CN104680431A - 一种智能变电站二次系统可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，包括以下步骤：(1)根据IEC 61850标准所描述的智能变电站二次系统功能信息模型，利用可靠性框图建立二次系统功能可靠性模型；(2)面向智能变电站二次系统功能，建立功能和系统两个粒度的智能变电站二次系统可靠性评估指标；(3)以非序贯蒙特卡罗方法为基础，计算被评估智能变电站二次系统可靠性指标。本发明所述的一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，克服了传统可靠性评估容易丢失软硬件之间交互关系，指标不够丰富等缺点，具有良好可行性和可操作性，能为智能变电站二次系统功能分布的合理性，运行的可靠性提供切实有效的依据。

Description

一种智能变电站二次系统可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，属于电力系统信息自动化技术领域。

背景技术

IEC 61850标准的发布，使变电站朝着智能化发展。由于一次系统和二次系统的快速融合，智能变电站二次系统的可靠性越来越受到电网运行人员的关注。目前，智能变电站二次系统基本实现了数字化，并且支持功能自由分布。二次系统的一项功能的完成需要多个设备和软件配合，单个设备或者软件也往往同时参与多个功能的完成。如果将软件、设备、网络等分开单独评估可靠性容易丢失它们之间的交互关系，而传统的可靠性指标在面向智能变电站二次系统功能时显得不够全面，不能满足实际运行要求。

因此，以智能变电站二次系统功能为对象，建立以功能为基础的新的可靠性评估指标，依据IEC61850标准对功能信息模型的定义建立可靠性模型，对智能变电站二次系统进行可靠性评估，具有实际意义。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，以二次系统功能为对象，建立新的可靠性评估指标，能够真实的反映智能变电站二次系统多尺度的可靠性。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，包括以下步骤：

(1)根据IEC 61850标准所描述的智能变电站二次系统功能信息模型，利用可靠性框图建立二次系统功能可靠性模型；

(2)面向智能变电站二次系统功能，建立功能和系统两个粒度的智能变电站二次系统可靠性评估指标；

(3)以非序贯蒙特卡罗方法为基础，计算被评估智能变电站二次系统可靠性指标。

作为上述技术方案的具体优选，所述的步骤(1)中，利用可靠性框图建立的二次系统功能可靠性模型，是由二次系统功能包含的逻辑节点和逻辑连接串并联而成的综合可靠性模型。

作为上述技术方案的具体优选，所述的步骤(2)中，智能变电站二次系统可靠性评估指标包括：

1)功能稳态不可用率(Steady Unavailability of function，U_s)：

$U_s=\underset{t\→\∞}{\lim }(1-A_f\left(t\right))=\frac{t_{\mathrm{failure}}}{t_{\mathrm{total}}}$

式中：A_f(t)为功能可用率，t_failure为功能故障时间，t_total为总时间；

2)系统功能失效概率(Loss of function probability，LOFP)：

$\mathrm{LOFP}=\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_i$

式中：S为二次系统中有功能失效的所有状态集合；p_i为二次系统在状态i的概率；

3)系统期望功能失效量(Expected functions not working，EFNW)：

$\mathrm{EFNW}=\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{C}_i{p}_i$

式中：C_i为二次系统在状态i的功能失效数量，p_i为二次系统在状态i的概率。

作为上述技术方案的具体优选，所述的二次系统功能可用率A_f(t)按照以下算式计算求得：

$A_f\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{A}_i^{\ln }\left(t\right)\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{A}_j^{\mathrm{lc}}\left(t\right)$

其中：A_f(t)为功能可用率，n和m分别为二次系统功能包含的逻辑节点和逻辑连接的数量，为功能第i逻辑节点的可用率，为功能第j逻辑连接的可用率，i和j均为大于0的自然数，且1≤i≤n，1≤j≤m。

作为上述技术方案的具体优选，所述的步骤(3)中，智能变电站二次系统可靠性指标的计算步骤如下：

1)收集智能变电站二次系统各元件可靠性基础数据，计算逻辑节点和逻辑连接故障率和修复率，并进行非序贯蒙特卡罗抽样；

2)依据二次系统功能可靠性模型，得到不同二次系统功能的状态；

3)判断二次系统功能是否存在冗余配置，若是，对冗余功能进行抽样，计算冗余后的的功能状态；若否，保持功能状态不变；从而得到最终的二次系统状态集；

4)计算当前系统状态下的智能变电站二次系统功能失效量；

5)判断功能失效量方差系数是否满足条件，若否，则重复进行上述步骤1)～4)；若是，则执行下一步；

6)计算二次系统的功能稳态不可用率，系统功能失效概率和系统期望功能失效量。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明所述的一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，以智能变电站二次系统功能为基础，依据IEC61850标准对智能变电站二次系统功能信息模型的定义，建立二次系统功能可靠性模型，以功能稳态不可用率，系统功能失效概率和系统期望功能失效量作为智能变电站二次系统的可靠性指标，以非序贯蒙特卡罗方法为计算方法，能够从不同角度和粒度对智能变电站二次系统进行可靠性评估；有效克服了传统可靠性评估容易丢失软硬件之间交互关系，指标不够丰富等缺点，具有良好可行性和可操作性，能为智能变电站二次系统功能分布的合理性，运行的可靠性提供切实有效的依据。

附图说明

图1为本发明具体实施例中T1-1型智能变电站二次系统的功能信息模型示意图；

图2为本发明具体实施例中进行故障率敏感性分析时3种仿真算例对应不同故障率系数时的EFNW曲线；

图3为本发明具体实施例中进行故障率敏感性分析时3种仿真算例对应不同故障率系数时的LOFP曲线。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

本例选取T1-1型智能变电站二次系统为对象，由于实际运行智能变电站二次系统功能的多样性和差异性，算例只针对智能变电站二次系统主要运行、控制功能进行可靠性评估。

步骤1：分解智能变电站二次系统功能。

依据IEC61850标准对功能信息模型的规定，对T1-1型智能变电站二次系统进行分解，得到总计20个智能变电站二次系统功能，如表1所示。分布在T1-1智能变电站的D1Q1，E1Q1，E1Q2，E1Q3四个间隔中，各功能包含逻辑连接和逻辑节点及其名称含义参见IEC61850标准，其分布如表2所示。

表1、T1-1型智能变电站二次系统功能：

编号	功能名称	编号	功能名称
				1.	E1Q1量测和计量	11.	E1Q3间隔连锁
2.	E1Q1距离保护	12.	E1Q3断路器失灵保护
				3.	E1Q1差动保护	13.	E1Q2量测和计量
4.	E1Q1零序过流保护	14.	E1Q2距离保护
				5.	E1Q1间隔连锁	15.	E1Q2电压调节
6.	E1Q1断路器失灵保护	16.	E1Q2断路器失灵保护
				7.	E1Q3量测和计量	17.	D1Q1变压器差动保护
8.	E1Q3距离保护	18.	D1Q1变压器过流、过压保护
				9.	E1Q3差动保护	19.	D1Q1变压器零序过流保护
10.	E1Q3零序过流保护	20.	132kV母线差动保护

表2、T1-1型智能变电站二次系统主要功能及逻辑节点分布情况：

步骤2：功能可靠性模型构建。

以E1Q1间隔中的功能量测和计量f₁为例，其功能信息模型如图1所示，图中逻辑节点之间的连线为逻辑连接。可靠性评估时，认为二次系统功能一个逻辑节点或者逻辑连接失效即认为功能失效，可用可靠性框图理论中的串联模型进行建模。

由于功能f₁包含6个逻辑节点和7个逻辑连接，此时功能可用性计算如下：

$A_{f_1}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Π}}}{A}_i^{\ln }\left(t\right)\underset{j=1}{\overset{7}{\mathrm{\Π}}}{A}_j^{\mathrm{lc}}\left(t\right)$

其中：A_f(t)为功能可用率，6和7分别为二次系统功能包含的逻辑节点和逻辑连接的数量，为功能第i逻辑节点的可用率，为功能第j逻辑连接的可用率，i和j均为大于0的自然数，且1≤i≤n，1≤j≤m。

步骤3：智能变电站二次系统可靠性指标计算。

逻辑节点和逻辑连接的可靠性数据一般由运行中积累所得，逻辑连接统一用LC表示，两者可靠性数据如表3所示。表中MTTR为平均修复时间(Mean time to repair)，MTBF为平均故障间隔时间(Meantime between failure)。

表3、逻辑节点和逻辑连接可靠性数据：

名称	MTBF/h	MTTR/h	名称	MTBF/h	MTTR/h
						PDIS	110156	48	MMTR	110156	48
PLDF	110156	48	TCTR	276396	48
						PTDF	110156	48	TVTR	276396	48
PIOC	110156	48	XCBR	713267	48
						PTOV	110156	48	XSWI	713267	48
PHIZ	110156	48	YLTC	451264	48
						PBDF	110156	48	IHMI	23496	48
RBRF	110156	48	ITCI	29815	48
						CSWI	79808	48	IRAC	29815	48
CILO	79808	48	ITMI	29815	48
						ATCC	110156	48	LC	29940	48
MMXU	110156	48

按照步骤如下计算智能变电站二次系统可靠性指标：

1)收集智能变电站二次系统各元件可靠性基础数据，计算逻辑节点和逻辑连接故障率和修复率，并进行非序贯蒙特卡罗抽样；

2)依据二次系统功能可靠性模型，得到不同二次系统功能的状态；

3)判断二次系统功能是否存在冗余配置，若是，对冗余功能进行抽样，计算冗余后的的功能状态；若否，保持功能状态不变；从而得到最终的二次系统状态集；

4)计算当前系统状态下的智能变电站二次系统功能失效量；

5)判断功能失效量方差系数是否满足条件，若否，则重复进行上述步骤1)～4)；若是，则执行下一步；

6)计算二次系统的功能稳态不可用率，系统功能失效概率和系统期望功能失效量；

其中，功能稳态不可用率(Steady Unavailability of function，U_s)按照下式计算：

$U_s=\underset{t\→\∞}{\lim }(1-A_f\left(t\right))=\frac{t_{\mathrm{failure}}}{t_{\mathrm{total}}}$

式中：A_f(t)为功能可用率，t_failure为功能故障时间，t_total为总时间；

系统功能失效概率(Loss of function probability，LOFP)按照下式计算：

$\mathrm{LOFP}=\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_i$

式中：S为二次系统中有功能失效的所有状态集合；p_i为二次系统在状态i的概率；

3)系统期望功能失效量(Expected functions not working，EFNW)按照下式计算：

$\mathrm{EFNW}=\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{C}_i{p}_i$

式中：C_i为二次系统在状态i的功能失效数量，p_i为二次系统在状态i的概率。

为分析智能变电站通信网络结构和冗余配置等不同对二次系统可靠性的影响，仿真算例分以下几种方式进行。

算例1：单星型网络拓扑结构，即二次设备和网络都是单重配置。

算例2：双星型网络拓扑结构，二次设备和网络都是双重配置，但网络互为独立。

算例3：并行冗余网络拓扑结构，二次设备和网络都是双重配置，网络并行冗余。

对上述3种情况分别进行智能变电站二次系统可靠性指标计算，结果见表4和表5。

表4、功能可靠性指标：

表5、系统可靠性指标：

情况	EFNW(次/年)	LOFP
			算例1	2809.2	0.2165
算例2	172.6	0.0052
			算例3	4.188	0.000478

通过以上仿真算例可以看出，功能稳态不可用率U_s能够反映具体功能的可靠性，同时系统功能失效概率LOFP和期望功能失效量EFNW两个指标能够反映智能变电站二次系统全局运行的可靠性。如算例1中，通过U_s可以看出功能20母差保护的不用率比其他功能的不可用率都要大，主要原因是母差保护涉及的逻辑节点和逻辑连接分布在多个间隔中，因而受影响因素更多；而功能5和功能11的结果表明，尽管与其相关的逻辑节点的MTBF较小，但由于间隔连锁功能分布比较集中，其不可用率反而要小。通过LOFP和EFNW两个指标可以看出单星型网络在所给相同可靠性数据下，系统功能失效量和失效概率都比较大。

算例1与算例2结果比较可以看出，单个功能的U_s在双网冗余情况下比单网配置下降明显，前者基本约为后者的0.02倍；而智能变电站二次系统的LOFP和EFNW指标，算例2分别下降为算例1的0.061倍和0.024倍，表明目前智能变电站采用的双星型冗余网络能够显著提升二次系统可靠性。而算例3相比算例2，各个可靠性指标依然有显著提高，可见并行冗余网络在今后智能变电站中有实际应用意义。

另外，对3个算例进行对逻辑节点和逻辑连接的故障率的灵敏度分析，采用改变逻辑节点和逻辑连接的故障率系数k，再对智能变电站二次系统的可靠性指标进行计算，系统可靠性指标如图2和图3所示。

由图2三条EFNW曲线斜率比较可知，单个星型网络具有最高的故障率敏感性，双星型次之，并行冗余最小，即最可靠，这与已有的研究具有一致性。而由图3可以看出，相比EFNW指标，LOFP能更快的反映二次系统可靠性随逻辑节点和逻辑连接故障率的变化程度。可见，本文所述的LOFP和EFNW两个指标确实能很好的反映智能变电站二次系统的可靠性及其变化规律。

故本实施方式给出了一种智能变电站二次系统新的可靠性评估途径；通过不同情况下对智能变电站二次系统的可靠性评估，反映出本实施方式能够较真实的反映不同状况下智能变电站二次系统可靠性的变化情况，从而为智能变电站二次系统的结构设计、运行维护提供一定参考。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)根据IEC 61850标准所描述的智能变电站二次系统功能信息模型，利用可靠性框图建立二次系统功能可靠性模型；

(2)面向智能变电站二次系统功能，建立功能和系统两个粒度的智能变电站二次系统可靠性评估指标；

(3)以非序贯蒙特卡罗方法为基础，计算被评估智能变电站二次系统可靠性指标。

2.如权利要求1所述的一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，其特征是，所述的步骤(1)中，利用可靠性框图建立的二次系统功能可靠性模型，是由二次系统功能包含的逻辑节点和逻辑连接串并联而成的综合可靠性模型。

3.如权利要求2所述的一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，其特征是，所述的步骤(2)中，智能变电站二次系统可靠性评估指标包括：

1)功能稳态不可用率(Steady Unavailability of function，U_s)：

$U_s==\underset{t\→\∞}{\lim }(1-A_f\left(t\right))=\frac{t_{\mathrm{failure}}}{t_{\mathrm{total}}}$

式中：A_f(t)为功能可用率，t_failure为功能故障时间，t_total为总时间；

2)系统功能失效概率(Loss of function probability，LOFP)：

$\mathrm{LOFP}=\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{p}_i$

式中：S为二次系统中有功能失效的所有状态集合；p_i为二次系统在状态i的概率；

3)系统期望功能失效量(Expected functions not working，EFNW)：

$\mathrm{EFNW}=\underset{i\∈S}{\mathrm{\Σ}}{C}_i{p}_i$

式中：C_i为二次系统在状态i的功能失效数量，p_i为二次系统在状态i的概率。

4.如权利要求3所述的一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，其特征是，所述的二次系统功能可用率A_f(t)按照以下算式计算求得：

$A_f\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{A}_i^{\ln }\left(t\right)\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Π}}}{A}_j^{\mathrm{lc}}\left(t\right)$

其中：A_f(t)为功能可用率，n和m分别为二次系统功能包含的逻辑节点和逻辑连接的数量，为功能第i逻辑节点的可用率，为功能第j逻辑连接的可用率，i和j均为大于0的自然数，且1≤i≤n，1≤j≤m。

5.如权利要求4所述的一种智能变电站二次系统可靠性评估方法，其特征是，所述的步骤(3)中，智能变电站二次系统可靠性指标的计算步骤如下：

1)收集智能变电站二次系统各元件可靠性基础数据，计算逻辑节点和逻辑连接故障率和修复率，并进行非序贯蒙特卡罗抽样；

2)依据二次系统功能可靠性模型，得到不同二次系统功能的状态；

3)判断二次系统功能是否存在冗余配置，若是，对冗余功能进行抽样，计算冗余后的的功能状态；若否，保持功能状态不变；从而得到最终的二次系统状态集；

4)计算当前系统状态下的智能变电站二次系统功能失效量；

5)判断功能失效量方差系数是否满足条件，若否，则重复进行上述步骤1)～4)；若是，则执行下一步；

6)计算二次系统的功能稳态不可用率，系统功能失效概率和系统期望功能失效量。