數(shù)字化變電站系統(tǒng)可靠性與可用性研究

蘇達(dá) 魯達(dá)

【摘要】鑒于IEC 61850的數(shù)字化變電站系統(tǒng)有著與傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。對現(xiàn)有的變電站可靠性分析方法多是針對單裝置或單間隔，很難找到針對整個變電站自動化系統(tǒng)的分析。詳細(xì)介紹了IEC 61850的數(shù)字化變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分析了如何提高數(shù)字化變電站可靠性的方法，推出一種可以計算全站可靠性的方法。該方法可以有效的將數(shù)字化變電站系統(tǒng)劃分為四個子系統(tǒng)。巧用可用性框圖，對每個子系統(tǒng)參數(shù)的可靠性分別計算，而后通過可用性框圖，對整個變電站的可靠性參數(shù)進(jìn)行計算。該方法分析計算了一典型數(shù)字化變電站系統(tǒng)的可靠性。得出在合理采用裝置冗余及采用IEC 62439-PRP的并行網(wǎng)絡(luò)冗余其可靠性能夠滿足 IEC 61508 的要求。

【關(guān)鍵詞】IEC 61850；數(shù)字化變電站系統(tǒng)；可靠性；并行冗余

引言：

相比傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)，無論從構(gòu)成元件還是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上IEC61850數(shù)字化變電站都有著很大的不同。從元件上，數(shù)字化變電站系統(tǒng)分為一、二次設(shè)備兩個層面。由于以太網(wǎng)、智能斷路器及非常規(guī)互感器等新技術(shù)的應(yīng)用，使得一、二次設(shè)備有著更為緊密的聯(lián)系；從結(jié)構(gòu)上，數(shù)字化變電站可分為過程、間隔和站控層，各層內(nèi)部與各層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信都是采用高速以太網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)參與系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)并且能夠直接影響到整個系統(tǒng)的可靠性。這些都有效說明了數(shù)字化變電站的可靠性分析具有特殊性。另一方面，現(xiàn)有的變電站可靠性分析的方法大多針對單裝置或單間隔，少有針對整個變電站自動化系統(tǒng)。新技術(shù)不能以降低系統(tǒng)可靠性和可用性為代價。傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)的可靠性要求滿足IEC 61508，我們應(yīng)該如何分析和提高數(shù)字化變電站的可靠性？本文依據(jù)數(shù)字化變電站系統(tǒng)特點(diǎn)，闡述了提高數(shù)字化變電站可靠性的基本途徑，推出一種計算全站可靠性的方法。該方法將數(shù)字化變電站系統(tǒng)劃分為通信、控制、保護(hù)和站控層等四個子系統(tǒng)。

1、可靠性及可用性

IEC 60870-4標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于可靠性的定義為：“系統(tǒng)或設(shè)備在其特定的時間和特定的情況下，執(zhí)行其預(yù)期功能的能力”。數(shù)字化變電站系統(tǒng)的可靠性則是通過一系列可靠性的參數(shù)來衡量的。

1，可靠度 R.可靠度是指系統(tǒng)或設(shè)備在規(guī)定的條件和時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。實(shí)際運(yùn)用中假設(shè)系統(tǒng)或設(shè)備的故障是指數(shù)分布，其可靠度表達(dá)式為：（ ） e ，（ 0）tR t tλ ?= ≥ （1）其中，λ為系統(tǒng)或設(shè)備的故障率。

2，MTTF和MTBF.無故障的平均時間（MTTF）是指系統(tǒng)或設(shè)備出現(xiàn)第一次故障的平均期望時間。平均修復(fù)時間（MTTR）是指故障系統(tǒng)或設(shè)備得到修復(fù)所用的平均時間。兩次故障之間的平均時間（MTBF）包括平均修復(fù)時間。所以：MTBF MTTF MTTR = +（2）

3，不可用度q.1MTTRq AMTTF MTTR= ? =+（6）

2 提高數(shù)字化變電站的可靠性

依據(jù)數(shù)字化變電站的特點(diǎn)，其可靠性提高的基本途徑有：（1）用光纜替代銅纜，用以太網(wǎng)總線替代二次連接導(dǎo)線，從而可以大幅度減少系統(tǒng)中元件的數(shù)量；（2）利用網(wǎng)絡(luò)冗余和功能冗余來提高系統(tǒng)的可靠性；（3）提高系統(tǒng)可靠性充分利用系統(tǒng)和元件的自檢和監(jiān)視。本文主要探討采用系統(tǒng)或裝置冗余以及網(wǎng)絡(luò)冗余來提高數(shù)字化變電站系統(tǒng)的可靠性與可用性。

2.1 功能冗余

同傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)一樣，采用功能冗余以提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)冗余

同傳統(tǒng)變電站不同的是，通信網(wǎng)絡(luò)直接參與數(shù)字化變電站用于保護(hù)和測控的功能，變電站自動化系統(tǒng)的可靠性將直接受其可靠性的影響。為了通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的提高，網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計是最通常采用的方法。IEC 62439 標(biāo)準(zhǔn)中提出利用并行冗余協(xié)議 PRP（Parallel Redundancy Protocol，PRP）用以提高系統(tǒng)的可靠性?；?PRP 的冗余網(wǎng)絡(luò)要求裝置需包含雙以太網(wǎng)控制器和雙網(wǎng)絡(luò)端口，需要兩個完全獨(dú)立的以太網(wǎng)分別接入，用以實(shí)現(xiàn)裝置通信網(wǎng)絡(luò)的冗余。Fig.2 Network diagram based on PRP并行冗余協(xié)議的特點(diǎn)：（1）裝置內(nèi)含有鏈路冗余實(shí)體（Link Redundancy Entity），該實(shí)體可以將來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)同時發(fā)往雙端口。而其在接受數(shù)據(jù)時，該實(shí)體可以同時接收雙端口的數(shù)據(jù)，可以有效的保留第一個數(shù)據(jù)包并剔除重復(fù)的數(shù)據(jù)包。（2）兩個網(wǎng)絡(luò)都可以采用任意拓?fù)涞媒Y(jié)構(gòu)。 如A網(wǎng)采用星型拓?fù)?，B網(wǎng)采用環(huán)型拓?fù)?。?）采用通用交換機(jī)。IEC將在IEC 61850 Ed2.0中有效采用基于PRP的并行冗余網(wǎng)絡(luò)。下文中，假定變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)與過程層網(wǎng)絡(luò)均是采用基于 PRP 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 可用性的計算

鏈路或交換機(jī)故障發(fā)生時，雙網(wǎng)之間可以進(jìn)行無縫切換。站控層含有兩套獨(dú)立的系統(tǒng)：就地監(jiān)控（Station HMI）與遠(yuǎn)動系統(tǒng)（RTU），只要任一系統(tǒng)正常工作即可以完成對變電站的監(jiān)控。就地監(jiān)控和遠(yuǎn)動系統(tǒng)具有雙網(wǎng)絡(luò)端口，兩個通信網(wǎng)絡(luò)通過交換機(jī)分別接入其中。間隔層因?yàn)橛?8個間隔，并且各自安裝間隔控制單元。間隔內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)采用的是雙重化配置，兩套保護(hù)均完全獨(dú)立。

3.1 通信系統(tǒng)

上述對于PRP的并行冗余通信網(wǎng)絡(luò)中，兩個網(wǎng)絡(luò)同是由 20 臺（站控層 2 臺、間隔層 18 臺）交換機(jī)相連而成通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)拓?fù)鋵Νh(huán)路上任一鏈路的故障都有一定程度的冗余。所有交換機(jī)都正常工作是環(huán)網(wǎng)拓?fù)湔Ｍㄐ诺臈l件，并且最多只能有一條鏈路出現(xiàn)故障。所以鏈路可靠性表達(dá)式為：1em em0（1 ）i n i iniA C A A?== ?∑（7）其中：emA 是網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)可用度表達(dá)式；n 是環(huán)網(wǎng)中交換機(jī)之間的鏈路總數(shù)。

3.2 間隔保護(hù)系統(tǒng)

在數(shù)字化變電站系統(tǒng)內(nèi)探討分析保護(hù)系統(tǒng)可用性時，主要應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、斷路器 IED、合并單元、同步時鐘和交換機(jī)等的影響。間隔保護(hù)系統(tǒng)是采用兩套完全獨(dú)立的保護(hù)單元，只要任一保護(hù)單元正常工作，即可完成其保護(hù)的功能。

3.3 間隔控制系統(tǒng)

具有雙網(wǎng)絡(luò)端口的間隔控制系統(tǒng)內(nèi)的控制單元，通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)接于兩個并行的冗余通信系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)通信的冗余。

4 結(jié)論

本文對于IEC 61850 的數(shù)字化變電站系統(tǒng)的特點(diǎn)，推出一種計算全站可靠性的方法。該方法將數(shù)字化變電站系統(tǒng)劃分為4個子系統(tǒng)，利用可用性框圖計算每個子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，最后計算得出全站的可靠性指標(biāo)。結(jié)果顯示，同傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)相比，盡管數(shù)字化變電站系統(tǒng)中引入更多的電子裝置，但通過合理地實(shí)現(xiàn)功能冗余并采用基于IEC 62439 的并行冗余網(wǎng)絡(luò)，依舊可使各間隔及全站的可靠性達(dá)到IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)所需求的級別。本文意在數(shù)字化變電站的可靠性分析方法和結(jié)果可為實(shí)施數(shù)字化變電站系統(tǒng)提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

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