(fā)生拒動或誤動事件即認為裝置是正常運行的，而這時也有可能裝置正處于隱性故障狀態(tài)，只是沒有被觸發(fā)而已，所以實際中其實已經(jīng)把一部分隱性故障狀態(tài)的情況作為正常運行狀態(tài)統(tǒng)計，因此安全穩(wěn)定控制裝置處于正常運行狀態(tài)的概率應比統(tǒng)計值略低，表5中的計算結(jié)果是符合實際的，證明了本文評估安全穩(wěn)定控制裝置可靠性的方法的正確性。

5 結(jié)論

安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)組成相對復雜，目前的在線檢測技術還不夠完善，裝置內(nèi)易發(fā)生檢測不到的故障，致使安全穩(wěn)定控制裝置可能成為電網(wǎng)運行的安全隱患。本文在充分分析了其組成成分內(nèi)在的配合關系及各組成成分的權重后，建立了硬件系統(tǒng)的故障樹模型和馬爾可夫狀態(tài)空間模型，由此得到安全穩(wěn)定控制裝置硬件系統(tǒng)處于完全正常運行、隱性誤動、隱性拒動和停運4個不同運行狀態(tài)時的概率，并以算例驗證了方法的正確性。當裝置處于隱性故障狀態(tài)時只有同時滿足觸發(fā)條件才會誘發(fā)隱性故障，導致裝置發(fā)生不正確動作，所以裝置因隱性故障而停運的概率很小。分析表明安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性很高，而且由本文方法可以得到裝置處于隱性故障狀態(tài)的概率，可為控制策略的選取提供參考。為進一步提高安全穩(wěn)定控制裝置的可靠性，未來應考慮影響裝置運行的多方面因素(如裝置的老化、運行溫度及跳閘出口壓板投退不當?shù)?，增加裝置的隱性故障辨識和預警[19]。另一方面，安全穩(wěn)定控制裝置的不正確動作還源于不同區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)隱患，此隱患造成的后果影響范圍較廣，應對該方面進一步關注。

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(編輯 周金梅)

Analysis of hardware system’s reliability of security and stability control device

ZHAO Lili1, WANG Mengxun2, NI Ming1, LI Xueming1

(1. NARI Technology Co., Ltd., Nanjing 211106, China; 2. Jiangxi Electric Power Design Institute, Nanchang 330096, China)

The reliability of security and stability control device is important to the operation of electric power grid. Taking SCS-500E which is one kind of security and stability control device for example, the components and their logical relationship in the hardware system of the device are analyzed. Based on the analysis, the fault tree model and the Markov state space model are built by fault tree method and Markov state space methodology. The paper believes that the device has 4 operation states which are normal operation, hidden mal-operation, hidden anti-operation, and outage. The probabilities of the 4 operation states are got by fault tree model and the Markov state space model. Other reliability indexes of the hardware system of the device which are availability, hidden failure probability, and probability of outage caused by hidden failure are also delimited. It is proved that the results worked by the method proposed in the paper are matched with the actual facts and the method is correct.

security and stability control device; hardware system; hidden failure; fault tree; Markov

10.7667/PSPC151313

國家電網(wǎng)公司科技項目“考慮通信信息系統(tǒng)風險的電網(wǎng)安全穩(wěn)定防御關鍵技術研究”

2015-07-29；

2015-10-21

趙麗莉(1988-)，女，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制；E-mail: zhaolili@sgepri.sgcc.com.cn 王夢璕(1989-)，女，學士，助理工程師，主要研究方向為變電站的安全穩(wěn)定控制；倪 明(1969-)，男，博士，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化及安全穩(wěn)定控制。