广域保护系统数据网络可靠性评估

李俊刚 张爱民 张 杭 刘 星 耿英三 魏 勇

（1.西安交通大学电气工程学院 西安 710049 2.西安交通大学电子与信息工程学院 西安 710049 3.许继集团 许昌 461000）

1 引言

目前，保护系统已获得较为广泛的应用，为电力系统进行更加有效的管理，保证系统安全运行起着重要的作用[1-8]。并且随着相关技术的发展，站域与广域保护系统也随之出现。然而，广域保护系统本身可能会故障，且后果非常严重。因此，在过去的几年中，已经对广域保护系统做了有关的可靠性研究[9-11]。但是这些研究均基于硬件的可靠性分析，带有一定的局限性。

一般来说，广域保护系统的功能对数据量交换和控制命令响应时间有严格的要求。然而，这两方面的要求与通信信息流的质量有着密切的关系。因此，广域保护系统的可靠性评估应考虑到信息可靠性，包括信息流的实时性、完整性和正确性[7]。因此如何评估广域保护系统数据网络的可靠性及其对保护系统可靠性的影响至关重要。

2 广域保护系统框架

广域保护系统用于电力系统监测和控制，增强电力系统的安全级别。它采用高精度的时钟同步系统（GPS），为整个电力系统建立一个统一的时空坐标[12-14]，其通常包括四个部分：①PMU；②控制中心以及部署在其内部的 PDC和相关应用程序；③执行单元；④高速通信网络。

广域保护系统的层次结构如图1所示。PMU和执行单元部署在变电站内。变电站通过路由器将局域网络（LAN）连接到广域网（WAN）。PMU相量数据通过广域网上传到PDC，当数据处理完成后，将相应的相量数据集传送至相关应用程序，并进行相应的判定，然后将生成的控制命令通过广域网发送至变电站内执行单元。

图1 广域保护系统结构Fig.1 Hierarchical structure of WAPS

3 广域保护系统可靠性模型

为了反映不同的功能需求，广域保护系统可靠性应考虑系统硬件组件和系统信息流等因素，包括信息的及时性、完整性和正确性。使用故障树FTA概念[15]，可以对上述广域控制系统的层次结构进行可靠性分析。广域保护系统对应的FTA可靠性模型如图2所示。

图2 广域保护系统FTA模型Fig.2 FTA model of WAPS

局域网络中的PMU可用度为Arn，骨干网络为Abn，控制中心为ACC，PDC可用度值为APDC，PMU数据信息流可用度为Apif，控制信息流可用度为Acif，执行单元可用度为 Acon，K为广域保护系统中局域网络的个数。整个广域控制系统的可用度计算式为

3.1 局域网可靠性分析

根据不同的需求，局域网络有多个通信网络实现类型。如商业通信网络，自愈环网，载波或微波通信信道。文献[16]进行了讨论和网络可以使用的方法，并进行了可靠性评估。在此基础上，本文采用一个简单应用实例来进行说明。PMU被部署在变电站，连接到LAN。变电站局域网通过一个路由器连接到广域网。相应的 FTA可靠性模型如图3所示。

图3 局域网FTA模型Fig.3 FTA model of local network

广域保护系统的局域网络可用度为

式中，Arn为本地网络的可用度；APMU为本地网络中的PMU的可用度；n为PMU个数；Art为路由器可用度；Aof为本地网络中光纤的可用度。

3.2 骨干网络可靠性分析

图4所示为广域保护系统的骨干通信网络，采用光纤自愈双环网，本文特取4个节点来分析骨干网络的可靠性[17-18]。光纤可分为四个部分F1～F4，并通过网关 IU1～IU4连接。一个主光纤环逆时针发送数据，另一个光纤环处于待机状态，顺时针方向发送相同的数据包作为备份[11]。

图4 骨干网络网络结构Fig.4 Backbone network structure

自愈环网主环作为工作通道，备环待机用于应急情况，通过网关来进行通道切换操作。任何一个网关发生故障或两对光纤同时出现故障，骨干网络即失败[10]。相应的FTA可靠性模型如图5所示。

图5 骨干网络FTA模型Fig.5 FTA model of Backbone network

骨干网络可用度Abn计算式为

光纤系统的可用度AF为

由图5分析可知，双光纤故障的概率计算式为

式中，λF1P、μF1P、λF1S、μF1S分别为主环光纤和备用光纤独立失效率和修复率。μF1S、μF1C为F1的光纤共因失效的故障率和维修率。一般来说，可以认为：λF1P=λF1S= λFi，μF1P=μF1S=μFi。

F1～F4光纤独立失效和共因失效可以分别建模。

3.3 PMU相量数据信息流可靠性分析

在广域保护系统中，需要考虑两种类型的信息流：①PMU相量信息流，所有的PMU相量数据需要发送到PDC进行处理；②控制命令信息流，控制中心接收到的处理后数据，经过判定，相关的命令被发送至对应的执行单元。

广域保护系统的层次结构中，PMU部署在变电站内关键位置，PDC部署在控制中心。PMU相量数据通过广域网上传到PDC，并依据时标分成不同的数据集。一旦一个时间标记的数据集完成，或者处理时间超出 PDC设置的等待时间，PDC即将相量数据集发送至对应应用程序[15]。

对比广域网的传输延迟，局域网的传输延迟可以忽略不计。影响PDC数据包时间延迟TPDC的因素[19-21]有 PDC数据处理时间、PDC设置的超时参数和PMU数量。PDC数据处理时间与设置的超时参数或路由延迟相比可以忽略，因此在以下分析中予以排除。而广域控制系统的通信网络传输延迟为[20]

式中，TT0为PDC超时参数；TW为从PMU到PDC的传输延迟。

假设每一帧数据互相独立，如果TW＞TT0，那么PMU相量数据包将丢失。P(TT0)为数据包丢失的概率。基于上述分析，一个 PMU相量数据包的可用度可以表示为

一般情况下，为满足控制功能的要求，需要部署一定数量的PMU。考虑到PDC最大延迟和采样数据分辨率，PMU相量信息流对应的 FTA可靠性模型如图6所示，整个PMUs相量信息流可用度为

图6 PMU相量数据信息流FTA模型Fig.6 FTA model of PMUs phasor information flow

式中，TT0为PDC超时参数；P(TT0)为在某超时参数的基础上PMU相量数据丢失的概率；T为确保可靠的控制功能最大的延迟时间；s为采样频率；T/s为PMU相量数据包的冗余度；n为必要的PMU数量。

3.4 控制命令信息流可靠性分析

如前所述，PMU所提供的原始相量数据，通过高速通信系统进行传输，原始数据不能直接用于控制应用[9]。但是，当传送到PDC后，经过处理便可用于由其他业务应用。可信的数据集将被转发至应用业务需求的缓冲区中。经过适当的决策，相关的控制命令发送到执行单元。

鉴于控制信息流可靠性分析， P （ TC）为某个超时参数情况下，控制命令数据包丢失的概率；TC为执行单元的等待时间，这是为确保可靠控制功能情况下的最大延时。与上述 PMU相量数据包可用度类似。单个数据包的控制命令的可用度为

当控制命令发送引入重传机制。每隔时间Tp进行一次重发，那么在第 i次重发机制下，控制命令数据包的可用度可以为

整个控制信息流可用度为[22]

4 仿真实验

以 IEEE11总线系统为例进行分析，广域控制系统结构如图7所示。骨干网络采用自愈环网，有4个网关单元IU，变电站2、4和8分别连接IU。其他变电站PMU单元和执行单元通过LAN连接变电站。根据图7建立FTA模型。本文假设所有的相同类型组件具有相同的故障率。

图7 IEEE11广域保护系统Fig.7 WAPS in the IEEE11 system

4.1 局域网可靠性计算

文献[23]中阐述了一种基于 Markov的状态空间法的PMU可靠性评估方法，通过对PMU不同模块可靠性进行分析，进而得出整体可靠性，其数据较为可行，从中可以获取 PMU的可用度 APMU为0.998 3。假设所有的局域网光纤可靠性可以疏忽，每个路由器的可用度Art为0.995 5。每个LAN有两个 PMU和两个路由器，局域网可靠性结果如表 1所示。

表1 局域网可用度Tab.1 Availability of the PMUs LAN

可以看出，随着 PMU和路由器的增加，本地通信网络的可用度是下降的。然而，实际情况下，PMU数量的增加会导致数据冗余。因此，不会对系统的可靠性产生负面的影响。

4.2 骨干网络可靠性计算

骨干网络主要包括4个IUs，L1～L4表示相应的光纤。相应的FTA可靠性模型见图5。骨干网络的可靠性数据可以从文献[11]和文献[24]中获取，在文献[11]中利用这些数据，进行了广域测量系统地通信网络硬件可靠性评估，并获得通信网络硬件可靠性的验证。因此本文选取骨干网络的可靠性数据[11,24]作为骨干网络的基础数据，如表2所示。

表2 骨干网络可靠性参数Tab.2 Reliability data of components in the backbone network

假设IU的可用度为0.999 0，骨干网络可用度指标可以由式（3）计算得出为0.994 0。可以看出，虽然光纤具有较大的故障率，并且骨干网络有多种失效模式，但是，由于引入了自愈环网，因此可以达到足够高的可靠性水平。

4.3 PMU相量数据信息流仿真计算

为了取得较好的广域控制系统 PMU相量信息流可靠性估计，可以利用 OPNET进行仿真，假定在系统中部署8台PMU设备。此外，PDC和广域控制系统的应用服务器位于控制中心。并按照图8所示进行建模。

从已有的广域控制系统传输延迟研究可知，本文引入报文延迟参数来表达WAN通信的延迟行为。选择报文延迟参数均值和均方差分别为 0.014 7和0.000 02[25-26]，以此在仿真中对传送数据进行设置，使信息流符合延迟值随机分布。

仿真每个PMU相量数据包发送到PDC都基于以上延迟参数设置。超出等待时间会导致数据的延迟和丢失，从而影响系统的控制功能。所以本文以等待时间15ms和45ms为界限来进行模拟。表3中为有效的模拟数据。假设确保可靠的控制功能最大延迟时间为70ms，数据采样频率为30帧/s。

表3 PMU相量数据信息流可用度Tab.3 Reliability of the PMUs phasor information flow

可用度与PDC等待时间的对应结果为

计算结果见表3。

4.4 控制命令信息流仿真计算

控制命令信息流可靠性估计方法类似于 PMU相量信息流的分析方法。基于以上仿真系统，添加执行单元模型。一般情况下，所生成的控制命令，通过广域网传送到执行单元时，有一个从发送到执行命令的时间裕度，假设时间裕度为25ms，并且重发的时间间隔为2ms。

表4 控制命令信息流可靠性Tab.4 Reliability of the control command information flow

由表4可知，一帧控制命令数据包丢失的概率在7%以上。然而，通过式（11）可知，经过3次重传之后，该控制命令的可用度达到0.999 9。因此，可以得知，由于重传机制，相应的控制命令信息流可靠性可以得到保证。

4.5 广域保护系统可靠性计算

广域保护系统的FTA可靠性模型如图2所示。局域网络、骨干网络的可靠性前面已进行计算，而PDC和CC通常具有非常高的可靠性，为了便于分析，假定其可靠性为1.0。同时，不同的控制功能需要不同的执行单元，也假定其可靠性为 1.0。那么广域保护系统的可用度可以通过式（1）计算，表 5给出了广域控制系统的可用度和 PDC超时参数设定在3次重发的控制命令的依赖关系，表6给出了广域控制系统的可用度和控制命令重传次数在 PDC超时参数设置35ms时的依赖关系。

表5 系统可用度和PDC超时参数的关系（3次重发）Tab.5 Dependency of the WAPS reliability and the PDC

表6 系统可用度和重发次数的关系（超时参数为35ms）Tab.6 Dependency of the WAPS reliability and the control command retransmission times

由表5、表6可知，PDC参数设置、控制命令传输机制对广域控制系统循环可靠性有着重大影响。这表明广域保护系统的可靠性不仅取决于其通信组件，如PMU、路由器和光纤的可靠性。同时也与 PDC参数设置和控制命令的重传机制有着紧密的关系。

因此，在满足系统功能要求的条件下，对于广域保护系统而言，应该避免过分依赖多源采样信息，其次，信息通信应该采用可靠的双环网进行通信网络冗余，在信息处理环节适当的设置 PDC超时参数，并且在控制命令传送环节引入重发机制。这样只有将系统中各种延时对功能可靠性的影响加以考虑，适当选取参数，才能有效提高系统的可用度。

5 结论

数据网络对广域继电保护系统起着重要的作用，其对系统可靠性的影响处于初步研究阶段。而目前的研究背景基本在电网理想状态下且广域信息能够采集的前提下开展，并没有考虑到电网拓扑变化频繁、通信通道损坏部分数据等无法采集等特殊状态。如信息采集和获取的过分区域化和数据灾难、工程化应用的系统结构、保护新原理、信息有效通信、信息冗错和挖掘等。因此，广域保护系统数据网络的可靠性评估显得极其困难。

本文以一典型的广域集中式保护系统数据网络为基础，分析系统中相关因素对整体可靠性的影响。广域保护系统数据网络可靠性不仅与系统硬件有着密切关系，同时也与系统信息的及时性、完整性和正确性有着密切的关系。因此，本文弱化了复杂算法的影响，抽象出信息的流程机制，提出结合硬件与信息流可靠性的评估方法，在一定程度上能有效地评估广域保护系统数据网络可靠性，并对系统设计提供合理的建议。

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