智能变电站保护系统可靠性的自动分析方法

高吉普1，张沛超2，何 旭2，徐长宝1



智能变电站保护系统可靠性的自动分析方法

高吉普，张沛超，何 旭，徐长宝

（1.贵州电力试验研究院，贵州 贵阳 550002； 2.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海 200240）

提出一种利用变电站配置描述文件自动进行智能变电站保护系统可靠性分析的方法。通过解析SCD文件，形成虚端子和虚回路的谓词表达式，进而生成保护系统的逻辑连接图。然后，在给出以太网交换机和光纤的描述模型的基础上，通过谓词演算识别出物理连接，并形成保护系统的物理连接图。最后，将物理连接图转换为可靠性框图并进行可靠性计算。以一个典型的110 kV主变保护系统为例，验证了上述保护系统可靠性自动分析方法的有效性。

智能变电站；保护；可靠性；变电站配置描述文件；逻辑连接；物理连接

0 引言

智能变电站系统除了要满足所需的功能性要求外，还需满足各种性能要求。例如，文献[1]研究并提出了涵盖了可靠性、可用性、实时性和经济性的系统有效度指标；文献[2]从复杂网络理论出发，以逻辑节点为节点、逻辑连接为边，将智能变电站抽象成一个复杂网络，初步揭示了逻辑节点的故障在系统中的传播规律；文献[3]基于IEC 61850 标准，将系统功能分解成由逻辑节点和逻辑连接构成的逻辑节点连接图，根据系统功能的可靠性框图，计算系统的可用率。但上述文献存在的共性问题是，在进行系统性能分析之前，需要以人工方式建立相应的性能评估模型。由于智能变电站具有复杂多变的网络结构，使得上述性能评估的效率较低。

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(Substation Configuration Description，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”（machine readable）；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（Intelligent Electronic Device，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。

本文以智能变电站保护系统的可靠性分析为例，提出一种利用SCD文件进行自动的系统性能评估的方法，可以对采用不同组网方式的保护系统的可靠性进行自动分析，从而有助于发现系统可靠性的薄弱环节并改善设计；由于评估的输入仅是SCD文件，使得这种方法在显著提高分析效率的同时，分析结果更具客观性。

1 SCD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1 SCD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IEC 61850中，利用逻辑连接（Logical Connection，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IEC 61850中，利用物理连接（Physical Connection，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，IEC 61850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。例如，U1和R1之间的SV信号是通过哪些光纤传输的？采用点对点方式还是交换机组网方式？通信回路是否存在冗余？

文献[3]在基于IEC 61850标准进行变电站可靠性评估方面做了很好的尝试，但该文仅考虑了图1中的逻辑子系统，这使其在进行可靠性分析时需要做出如下假设：（1）不考虑光纤、交换机等通信设备；（2）不考虑通信冗余配置；（3）不考虑物理装置，假设所有LN具有与物理装置相同的故障率。显然，上述假设与实际情况存在很大差距。

2 逻辑连接的自动识别

IEC 61850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(Virtual Terminal，VT)和虚回路(Virtual Circuit，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IEC 61850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)。

其中：IED为SCD文件中IED的命名，全站唯一；AP为访问点（Access Point）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。

(2)

IED的输出虚端子可以表示为5元谓词公式，如式(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。

(4)

GOOSE和SV虚回路可表示为如式(5)谓词公式。

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。

图2中，与保护装置R1相关的虚回路有

其中：AmpSVCB和VolSVCB分别为合并单元U1、U2的SV控制块；TripGOCB1为保护R1跳闸GOOSE控制块；PosGOCB1为智能终端T1的断路器位置GOOSE控制块。

以IED为节点，以虚回路为边，将式(6)所描述的虚回路转化为有向图，图中边的方向是从输出虚端子指向输入虚端子；然后将所有边以其控制块名称代替，删除冗余的边，使得同名的边仅保留一个。以图2为例，经上述处理后形成图3所示的逻辑连接图，图中的有向边为逻辑连接，其谓词公式为

图3中的四个有向边分别为

(8)

图3 保护系统的逻辑连接图

3 物理连接的自动识别

在图3中，SV控制块AmpSVCB1和VolSVCB1分别经由直连光纤C1、C2实现；GOOSE控制块TripGOCB1、PosGOCB1则经由交换机S1、S2实现，而且交换机S1和S2构成了冗余的通信回路。必须根据图3的逻辑连接进一步识别出上述物理连接信息，才能进行准确的可靠性分析。

3.1以太网交换机建模

IEC 61850标准主要针对保护、测控等IED建立了对象模型，对交换机建模考虑甚少。文献[7-8]等基于语义扩展的方法，对交换机进行建模并将其作为独立的IED进行管理。本文利用IEC 61850 Ed2.0中新增的LCCH逻辑节点，建立了图4所示的交换机最小化模型。图中除了LPHD、LLN0等系统逻辑节点之外，还包括多个LCCH逻辑节点，每个LCCH实例对应交换机的一个物理端口，包含该端口的访问点名称、VLAN标识、端口编号以及远方端口号等重要属性。

图4交换机IED的对象模型

有了上述对象模型，以太网交换机也可作为IED并被包含到SCD文件中。

3.2光纤的描述

在SCD文件的通信(Communication)部分提供了对通信介质的描述机制。以图2中保护R1为例，其R1P3和R1P4两个冗余端口分别接入光纤C3、C4。描述信息如图5所示。其中，Connection和RedConn分别描述主物理连接和冗余物理连接。

图5保护R1的物理连接描述

光纤连接可用如式(9)六元谓词表示。

其中：AP为访问点名称；Port、Cable、RedPort、RedCable分别为主物理连接和冗余物理连接的通信端口号和光缆名称。如果无冗余物理连接，则RedPort、RedCable为空。例如，图2中光纤C1的描述为

(10)

3.3物理连接的识别

物理连接用如式(11)谓词表示。

根据式(7)、式(9)，建立如式(12)谓词演算公式。

(12)

上述公式中，以问号作为前导的谓词参量（如?IED1）代表变量，同名变量代表同一个体。在推理过程中，通过模式匹配将常量赋值给变量。本文利用专家系统工具CLIPS完成上述谓词表示和谓词演算。通过推理，识别出图2中的如式(13)物理连接。

以IED为节点，以物理连接为边，可将式(13)描述的物理连接转化为无向图，如图6。对比图3与图6可见，图3中的TripGOCB1和PosGOCB1逻辑连接皆通过图6中的光纤C3、C5和交换机S1实现物理连接；而图6中的光纤C4、C6和交换机S2则是为上述逻辑连接提供的冗余通信通道。需注意的是，从可靠性角度，图3中R1与T1之间的两个逻辑连接是串行的，而在图6中，R1与T1之间的两个通信通道则是并行的。

图6保护系统的物理连接图

Fig. 6 Graph of physical connections of the protection system

在图6中，如果光纤C3与C5之间通过多级交换机互联，则形成无向图的过程稍微复杂些。此时，可将问题转换为搜索C3与C5之间的物理通信路径，并以该路径中的交换机端口应属于相同VLAN作为约束条件。因篇幅所限，对此不再详述。

4 可靠性计算方法

4.1 可靠性框图

可靠性框图(Reliability Block Diagram，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。按如下规则将图6变换为图7所示的RBD图：(1) 将图6中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。

图7保护系统的可靠性框图

可以利用结构函数描述RBD。结构函数方法详见文献[10]。一旦建立了系统RBD，即可进行各种可靠性分析计算。

4.2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，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。

5 算例

5.1典型组网方式

图8为一座典型110 kV智能变电站的主变间隔，采用内桥接线，主变保护为主后备一体化装置，采用“直采网跳”方式。变电站配置信息利用SCD文件描述。通过解析SCD文件，利用本文提出的方法，通过“逻辑连接图—物理连接图—功能方框图”的自动变换，形成图9的RBD图。为方便绘图，图9中用四取四模块“4/4”代表串联关系。

5.2可靠性计算

虽然SCD文件中并不记录IED的可靠性参数，但包含了各IED的型号、制造厂等铭牌信息。这样，就可以首先建立专门的IED可靠性数据库，然后以IED的型号为关键字检索可靠性参数。本文分析中采用表1所示的可靠性参数。

图8系统结构图

图9 示例保护系统的功能方框图

表1可靠性分析参数

Table 1 Parameters for reliability analysis

(1) 不可修复系统

首先假设保护系统为不可修复系统。根据图9的RBD，可得到系统可靠性函数并绘制可靠性曲线，如图10，进而算得该保护系统的MTTF为6.677年。

图10保护系统的可靠性曲线

(2) 可修复系统

现有保护系统均采用定期检修策略。将图9的RBD和蒙特卡洛方法结合起来，进行1 000次仿真，仿真时长为10年，可得到可修复系统的可靠性指标，如表2所示。

表2可修复系统的可靠性分析结果

Table 2 Results of reliability analysis for repairable system

6 结论

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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An automatic reliability analysis method for protection systems in smart substations

GAO Ji-pu, ZHANG Pei-chao, HE Xu, XU Chang-bao

(1. Guizhou Research Institute of Electric Power Experiment, Guiyang 550002, China; 2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education (Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University), Shanghai 200240, China)

This paper proposes an automatic method to analyze the reliability of the protection system in smart substation utilizing the Substation Configuration Description (SCD) file. First, the predicate expressions for virtual terminals and virtual circuits are derived from the SCD file, and the graph of logical connections of the protection system is constructed accordingly. Then, based on the modeling of Ethernet switch and optical fiber, the physical connections are recognized through predicate calculus, and the graph of physical connections is then constructed. Last, the graph of physical connections is transformed to reliability block diagram, thus the reliability calculations can be carried out. A typical 110 kV power transformer protection system is used as an example to demonstrate the effectiveness of the proposed method.

smart substation; protection; reliability; substation configuration description; logical connection; physical connection

TM77

A

1674-3415(2014)15-0107-06

2013-10-28；

2014-02-09

高吉普（1982-），男，硕士，工程师，研究方向为智能化变电站和智能电网相关研究；

张沛超（1970-），男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向为电力系统保护与控制、智能变电站、电力系统仿真；E-mail: pczhang@sjtu.edu.cn

何 旭（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统可靠性、电力系统保护。

本文成果已申请国家发明专利（受理号：201310554206.4）