智能变电站保护系统可靠性的自动分析方法

智能变电站保护系统可靠性的自动分析方法

黄夫阳戴明明

国网亳州供电公司安徽亳州236800

摘要：目前，世界各国都在大力发展智能电网建设，作为智能电网的基础智能电站同样也变得更加重要，智能电站是发展智能电网的重要基础支撑。智能电站设备的发展也取得了十足的进步，智能电站设备采用现代先进的信息通信技术，以高速宽带网络进行通信，采用微型化和智能化的处理器。传统变电站的二次设备相互独立，通过硬件连接起来，智能变电站已经从内部结构上进行升级，将智能变电站二次设备不同模块间的功能集成到一个模块上，实现了设备智能化、通信协议规范化、信息传输网络化的特点，从而达到测量系统、通信系统和保护系统的有机统一目的。基于此，本文主要对智能变电站保护系统可靠性的自动分析方法进行分析探讨。

关键词：智能变电站；保护系统；可靠性；自动分析方法

前言

智能变电站和常规变电站的一个重要区别是，前者在工程配置中广泛采用变电站配置描述（SubstationConfigurationDescription，SCD）文件。与变电站所采用的其他配置文件相比，SCD文件具有两点重要区别，其一是该文件具有严谨的语法结构和语义描述，因而实现了“机器可读”（machinereadable）；其二是该文件完整描述了变电站的一次系统拓扑、智能电子装置（IntelligentElectronicDevice，IED）内的功能拓扑以及全站的通信拓扑。这样，SCD文件的作用将不仅仅局限于工程配置，还可用于对智能变电站进行自动的性能评估。

1SCD建模

在SCD文件所描述的智能变电站系统中，包含了逻辑和物理两个子系统，如图1所示。

图1SCD中描述的逻辑与物理子系统

逻辑子系统以逻辑节点（LN）为核心。为了完成各种智能变电站功能，LN之间需要进行数据交换。在IEC61850中，利用逻辑连接（LogicalConnection，LC）表示LN之间的虚拟通信连接。LC可通过多种服务方式实现，如Report、GOOSE、SV等；而物理子系统则以IED为核心。在IEC61850中，利用物理连接（PhysicalConnection，PC）表示IED之间真实的通信连接。对于过程层网络，物理连接由光纤、以太网交换机等元件组成。

为了能够适应不断发展的通信技术，IEC61850标准弱化了对物理通信介质和网络设备的描述，这使得SCD文件中对逻辑连接描述的详细程度明显高于物理连接。但从可靠性分析的角度，物理连接是不可忽略的。但是，从SCD文件中完整地提取出可靠性分析所需的物理连接是比较困难的，这可用图2说明。图2所示的保护系统采用了“直采网跳”的结构。其中，合并单元U1、U2与保护装置R1之间通过直连光纤传输SV信号，而R1与智能终端T1之间则通过冗余网络传输GOOSE信号。图中利用虚线和实线同时表示了逻辑连接（GOOSE、SV虚回路）和物理连接（交换机、光纤）。逻辑连接最终需通过物理连接才能完成实际数据交换，SCD文件对前者的描述是直接的、充分的，而对后者的描述是间接的、不充分的。

2逻辑连接的自动识别

IEC61850标准对于逻辑连接有着详尽的定义和描述。我国根据工程实践，采用虚端子（VirtualTerminal，VT）和虚回路（VirtualCircuit，VC）表示GOOSE和SV，使之在设计、配置等环节更易于理解与使用，但虚端子所依据的对象模型仍是完全兼容于IEC61850标准的。这样，自动识别出保护所依赖的逻辑连接，进而找出与之关联的其他IED就非常容易。IED的输入虚端子可以表示为4元谓词公式，如式（1）。

VTINIED，AP，VTIN_id，FCDA（1）

其中：IED为SCD文件中IED的命名，全站唯一；AP为访问点（AccessPoint）名称；VTIN_id为输入虚端子序号；FCDA为带功能约束的数据属性，其格式为LD/LN.DO.DA。式（2）为图2中保护装置R1所包含的一个输入虚端子。

VTINR1，M1，1，SVINGGIO1.AnIn0.Mag.i（2）

IED的输出虚端子可以表示为5元谓词公式，如式（3）。

VTOUTIED，AP，VTOUT_id，FCDA，CB（3）

其中：VTOUT_id为输出虚端子序号；CB为该FCDA所对应的GOOSE或SV控制块名称。式（4）为图2中合并单元U1的一个输出虚端子。

VTOUTU1，M1，1，TCTR0.Amp.InstMag.i，AmpSVCB（4）

GOOSE和SV虚回路可表示为如式（5）谓词公式。

VCIED1，AP1，CB，VTOUT_id，IED2，AP2，VTIN_id（5）

其中：IED1为输出虚端子所在的IED，即GOOSE或SV的发布方；CB为输出虚端子所属的GOOSE或SV控制块；IED2为接收方；AP1、AP2分别为IED1、IED2的访问点名称。

3可靠性计算方法

3.1可靠性框图

可靠性框图（ReliabilityBlockDiagram，RBD）方法能够描述完成特定系统功能的所有元件之间的连接关系。（1）将冗余通信回路中的元件转换为并联结构；（2）将其余元件（含节点和边）转换为串联结构。可以利用结构函数描述RBD。

3.2可靠性计算

假设智能变电站保护系统为不可修复系统，此时，用各元件的可靠性函数代入保护系统的结构函数即得到系统可靠性函数Rsys（）t，继而可求出系统的平均故障时间（MTTF）。实际的智能变电站保护系统皆为可修复系统。此时，可以将蒙特卡罗法和RBD方法结合起来，通过大量的统计实验进行可靠性仿真，从而计算系统的平均可用性、平均首次故障时间（MTTFF）以及停运次数等可用性指标。

结语

SCD文件具有严谨的语法结构和语义描述，能够完整描述智能变电站的一次、二次系统和通信系统。SCD文件的作用不应局限于工程配置，还可广泛应用于高级应用以及智能变电站的性能评估。以SCD文件作为主要输入源进行变电站可靠性的自动分析，既能对已有变电站设计方案进行高效评估，发现可靠性的薄弱环节，又能对不同设计方案的可靠性进行客观比较。利用SCD文件进行可靠性自动分析的主要困难在于对物理连接的识别，利用本文提出的“逻辑连接图—物理连接图—可靠性框图”的变换方法，有效解决了上述问题，且能适应点对点和网络等多种通信方式。

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