基于IEC 61850智能变电站通信网络的可靠性评估

徐毅, 袁保平, 朱学珍, 吴文涛, 夏轶炜, 程思

(国网安徽省电力公司 休宁县供电公司， 安徽 黄山 245400)

0 引言

在智能电网技术应用过程中，变电站是电力网络中的一个战略节点，它由大量变电站自动化系统(SAS)控制，监督和保护的开关设备和测量设备组成。变电站内变电站通信的IEC 61850标准的出现为SAS设计提供了广泛的解决方案[1]。数字信号处理、信息和通信技术的使用给变电站中使用的仪表、监视、通信、控制和保护系统带来了重大改变，但也会造成整体系统可靠性不足。因此，尽管实施IEC 61850标准提供了灵活性，但必须考虑系统的可用性和性能要求。

根据IEC 60870-4，可靠性定义为设备或系统在指定条件下，指定时间段内执行其预期功能的度量[2]。一种提高SAS可靠性的解决方案是按照IEC 61850的要求，用串行通信链代替铜缆线，以减少系统中电子设备的数量。另一种方法是在站层和间隔层中引入冗余。但是，这必须遵循相应的协议标准，协议是作为SAS中数据传输的基础。由于以太网通信技术是SAS的核心，因此冗余设计不仅覆盖保护设备，还覆盖SAS内部的通信系统。IEC 62439标准实现了无缝冗余通信的应用，可以促进时间关键信号(例如跳闸消息、采样数据)的传输，也将满足超高压变电站自动化系统中极高的可靠性要求。

根据IEC 61850，变电站中的数据传输基于必要的数据模型和通信服务[3]。但是，成功的通信还依赖于可靠的变电站通信网络(SCN)架构，该架构可提供大型地理位置分散的电力系统的动态信息交换。通常，SAS是一种分层结构，包括三个层，即站控层、间隔层和过程层，它们通过两条总线连接：站级总线和过程总线。本文将考虑两条总线的拓扑架构，以评估SAS系统的可靠性[4]。在可靠性和成本方面，对不同的站控层和间隔层通信系统的可能组合进行了分析和评估。

1 变电站总线架构

1.1 星形和环形架构

各种通信设备的站总线，方便了站控层与间隔层之间的通信以及IED架构内的通信。两种典型的SCN架构，星形和环形架构，如图1所示。

图1 星形(左)和环形(右)型SCN体系结构

假定每个自动化结构中有十个间隔。对于星型架构，中央站级交换机连接到所有间隔交换机，并进一步连接到每个间隔中分配的智能电子设备(IED)。中央交换机成为整个SCN的单点故障，因此大大影响了间隔信息的可用性。但是，环形体系结构通过形成交换机环而提供了固有的通信冗余，没有单点故障。IEEE 802.1中定义的快速生成树协议(RSTP)集成在环结构中， RSTP环形体系结构可以提供从250 ms到12 s的重新配置时间，它比传统的生成树协议(STP)更快，发生故障时的平均故障转移时间为30 s。

1.2 基于IEC 62439-3架构的并行冗余协议(PRP)

并行冗余协议(PRP)的概念是将带有两个以太网端口(运行PRP，DANP的双连接节点)的IED连接到两个独立的网络，并通过这两个局域网(LAN)同时发送重复的以太网数据包LAN A和LAN B)。因此，如果一个数据帧无法到达目的地，则目的地仍可以从另一网络接收所需的信息，而无需任何重新配置时间，从而提供了无缝的冗余。

根据IEC实现的双星形和双环形SCN冗余架构，如图2所示。

图2 双星(左)和环形(右)SCN冗余架构

部分IED是单连接节点(SAN)，因此，与PRP网络的连接需要一个Redbox。文中，假设所有的保护和控制装置都具有两个并行通信端口[5]。因此，可靠性模型中未考虑Redbox，站点控制中心需要防火墙设施，以防止数据受到外部网络攻击。

2 过程总线架构

2.1 过程总线组成

对于SCN架构，必须考虑间隔层和过程层的冗余，以消除所有单点故障。基于IEC 61850-9-2的过程总线包括硬件设备，软件，固件模块和用户定义的设置，这在满足SAS的可靠性和性能要求方面增加了难度。

当主要组件(CT/VT和断路器)可靠时，在可靠性分析中可不考虑这些组件[6]。每套保护和控制设备的电源也被认为是完全可靠的，因为它可以同时由多个电源提供，包括AC，电池和不间断电源(UPS)。

每个架构都有专用的IED，它们执行控制和保护功能。一个MU(合并单元)处理并提供一个保护和控制单元所需的所有信息。IEC兼容的IED应该有一个内部时钟作为时间戳，提供约1ms的精度。由于采样电流和电压还不足，因此需要考虑重复的外部时间源(TS)，以符合IEEE 1588的要求，从而实现更准确地系统级时间同步。

由于通信在过程总线结构中起着重要的作用，因此必须考虑以太网介质和以太网交换机的可靠性。以太网交换机(ESW)是连接以太网接口的活动通信节点，该接口能接收，处理并将以太网数据包转发到特定端口。

2.2 系统架构

关于间隔层通信网络中的冗余，文中考虑了两种基于IEC 61850的过程总线架构，如图3所示。

图3 两种可能的过程总线架构

间隔保护单元(BPU)在两种体系结构中均已实现冗余。与备份保护相比，冗余Main2保护还提供了更快的响应时间。因此，当Main1保护功能无法正常工作时，可以防止整个保护系统误操作。与第一过程总线体系结构(图3左)相比，体系结构2(图3右)还通过复制过程总线开关(SW)在通信系统中提供了冗余。

假定所有间隔的P&C IED是双连接节点(DANP)，因此可以通过不同的间隔连接到单个局域网(LAN A，不带虚线部分)或两个独立的LAN(LAN A和LAN B)液位开关。由于空间的限制，仅考虑冗余对过程总线体系结构的影响，不包括不同拓扑的其他可能解决方案。

3 系统可靠性评估

3.1 可靠性评估方法

全面了解系统的物理布局，可靠性数据以及维护程序，才能开始可靠性评估。在可修复的系统中，可以通过自检或手动测试程序来检测电子组件中的故障[7]。然后可以修复有问题的组件或将其替换。如果不能及时发现所有故障设备，将影响整个系统的可靠性。因此，在考虑和不考虑维修的情况下，都要检查系统的可靠性。

由于整个变电站自动化系统(SAS)可以看作是串联和并联结构的复杂组合。对于不可修复的系统，假定其组件的故障率具有恒定值Ai。尽管维修率是无限的，这意味着一旦组件进入故障状态，就永远无法返回正常。假设变电站组件的故障大致呈指数分布。考虑组件修复率时，使用马尔可夫模型可显示组合系统处于向上或向下状态的概率。通过进行等效过渡率的概念以计算组合系统的等效修复/故障率。平均故障时间(MTTF)，平均维修时间(MTTR)以及整个系统的可用性。

3.2 组件可靠性数据

为了客观地评估不同的SAS架构，需要就组件的可靠性参数达成一致。变电站中使用的所有元件的平均故障时间(MTTF)和平均维修时间(MTTR)值及其相对成本均可提供[8]。间隔IED和外部时间源(TS)被认为是相对不稳定的设备，此外，GPS时间参考信号很容易出现故障，阻塞或干扰。以太网交换机(SW)的可靠性指标取决于其采用的端口数量。因此，环形架构的站交换机比星形架构的站交换机更可靠，而星形架构的站交换机需要更多的以太网接口。以太网介质(EM)的可靠性和成本数字还取决于SAS的地理分布(电缆长度)。此外，所有故障设备都可以在24小时内检测到并修复或更换，组件的相对成本只能粗略估算，因为实际成本还取决于变电站的地理分布以及组件的供应商。

考虑到前面提到的过程总线和站总线结构的所有可能组合，比较了八种SCN架构(Arch1-8)。

架构1：单星形站和单过程总线

架构2：单环站总线和单过程总线

架构3：双星站总线和单过程总线

架构4：双环站总线和单过程总线

架构5：单星站总线和双重过程总线

架构6：单环站总线和双重过程总线

架构7：双星站总线和双重过程总线

架构8：双环站总线和双重过程总线

其中，前四个SAS体系结构在间隔通信网络中没有实现冗余，而在后四个体系中实现冗余。此外，从站总线到过程总线的架构7和架构8是完全冗余的，从而消除了变电站系统中的所有单点故障。

短暂性脑缺血发作病情虽较轻，短时间内病情缓解，但如反复发作常可诱发卒中，其发病机制主要是微血栓形成和动脉粥样硬化。依据其特点，可将其归属于中医学“中风”范畴，其病机关键是瘀血阻于脑府脉络，致脉络不通而发病。因此中西医在治疗本病均以抗血栓形成、改善血液循环为主。疏血通注射属于一种中成药注射剂，其主要成分是水蛭、地龙，二者均属于虫类药，具有搜剔脉络、活血化瘀的功效，而疏血通注射液则具有活血化瘀、通经活络的作用，药理作用则显示本品具有较好的抗凝、降低血液粘稠度、改善脑部微循环、修复损伤神经细胞等作用[4] 。综上，采用疏血通注射液治疗短暂性脑缺血发作效果理想，值得推广。

4 敏感性分析

4.1 灵敏度分析方法

由于可靠性评估中所用数据的高度不确定性，因此进行了敏感性分析，以确定假定数据对风险评估结果的影响。此外，此方法还可用于识别系统中最弱和最关键的组件。然后可以提高这些关键组件的可靠性，以实现更高的整体系统可靠性。这里使用两种方法[9]。

降低风险价值(RRW)：组件i的RRW指数通过使组件完美(λi=0)，同时将其他组件的所有故障率均在其基值上反映。

大范围方法：每个组件的可靠性数据又在很大范围内变化，以检查每种类型的组件的可靠性对整体系统可靠性/不可靠性的影响。

4.2 灵敏度分析结果

由于篇幅所限，这里仅介绍架构1和架构 8的组件灵敏度分析，这是根据先前评估得出的分别具有最低和最高可靠性的体系结构。如表1所示。

表1 架构1和8每个组件的RRW值

这些结果突出显示了对系统可靠性影响最大的组件。对于架构1，通过提高站交换器的可靠性来实现最高的整体可靠性增强，这代表了通信路径中的单点故障(RRW短波=1.83)。同时，就整个变电站自动化系统而言，站切换的故障将导致所有下游间隔单元的信息丢失。然而，对于相对可靠的架构8，最初被认为是最不可靠的IED对整体可靠性的影响最大(RRWed=1.93)。因此，设备的重要性取决于其可靠性、系统中的位置和通信体系结构。

架构1和架构8系统可靠性的变化，如图4、图5所示。

图4 MTTF对架构1系统的不可靠性影响

图5 MTTF对架构8系统的不可靠性影响

可以得出类似的结论：Arch1和Arch8分别对以太网交换机(SW)和IED最敏感。敏感组件的可靠性提高会导致系统可靠性的最大提高，而设备可靠性的下降则会明显损害系统。虽然以太网媒体(EM)之类的设备具有很高的可靠性，但由于数量比其他组件要大，对这两种体系结构的系统可靠性都具有很大的影响。

5 总结

针对不同的SCN体系结构，当交换机的可用性相当高时，环形站总线是一种可靠且具有成本效益的拓扑。PRP的SCN体系结构的使用是一种经济且被广泛接受的解决方案，可满足SAS中的可用性和性能要求。过程总线中的冗余大大提高了分布式功能的可靠性，但是，冗余一直被认为是一种昂贵的可靠性增强方法，因此仅应对任务关键型组件实施。另外，维修在增强系统性能方面起着至关重要的作用，如果可以及时发现并修复有缺陷的组件，则系统的MTTF会大大增加。敏感性分析表明，每个组件对通信服务故障的影响取决于其位置，可靠性和数量。

上述方法有利于分析SCN架构对基于IEC 61850的智能电站性能的影响。因此，可以实现优化变电站SCN体系结构和通信网络的可靠性。