功能安全在電力行業(yè)的應(yīng)用預(yù)案研究

陳華軍，張寶林，黃曉昆，羅銀

（1.南方電網(wǎng)信息技術(shù)與信息安全實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州，510080；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州，510610；3.電力行業(yè)信息安全等級(jí)保護(hù)測(cè)評(píng)中心第五實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州，510080；4.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東　廣州，510080）

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功能安全在電力行業(yè)的應(yīng)用預(yù)案研究

陳華軍1，3，4，張寶林2，黃曉昆2，羅銀2

（1.南方電網(wǎng)信息技術(shù)與信息安全實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510080；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州，510610；3.電力行業(yè)信息安全等級(jí)保護(hù)測(cè)評(píng)中心第五實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510080；4.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州，510080）

摘要：隨著發(fā)電量的提高和電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)大，安全問題成為了電力行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。功能安全標(biāo)準(zhǔn)作為安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)管理體系的重要組成部分，關(guān)注通過技術(shù)和管理將系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)。以IEC 61508為基礎(chǔ)，總結(jié)了電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品的特點(diǎn)，對(duì)功能安全在電力行業(yè)的具體實(shí)施與應(yīng)用進(jìn)行了探討，并提出了功能安全在電力行業(yè)中應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題及重點(diǎn)研究方向。

關(guān)鍵詞：功能安全；電力行業(yè)；風(fēng)險(xiǎn)；安全生命周期；功能安全完整性等級(jí)

0　引言

電力行業(yè)是國(guó)家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，保障電力行業(yè)安全生產(chǎn)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律。功能安全[1]是保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，保障安全生產(chǎn)的有力武器，是完善國(guó)家安全生產(chǎn)及系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理體系的重要內(nèi)容，同時(shí)也是歐美國(guó)家用于對(duì)安全生產(chǎn)進(jìn)行保障的法律法規(guī)。目前，功能安全的應(yīng)用已經(jīng)履蓋了過程工業(yè)、汽車、核電、醫(yī)療和鐵路交通等領(lǐng)域，但在電力行業(yè)還未得到廣泛的應(yīng)用。因此，研究功能安全在電力行業(yè)的具體應(yīng)用，對(duì)于建立和完善國(guó)家電力行業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范和保障電力行業(yè)安全生產(chǎn)具有重大的意義[2]。

1　概述

1.1功能安全

IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)[3]中對(duì)功能安全（Functional Safett）的定義是：針對(duì)規(guī)定的危險(xiǎn)事件，為達(dá)到或保持受控設(shè)備（EUC）的安全狀態(tài)，由E/E/PE安全系統(tǒng)、其他技術(shù)安全系統(tǒng)或外部風(fēng)險(xiǎn)降低設(shè)施實(shí)施的功能。即當(dāng)發(fā)生故障（包括隨機(jī)故障和系統(tǒng)故障）或失效時(shí)，安全相關(guān)系統(tǒng)就會(huì)采取措施，保證不會(huì)引起人員的傷亡、環(huán)境的破壞或設(shè)備財(cái)產(chǎn)的損失。

1.2功能安全完整性等級(jí)

安全完整性等級(jí)用于衡量安全相關(guān)系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的條件下完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求的安全功能的概率的大小。IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)中將功能安全完整性劃分為了1～4個(gè)等級(jí)，如表1所示。安全完整性的等級(jí)越高；則安全相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率就越高，反之，則越低。

表1　安全完整性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表[5]

2　電力行業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)分析

整體上，電力行業(yè)可以劃分為電廠和電網(wǎng)兩部分；按流程劃分，包括發(fā)電、輸電、變電、配電和用電環(huán)節(jié)；按發(fā)電方式劃分，包括火電、水電、核電和可再生能源發(fā)電等。

電力行業(yè)產(chǎn)品涉及硬件產(chǎn)品、主站和終端應(yīng)用軟件產(chǎn)品，其現(xiàn)狀和特點(diǎn)如下所述。

a）電力行業(yè)產(chǎn)品如變壓器、互感器和自動(dòng)化系統(tǒng)往往都更新?lián)Q代慢，進(jìn)行新產(chǎn)品或新模式應(yīng)用相對(duì)難度大，時(shí)間跨度大。

b）電力行業(yè)產(chǎn)品的重要性和責(zé)任性重大，對(duì)安全性要求高。例如：刀閘開關(guān)是用來(lái)改變線路或?qū)⒃O(shè)備與電源進(jìn)行隔離的一種開頭，刀閘開頭的運(yùn)用既涉及到自身行業(yè)人身財(cái)產(chǎn)安全，又影響著其他行業(yè)的安全，因而其責(zé)任重大。深圳大規(guī)模停電事件，原因之一就是刀閘開關(guān)設(shè)備故障。

c）軟硬件產(chǎn)品多樣，設(shè)備復(fù)雜度高，安全隱患大。電力行業(yè)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等多個(gè)環(huán)節(jié)均需要通過調(diào)度、變電、配電和計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)才具有信息采集、信息處理和系統(tǒng)控制等功能。設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜度高，安全隱患大。

d）電力行業(yè)智能化和信息化發(fā)展對(duì)功能的安全需求高。電力行業(yè)正在大力地發(fā)展智能電網(wǎng)，采用傳感、測(cè)量、控制和決策技術(shù)進(jìn)行高效運(yùn)行，運(yùn)行安全更多的是依靠信息化系統(tǒng)和智能系統(tǒng)，受人為干預(yù)的影響程度越來(lái)越小，因此，保證信息化系統(tǒng)和智能化產(chǎn)品的功能安全，便成為了電力企業(yè)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

e）通過了功能安全認(rèn)證的軟硬件產(chǎn)品較少。大量的事故表明，雖然電力行業(yè)的設(shè)備生產(chǎn)廠商提供了可靠性較高的電氣產(chǎn)品，但是整個(gè)電力行業(yè)按照安全生命周期開發(fā)設(shè)計(jì)的設(shè)備較少，功能安全保障嚴(yán)重滯后。

3　功能安全在電力行業(yè)中的實(shí)施預(yù)案

結(jié)合電力行業(yè)的特點(diǎn)，提出了功能安全在電力行業(yè)中的實(shí)施預(yù)案[8]，具體的方法如下所述。

3.1建立電力行業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和評(píng)估體系

我國(guó)應(yīng)在借鑒國(guó)外和其他行業(yè)功能安全應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立適合電力行業(yè)的特點(diǎn)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估體系[9]，并將標(biāo)準(zhǔn)上升為法律法規(guī)進(jìn)行實(shí)施。電力行業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容應(yīng)該包括電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品安全完整性等級(jí)、安全生命周期和產(chǎn)品功能安全管理體系；產(chǎn)品類型上應(yīng)該包括軟件功能安全和硬件功能安全。電力行業(yè)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1　電力行業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

3.2建立自上而下的管理組織機(jī)構(gòu)和功能安全管理體系

建立電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后，電力企業(yè)應(yīng)建立符合標(biāo)準(zhǔn)要求的管理組織機(jī)構(gòu)和管理體系。管理體系應(yīng)該包括組織、人員和設(shè)備子系統(tǒng)的管理，如圖2所示。

圖2　電力行業(yè)功能安全管理體系

3.3建立電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品全安全生命周期管理和評(píng)估制度

目前，電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品大多缺乏功能安全認(rèn)證，未按照功能安全生命周期各階段的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，缺乏完整的功能安全規(guī)劃與設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、可靠性分析、安全測(cè)試、集成測(cè)試和安全驗(yàn)證，以及確認(rèn)過程。同時(shí)，軟硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺乏基礎(chǔ)的可靠性數(shù)據(jù)支撐。設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)的缺乏制約了電力行業(yè)產(chǎn)品的安全性設(shè)計(jì)。在參考其他行業(yè)[10]軟硬件產(chǎn)品安全生命周期并結(jié)合電力行業(yè)自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品安全生命周期管理和評(píng)估體系，如圖3所示。

下面以電力行業(yè)隔離開關(guān)（刀閘開關(guān)）為例進(jìn)行說明。

a）產(chǎn)品概念階段

對(duì)隔離開關(guān)及其安全相關(guān)系統(tǒng)、環(huán)境和法律法規(guī)要求有所了解。

b）整體概況階段

確定隔離開關(guān)及其控制系統(tǒng)的作用、邊界、目標(biāo)和分析范圍，包括誤開、誤合閘等危險(xiǎn)因素。

c）危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析階段

危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)分析的方法包括經(jīng)驗(yàn)法（參考相關(guān)產(chǎn)品故障模式和數(shù)據(jù)）和HAZOP等[11]。隔離開關(guān)危險(xiǎn)嚴(yán)重度表和危險(xiǎn)事件概率分別如表2、3所示[12]。

圖3　電力行業(yè)產(chǎn)品安全生命周期

表2　隔離開關(guān)危險(xiǎn)事件嚴(yán)重度劃分表

表3　隔離開關(guān)危險(xiǎn)源發(fā)生頻率劃分表

HAZOP分析方法[13]是基于危險(xiǎn)源的、以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。HAZOP分析方法在電力行業(yè)應(yīng)用的“引導(dǎo)詞優(yōu)先”分析流程圖如圖4所示。

d）整體安全要求階段

根據(jù)圖5所示的方式分析并確定原始風(fēng)險(xiǎn)和可接受風(fēng)險(xiǎn)的降低程度，確定隔離開關(guān)的要求和安全完整性等級(jí)，確定隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)和風(fēng)險(xiǎn)降低措施的安全功能和需求規(guī)范。

e）安全需求分配階段

利用隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)、外部風(fēng)險(xiǎn)降低設(shè)施和其他安全相關(guān)系統(tǒng)分擔(dān)需要完成的安全功能，從而確定相應(yīng)的安全功能的安全完整性等級(jí)。例如：防止開關(guān)帶負(fù)荷誤操作的連鎖裝置或防止大的故障磁力作用下斷開開關(guān)的銷子等。

f）整體計(jì)劃階段

根據(jù)安全需求分配制定隔離開關(guān)整體計(jì)劃，包括運(yùn)行、維護(hù)、安裝、試運(yùn)行和安全確認(rèn)計(jì)劃。其中，隔離開關(guān)運(yùn)行維護(hù)計(jì)劃和安裝試運(yùn)行計(jì)劃的主要內(nèi)容應(yīng)包括：隔離開關(guān)日常運(yùn)行維護(hù)措施、不安全狀態(tài)的特殊措施和對(duì)策、相關(guān)危險(xiǎn)事件說明、維護(hù)范圍、運(yùn)行維護(hù)目錄、試運(yùn)行時(shí)間、隔離開關(guān)安裝時(shí)間、安裝步驟、安裝順序、安裝時(shí)應(yīng)注意的問題和安裝完畢標(biāo)準(zhǔn)，以及故障處理步驟等。

g）安全功能實(shí)現(xiàn)階段

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)符合電力行業(yè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求的隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)、其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)和外部風(fēng)險(xiǎn)降低措施，保障安全功能的實(shí)現(xiàn)。

圖4　引導(dǎo)詞優(yōu)先分析流程

圖5　安全相關(guān)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制

h）整體安裝和試運(yùn)行階段

完成隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)的安裝和試運(yùn)行。

i）整體安全確認(rèn)階段

確認(rèn)隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)在安全完整性和安全功能實(shí)現(xiàn)方面達(dá)到了整體安全階段確定的隔離開關(guān)安全需求規(guī)范的要求。

j）整體運(yùn)行維護(hù)和修理階段

對(duì)隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和修理，包括隔離開關(guān)修理計(jì)劃、修理步驟、注意事項(xiàng)和維護(hù)時(shí)間表，以及目錄、功能安全審核和修改歸檔等內(nèi)容。

k）整體修改和翻新階段

保證隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)、其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)和外部風(fēng)險(xiǎn)降低措施在修改過程中具有正確的安全功能，包括風(fēng)險(xiǎn)分析、后果分析和影響隔離開關(guān)功能安全修改的安全確認(rèn)。

l）報(bào)廢和處理階段

確保隔離開關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)達(dá)到終止條件，并進(jìn)行報(bào)廢和處理。處理過程中需請(qǐng)求認(rèn)可，明確報(bào)廢和處理步驟，進(jìn)行后果分析、拆除和歸檔。若在報(bào)廢和處理過程中對(duì)隔離開關(guān)功能安全產(chǎn)生了影響，則需返回到產(chǎn)品安全生命周期對(duì)應(yīng)階段。

3.4建立電力行業(yè)功能安全文檔體系

文檔是產(chǎn)品的一部分，是功能安全體系的重要組成部分，安全生命周期的各個(gè)階段都應(yīng)輸出相應(yīng)的成果文檔，以便于有效地管理產(chǎn)品安全生命周期內(nèi)所有階段的分析、驗(yàn)證、評(píng)估和確認(rèn)結(jié)果。以電力行業(yè)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)為例，輸出文檔如表4所示。

4　功能安全在電力行業(yè)實(shí)施時(shí)應(yīng)注意的問題

4.1電力行業(yè)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)是電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品安全可靠設(shè)計(jì)的重要保障，是對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要依據(jù)。通過收集電力系統(tǒng)的各種設(shè)備原始數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，在收集的可靠性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由從事電力行業(yè)可靠性研究的機(jī)構(gòu)進(jìn)行電力產(chǎn)品的可靠性統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合電力行業(yè)的特點(diǎn)，挖掘和建立實(shí)用、有效、一致的電力行業(yè)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，包括發(fā)電設(shè)備、繼電保護(hù)設(shè)備（系統(tǒng)）、監(jiān)控（設(shè)備）系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2全安全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

電力行業(yè)產(chǎn)品涉及變壓器、互感器等高壓、強(qiáng)電危險(xiǎn)設(shè)備，極易造成人員傷殘、環(huán)境污染、發(fā)電裝置的損壞和財(cái)產(chǎn)的損失。功能安全在電力行業(yè)應(yīng)用的過程中，需要在產(chǎn)品開發(fā)安全生命周期各階段進(jìn)行充分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[14]，降低設(shè)備可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，將風(fēng)險(xiǎn)降低到可容忍的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表4　調(diào)度自動(dòng)化軟件系統(tǒng)生命周期輸出文檔

4.3功能安全產(chǎn)品認(rèn)證

電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品種類繁多，需對(duì)采購(gòu)的軟硬件產(chǎn)品包括發(fā)電機(jī)、變壓器、電抗器、互感器、斷路器、繼電保護(hù)裝置和刀閘開關(guān)等進(jìn)行功能安全認(rèn)證[15]，降低產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)，保證安全生產(chǎn)。

4.4功能安全培訓(xùn)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)

功能安全的應(yīng)用實(shí)施，最終需要依靠企業(yè)員工執(zhí)行，因此，只有提高企業(yè)管理層和基層員工的功能安全意識(shí)和素質(zhì)，才能保證功能安全在電力行業(yè)中的成功應(yīng)用，積累電力行業(yè)功能安全應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。因此，電力企業(yè)應(yīng)積極地組織功能安全培訓(xùn)，鼓勵(lì)員工學(xué)習(xí)功能安全知識(shí)，建立自己的功能安全團(tuán)隊(duì)，為功能安全在電力行業(yè)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了功能安全、安全完整性和安全生命周期的概念和理論，并對(duì)電力行業(yè)目前的產(chǎn)品現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)，闡述了在電力行業(yè)應(yīng)用功能安全的具體的實(shí)施預(yù)案，并指出了在電力行業(yè)應(yīng)用功能安全時(shí)應(yīng)該注意的一些問題。由于電力行業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜性和多樣性，后續(xù)還需要對(duì)電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全完整性定級(jí)等方面進(jìn)行深入的研究。

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Application Plan of Functional Safety in Power Industry

CHEN Hua-jun1，3，4，ZHANG Bao-lin2，HUANG Xiao-kun2，LUO Yin2
（1. China Southern Power Grid Information Technologt and Information Securitt Laboratort，Guangzhou 510080，China；2. CEPREI，Guangzhou 510610，China；3. The 5th Laboratort of Electric Power Information Securitt Classified Protection Test and Evaluation Center，Guangzhou 510080，China；4. China Southern Power Grid Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510080，China）

Abstract：With the increase of power generation and the expansion of the network range of power ststem，the safett problem has become the crux of the stable development of power industrt. As one of the important component of risk management ststem，functional safett standard mainlt focus on controlling the overall risk of a ststem within an acceptable range with technologt and management. On the basis of IEC 61508，the characteristics of hardware and software products of power industrt are summarized，and the concrete implementation of functional safety in power industry is discussed. Besides，the problems need to be paid attention to and the ket research direction while applting functional safett in power industrt are pointed out.

Key words：functional safett；power industrt；risk；safett lifectcle；functional safett integritt level

作者簡(jiǎn)介：陳華軍（1980），男，湖北黃岡人，南方電網(wǎng)信息技術(shù)與信息安全實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師，碩士，從事電力信息與通信、信息安全及智能電網(wǎng)相關(guān)研究工作。

收稿日期：2015-09-24

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.011

中圖分類號(hào)：TM 732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5468（2016）02-0052-06