智能变电站网络结构可靠性分析

2022-01-17国网湖北省电力公司鄂士平国网湖北省电力公司电力科学研究院王作维张侃君黎恒烜

电力设备管理 2021年15期

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南京南瑞继保电气有限公司刘东超丁杰胡桂平

引言

智能变电站在工作时需要发送运行、状态和控制等数字化信息[1]，从而使得各种各样的智能电子设备(Intelligent Electronic Devices，IED )在智能变电站中的大量应用。智能变电站作为连接智能设与变电站的纽带，智能变电站运行可靠性与信息传输共同决定了智能变电站自动化系统的可用性，是智能变电站自动化系统不可或缺的一部分。因而进一步研究网络通信系统的可靠性具有非凡意义。

1 智能变电站网络建立的关键技术

1.1 IEC68150

IEC61850标准是通用网络通信平台的变电站自动化系统的唯一国际标准[2],按照IEC61850标准，变电站通信系统通常分为三层：站控层、间隔层和过程层。对于站控层和间隔层，主要是通过运用抽象的通信服务接口映射方法来制造报文规范、传输控制协议/网络协议、光纤网络或者以太网。对于间隔层和过程层，两者之间采用的网络则是单向传输以太网，它的特点是从一点到多点进行连接。对于智能变电站而言，其智能电子设备包含了IED、测量控制单元以及继电器，它们使用统一的协议通过网络交换信息。

1.2 VLAN

VLAN，即虚拟局域网。作为一种现代的交换技术，通过虚拟局域网，管理员可以在同一个物理局域网内针对不同的用户使用虚拟局域网技术。在虚拟局域网具体的使用过程中，可以依据逻辑需求，将其划分成为不同的广播域，在局域网上所形成的每一个虚拟局域网都具有一致的特点和属性。从物理层来看，虚拟局域网涵盖了一组有共同需求的计算机工作站。由于虚拟局域网是依据实际的需求逻辑来进行划分的，因而只要处于同一虚拟局域网内，工作站就可以处在不同的物理局域网段，而不是仅仅局限在同一个物理范围之内。对于虚拟以太网，其广播以及单播流量并不会转发到另外的虚拟局域网，这样有利于于对流量进行控制、降低设备的硬件投资以及将网络管理简化，通过利用虚拟局域网的相关特性来进一步提高网络的安全性。此外，变电站控制段和非控制段可以在逻辑上进行划分，无需依赖物理网络构成。

1.3 生成树协议

生成树协议 (STP) 背后的基本思想是利用根网桥的交换机的根来创建“树”。根据相关设置，选择交换机作为根桥，且在任何时刻仅有单根桥。根桥作为起点，可以发送相关的配置信息，而非根桥则负责接收和转发相应的配置信息。STP 最主要的应用之一便是用其来避免局域网网络的回环，将它用来处理关于以太网的“广播风暴问题”。生成树协议作为以太网的一种关键保护技术，它可以消除以太网因连接错误或事故而产生的回环，还可以为以太网提供连接功能的备份，可以与SDH 构成以太中使用的双重保护方法。

2 智能变电站的网络通信结构

IEC61850标准是智能变电站的基础之一[3]。智能变电站系统一共包含了3个主要功能，分别是控制功能、监视功能以及继电保护功能。智能变电站通信系统部分我们可以将其划分为三个层次，即站控层、间隔层以及过程层三个层次。

IEC61850还为智能变电站自动化系统提供了相应的以太网结构，当网络负载小于25%时，以太网的响应速度快于令牌总线网络。如图1所示为一个典型的智能变电站结构，该智能变电站包括36套主保护装置和36套后备保护装置，用以负责监测线路、开关和变压器。此外，还有72套IED 和保护装置响应电压、电流、功率等信息的传输。在智能变电站以太网结构的最底层，可以看出6个保护设备与6个IED 共同使用一个交换机。而6个交换机又通过星型网络连接到路由器，进而与服务器和广域网进行通信。

图1 智能变电站的星型以太网结构

3 智能变电站的网络可靠性分析

3.1 故障树分析

在系统搭建流程中，FTA 为故障树分析法，利用其对引起系统故障的各个因素（包括软、硬件和外部环境等）进行分析，并基于此绘制逻辑流程图；此外，FTA 可以分析各种情况下故障发生的可能性及其缘由，进而计算系统发生故障的概率，并选择与之相对于的补救对策。FTA 还可以定性和定量分析系统的可靠性，因而在电力系统中得到了广泛的应用。

3.2 贝叶斯网络技术

贝叶斯网络（Bayesian network，BN）是根据概率分析理论和图论的不确定性知识表示和推理进而建立的模型[4]。BN 是一种有方向、没有环网的图，由结点和连接它们的有向线段组成。它的结点表示系统的随机变量，结点之间的关系用有向线段描述；结点间的联系用该结点与其上一级结点间的条件概率表达。BN 技术类似于FTA，其能够清晰说明事故多态性与故障逻辑关系的不确定性，广泛用于讨论系统的安全可靠性。

3.3 基于故障树的贝叶斯网络技术研究

本文利用贝叶斯和故障树分析法的优点，共同共同分析系统的可靠性；其能够简化运算，并省略关于最小割集的分析部分。同时，采取BN 的双向推理理论，分析系统的薄弱环节。首先绘制故障树图，然后绘制基于故障树的贝叶斯网络。利用BN的逻辑关系，能够进一步解释变量间的联系。在此换算过程中，故障树的“与”逻辑需要转换为BN的“或”结点；故障树中的“或”结点需要转换为BN 的“与”结点。如图2所示为BN 的与、或逻辑结点，关于结点( A，B，C )的值，“1”表示故障，“0”表示正常。

图2 贝叶斯网络的与、或逻辑

FTA 是为了能够求出终端事件发生的概率，一般是系统故障。对应的完整处理是找到并计算系统的最小割集，通常是求解出顶事件的发生概率。例如图2(a)中命名为“C”的系统节点，关于“C”的失效概率函数如下：

所以图2(b)中系统结点‘C’的失效概率函数如下：

计算大系统时，对应的计算量也大。BN 是基于变量的概率约束，表示的是节点间条件独立性。根据BN 技术能够极大的减少计算量，同时利用其双向推理技术能够识别系统内薄弱环节。此外，FTA可以利用负荷点的失效事件得出可靠性指标。

3.4 算例仿真分析

以图中智能变电站的结构为例，共有6个交换机，每个交换机包括12个装置，分别对应六个保护装置连接口和IED 装置连接口。一般认为顶事件是指智能变电站发生的通信系统故障，而造成顶事件发生的原因有：故障发生处的微机保护装置不动作、路由器损坏和服务器失灵、智能电子设备连接口失效、系统保护设备损坏、交换机发生故障等。

根据设备制造商提供的数据，假设平均修复时间值为48小时。设备的脱机程度和故障概率如表1所示，服对系统可靠性影响最大的是服务器，其远超IED 接口和采用双配置的计算机保护设备。

表1 通信网络设备的无效性

从表2可以看出，每个设备对可靠性所起的作用。因为对保护装置进行了双层配置，使得IED连接口和基于微处理器保护装置的处理性能得到了改善，在很大程度降低了影响系统可靠性的故障发生概率。此外，还能够得出交换机、路由器等设备在对系统可靠性的影响上，远超IED 连接口和采用双配置的计算机保护装置，且结果符合实际运行情况。