智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估與分析研究

唐志軍，翟博龍，晁武杰，林國(guó)棟，江信海

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建福州 350007；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司，福建福州 350003）

智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估與分析研究

唐志軍1，翟博龍1，晁武杰1，林國(guó)棟1，江信海2

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建福州 350007；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司，福建福州 350003）

智能變電站二次系統(tǒng)是信息化時(shí)代的新型產(chǎn)物，通過與傳統(tǒng)電力管理中的繼電保護(hù)、自動(dòng)安裝裝置以及智能化通信手段結(jié)合，保證基礎(chǔ)電力管理智能化、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息模型標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施[1]。目前，隨著電力系統(tǒng)工作量日漸增加，二次系統(tǒng)運(yùn)行問題也日漸突出，研究智能變電站二次系統(tǒng)，提高其可靠性已成為目前國(guó)際上關(guān)于智能變電站研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

現(xiàn)今，關(guān)于智能變電站二次系統(tǒng)可靠性研究報(bào)道較多，文獻(xiàn)[2-3]提出利用故障樹方式進(jìn)行分析，并通過計(jì)算獲得了通信系統(tǒng)的可用率及失效度；文獻(xiàn)[4]則采用數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)，通過可靠性框圖，研究了不同冗余條件的可靠性問題；文獻(xiàn)[5]則基于IEC 61850-9-2后系統(tǒng)的可靠性，獲得了系統(tǒng)可靠性與智能電子設(shè)備的正比例關(guān)系；文獻(xiàn)[6]則基于智能變電站二次系統(tǒng)的通信鏈路作為支路、以智能設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)，利用通信鏈路傳輸數(shù)據(jù)的可靠性模型，基于層次分析法，研究智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，該結(jié)果具有一定的實(shí)用性和合理性。然而這些可靠性評(píng)估并不全面，且沒有考慮元器件的失效性。但在實(shí)際運(yùn)行中，智能變電站二次系統(tǒng)的器件失效問題是無法避免的。本文主要結(jié)合失效模型，利用評(píng)估指標(biāo)系統(tǒng)期望功能失效量、功能穩(wěn)態(tài)不可用率和失效概率，并利用非序貫蒙特卡羅方法，通過仿真分析，評(píng)估智能變電站二次系統(tǒng)可靠性。與已有研究相比，本文創(chuàng)新點(diǎn)在于綜合考慮了器件失效狀態(tài)，并基于評(píng)估指標(biāo)系統(tǒng)和非序貫蒙特卡羅法進(jìn)行分析。

1 智能變電站二次系統(tǒng)

隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能變電站也得到了高速發(fā)展。智能變電站以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行劃分，目的是實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的信息共享，使變電站的朝著智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)變電站，智能變電站在電氣二次系統(tǒng)方面有很大區(qū)別。

1.1 智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬于分布式結(jié)構(gòu)，基于IEC 61850的智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三層，即：過程層、間隔層以及站控層。具體示意圖如圖1所示。

從邏輯結(jié)構(gòu)考慮，變電站內(nèi)部包括兩層網(wǎng)絡(luò)，其中過程網(wǎng)絡(luò)主要確保信息暢通、實(shí)現(xiàn)信息共享。依據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，過程網(wǎng)絡(luò)包括兩種重要數(shù)據(jù)——SMV采樣值報(bào)文和GOOSE報(bào)文，這些報(bào)文方式包括整個(gè)變電站所有信息。SMV采樣值報(bào)文主要用于上傳過程的電流電壓發(fā)送；在后期，上送開關(guān)量及下文發(fā)合閘控制命令的行文則由GOOSE報(bào)文完成。為此，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，這兩種報(bào)文要相互合作，不可分割。

圖1 智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the secondary system of an intelligent substation

1.2 智能變電站二次系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)

1）關(guān)鍵設(shè)備

目前，智能變電站的關(guān)鍵設(shè)備包括電子式互感器、保護(hù)測(cè)控一體化裝備以及智能組件等。其中，保護(hù)測(cè)控一體化裝置是二次系統(tǒng)的重要設(shè)備，不可缺少，包括兩部分——保護(hù)裝置和測(cè)控裝置，在智能變電站中采用測(cè)控一體化裝置，主要原因有兩個(gè)方面[7-8]：一是確保整個(gè)二次系統(tǒng)運(yùn)行正常；基于IEC61850協(xié)議，保護(hù)測(cè)控裝置的建模和通信。電子式互感器組成包括4部分，具體為：傳感、單元及采集單元、本體結(jié)構(gòu)，主要用于完成二次裝置測(cè)量電流、電壓等參數(shù)的測(cè)控、保護(hù)、計(jì)量和錄波等。

2）關(guān)鍵技術(shù)

利用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建智能變電站的無障礙通信方式和智能變電站。未來，對(duì)于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，既可以在變電站內(nèi)部使用，也會(huì)在變電站間、調(diào)度中心間以及變電站等中使用。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)包括3個(gè)核心技術(shù)，即：基于功能進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，并利用邏輯原理進(jìn)行設(shè)備抽象；定義抽象通信服務(wù)接口，使通信功能與技術(shù)存在明顯界限；進(jìn)行變電站文件配置，完成物理設(shè)備的自我表達(dá)。

2 智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估分析

2.1 二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)

針對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)，電網(wǎng)運(yùn)行人員更加關(guān)注系統(tǒng)功能的可用性，即更加關(guān)注二次系統(tǒng)既定的業(yè)務(wù)能否實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)效果怎樣，以及能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。如果單獨(dú)給出某設(shè)備或軟件可靠性分析結(jié)果，難以有效表示上述問題。為此，本文基于二次系統(tǒng)功能，借鑒俞斌等[7]構(gòu)建的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建了以下指標(biāo)，即：

1）系統(tǒng)期望功能失效量（Expected functions not working，EFNW）

式中：Ci為智能變電站二次系統(tǒng)在狀態(tài)i下的功能失效數(shù)量，Pi為二次系統(tǒng)在狀態(tài)i的概率。

2）功能穩(wěn)態(tài)不可用率Us

式中：Af（t）為功能的可用率，tfailure為功能故障時(shí)間，為總時(shí)間。

3）系統(tǒng)功能失效概率（Lossoffunction probability，LOFP）

式中：S為智能變電站二次系統(tǒng)中有功能失效狀態(tài)全部集合；Pi為在狀態(tài)i條件下二次系統(tǒng)的失效概率。

2.2 智能變電站二次系統(tǒng)可靠性模型

智能變電站結(jié)構(gòu)屬于分層分布式，總體可靠性與節(jié)點(diǎn)可靠性和支路可靠性密切相關(guān)?；诖?，本文基于節(jié)點(diǎn)及支路可靠性模型，進(jìn)行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性分析。

1）節(jié)點(diǎn)可靠性模型

所謂智能變電站的網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)指的是二次系統(tǒng)使用的智能設(shè)備和子系統(tǒng)。其中，網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)可靠度用Aij表示，具體模型如下：

式中，λ為故障率；μ為修復(fù)率；MTTR為平均修復(fù)時(shí)間；MTTF為智能變電站系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。在二次系統(tǒng)中，不同元件可靠度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不同影響，因此，元件失效或停止運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的重要度用ai表示，確定方式為：首先確定目標(biāo)層為二次系統(tǒng)可靠性的層次分析模型；接著進(jìn)行判斷矩陣構(gòu)建，并進(jìn)行一次性檢驗(yàn)；最后基于特征值方法進(jìn)行重要度計(jì)算。

獲得二次系統(tǒng)各設(shè)備的失效率、重要度和修復(fù)率，便可利用下式進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的等效失效率計(jì)算，即[6]：

則智能變電站二次系統(tǒng)中各設(shè)備對(duì)變電站二次系統(tǒng)的等效可用度Aei可表示為

2）支路可靠性模型

通信網(wǎng)絡(luò)在智能變電站中極其重要，目前通信網(wǎng)絡(luò)已成為智能變電站二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵支路。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來講，通信網(wǎng)絡(luò)可靠度極為重要，原因在于通信網(wǎng)絡(luò)的功能為擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)傳輸。通信系統(tǒng)的效果可用于描述其可靠度，可用E表示，其模型為

相控陣超聲技術(shù)發(fā)展已有20多年，初期主要用于醫(yī)療領(lǐng)域，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使其在工業(yè)無損檢測(cè)中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。其主要原理是通過控制超聲聲束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，通過有限的陣元有序排列構(gòu)成的換能器陣列中各陣元的激勵(lì)時(shí)序，調(diào)整各個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的波形、幅度和延遲來改變聲波到達(dá)物體內(nèi)某點(diǎn)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)空間的疊加合成，完成超聲聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦。其工作原理圖如圖3。

式中，A為可用性，D為可行性，對(duì)于A和D，當(dāng)兩者都具有較高的數(shù)值時(shí)，則整個(gè)通信系統(tǒng)性能好，可靠度高。

3 算例分析

3.1 仿真系統(tǒng)及參數(shù)

為有效評(píng)估智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，本章利用非序貫蒙特卡羅進(jìn)行仿真，智能變電站二次系統(tǒng)型號(hào)選用T1-1型，如圖2所示。且算例僅僅從運(yùn)行、控制兩方面進(jìn)行考慮。二次系統(tǒng)參考功能信息模型進(jìn)行分解，可得到20個(gè)葉功能，如表1所示。其中，各功能邏輯連接和節(jié)點(diǎn)的名稱及含義見文獻(xiàn)[9]，在D1Q1、E1Q1、E1Q2、E1Q3間隔分布。

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)Fig.2 Main functions and logical nodes of the secondary system of the T1-1 type intelligent substation

表1 T1-1型智能變電站二次系統(tǒng)功能節(jié)點(diǎn)及邏輯節(jié)點(diǎn)Tab.1 Functional and logical nodes of the secondary system of the T1-1 type intelligent substation

而對(duì)于邏輯節(jié)點(diǎn)及連接的可靠性數(shù)據(jù)，主要依據(jù)文獻(xiàn)[10]，具體如表2所示，其中MTTR和MTBF分別表示平均修復(fù)時(shí)間和故障間隔時(shí)間。

表2 邏輯節(jié)點(diǎn)及邏輯連接的可靠性數(shù)據(jù)Tab.2 Reliability data of logical nodes and logical connections

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性評(píng)估，仿真方法為非序貫蒙特卡羅，具體實(shí)現(xiàn)為：

1）依照智能變電站二次系統(tǒng)各邏輯節(jié)點(diǎn)及連接的修復(fù)率及故障率，抽樣進(jìn)行非序貫蒙特卡羅仿真；

2）利用二次系統(tǒng)功能圖，進(jìn)行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性模型建立，得到不同的功能狀態(tài)；

4）計(jì)算功能失效量FNW；

5）判定FNW方差系數(shù)指標(biāo)要求能否滿足要求，如果滿足，則執(zhí)行下一步，如果不滿足，則需要重復(fù)1～4步；

6）對(duì)二次系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，包括系統(tǒng)期望功能失效量（EFNW）、功能穩(wěn)態(tài)不可用率Us、系統(tǒng)功能失效概率（LOFP）。

3.3 仿真結(jié)果及其分析

分析不同狀態(tài)下智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，包括通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及冗余配置兩種狀態(tài)，判斷方式包括：

a：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單星型，指二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)都滿足單重配置要求；

b：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為雙星型，指二次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)都滿足雙重配置要求，且通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立；

c：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為并行冗余，指二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)既滿足雙重配置要求，又滿足通信網(wǎng)絡(luò)并行冗余。

針對(duì)上述3種方式，計(jì)算可靠性指標(biāo)，所得結(jié)果如表3和表4所示。

由上述結(jié)果可知：

本研究描述的功能穩(wěn)態(tài)不可用率、系統(tǒng)功能失效概率以及期望功能失效量均可以有效反應(yīng)智能變電站二次系統(tǒng)全局運(yùn)行的可靠性。

本研究分析3個(gè)案例的邏輯節(jié)點(diǎn)及連接故障率的靈敏度，通過變化邏輯節(jié)點(diǎn)及連接故障率系數(shù)，計(jì)算智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性，所得結(jié)果如圖3和圖4所示。

表3 功能穩(wěn)態(tài)不可用率（×10-4）Tab.3 Unavailability of the functional steady state（×10-4）

表4 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Tab.4 System reliability indicators

通過分析圖3可以發(fā)現(xiàn)：3條EFNW曲線斜率對(duì)比發(fā)現(xiàn)單星型網(wǎng)絡(luò)故障率敏感期最高、雙星型次之，并行冗余最低，也最可靠。通過分析圖4可以發(fā)現(xiàn)：LOFP相對(duì)于EFNW，可以更加快速的展現(xiàn)二次系統(tǒng)可靠性依據(jù)邏輯節(jié)點(diǎn)及連接故障率的變化。這表明基于系統(tǒng)功能失效概率（LOFP）以及失效量（EFNW）、功能穩(wěn)態(tài)不可用率Us作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，利用非序貫蒙特卡羅仿真方法進(jìn)行智能變電站二次系統(tǒng)可靠性有效。

圖3 期望功能失效量靈敏度Fig.3 Expected function failure quantity sensibility

圖4 功能失效概率靈敏度Fig.4 Expected functions failure probability

4 結(jié)論

智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，也是智能化技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)。為有效解決智能變電站二次系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在器件失效的問題，本文采用系統(tǒng)期望功能失效量、功能穩(wěn)態(tài)不可用率和失效概率3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用非序貫蒙特卡羅仿真方法，研究智能變電站二次系統(tǒng)可靠性，并進(jìn)行分析與評(píng)估。實(shí)踐表明，這種方法具有良好的可行性和可操作性，適宜分析器件失效問題。

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Research on Reliability Evaluation and Analysis of the Secondary System in the Intelligent Substation

TANG Zhijun1，ZHAI Bolong1，CHAO Wujie1，LIN Guodong1，JIANG Xinhai2
（1.Fuzhou Electric Power Research Institute，State Grid Fujian Electric Power Company，F(xiàn)uzhou 350007，F(xiàn)ujian，China；2.Fujian Billion Yung Information Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350003，F(xiàn)ujian，China）

To address device failures which exist in the secondary system of the intelligent substation in the actual operation，taking the expected function failure rate，function steady-state unavailability and function failure probability as the evaluation criteria，we use the non-sequential Monte Carlo simulation method to analyze and evaluate the secondary system reliability of the intelligent substation through simulations.

intelligentsubstation； secondary system；reliability

為有效解決在實(shí)際運(yùn)行中，智能變電站二次系統(tǒng)存在器件失效問題，采用系統(tǒng)期望功能失效量、功能穩(wěn)態(tài)不可用率和失效概率3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用非序貫蒙特卡羅，通過仿真分析，研究智能變電站二次系統(tǒng)可靠性。

智能變電站；二次系統(tǒng)；可靠性

1674-3814（2017）09-0084-05

TM62

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51271110）；國(guó)家電網(wǎng)福建省電力公司科研資助項(xiàng)目（NC2012068）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51271110）；Technical Research Program of the State Grid Fujian Province Electric Power Company（NC2012068）.

2017-03-15。

唐志軍（1973—），男，工程碩士，高級(jí)工程師，研究方向：繼電保護(hù)與自動(dòng)化。

（編輯 李沈）