基于Bellcore标准的电力通信保护切换装置可靠性研究

李 洋，高新中，王 栋

（国网山西省电力公司信息通信分公司，山西 太原 030001）

基于Bellcore标准的电力通信保护切换装置可靠性研究

李 洋，高新中，王 栋

（国网山西省电力公司信息通信分公司，山西 太原 030001）

采用Bellcore标准，对电力通信保护切换装置可靠性进行预测与分析。建立了保护切换装置元器件与单元的失效模型，计算出保护切换装置的失效率，进而给出保护切换装置可靠性预测的过程及方法。通过分析保护切换装置的可靠性，能够及时发现保护切换装置存在的故障及隐患，确保电力系统安全、稳定运行。

电力通信；Bellcore标准；保护切换装置

0 引言

继电保护是电力系统的重要组成部分，对保证电力系统的安全稳定运行，防止事故发生起到关键性的作用。为了满足继电保护信息传输的技术要求，山西电网继电保护64 kb/s复用通道、2Mb/s复用通道均安装了保护专用通道切换装置[1]。该装置能够实现继电保护主、备用通道的快速、可靠切换，保障继电保护信号的安全传送。

随着全省电网建设规模不断扩大，继电保护切换装置的数量不断增加。截止2012年底，共有继电保护保护切换装置1 300余台。因此，保护切换装置的可靠性变得尤为重要，将直接影响继电保护的稳定运行，需要对其可靠性进行分析。综合考虑当前电力系统通信的技术条件和经济条件，以可靠性为中心的设备维护是一种最佳选择。它用技术分析取代以往的经验规定，把技术分析引入设备维护管理中，维修决策的依据是技术分析的结果。根据通信设备所选用的电路、元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应力来推测产品可能达到的可靠性水平。

1 继电保护通道切换装置

继电保护通道切换装置能够根据继电保护通道的技术要求，提供高可靠性继电保护通道的高压电力线路继电保护专用通道切换。

1.1 装置简介

继电保护通道切换装置采用主、备用通道切换方式，当主用传输线路发生故障时，立即发出告警，与此同时检测另一条通道的健康状态，如果另一条通道正常，则迅速切换至备用通道进行传输，切换时间约为15ms。当主通道恢复正常时，备用通道将延时20 s切换回主用通道。在64 kbit/s速率接口基础上增加了2Mbit/s速率接口，以适应电流差动保护对2M传输通道接入的要求。采用独立的双－48 V直流电源接入功能，提高系统运行的可靠性。

保护通道切换装置利用主、备用通道的快速可靠切换，以及灵活的切换方式配置包括主备切换模式以及A、B切换模式。以适应不同通道情况的需求，保障继电保护信号的稳定传输。实现了基于IP骨干数据网的集中网管，网络配置、分类告警、模糊查询、告警上报等功能以便于分析故障规律，及时消缺功能，并能够通过网管对保护切换模式进行设置。

保护切换装置既为继电保护的传输通道提供了保障，又增强了保护通道的冗余，而且接入部署方便，实现比较简单。保护切换装置的接入方式如图1所示。

图1 保护切换装置接入示意图

1.2 设备元器件分类

继电保护切换装置主要由主电路板、电源电路板和4个可拆卸的业务小卡构成，电路板上的元器件类型包括：电感、电容、电阻、电源模块、集成电路、晶体管、晶振以及连接器等。其中，电容主要包括贴片瓷介电容（包括0805、1206电容） 共157个、贴片胆电容共44片、铝电解电容3个、插装电容10个、安规电容4个。电阻主要包括贴片电阻385片，贴片阻排47个，其中贴片电阻排可以看作是几个串联的电阻。集成电路包括微处理器、动态随机存储器DRAM（Dynamic Random Access Memory）、2 M接口芯片、可编程门阵列FPGA（Field-Programmable Gate Array） 芯片数字电路等。晶体管主要包括二极管3个、瞬变电压抑制二极管TVS（Transient Voltage Suppressor）105个、三极管2个、整流桥2个。

2 可靠性预计标准Telcordia SR-332简介

Bellcore可靠性预计是目前最通用的商用电子产品平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failure）的权威性行业标准，是由贝尔实验室提出的。Bellcore可靠性预计法可用于预计器件、单元以及串联系统的可靠性，故障率预计值。

Telcordia SR-332标准（下面将简称”Bellcore标准”）包括3种常用的预计产品可靠性的方法。方法I是基于计数法的可靠性预计。这一方法可以用于独立器件或单元，依据元器件所处的环境不同分为3种情况。方法II综合了方法I和从实验室得到的数据进行单元或器件级产品的可靠性预计。方法III在进行现场数据收集的基础上，进行在线的可靠性统计预计。

2.1 单元失效率模型

在Bellcore标准中，固有失效率是通过单元内所有器件的失效率总和再乘以单元环境系数计算而得

2.2 质量系数划分

Bellcore标准按单元所处环境的严酷程度将其πE分为了五类：地面固定可控、地面固定不可控、地面可移动、空中环境及太空环境，环境系数值依次递增。结合以太网交换机的使用环境重点介绍地面固定可控以及地面固定不可控两种环境。

a）地面固定可控：环境应力接近为0的最佳工作和维护环境。典型的应用包括中心办公室、环境条件受控的地下室、环境条件受控的远端掩蔽所、以及环境受控的用户指定场所。此环境条件下环境系数πE取1。

b）地面固定不可控：具有一些环境应力，有限的维护。典型的应用有：远程终端，用户指定的有一定振动、冲击、温度或大气变化的场所。此环境条件下环境系数πE取2。

2.3 元器件失效率模型

式中：λG——器件固有失效率，FIT；

πQ——质量等级因子；

πS——电应力系数；

πT——温度应力因子。

2.3.1 元器件基本失效率

Bellcore标准中已给出大多数元器件的基本失效率数据列表。对于集成电路，可以根据其类别、晶体管个数、逻辑门个数、容量大小以及有源器件的类型等查得相应的基本失效率。而对于其他元件如电阻、电容等可直接根据其材质类别和阻值、容量等查得此类元件的基本失效率。

2.3.2 质量系数划分

根据不同的元器件制造水平与质量过程控制水平，Bellcore标准将元器件的质量等级划分为四级。

质量等级0：这一级别是指那些经返工、修改、抢修的商用器件，在生产过程中没有进行质量认证、控制，主要的设备生产厂家或其设计、生产承包商没有建立一个有效的反馈和纠正措施系统。然而，为确保器件满足设计应用而采取了相应的步骤。

质量等级I：这一级别是指商用的器件，其获得和使用没有经过设备生产厂家全面的器件质量认证和控制，但是需满足以下条件。

a）为确保器件满足设计应用和生产过程而采取了相应的步骤。

b）建立了一个有效的信息反馈和纠正措施系统以快速定位和解决生产和现场中的问题。

质量等级II：这一级别的器件需满足等级I中的a）和b）外，还需满足以下几方面要求。

c）销售说明书中必须明确说明器件主要特性（电特性、机械特性、热特性以及环境特性等）和可接受的质量等级。

d）器件或器件生产商必须是在优选器件或生产商清单上的（器件认证必须报告寿命和使用期限试验）。

e）质量控制：设备供应商或器件供应商进行了充分的平均质量水平AQLS（Average Quality Level）/故障百万分比DPMS（Defect Per Million pcs）检验，以确保持续的质量水平。

质量等级III：这一级别的器件是指满足质量等级I和II中从a）到e），以及如下要求的器件。

f）器件系列必须要有周期性的重新质量认证。

g）质量控制必须包括寿命早期的100%的筛选（温度循环或老化）可靠性控制。

h）必须进行老化筛选，且要明确可接受的缺陷数，并且不能超过2%。

i）器件或设备供应商必须进行持续的可靠性增长。

Bellcore标准对世界各大元器件制造厂商进行了质量等级评估。一般的大厂商生产的电子元器件，其质量等级均定为II级，对应质量系数为1。

2.3.3 温度系数及电应力系数划分

Bellcore基本失效率数据列表中每一类元器件的基本失效率是在假定工作温度处于40℃、电应力百分比为50%的前提下给出的。当实际的工作温度高于或低于参考温度40℃时，需要利用温度系数对元器件的失效率进行修正。而当元器件的实际电应力百分比高于或低于参考值50%时，则需利用电应力系数对失效率进行修正。

当元器件的工作温度高于65℃时，可通过计算求得温度系数。在元器件基本失效率数据列表中，Bellcore还给出了每一类元器件的温度曲线值。当工作温度低于65℃时，则可通过此温度曲线值及相应的工作温度，利用查表的方式查得此类元器件的温度系数。

电应力系数的计算公式

式中：P0——参考电应力百分比；

P1——实际电应力百分比；

m——电应力曲线值。

电应力百分比为实际电应力与额定电应力之比。例如，对于电阻来讲，电应力百分比为工作电压与额定电压的比值；而电容的电应力百分比则为工作时直流电压与交流峰值电压之和与额定电压之比。电应力系数也可以通过利用实际电应力百分比和电应力曲线值查表的方式查得。

具体的不同器件类别电应力计算方式如表1所示。

表1 器件电应力计算

还有部分元器件由于电应力对其影响较小，因此其电应力系数取值为1，具体的器件包括集成电路、连接器、电感、光学器件、晶振等。

3 保护切换装置可靠性预测

基本可靠性是指将产品中的所有器件看成一个串联系统，任何一个器件的失效都会导致产品失效。下面将结合Bellcore标准分别对每类元器件的基本失效率、质量系数、温度系数以及电应力系数进行分析。

3.1 电容失效率

继电保护切换装置中的电容主要包括贴片瓷介电容（包括0805、1206电容）、贴片电容、铝电解电容、插装电容及安规电容。

根据Bellcore标准中有对电容的失效率参数的描述，见表2所示。其中温度应力曲线并不等同于温度系数，需要进一步结合此温度曲线值及相应的元器件工作温度，利用查表的方式查得此类元器件的温度系数。电应力曲线也不等同于电应力系数，需要进一步结合实际电应力百分比和电应力曲线值，利用查表的方式查得此类元器件的电应力系数。

表2 继电保护切换装置电容元器件失效率

3.2 电阻失效率

继电保护切换装置中的电阻主要包括贴片阻排、贴片电阻。其中贴片电阻排可以看作是几个串联的电阻，因此在计算失效率时可以直接参考贴片电阻的失效率计算方式，然后再乘以贴片阻排中的电阻数量即可得到贴片阻排的失效率。

根据Bellcore标准中有对电阻的失效率参数的描述，如表3所示。

3.3 晶振失效率

根据Bellcore标准中有对晶振的失效率参数的描述，其中晶振的温度应为系数和电应力系数均为1，如表4所示。

表3 继电保护切换装置电阻元器件失效率

表4 继电保护切换装置晶振元器件失效率

3.4 晶体管失效率

继电保护切换装置中的晶体管主要包括二极管、TVS管（瞬变电压抑制二极管）和三极管。根据Bellcore标准中有对晶体管的失效率参数的描述，见表5。

表5 继电保护切换装置晶振元器件失效率

3.5 集成电路失效率

继电保护切换装置中的集成电路包括微处理器、动态随机存储器DRAM、2 M接口芯片、FPGA芯片数字电路等。

对集成电路失效率的预计，一方面可以查阅集成电路的产品说明书，生产商一般会直接给出集成电路的使用失效率；如果无法直接查阅到集成电路的失效率，可以结合Bellcore标准中集成电路失效率的计算方法，计算其失效率。其中集成电路的电应力系数为1。

部分集成电路的使用失效率由厂家的产品介绍书中直接给出，如表6所示。

表6 继电保护切换装置部分元器件失效率

根据上述计算，确定了元器件的失效率后，根据公式计算保护切换装置的失效率。此时需要确定环境系数。保护切换装置对应到Bellcore中的环境为地面固定可控条件，想要的环境系数为1。此条件适用于所有元器件都处于适宜的环境应力下，并且有良好的运行及维修保养条件，与保护切换装置实际使用环境比较接近。通过计算，可得保护切换装置的失效率

考虑到实际使用中的一些因素，从保护切换装置可靠性的角度，建议保护切换装置的使用寿命宜在10 a以内。

结合山西电力通信的实际情况，由于继电保护保护切换装置于2003年左右开始投入运行，现运时间将近10 a的设备故障逐渐增多，与理论计算结果非常接近。

4 结论

基于Bellcore标准的可靠性分析方法，对电力系统继电保护通道切换装置的可靠性进行分析，对于像继电保护切换装置这样的设备，由于其元器件相对简单，可以准确预测其可靠性。对于结构复杂、集成度高的电力通信设备，单纯采用这种基于设备元器件统计数据的方法很难得到正确的结果，需要结合设备的实际使用状况和设备零部件的维修情况从整个寿命周期的角度加以综合分析和判断。

［1］ 高新中，罗红波，韩冬生.光纤继电保护光电转换装置的双电源供电方式［J］.山西电力，2007（增刊）：1-3.

Research of Power Communication Protection Switching Device Reliability Based on Bellcore Standard

LIYang，GAO Xin-zhong，WANG Dong
（State Grid Information&Telecomm unication Com pany of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Bellcore standard was adopted to predictand analyse the reliability ofpower communication protection switching device.The failuremodel to protectswitching device componentsand unitwasestablished to calculate the failure rate of the device，and then the reliability prediction processandmethod ofprotection switchingdevicewereput forward.Byanalyzing the reliability ofprotection switching device，faultand riskscan be found timely，which ensures the safeand stableoperation for power system.

electric power communication；Bellcore standard；protection switching device

TP309.3

B

1671-0320（2014）03-0068-05

2014-02-13，

2014-04-11

李 洋（1978-），男，黑龙江哈尔滨人，2011年于山东大学计算机学院博士后工作站出站，高级工程师，从事电力系统通信运行维护工作；

高新中（1954-），男，山西太原人，1983年毕业于太原工业学院无线电技术专业，高级工程师，从事电力系统通信规划、工程和技术管理工作；

王 栋（1981-），男，山西运城人，2008年毕业于西安电子科技大学通信专业，工程师，从事电力系统通信运行维护工作。