数字化变电站冗余体系结构的改进及其可靠性和经济性评估

摘要：该文对数字变电站常见的余度构成进行了研究，给出了两种不同的改造方式：集中备份和交错备份，并全面对比了不同配置方式的可靠性与经济性。分析结果显示，这两种改良方法均比现有的几个经典方法更为合理有效，具有重大应用价值；而二次结构的防护体系，由于其可靠性较高，不需要对单个单元的防护进行多余的网络配置。

关键词：数字化变电站；冗余体系结构；可靠性；经济性评估

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.027

中图分类号：TM 63；TM 76 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）10-00-03

Improvement of Redundant Architecture for Digital Substation and Its Reliability and Economic Evaluation

Abstract： This article studies the common redundancy components of digital substations and provides two different retrofitting methods： centralized backup and interleaved backup， and comprehensively compares the reliability and economy of different configuration methods. The analysis results show that both of these improved methods are more reasonable and effective than several existing classical methods， and have significant application value; The secondary structure protection system， due to its high reliability， does not require additional network configuration for individual unit protection.

Keywords： digital substation; redundant architecture; reliability; economic evaluation

1 数字化变电站典型冗余结构

随着新型互感器、IEC61850标准、网络通信技术和智能开关技术的不断成熟，使得数字变电站技术逐渐发展为一个全新的技术开发平台。在电力系统中，监控、遥控和继电保护的可靠性、实时性和经济性都得到了很大的提升。随着电力系统技术水平的不断提高，电力系统的智能化程度越来越高。当前，如何实现高可靠性和高经济性的电力系统的架构，是电力系统中可靠性研究的重点和难点。本文对目前广泛使用的两种余度系统构型、双环网构型进行了分析和对比，在此基础上，给出了集中储备型和交错储备型两种改进方法，并分别就实时性、经济性进行了分析与对比。采用故障树分解法对二者进行了可靠度的定量研究。

一套完善的自动化变电站设备，其自动化元件、执行元件是必不可少的，且其数据交换对高速、高可靠等提出了更高的要求。当前，随着电力电子设备应用电网的供电水平不断提高，对电网运行的可靠性提出了更高的需求，加之二次防护技术在电网中的广泛使用，使得传统的将以太网开关为基础的单一通信网络中的冗余法已经很难达到预期的效果。因此，在变电站的通信备份化设计中，采用双重通信网路的备份法比较普遍。双环网的冗余架构能够在双重故障或多个故障下保持正常通信，且网络结构简洁，是目前在数字化变电站中应用最广泛的一种双层网络冗余架构。该双环网由两条相互分离的环路组成。与用户界面或入口相连的开关位于变电站级，是环形内部的主要开关。可以通过该入口与控制中心或其他变电站进行通信。与各自区间相关联的区间开关在区间层中，当某一区间的IED之间有必要进行通信时，可以在区间中添加对应的开关，如果没有必要，该区间中的IED可以直接连接到区间开关。双环网具有网络简化、高可靠的特点，是在控制层与隔层间使用比较频繁的网络形式。

2 改进的冗余结构

虽然双环网冗余结构拥有上述优点，但其所需交换机数目较多。因为每个交换机都有自己本身固有延时（约100邮），当报文传送到交换机的数量越来越多时，就会产生大量的网络延时，同时，随着交换机数量的增加，系统的投入也会越来越大。笔者针对双环网的特点，给出了两种不同的设计方法，即双环网的中心备份和双环交叉分支备份。

2.1 双环网集中备份改进模式

在双环网架构下，没有专门的备份开关，而只有一个中央备份开关在同一时间内进行多个时间的备份开关。从图1可以看出，设置的区间1和区间2，区间3和区间4共享一个中央后备开关。这种集中备用方式能有效地降低环路中开关数量。IEC61850双网通信方式存在着许多可能的解决方法（双网双工、双网热备份、网络层冷备份等），指出IEC61850双网热备份以其高可靠、实时性和互用性等优点，已经被广泛应用于数字化变电站。因此，在对双环网进行集中备份改造时，也应用了这种方法。在这种情况下，中心备份开关所在的环形网络为“热备份”模式，仅接收各种类型的数据包，不做任何的转发。环形双环形网络中心备份的技术方案为：在工作链路上，按照标准化的生成树序列（如RSTP、快速生成树、IEEE802.1W等），将工作环路上的开关两个接口设置为前向状态和阻止状态。环网中主交换机循环发送一帧检测报文。一旦检测到发生故障，立刻将交换机阻塞端口切换成转发端口，并告知其他交换机改变转发路径，实现网络冗余。在这个时候，主机开关还是会继续继续循环地传送侦测消息。更换连接后，故障仍未得到解决，表明在工作环路上有两个以上的连接失效，或者是一个时间间隔开关发生了失效，而在失效开关所在的时间区间，无法通过切换该传输堵塞端口将消息传送到控制中心，因此必须开启一个热备份回路。此时集中备用交换机端口迅速切换到转发状态，并发送报文通知其他交换机完成相应切换。

2.2 双环网交叉备份改进

在双环网架构中，区间1的工作开关被用作区间2的待机开关，相反区间2的工作开关也被用作区间1的待机开关。区间3和区间4也一样，以便对开关进行交叉备份。也可以减少对开关数量的要求。在图3中可以看到，环路中的区间开关既要充当当前区间的工作开关，又要充当其他区间的备份开关，两者都要处于正常工作状态。由于无法采用集中式备份模式的方式，仅采用一条环形网链路作为热备份链路，所以必须采用双网双工的方式。在这种方式下，IED的2个网络端口分别被赋予了不同的MAC/IP位址，并同时将同一消息传送到工作开关和备份开关。当链路或开关发生故障时，无须进行任何的接口转换和重新配置，即可保证数据包的高效传送。当然，这样的通信方式由于报文的多次传输势必会在区间上增大IED的负荷。当发生故障时，可以避免将报文发送到失效链路或失效的开关上，从而减轻了IED的负荷。需要指出，工作开关与备份开关应处于两个独立的环路中，不然单环网络中的数据会反复传送，既会加重系统的负荷，又无法实现冗余性[1]。

3 实时性分析

双环网的热备份方式具有其内在的缺点，即处于热备份状态的开关从仅接收消息转换为发送消息时无法实现0时刻切换，具有切换延迟。正如前文所述，开关自身具有自身的延迟（大约100 ms）。在环网中，切换延迟和本征延迟均随着网络中开关个数的增多而积累。另外，若备份架构中使用的开关数目过多，则在备份切换时，会向其他开关传递信息，亦会对网路造成影响。通过对双环网的优化，可以有效地减小环路中开关数量，减小开关的积累时间和内在延迟，同时减小开关数据对网络的冲击（在交叉储备改善方式下，双网双工的传输不会受到延时和网络震荡的干扰）。因此，该方法在实时性上优于一般的双环网。

4 经济性比较

在双环网中，采用集中式备份和交错备份两种方式，这两种方式都使得中间层交换设备所承载的业务量增大，同时对交换设备的性能也提出了更高的要求。ZYJ.860 F系列智能化以太网络开关在行业中表现出良好的运行效率（环路自动恢复、动态环路技术）、高可靠度（抗冲击、抗电磁干扰）、高性价比，是目前最理想的解决方案。文中以该开关为实例，比较了每种类型的冗余度结构的经济性能。由于开关的重要程度及所承载的信息流的大小有差异，因此有相应的埠数量及埠模式。作为一个4区间的电力变压器系统实例，针对双环网结构的集中备用改进和交叉备用改进分别比普通双环网结构投资减少4.8万元和6.8万元，减少比重为25％和35.5％，文中所述的两种改造方式在经济性方面优势都较为显著，而且该优点会随着变电站的规模增加而越来越大[2]。

5 可靠性评估

笔者从时间和经济两方面对两种常用的双环网架构以及两种不同的改造方式进行了比较，结果表明，这种新的双环网比现有的方法更具优势。但是改造后的系统能否达到变电站自动化的需求，仍有待于量化评估。

5.1 故障树分析法简介

以一个变电站为例子，假定这个变电站有30台主要保护设备，30台备份保护设备，通过Ethernet连接到变电站自动化系统中，几台交换机，一台服务器，为用户提供人机界面，并设置一台路由器。按照制造商给出的元器件损坏程度进行分类。根据失效树的原理，通过对其进行逻辑操作，可以得到整个系统的失效有效性。针对以上不同的电力系统，构建故障树的故障模型。在主保护中，如果发生保护设备的内在故障，或者是由于保护设备与交换机的界面发生故障，就会失去正常的工作状态。

5.2 故障树分析法简介

在一个交叉储备改善模型中，其有效度分别为96.473%和99.9035%。利用相同的方法，可以得到不同的网络冗余结构的有效性。受篇幅所限，我就不一一赘述了。在表2中给出了有效性的计算结果。在双环网的中心备份方案中，采用两个区间共用一台中央备份开关的方案。表2中的资料显示，三种不同的网路架构均具备较高之可靠度，但在网路架构上进行改良后，其系统之可靠度并无显著降低。实际上，无论采用中央备份或交叉备份，都不会影响双环网的冗余架构，也不会显著地降低系统的可靠度，而且在环路中仅使用少量开关，可以减小开关失效的几率，从而略微提升系统的可靠性。但是由于采用了失效树方法对其可靠性进行了研究，没有将其作为一个整体来进行，忽略了其在整个体系中的重要作用。但在此基础上，本文提出了一种新的方法，即在两层环形网络中，区间开关只需同时进行一次或多次的数据包传输，其重要度要高于一般双层环形网络。在进行体系可靠度计算时，这一点是不可忽略的。

在单次防护中引入了冗余后，整个系统（特别是母线）的可靠性得到了显著的提升，且以集中备份和特殊备份两种方式最为可靠，但与一般的专用备份相比，后者的投入要低33.5万元。就可靠度而言，交叉储备比专门储备稍差一些，但是其总的总投资额要少于305 000美元。所以，从可靠性与经济性两方面来看，采用单一保护时，应采用集中备份或交叉备份。在二次防护中使用了多余的结构，虽然投入分别增加了540 000元、150 000元、260 000元，但是在线路和母线保护的可用率上，几乎没有增加多少，说明经过二次化的配置以后系统已经是非常可靠的，不需要为每个单一保护的网络结构做多余的布置[3]。

6 结束语

本文从经济性、可靠性等方面对数字化变电站冗余系统接口进行了改进。模拟结果表明，该方案优于传统双环网结构，具有较强的市场竞争力，可供数字化变电站的总体架构设计参考。本文的研究结果表明，集中备份与交叉备份方式优于传统专用备份方式，为数字化变电站架构设计提供参考。变电站自动化系统的发展经历了架构逐步改变、原有功能不断优化重组、新功能不断涌现的过程。因此，如何设计一种实时性、可靠性、经济性、可扩展性好的系统架构，以适应未来数字化变电站的发展需求，是一个亟待解决的问题。

参考文献

[1] 朱林，陈金富，段献忠．数字化变电站冗余体系结构的改进及其可靠性和经济性评估[J]．电工技术学报，2009，24（10）：147-151．

[2] 张颖，曾翔，文明，等．数字化变电站通信冗余实施方案的改进及可靠性分析[J]．电力系统保护与控制，2012，40（5）：124-128．

[3] 曾翔．数字化变电站通信冗余改进方案的研究[D]．长沙：长沙理工大学，2012．