CN102549513A - 变电站自动化系统的可靠性计算 - Google Patents

Abstract

本发明从描述输变电站或配电站的变电站配置描述(SCD)文件最大程度自动提取可靠性相关信息。具体而言，在SCD文件中存在的信息用于识别变电站自动化(SA)系统的通信网络的物理拓扑及与给定SA功能性或逻辑节点(LN)有关的所有数据流。计算逻辑节点(LN)的LN可靠性度量，涉及对参与所述数据流的每个元件或装置而言特定的可靠性指示。最后，合并多个LN可靠性度量以产生考虑的SA系统架构或通信网络拓扑的总体可靠性。提议的发明最小化执行可靠性计算所需的工程工作，并因此允许在可靠性工程师的工作和干预最小的情况下比较不同SA架构的可靠性。

Description

变电站自动化系统的可靠性计算

技术领域

本发明涉及带有标准化配置表示的变电站自动化系统，并且更具体地说，涉及对其可靠性的评估。

背景技术

在高压电网和中压电网中的变电站包括诸如电缆、线路、母线、开关、电力变换器和仪表变换器等主要装置，这些装置能够设置在开关场和/或间隔中。利用变电站自动化(SA)系统以自动化方式操作这些主要装置。SA系统包括辅助装置，即负责保护、控制和监视主要装置的所谓智能电子装置(IED)。IED可被指派到分层级别，即，站级别、间隔级别及过程级别。SA系统的站级别包括带有人机接口(HMI)的运营商工作站(0WS)和到网络控制中心(NCC)的网关。也称为间隔单元，在间隔级别的IED又相互连接以及经由主要服务于交换命令和状态信息目的的间隔间或站间总线连接到站级别上的IED。过程级别上的IED包括用于电压(VT)、电流(CT)和气体密度测量的传感器或仪表变换器、用于感测开关和变换器抽头改变位置(transformer tap changerposition)的接触探头和/或用于控制象断路器或切断器等开关装置的智能执行器(I/O)。诸如非常规电流或电压变换器或指派到常规传感器的专用合并单元(MU)等示范过程级别IED包括用于模拟信号的采样的模数(AD)转换器。过程级别IED能够经由替代常规硬连线过程接口的过程总线连接到间隔单元。

国际电工委员会(IEC)已将用于变电站的辅助装置之间的通信的通信标准作为题为“变电站中的通信网络和系统(communicationnetworks and systems in substations)”的标准IEC 61850的一部分引入。对于非时间关键消息，基于带有分别在传输层和网络层中的传输控制协议(TCP)和因特网协议(IP)及作为物理媒体的以太网的缩减开放系统互连(OSI)协议栈，IEC 61850-8-1指定制造消息规范(MMS，ISO/IEC9506)协议。对于时间关键的基于事件的消息，IEC 61850-8-1直接在通信栈的以太网链路层上指定面向通用对象的变电站事件(GOOSE)。对于诸如测量的模拟电压或电流等在过程级别极快速周期性更改的信号，IEC 61850-9-2指定采样测量值(SMV)服务，该服务象GOOSE一样直接在以太网链路层上建立。因此，标准定义了一格式以便作为工业以太网上的多播消息公布基于事件的消息和来自过程级别上的电流传感器或电压传感器的数字化测量数据。通过过程总线传送SMV消息，过程总线可延伸到相邻间隔，即超出传感器指派到的间隔，尤其是在具成本效益的中压或低压变电站中。

借助于使用专用变电站配置语言(SCL)的、称为变电站配置描述(SCD)的标准化配置表示或形式系统描述配置基于IEC 61850的SA系统。SCD文件包括在“每数据”基础上在IED之间的逻辑数据流，即对于每个数据宿/源，指定从中能够推导目的地或接收器IED列表的所需数据集/提供的数据集。此外，定义了依据数据集定义的消息大小及用于象GOOSE和SMV等所有周期性业务的消息发送速率。SCD文件同样地指定多播消息到虚拟局域网(VLAN)的分发，其中，单个IED可在SA通信系统的不同VLAN内为不同目的发送不同实时消息。

虽然IEC 61850定义SA装置能够相互通讯的方式，但它未定义通信架构，即，装置相互连接的方式。作为互操作性的一个结果，不同的架构今天在技术上是可行的。图1示出用于带有两个间隔的相同变电站的可能SA架构的两个示例。第一示例(顶部)是每个间隔包括控制IED C和两个保护IED(例如，主的和备份的)P1、P2的架构。第二示例(底部)将用于两个间隔的备份保护功能实现到间隔外的一个单一IED P2上。

上面两个SA架构可在多个特性度量方面不同，诸如性能、投资成本、维护成本、安全性、保密性和可靠性。在此上下文中，可靠性度量的计算显现为高度主观的过程，因此需要清楚地定义。实际上，一个度量可考虑SA系统的可靠性是从站PC访问所有控制装置或仅不访问其中一个控制装置的概率，而其它度量将只考虑从保护装置访问合并单元和断路器。此外，分析给定复杂架构可需要可靠性专家和/或涉及在此过程期间出错的高概率。

在此上下文中，以下发明的原理和方法决不限于在变电站自动化中使用，而是同样适用于带有标准化配置描述的其它过程控制系统。具体而言，要注意的是，IEC 61850也是用于水电站、风力系统和分布式能源(DER)及变电站外通信(用于远方保护的变电站间通信或变电站到NCC通信)的被接受标准。

B.Yunus等人所著题为“基于IEC 61850的变电站自动化系统可靠性和可用性研究”(″Reliability and availability study on substationautomation system based on IEC 61850″，IEEE 2ND INTERNATIONALPOWER AND ENERGY CONFERENCE，1.12.2008)的论文公开了基于分层结构的SA系统可靠性研究，分层结构涉及包括硬连线IED的间隔级别、站总线和站级别。站光纤环形总线说明了基于8个以太网开关的集总通信网络可靠性。否则，指派到不同级别的组件的并联和串联被考虑用于保护或控制可靠性。通信路径细节未被考虑。

发明内容

因此，本发明的目的是以客观和自动化的方式确定变电站自动化(SA)系统的可靠性度量或指数，允许不同SA系统或架构的公正且快速的比较。此目的通过根据独立权利要求项的计算SA系统的可靠性的方法、工程工具和计算机程序而得以实现。从从属专利权利要求项明白其它优选实施例。

根据本发明，为带有某个SA系统架构或通信网络拓扑的SA系统计算可靠性度量。SA系统是带有诸如各件连接到基于以太网开关的SA通信网络的主要设备和辅助智能电子装置(IED)等多个元件的输变电站或配电站的一部分。对于要由SA系统提供的第一SA功能性或依据IEC 61850的逻辑节点(LN)，识别构成执行第一SA功能性的变电站装置之间物理数据流路径并允许实现或涉及与第一SA功能性有关的数据交换的变电站通信元件。为此目的，咨询包括第一SA功能性的逻辑数据流定义的SA系统的标准化配置表示，诸如根据IEC61850的变电站配置描述(SCD)。对于每个识别的变电站通信元件，提供诸如由例如故障前平均时间(MTTF)、故障间平均时间(MTBF)、维修前平均时间(MTTR)或标称劣化速率表征的故障概率密度函数等可靠性指示符。在此基础上，执行与第一SA功能性有关的所有数据流路径的可靠性分析。最后，基于所述可靠性分析的结果和基于执行第一SA功能性的变电站装置的可靠性，将第一SA功能性的可靠性度量计算为SA系统可靠性。

优选的是，为第一SA功能性及其它SA功能性计算可靠性度量，并且将这些可靠性度量合并成SA系统的单个可靠性度量。

在本发明的一有利变型中，在两个或更多个变电站装置之间识别的数据流路径确定变电站通信元件集，对该变电站通信元件集执行基于故障树的分析。此故障树方案允许分析任何类型的通信网络，包括冗余和网状架构或拓扑，而在常规的基于可靠性的图形方案中，在未进行过多的努力的情况下只能够分析系统的串联和并联部分。故障树分析考虑诸如光纤、开关、IED或SA通信架构中的节点(N)等所有物理变电站通信元件，并评估元件工作/失败的所有可能组合(2^N个组合)。对于每个组合，确定是否能够提供SA功能性，以及将组合的概率计算为每个涉及元件的工作/失败概率之积。随后，将能够提供SA功能性的那些组合的概率相加以计算此SA功能性的总体可靠性。

总之，本发明从描述变电站的SCD文件最大程度地自动提取可靠性相关信息。具体而言，在SCD文件中存在的信息用于识别SA系统的通信网络的物理拓扑及与给定SA功能性或LN有关的所有数据流。计算LN的LN可靠性度量，涉及对参与所述数据流的每个变电站通信元件或变电站装置而言特定的可靠性指示。最后，合并多个LN可靠性度量以产生特定SA系统架构或通信网络拓扑的总体可靠性。提议的发明最小化执行可靠性计算所需的工程工作，并因此允许在可靠性工程师的工作量和干预最小的情况下比较不同变电站自动化架构的可靠性。

附图说明

参照在附图中示出的优选示范实施例，在下文中更详细解释本发明的主题，其中：

图1示出用于相同变电站的可能SA架构的两个示例，

图2示出带有其数据源和数据宿的单个SA保护功能，

图3是多个正D之间逻辑数据流的功能图表，

图4示出通信网络的物理网络结构，以及

图5是带有IED和开关的形式配置描述的SCL文件的摘录。

具体实施方式

出于工程目的，元件的可靠性定义为“元件在所述条件下在指定时期内执行其预期功能的概率”，换而言之，元件在指定时期结束前将不发生故障的概率。这可以数学方式表示为

$R_i\left(t\right)=P\{T>t\}={\∫}_t^{\∞}{f}_i\left(x\right)\mathrm{dx}$

其中，f_i(x)是元件i的故障概率密度函数，以及其中，t是在时间0开始的时期的长度。在恒定故障率λ的情况下，在时间t元件i的可靠性R_i(t)为

$R_i\left(t\right)=e^{-{\mathrm{\λ}}_i*t}$

并且故障前平均时间(MTTF)可定义为

${\mathrm{MTTF}}_i={\∫}_0^{\∞}{R}_i\left(t\right)\mathrm{dt},$

要注意的是，可靠性是一个概率，并且故障被认为是随机现象。除根据给定概率函数，故障发生的可能性随时间变化外，未规定有关各个故障、故障原因或故障之间关系的信息。可靠性工程涉及在指定的统计置信度满足指定的成功功率。此外，在“预期功能”上预测可靠性，这一般用来只表示“无故障”操作。然而，即使系统的元件未单独发生故障，系统作为整体也可不根据系统要求规格进行预期的操作或不再根据系统要求规格进行预期的操作。这可能是由于自发重新配置错误或网络攻击的原因，这种情况下，系统可靠性也受损害。最后，有时可使用除时间外的其它单位，并且可依据英里或使用周期指定可靠性。

图2示出在智能电子装置(IED)上运行的单个SA保护功能或逻辑节点(LN)形成的示范变电站自动化架构的一简单示例。保护功能需要作为数据源的电流变换器CT1产生的数据，并且需要访问作为数据宿的断路器XCBR1。电流变换器和断路器经由线路cw1和cw2连接到合并单元MU1。两个以太网开关S1、S2以冗余方式经由通信网络元件或部分fo1、fo1、fo3、fo4IED及合并单元连接起来。两个冗余路径可不同，并且甚至涉及例如树和环形结构。能够以不同方式评估IED1上运行的保护功能的可靠性；解析分析能够表示为经典方程：

R_s＝R_ct1*R_xcbr1*R_cw1*R_cw2*R_ied1*R_mu1*(1-(1-R_s1*R_fo1*R_fo3)*(1-R_s2*R_fo2*R_fo4))。

此处，R_s是由单个保护功能组成的“系统”的可靠性，并且R_x是元件x的可靠性，例如R_xcbr1是实际断路器的“硬件”可靠性。

对于更详尽或现实的SA系统，并且遵守结构化和系统方案，计算可靠性需要知道正在实现的所有基本的SA功能、其相应数据源和数据宿、在其上执行每个给定SA功能的物理装置及在数据源与物理装置之间和在物理装置与数据宿之间的物理通信路径。另外，也需要识别每个单独元件连同上面识别的通信路径的故障前平均时间或其它可靠性指示符。可在对于相同或至少类似种类的元件的过去经验上获得此类可靠性指示，并且理想地也将对于重新配置错误和网络攻击的脆弱性考虑在内。MTTF的示范值的范围可在用于开关或IED的50年与用于光纤件的300年或甚至用于铜线的500年之间。

本发明利用了IEC 61850标记中的变电站配置描述SCD文件以形式和标准化的方式描述SA系统的事实。能够直接从SCL文件提取可靠性计算所需的所有信息，并因此最小化了工程工作：

1.识别表示基本SA功能性的逻辑节点(LN)及LN编组或指派到的逻辑装置。这在SCD文件的DataTypeTemplates(数据类型模板)部分和IED部分中指定。DataTypeTemplates部分允许识别在系统上存在的不同LN，而IED部分允许识别逻辑装置。

2.每个LN或逻辑装置的逻辑相关性的识别。IED部分通过Inputs(输入)子部分识别LN所需的来自源的输入数据，而DataSet(数据集)子部分标识由LN代表数据宿产生/修改的输出数据。通过匹配不同的Inputs和DataSet子部分，因此可能确定充当数据源与数据宿的逻辑装置之间的相关性。即使可能识别逻辑装置的不同逻辑输入和输出，也不可能确定输入(或输出)是否以冗余方式实现。在使用冗余通信链路的情况下，将需要手动指定冗余数据。

3.SA系统中存在的物理装置(IED)的识别。Communication(通信)部分标识不同的已连接访问点。随后，IED部分映射已连接访问点和物理装置。

4.在LN与托管(hosting)物理装置之间的逻辑链路的识别-IED部分的LDevice子部分标识不同逻辑节点。由于逻辑装置子部分属于IED部分，因此，明显知道不同逻辑装置到物理装置(例如，IED)的映射。

5.物理链路的识别-有效且完整的SCD文件的Communication部分的PhysConn子部分列出在变电站自动化中使用的不同链路及它们连接到的物理装置的端口。此步骤产生SA系统的通信架构或拓扑。

最后，需要如上所述的每个单独元件的故障前平均时间和维修前平均时间。在SCD文件中没有此信息，并且要进行扩展。不同的方式可能用于进行扩展。作为一个示例，SCD文件的private部分能够用于存储变电站的每个元件的可靠性，或者不同于SCD文件，外部存储器或存储部件能够起到此作用，因此，可靠性数字(figure)保持机密。

图3到5示出上面的步骤1到5所需的信息容易从SA系统的例如根据IEC 61580的SCL文件等标准化配置描述中得到。具体而言：

图3是示出在示范变电站自动化(SA)系统的智能电子装置(IED)之间配置的通信或逻辑数据流的功能图表。数据流包括未缓冲的报告(“例如从IED P2KA4到网关P2Y1和OPC服务器AA1KA1的“位置(position)”)和GOOSE消息(例如，从IED P2KA4到IED P2KA3、P2KA1、P2KA2的“互锁(interlock)”)。

图4示出图3的SA系统的通信网络的物理网络结构。图中示出了开关(开圆)、线缆(点)和IED(矩形)。开关SW1、SW2、SW3、SW4通过线缆C1、C2、C3、C41、C43、C10、C12连接到IED，并且在它们之间通过干线线缆C21、C23、C42连接。

图5包括变电站配置语言(SCL)文件的摘录，具体与图3中介绍的SA通信系统的IED“P2KA1”和开关“SW1”有关。在图5中再现的SCL文件的部分为GOOSE“互锁”消息定义虚拟局域网(VLAN)标识符(“VLAN-ID”004)和发送频率(MinTime，MaxTime)。此外，根据IEC61850的标准化配置表示中物理网络结构的示范描述包括对互连IED的端口“PI”和开关的端口“P5”的线缆“C1”的引用，参见图4。

Claims (8)

1.一种为带有多个变电站装置和变电站通信元件(IED，CT1，XCBR1；MU1，cw1，cw2，fo1-fo4)的变电站计算变电站自动化SA系统的可靠性的方法，所述方法包括

-识别用于执行第一SA功能性的多个变电站装置(IED，CT1，XCBR1)，以及

-基于所述识别的变电站装置的可靠性，计算所述SA系统的可靠性，

其特征在于所述方法包括：

-从包括所述第一SA功能性的逻辑数据流定义的所述SA系统的标准化配置表示识别允许实现与所述第一SA功能性有关的数据流的物理数据流路径和对应变电站通信元件(MU1，IED，cw1，cw2，fo1-fo4)，

-提供每个识别的变电站通信元件的可靠性指示，

-基于所述提供的可靠性指示，计算所述识别的物理数据流路径的可靠性，以及

-基于所述识别的物理数据流路径的可靠性，计算所述SA系统的可靠性。

2.如权利要求1所述的方法，包括

-计算多个单独SA功能中每个单独SA功能的可靠性，其中每个单独SA功能具有识别的物理数据流路径；以及在此基础上计算所述SA系统的可靠性。

3.如权利要求1或2所述的方法，包括基于故障树分析所述物理数据流路径。

4.如权利要求1或2所述的方法，包括从在所述SA系统的所述标准化配置表示外部的存储器提供每个识别的变电站通信元件的可靠性指示。

5.如权利要求1或2所述的方法，包括手动指定所述元件之间的任何冗余数据流。

6.如权利要求1或2所述的方法，包括为所述变电站的多个不同SA系统架构中每个架构计算SA可靠性，以及比较所述多个计算得出的SA可靠性。

7.一种用于为带有多个变电站装置和变电站通信元件的变电站计算SA系统的可靠性的工程工具，包括

-计算部件，用于从包括第一SA功能性的逻辑数据流定义的所述SA系统的标准化配置表示识别允许实现与所述第一SA功能性有关的数据流的物理数据流路径和对应的变电站通信元件，

-存储器部件，用于存储每个识别的变电站通信元件的可靠性指示，以及

-计算部件，用于基于来自所述存储器部件的可靠性指示，计算所述识别的物理数据流路径的可靠性，以及用于基于所述识别的物理数据流路径的可靠性，计算所述SA系统的可靠性。

8.一种计算机程序，包括用于为带有多个变电站装置和变电站通信元件的变电站计算变电站自动化SA系统的可靠性的计算机程序代码，所述计算机程序在执行时控制装置的一个或多个处理器以执行以下步骤：

-从包括第一SA功能性的逻辑数据流定义的所述SA系统的标准化配置表示识别允许实现与所述第一SA功能性有关的数据流的物理数据流路径和对应的变电站通信元件，

-检索每个识别的变电站通信元件的可靠性指示，以及

-基于所述检索到的可靠性指示，计算所述识别的物理数据流路径的可靠性，以及基于所述识别的物理数据流路径的可靠性，计算所述SA系统的可靠性。

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