基于北斗系统的电力同步网可靠性模型研究

刘　凯，刘　艳，方华亮，侯　慧，王旭海，宋晓皖

（1.中国电力科学研究院高电压研究所，武汉 430074；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072；3.武汉理工大学自动化学院，武汉 430072；4.三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002）

基于北斗系统的电力同步网可靠性模型研究

刘凯1，刘艳1，方华亮2，侯慧3，王旭海2，宋晓皖4

（1.中国电力科学研究院高电压研究所，武汉 430074；2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072；3.武汉理工大学自动化学院，武汉 430072；4.三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002）

北斗系统可提高电力同步网可靠性，为电力系统的运行控制及安全保护提供更加可靠的授时信号。考虑北斗的自主研制技术及短报文通信优势，建立了北斗系统的可靠性模型。根据电网可靠性需求及北斗特点，研究了北斗系统在电力同步网中的布点原则。基于北斗系统的短报文通信特点，提出了基于北斗的同步网的重构方式，及同步网可靠性分析模型。以某地区电网的同步网为算例进行了仿真分析，计算结果表明，北斗系统可有效提高同步网的可靠性。

同步网；电力系统；北斗短报文；可靠性；重构

随着我国智能电网的发展，数字化、智能化装置的大量使用，电力系统中发电厂、调度中心及变电站内部均有大量的计算机监控系统、远程终端单元RTU（remote terminal unit）、安全自动装置、保护装置、故障录波器等自动化设备。这些装置的正常工作需要统一的全网时间基准，如何实现全网的统一时标，是智能电网发展中基础性问题之一。

目前我国电力系统的时间源主要是采用美国的民用全球定位系统GPS（global positioning system），在非常时期，美国有可能关闭或调整GPS信号质量，将引发我国电网系统的重大安全事故。因此，使用GPS始终存在这种潜在的致命隐患因素，目前我国电网每年都有因GPS卫星授时不准而发生的事故。

借助于我国自主研制的区域性卫星导航定位和通信系统—北斗卫星系统卫星，是解决我国电网同步授时中隐患的新途径。北斗卫星导航系统相对于GPS具有独特的优点，在高精度授时、短报文通信等方面均具有独特的优势，其单向授时精度100 ns，双向授时达到20 ns，完全满足电力系统授时精度要求。北斗短报文通信可在极端故障条件下传输重要信息，有助于极端故障恢复。北斗的核心芯片目前已实现国产化，还可根据用户需求提供灵活的定制化服务。

当前电力同步网的研究主要集中在同步方式、组网原则及方案等方面。文献［1-5］分析了时间同步的理论方法及标准，研究了电力同步网的组网方式及原则，针对实际电网的同步网组网方案进行了分析。文献［6］研究了北斗在电力系统中的应用，使用GPS共同组建同步网。文献［7-10］对电力通信网的可靠性模型进行了可靠性评估。当前的同步网的授时精度可以满足电力系统需要，但其可靠性问题尚未引起关注，对电力同步网的可靠性的研究主要集中在硬件运行的可靠性，设备的冗余备份等。同步网中同步节点、网络结构规划、运行控制，均需考虑其可靠性水平，北斗系统的自身特点均可提高可靠性。

对比当前GPS，本文分析了北斗系统的特点，建立其可靠性评估模型，探讨了北斗在电网中的应用及布点原则等，研究了北斗系统的电力同步网的可靠性分析模型，最后进行了仿真分析。北斗系统在电力同步网中的应用，将提高同步网的可靠性水平，为北斗在电力系统中的深化应用提供科学的参考原则。

1　北斗系统的可靠性模型

基于北斗的电力全网时间同步管理系统，由中心主站监控系统和安装在各个厂站的时间同步装置组成。其时间同步装置通过跟踪卫星高精度时标并提供各类标准时间信号，中心主站监控系统利用北斗通信信道，完成对厂站的时间同步装置运行状态监测、时间比对和同步控制功能。

电力同步网的可靠性是指在网络中设备自身缺陷、老化等内部因素，及自然环境、人为等外部因素的影响下，通信网络在规定条件下、规定时间内将同步信号传送至同步终端的能力。

系统正常运行的可靠性评估，通常采用平均故障间隔时间MTBF（mean time between failure）、平均运行（无故障）时间MTTF（mean time to failure）、平均修复时间MTTR（mean time to restore）以及可用率A、不可用率U来衡量，其关系为［9］

元件i的故障率及修复率分别为

元件i的可用率为

北斗系统可靠性可从其自身特点来分析MTTF、MTTR等可靠性参数。北斗的核心芯片已国产化，不受制于国外核心计算，还可根据用户要求定制可靠性水平更高的同步设备。GPS由美国维护控制，北斗由我国自己维护控制，其MTTR会相应缩短。GPS可能会发生非正常停运事件，北斗系统由我国自主研制，不存在非正常停运事件，北斗系统的MTTF会增大。此外，北斗的短报文通信可监视自身的运行情况，及时调整和维护，减少修复时间，可减少等效故障率λi，GPS无此功能。相对于GPS，北斗的这些特点可提高其运行的可靠性，其可用度Ai高于GPS。

2　基于可靠性的同步网中北斗系统布点原则

电力同步网的可靠性是影响电力网运行可靠性的关键性基础因素之一，同步网中的关键节点的同步信号质量及可靠性，直接影响着电力网的安全稳定运行。在电网网中重要区域布置高质量的北斗同步设备，可提高同步网的可靠性，也提高了电力网运行的可靠性。

以电网运行可靠性需求为导向，确定同步网中同步设备的可靠性布局原则，达到同步网运行的可靠性要求。基于电力网的网架结构及运行可靠性需求，当前同步网的结构及可靠性分析，在当前电力同步网的基础上北斗同步设备的布点基本原则如下：

（1）电网中的调度控制中心，如国调、省调、地调等，在这些同步要求高的位置装设北斗同步设备，可提高整个控制区域的同步信号的可靠性。

（2）电网中的关键运行区域，如重要枢纽变电站节点，大区域电网之间的大功率输送断面，一些重要大负荷区域的变电站节点等，可有效保证重点区域的监测及控制需求。

（3）同步网的整体可靠性布局，针对同步网中某些区域可靠性较低的薄弱点，可选择这些薄弱点中心设置北斗同步节点，提高薄弱区域的可靠性。

（4）极端故障情况或偏远区域，针对通信系统瘫痪，或通信条件差的偏远山区，北斗自身的短报文通信可监测同步节点的运行情况，从而缩短系统恢复时间，提高可靠性。

3　同步网的可靠性分析模型

3.1元件组合的可靠性模型

电力同步网中同步节点包括多个同步设备，同步节点的整体可靠性是由多个元件的可靠性参数的串并联等效得到。多个同步元件之间通过串并联进行连接，可以通过一系列的串并联等效化简成一个等效元件，便于可靠性评估分析。如两个元件的串并联情况，设两个元件的故障率为λ1、λ2，修复率为μ1、μ2，可用率为A1、A2。

两个元件的串联等效模型为

两个元件的并联等效模型为

理论上，多个元件的系统可以通过串并联变换，最后得到等效后的一个元件。在电力同步网中，一个同步节点上可能有来自北斗、GPS、原子钟，多个同步信号源合成得到一个等效同步源。多个同步源经过串并联网络，得到一个等效同步源，通过公式（8）、（9）计算得到等效可用率。在同步网中，某几个同步源经过一定的路径到达某终端，通过串并联网络，可计算得到该终端同步信号的可用率。根据同步网中多个终端的可用率，可计算得到同步网的平均可用率。

3.2北斗同步网重构的遗传进化算法

北斗同步设备具有自身短报文通信功能，可以监测所在节点的运行情况，如果出现故障导致节点失效，同步网中其他北斗所在节点通过短报文可感知到该节点失效。基于短报文信息，针对失效节点导致失去同步信号的终端节点，进行网络重构，改变同步源节点的同步信号的传递路径，传递到所需的终端节点，从而提高同步网的可靠性［11-12］。

图1为混合方式的同步网，包括k个独立同步区，一般每个同步区内设一个LRP节点，同步网内为主从方式同步，所有支路系列形成向量Xi=（L1,…,Lm,Lm+1,…,LN），每个分量对应两个同步节点之间的支路，其中L1,…,Lm为各个同步区内的支路，Lm+1,…,LN为同步区之间的支路，即边界支路。支路一般有3种工作状态，所有同步节点正常工作情况下的方向取值为1，反之取为-1，断开时为0。

图1　混合方式的同步网Fig.1　Hybrid synchronization network

根据失效节点情况进行网络重构，改变同步源传递同步信号的路径，关键环节是得到最优传递路径。遗传算法操作简单，改进其中的控制参数，可得到更快的收敛性，电力同步网具体重构的计算流程如图2所示。结合北斗系统的短报文通信功能，同步网内的北斗节点可以相互感知，动态跟踪北斗节点的状态，遗传算法对多种状态的进化操作，得到最优的动态重构网络。

图2　同步网重构的计算流程Fig.2　Flow chart of synchronization network reconfiguration

对于初始种群的生成，可选择每个北斗同步节点正常工作状态作为初始种群的一部分。变异对可靠性低区域，即失效节点附近支路，改变其中个体支路状态。交叉组合、互补得到可靠性高，不同区域之间的可靠性交叉，每个同步区交叉，保留可靠性高区域。选择适应度高的个体保留在种群，计算适应度最小的个体，与上次迭代后最小适应度个体比较，如相同说明迭代完成，计算此时同步网可靠性水平，否则继续迭代。

1）变异操作

变异操作以一定的概率来改变个体向量中某些分量值，产生新的个体，达到更高的可靠性状态。关键内容是确定变化概率大小（变异因子），直接决定了新个体值的适应性及收敛快慢，常规算法中变异因子为常数。同步网中不同区域中支路的变异概率不一样，针对同步网中出现失效节点的区域，确定失效节点的临近支路及区域边界支路。失效节点出现较多的区域其变异概率较大，以便通过更多的变化状态重构得到可靠性更高的个体。

令H=（h1,h2,h3,…,hN）；其中…,N，hi表示各个分量对应的变异因子大小，hi计算如下：

式中：Nloc为支路所在区域失效节点个数；Ntotal为总的失效节点数；kh、h0为常数，调整变异概率大小。不同同步区域内失效节点多，则变异概率大；若无失效节点，则变异概率很小为常数值h0。这种变异因子向量的定义与同步网运行实际情况较符合。

2）交叉操作

种群中的目标向量Xi,M和变异向量Xi,M+1由下面的方案进行混合，产生试验Ui,M+1。为保证个体Xi,M的进化，通过随机选择，使得Ui,M+1至少有一位由Xi,M+1贡献，否则将不会产生新的父代向量，种群将不会被改变，而对于其他位，可利用一个交叉概率因子CR，决定Ui,M+1中哪位由Xi,M贡献，哪位由Xi,M+1贡献，方案如下：

对于多个重构状态的向量，需从中进行一定交叉组合，得到适应度更好的重构个体。同步网中多个同步区，同步区之间的边界支路作为交叉位，交叉操作时整个相关联的同步网进行整体交叉，可靠性高整体替代可靠性低的同步网，实现优化组合。

3）选择操作

采用的选择模式为

当且仅当试验个体Ui,M+1的适应度优于目标个体Xi,M时，Ui,M+1被选做子代，替换原来的Xi,M，否则Xi,M被保留到下一代。

每个重构向量都是同步网的一个候选状态，如何选择同步网的最优状态解，需定义一个反映同步网可靠性的适应度函数进行参考。同步信号的传递路径长短是反映可靠性的重要标志，同步网中传递路径的平均值为

式中：Di为同步信号源节点传输同步信号到相应的终端节点之间物理距离；i=1，2，…，Nter，Nter为终端节点数。

传递路径Di越长表示同步信号的可靠性越差，同步网的所有传递路径的平均值Rˉ越小，表明可靠性越高，在种群中保留Rˉ值较小的一组向量Ui,M+1作为候选值。

4　算例分析

以某地区实际电网的局部同步网的结构为算例，如图3所示，该地区目前主要是基于GPS的同步网，其运行的可靠性水平始终存在一定的隐患。在该地区的重要同步节点上装设北斗同步设备，分布布置1级、2级、3级节点。该同步网分为两个同步区：P区和Q区，各设一个1级时钟节点，设置一些1级、3级时钟节点。其中P8Q11支路、P10Q5支路为两个同步网域边界支路，平时断开作为备用，故障时相互支援。同步区域内部的虚线表示备用，初始状态为0，故障时根据情况投入使用。

图3　某地区同步网Fig.3　Synchronization network of certain area

考虑北斗系统的自主研发，短报文通信，可减少修复时间，北斗系统的运行可靠性参数应高于GPS。同步网节点目前只有原子钟和GPS，设置其中一些节点装设北斗同步设备。假定同样级别上的同步设备的可用率相同，设定上北斗同步设备、GPS、原子钟及通信支路的可用率如表1所示，计算得到1级、2级、3级时钟节点的可用率如表2所示。

表1　元件可用率数据Tab.1　Availability data of components

表2　节点平均可用率Tab.2　Average availability of node

1）同步网的可用率计算结果

根据元件串并联关系的可用度计算公式，首先由各个元件可用率计算得到各级节点可用率，各级节点经过通信支路串并联，可计算得到同步信号传递至各终端上的可用率，最后计算各终端可用率的平均值。加装北斗同步设备前后的可用率结果的对比如表3所示。

表3　同步区的可用率数据Tab.3　Availability data of synchronization area

2）N-1情况下的可用率结果

同步网中有1个节点失效时，北斗设备利用自身短报文通信功能可记录整个节点基本事故信息，相互通信，迅速进行传递路径重构，快速恢复同步信号。此时整个同步区的可靠性有所下降，如表4所示，但通过网络重构仍能正常运行。

表4　N-1情况下的可用率数据Tab.4　Availability data of N-1 fault

如果P0所在的1级节点失效，P5同步信号来自P0，P0此时传递过来是3级同步信号，对P5不可用，失效前P8是来自P0的1级同步信号，此时P8只能接受来自P5的2级同步信号。经过网络重构，开通P8Q11支路，P8可接受来自Q6的1级同步信号，提高了其可靠性。

3）严重故障情况下的可靠性结果

严重故障是指多重故障造成多个终端同步节点失去同步信号，可计算每个同步终端失去同步信号的概率，然后计算其平均值，即可评估多重故障下的同步网的可靠性水平。对于3重或以上故障发生的概率极低，这里暂不分析更高故障下的可靠性。针对N-2情况进行可靠性分析，发现其中Q3、Q6节点失效时后果最严重，此时Q同步区1级、2级同步节点均失效，只剩下1个3级节点，需要启用两个同步网域边界支路P8Q11支路、P10Q5支路，进行同步网重构，Q同步区主要从P同步区取得同步信号。

由以上分析结果可知，装设北斗同步设备后，各节点的可用率提高。整个同步网的可靠性提高，故障情况下的适应性提高，对薄弱环节可加装北斗设备，提高局部，从而提高整体可靠性水平。

5　结语

目前北斗系统已逐步在电力系统中开始应用，如何提高其同步的可靠性是影响电力系统运行的关键问题之一。提出了北斗系统的可靠性评估模型，基于北斗系统的自主研制技术，及短报文通信优点，可有效提高其可靠性。研究了基于北斗的同步网的重构方式下的可靠性分析模型，基于北斗的短报文通信特点，对各类情况下同步网进行重构，提高了同步网的可靠性水平，也提高了电力系统有效的可靠性。北斗系统及同步网的可靠性分析模型，为北斗系统在电力系统中的深化应用提供了参考原则。下一步拟研究北斗提高同步网可靠性的计算方法，及对电力系统运行可靠性水平的影响。

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Research on Reliability Model of Electric Power Synchronization Network Based on Beidou System

LIU Kai1，LIU Yan1，FANG Hualiang2，HOU Hui3，WANG Xuhai2，SONG Xiaowan4
（1.High Voltage Department，China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China；2.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；3.School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430072，China；4.School of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Beidou system can improve the reliability of power synchronization network，which may offer more reliable timing signals for operation control and safety protection in power system.Based on the independently developed technology and the advantage in short message communication，the reliability model of Beidou system is built.According to the characteristics of Beidou and the reliability demand of power network，the distribution principle of Beidou system in synchronous power system is studied.Based on the characteristics of Beidou short message communication，the reconfiguration approach and the reliability analysis model of the synchronization network are put forward.With a synchronous power grid of a certain area as an example，the results show that Beidou system can effectively improve the reliability of synchronization network.

synchronization network；power system；Beidou short message system；reliability；reconfiguration

TM

A

1003-8930（2016）09-0008-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.09.002

刘凯（1979—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统运行与控制。Email：1141445113@qq.com

刘艳（1979—），女，博士，高级工程师，研究方向为电网遥感监测与线路运行维护。Email：6598691@qq.com

方华亮（1977—），男，通信作者，博士，副教授，研究方向为电力系统控制与通信等。Email：hlfang@whu.edu.cn

2015-05-06；

2016-04-05

国家自然科学基金资助项目（51107090，51107047）；国家电网公司基础性前瞻性科技项目（GY71-13-016）