智能变电站二次系统可靠性评估与分析研究

唐志军，翟博龙，晁武杰，林国栋，江信海

（1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建福州 350007；2.福建亿榕信息技术有限公司，福建福州 350003）

智能变电站二次系统可靠性评估与分析研究

唐志军1，翟博龙1，晁武杰1，林国栋1，江信海2

（1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建福州 350007；2.福建亿榕信息技术有限公司，福建福州 350003）

智能变电站二次系统是信息化时代的新型产物，通过与传统电力管理中的继电保护、自动安装装置以及智能化通信手段结合，保证基础电力管理智能化、数据传输网络化、信息模型标准化的实施[1]。目前，随着电力系统工作量日渐增加，二次系统运行问题也日渐突出，研究智能变电站二次系统，提高其可靠性已成为目前国际上关于智能变电站研究的重点和难点。

现今，关于智能变电站二次系统可靠性研究报道较多，文献[2-3]提出利用故障树方式进行分析，并通过计算获得了通信系统的可用率及失效度；文献[4]则采用数字化继电保护系统，通过可靠性框图，研究了不同冗余条件的可靠性问题；文献[5]则基于IEC 61850-9-2后系统的可靠性，获得了系统可靠性与智能电子设备的正比例关系；文献[6]则基于智能变电站二次系统的通信链路作为支路、以智能设备作为节点，利用通信链路传输数据的可靠性模型，基于层次分析法，研究智能变电站二次系统可靠性，该结果具有一定的实用性和合理性。然而这些可靠性评估并不全面，且没有考虑元器件的失效性。但在实际运行中，智能变电站二次系统的器件失效问题是无法避免的。本文主要结合失效模型，利用评估指标系统期望功能失效量、功能稳态不可用率和失效概率，并利用非序贯蒙特卡罗方法，通过仿真分析，评估智能变电站二次系统可靠性。与已有研究相比，本文创新点在于综合考虑了器件失效状态，并基于评估指标系统和非序贯蒙特卡罗法进行分析。

1 智能变电站二次系统

随着智能电网的飞速发展，智能变电站也得到了高速发展。智能变电站以IEC 61850标准为基础进行划分，目的是实现智能设备的信息共享，使变电站的朝着智能化、现代化方向发展。相对于传统变电站，智能变电站在电气二次系统方面有很大区别。

1.1 智能变电站二次系统结构

智能变电站二次系统结构属于分布式结构，基于IEC 61850的智能变电站二次系统结构包括三层，即：过程层、间隔层以及站控层。具体示意图如图1所示。

从逻辑结构考虑，变电站内部包括两层网络，其中过程网络主要确保信息畅通、实现信息共享。依据IEC 61850标准，过程网络包括两种重要数据——SMV采样值报文和GOOSE报文，这些报文方式包括整个变电站所有信息。SMV采样值报文主要用于上传过程的电流电压发送；在后期，上送开关量及下文发合闸控制命令的行文则由GOOSE报文完成。为此，在数据传输过程中，这两种报文要相互合作，不可分割。

图1 智能变电站二次系统结构图Fig.1 Structure diagram of the secondary system of an intelligent substation

1.2 智能变电站二次系统的关键设备及技术

1）关键设备

目前，智能变电站的关键设备包括电子式互感器、保护测控一体化装备以及智能组件等。其中，保护测控一体化装置是二次系统的重要设备，不可缺少，包括两部分——保护装置和测控装置，在智能变电站中采用测控一体化装置，主要原因有两个方面[7-8]：一是确保整个二次系统运行正常；基于IEC61850协议，保护测控装置的建模和通信。电子式互感器组成包括4部分，具体为：传感、单元及采集单元、本体结构，主要用于完成二次装置测量电流、电压等参数的测控、保护、计量和录波等。

2）关键技术

利用IEC 61850标准，构建智能变电站的无障碍通信方式和智能变电站。未来，对于IEC 61850标准，既可以在变电站内部使用，也会在变电站间、调度中心间以及变电站等中使用。IEC 61850标准包括3个核心技术，即：基于功能进行节点划分，并利用逻辑原理进行设备抽象；定义抽象通信服务接口，使通信功能与技术存在明显界限；进行变电站文件配置，完成物理设备的自我表达。

2 智能变电站二次系统可靠性评估分析

2.1 二次系统可靠性评估指标

针对智能变电站二次系统，电网运行人员更加关注系统功能的可用性，即更加关注二次系统既定的业务能否实现，实现效果怎样，以及能否达到预期目标。如果单独给出某设备或软件可靠性分析结果，难以有效表示上述问题。为此，本文基于二次系统功能，借鉴俞斌等[7]构建的智能变电站二次系统可靠性评估指标，构建了以下指标，即：

1）系统期望功能失效量（Expected functions not working，EFNW）

式中：Ci为智能变电站二次系统在状态i下的功能失效数量，Pi为二次系统在状态i的概率。

2）功能稳态不可用率Us

式中：Af（t）为功能的可用率，tfailure为功能故障时间，为总时间。

3）系统功能失效概率（Lossoffunction probability，LOFP）

式中：S为智能变电站二次系统中有功能失效状态全部集合；Pi为在状态i条件下二次系统的失效概率。

2.2 智能变电站二次系统可靠性模型

智能变电站结构属于分层分布式，总体可靠性与节点可靠性和支路可靠性密切相关。基于此，本文基于节点及支路可靠性模型，进行智能变电站二次系统可靠性分析。

1）节点可靠性模型

所谓智能变电站的网络模型节点指的是二次系统使用的智能设备和子系统。其中，网络模型的节点可靠度用Aij表示，具体模型如下：

式中，λ为故障率；μ为修复率；MTTR为平均修复时间；MTTF为智能变电站系统持续运行时间。在二次系统中，不同元件可靠度对系统运行产生不同影响，因此，元件失效或停止运行对系统的重要度用ai表示，确定方式为：首先确定目标层为二次系统可靠性的层次分析模型；接着进行判断矩阵构建，并进行一次性检验；最后基于特征值方法进行重要度计算。

获得二次系统各设备的失效率、重要度和修复率，便可利用下式进行系统可靠性的等效失效率计算，即[6]：

则智能变电站二次系统中各设备对变电站二次系统的等效可用度Aei可表示为

2）支路可靠性模型

通信网络在智能变电站中极其重要，目前通信网络已成为智能变电站二次系统网络模型的关键支路。对整个系统来讲，通信网络可靠度极为重要，原因在于通信网络的功能为担负数据传输。通信系统的效果可用于描述其可靠度，可用E表示，其模型为

相控阵超声技术发展已有20多年，初期主要用于医疗领域，而随着计算机技术的发展，使其在工业无损检测中的应用成为现实。其主要原理是通过控制超声声束的偏转与聚焦，通过有限的阵元有序排列构成的换能器阵列中各阵元的激励时序，调整各个阵元发射信号的波形、幅度和延迟来改变声波到达物体内某点的相位关系，实现空间的叠加合成，完成超声声束偏转和聚焦。其工作原理图如图3。

式中，A为可用性，D为可行性，对于A和D，当两者都具有较高的数值时，则整个通信系统性能好，可靠度高。

3 算例分析

3.1 仿真系统及参数

为有效评估智能变电站二次系统可靠性，本章利用非序贯蒙特卡罗进行仿真，智能变电站二次系统型号选用T1-1型，如图2所示。且算例仅仅从运行、控制两方面进行考虑。二次系统参考功能信息模型进行分解，可得到20个叶功能，如表1所示。其中，各功能逻辑连接和节点的名称及含义见文献[9]，在D1Q1、E1Q1、E1Q2、E1Q3间隔分布。

图2 T1-1型智能变电站二次系统主要功能及逻辑节点Fig.2 Main functions and logical nodes of the secondary system of the T1-1 type intelligent substation

表1 T1-1型智能变电站二次系统功能节点及逻辑节点Tab.1 Functional and logical nodes of the secondary system of the T1-1 type intelligent substation

而对于逻辑节点及连接的可靠性数据，主要依据文献[10]，具体如表2所示，其中MTTR和MTBF分别表示平均修复时间和故障间隔时间。

表2 逻辑节点及逻辑连接的可靠性数据Tab.2 Reliability data of logical nodes and logical connections

3.2 算法实现

进行智能变电站二次系统可靠性评估，仿真方法为非序贯蒙特卡罗，具体实现为：

1）依照智能变电站二次系统各逻辑节点及连接的修复率及故障率，抽样进行非序贯蒙特卡罗仿真；

2）利用二次系统功能图，进行智能变电站二次系统可靠性模型建立，得到不同的功能状态；

4）计算功能失效量FNW；

5）判定FNW方差系数指标要求能否满足要求，如果满足，则执行下一步，如果不满足，则需要重复1～4步；

6）对二次系统的可靠性指标进行计算，包括系统期望功能失效量（EFNW）、功能稳态不可用率Us、系统功能失效概率（LOFP）。

3.3 仿真结果及其分析

分析不同状态下智能变电站二次系统可靠性，包括通信网络结构及冗余配置两种状态，判断方式包括：

a：网络拓扑结构为单星型，指二次设备及网络都满足单重配置要求；

b：网络拓扑结构为双星型，指二次设备和网络都满足双重配置要求，且通信网络独立；

c：网络拓扑结构为并行冗余，指二次设备及网络既满足双重配置要求，又满足通信网络并行冗余。

针对上述3种方式，计算可靠性指标，所得结果如表3和表4所示。

由上述结果可知：

本研究描述的功能稳态不可用率、系统功能失效概率以及期望功能失效量均可以有效反应智能变电站二次系统全局运行的可靠性。

本研究分析3个案例的逻辑节点及连接故障率的灵敏度，通过变化逻辑节点及连接故障率系数，计算智能变电站二次系统的可靠性，所得结果如图3和图4所示。

表3 功能稳态不可用率（×10-4）Tab.3 Unavailability of the functional steady state（×10-4）

表4 系统可靠性指标Tab.4 System reliability indicators

通过分析图3可以发现：3条EFNW曲线斜率对比发现单星型网络故障率敏感期最高、双星型次之，并行冗余最低，也最可靠。通过分析图4可以发现：LOFP相对于EFNW，可以更加快速的展现二次系统可靠性依据逻辑节点及连接故障率的变化。这表明基于系统功能失效概率（LOFP）以及失效量（EFNW）、功能稳态不可用率Us作为评估标准，利用非序贯蒙特卡罗仿真方法进行智能变电站二次系统可靠性有效。

图3 期望功能失效量灵敏度Fig.3 Expected function failure quantity sensibility

图4 功能失效概率灵敏度Fig.4 Expected functions failure probability

4 结论

智能变电站作为智能电网的重要组成部分，也是智能化技术的发展体现。为有效解决智能变电站二次系统在实际运行中存在器件失效的问题，本文采用系统期望功能失效量、功能稳态不可用率和失效概率3个评价指标，利用非序贯蒙特卡罗仿真方法，研究智能变电站二次系统可靠性，并进行分析与评估。实践表明，这种方法具有良好的可行性和可操作性，适宜分析器件失效问题。

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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，Fuzhou 350007，Fujian，China；2.Fujian Billion Yung Information Technology Co.，Ltd.，Fuzhou 350003，Fujian，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

为有效解决在实际运行中，智能变电站二次系统存在器件失效问题，采用系统期望功能失效量、功能稳态不可用率和失效概率3个评价指标，利用非序贯蒙特卡罗，通过仿真分析，研究智能变电站二次系统可靠性。

智能变电站；二次系统；可靠性

1674-3814（2017）09-0084-05

TM62

A

国家自然科学基金资助项目（51271110）；国家电网福建省电力公司科研资助项目（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。

唐志军（1973—），男，工程硕士，高级工程师，研究方向：继电保护与自动化。

（编辑 李沈）