網(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)的可靠性評(píng)估模型

張延旭

摘 要：網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)缺少有效的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)可靠性評(píng)估模型，致使網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)的可靠性評(píng)估和提升缺乏理論依據(jù)。本文建立了虛擬連接的可靠性模型，為網(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)分析提供了有效方法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化；繼電保護(hù)；可靠性

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

網(wǎng)絡(luò)的引入引發(fā)了眾多關(guān)于繼電保護(hù)新原理和架構(gòu)體系的探討與研究，以提高繼電保護(hù)的性能和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)缺少有效的網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)可靠性評(píng)估模型，致使網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)的可靠性評(píng)估和提升缺乏理論依據(jù)。本文建立了虛擬連接的可靠性模型，為網(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)分析提供了有效方法。

1.虛擬連接失效的故障樹模型

對(duì)于虛擬連接而言，可能引起保護(hù)失效的因素主要包括：（1）跳閘GOOSE報(bào)文誤碼（GBER）；（2）報(bào)文丟包（LS），分為GOOSE報(bào)文丟包（GLS），SV報(bào)文丟包（SLS）和PTP報(bào)文丟包（PLS）；（3）虛擬連接斷線（LB），包括GOOSE報(bào)文對(duì)應(yīng)的虛擬連接斷線（GLB），SV報(bào)文連接斷線（SLB）以及PTP報(bào)文連接斷線（PLB）；（4）報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時(shí)超過規(guī)定的范圍（DE），具體可分為GOOSE報(bào)文延時(shí)過大（GDE），SV（SDE）報(bào)文延時(shí)過大和PTP報(bào)文延時(shí)過大（PDE）。

根據(jù)繼電保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)與上述各因素的關(guān)系，可構(gòu)建虛擬連接存在誤動(dòng)和拒動(dòng)因素的故障樹模型，如圖1和圖2所示。

2.誤碼失效率模型

如果GOOSE的誤碼恰好發(fā)生在表示跳閘信息的那一位，則既可能引起繼電保護(hù)誤動(dòng)，也可能引起拒動(dòng)，兩者概率相等。假設(shè)某GOOSE虛擬連接所映射的物理鏈路共有w個(gè)實(shí)體設(shè)備，其誤碼率均為BER，若該GOOSE報(bào)文的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則由該虛擬連接誤碼引發(fā)誤動(dòng)或拒動(dòng)的失效率為則誤碼引發(fā)的誤動(dòng)和拒動(dòng)的失效率均為?λGBER。

3.丟包失效率模型

丟包對(duì)誤動(dòng)和拒動(dòng)產(chǎn)生影響的原因不同。對(duì)于采用差動(dòng)保護(hù)原理的保護(hù)而言，若由于SV報(bào)文的丟包導(dǎo)致差動(dòng)的計(jì)算結(jié)果超過了動(dòng)作值，則會(huì)引起誤動(dòng)。若SV的丟包過多使得保護(hù)裝置根本無法判斷是否發(fā)生故障，則可能會(huì)引起保護(hù)的拒動(dòng)，可以認(rèn)為SV丟包引發(fā)誤動(dòng)和拒動(dòng)的概率各占50%。跳閘GOOSE報(bào)文的丟包會(huì)引發(fā)繼電保護(hù)的拒動(dòng)。PTP報(bào)文的丟包會(huì)引起時(shí)鐘之間的同步精度，一般幾幀報(bào)文的丟失對(duì)同步精度影響不大，但若發(fā)生持續(xù)大量的PTP報(bào)文丟包，則時(shí)鐘失步嚴(yán)重，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘偏差值下，均有可能引發(fā)誤動(dòng)和拒動(dòng)，可以認(rèn)為時(shí)鐘失步引發(fā)誤動(dòng)和拒動(dòng)的概率各占50%。

丟包主要在交換機(jī)中發(fā)生，對(duì)于某一確定的交換設(shè)備而言，其丟包率與交換機(jī)負(fù)載成負(fù)指數(shù)關(guān)系。而網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)系統(tǒng)中交換機(jī)的負(fù)載具有一定的確定性，主要體現(xiàn)為在網(wǎng)絡(luò)正常工作的情況下，SV報(bào)文和PTP報(bào)文的負(fù)載確定，GOOSE報(bào)文的負(fù)載有一個(gè)確定的上界。因此，可以根據(jù)虛擬連接與實(shí)體設(shè)備之間的映射關(guān)系計(jì)算出某臺(tái)交換機(jī)的負(fù)載上界，進(jìn)而確定交換機(jī)的丟包率。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)發(fā)生如廣播風(fēng)暴，擁塞等故障的情況，由于其丟包情況比較極端，因此將這一類丟包歸于引發(fā)虛擬連接斷線的原因。

對(duì)于不同報(bào)文而言，由于其重要度不同而被賦予了不同的優(yōu)先級(jí)，若SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文共有p路，優(yōu)先級(jí)均為y1，而PTP報(bào)文有q路，優(yōu)先級(jí)均為y2，則可利用加權(quán)的方法來近似計(jì)算不同報(bào)文的丟包率。假設(shè)由n幀SV報(bào)文i丟包可以引發(fā)繼電保護(hù)的拒動(dòng)或誤動(dòng)，則SV報(bào)文的丟包失效率λSLS可近似地利用下式進(jìn)行計(jì)算。

式中，li為SV報(bào)文的負(fù)載流量，Lk為報(bào)文經(jīng)過的第k臺(tái)交換機(jī)的總負(fù)載，K為常數(shù)系數(shù)，m表示SV報(bào)文i的虛擬連接所映射的物理鏈路共有m臺(tái)交換機(jī)。λPLS和λGLS也可以利用類似的方法進(jìn)行計(jì)算。SV報(bào)文和PTP報(bào)文丟包引發(fā)的誤動(dòng)或拒動(dòng)的失效率分別為?λSLS和?λPLS。

4.虛擬連接斷線失效率模型

虛擬連接發(fā)生斷線使繼電保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)的原因與丟包類似，而使繼電保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)的原因主要是PTP連線斷線引發(fā)的時(shí)鐘失步。虛擬連接斷線失效率與其所映射的實(shí)體設(shè)備的故障率相關(guān)。一個(gè)簡(jiǎn)單的MU到保護(hù)IED的某SV報(bào)文的虛擬連接所映射的物理鏈路如圖3所示。

其中，F(xiàn)B和SW分別代表光纖和交換機(jī)?？梢?，該SV報(bào)文虛擬連接的斷線失效率λSLB可依據(jù)其所映射的物理設(shè)備的故障率求得，如式（3）。

5.報(bào)文延時(shí)過大失效率模型

IEC61850-5對(duì)各類報(bào)文的最大網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)做了規(guī)定，報(bào)文傳輸延時(shí)超過規(guī)定范圍所引發(fā)繼電保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)的原因與虛擬連接斷線類似。

報(bào)文在交換機(jī)中的駐留時(shí)間在報(bào)文傳輸總延時(shí)中占了絕大部分，其他延時(shí)占總延時(shí)的份額較少且相對(duì)固定。由于交換機(jī)的排隊(duì)延時(shí)與網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)負(fù)載密切關(guān)聯(lián)，因此交換機(jī)駐留時(shí)間具有波動(dòng)性。若某臺(tái)交換機(jī)同屬于q路GOOSE報(bào)文的虛擬連接所映射的物理鏈路，則在網(wǎng)絡(luò)正常工作的情況下，該交換機(jī)可能的最大負(fù)載（最長(zhǎng)排隊(duì)延時(shí)）是在該q路報(bào)文均突發(fā)的情況下產(chǎn)生的。而廣播風(fēng)暴等網(wǎng)絡(luò)故障被歸為虛擬連接斷線，因此，此時(shí)的報(bào)文延時(shí)過大失效率為0。

若在大方式下，有報(bào)文的延時(shí)已經(jīng)超過了規(guī)定的范圍，則報(bào)文延時(shí)過大失效率與GOOSE報(bào)文的突發(fā)概率相關(guān)?？紤]到排隊(duì)延時(shí)與負(fù)載基本上成正比關(guān)系，假設(shè)每一種GOOSE突發(fā)的概率（相對(duì)好統(tǒng)計(jì)一點(diǎn)）均為λpri，其發(fā)生后均會(huì)增加d個(gè)單位的排隊(duì)延時(shí)，則對(duì)于SV報(bào)文而言，其報(bào)文延時(shí)過大失效率λSDE為

其中，T表示所規(guī)定的SV報(bào)文的最大傳輸延時(shí)，E表示SV報(bào)文虛擬連接所映射的物理鏈路上除排隊(duì)延時(shí)外相對(duì)固定的部分，m為該鏈路上交換機(jī)的臺(tái)數(shù)。λGDE和λPDE的計(jì)算方法類似。

結(jié)論

本文構(gòu)建了虛擬連接的可靠性模型，該模型能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)的可靠性研究提供建模和評(píng)估手段，有利于提升網(wǎng)絡(luò)化繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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