基于IEC61850的智能變電站可靠性研究

1、東北大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵,智能化變電站是智能電網(wǎng)屮變換電壓、接收和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施,是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”三流匯集的焦點(diǎn),對建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。由此看出,變電站更高的可靠性是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)不斷追求的重要目標(biāo)。首先,本文簡要分析了常規(guī)變電站的弊端,描述了智能變電站針對這些弊端所具有的優(yōu)勢。然后介紹了 IEC 61850的主要內(nèi)容,詳細(xì)分析了其核心思想及應(yīng)用情況。最后，對智能變電站可靠性進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：IEC61850 智能變電站 可靠性 目 錄摘要4

2、1 緒論71.1 課題研究背景及意義61.2 課題研究現(xiàn)狀71.3 本文主要內(nèi)容92 IEC61850規(guī)約112.1 IEC61850內(nèi)容112.2 IEC61850的結(jié)構(gòu)體系132.3 國外IEC61850的應(yīng)用情況162.4 國內(nèi)IEC6185O應(yīng)用情況173 智能變電站關(guān)鍵技術(shù)的可靠性分析213.1 可靠性的基本概念及指標(biāo)213.2 繼電保護(hù)可靠性分析253.3 電子式互感器可靠性分析273.4 網(wǎng)絡(luò)的安全性及安全性策略284 結(jié)語31參考文獻(xiàn)331 緒論1.1 課題研究背景及意義 影響電網(wǎng)運(yùn)行安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)和不確定因素隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大而隨之增加。為了解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與電力建設(shè)、一次能源分

3、布和負(fù)荷分布、電網(wǎng)復(fù)雜度增加與控制技術(shù)、電能質(zhì)量與用戶要求、電力發(fā)展與環(huán)境惡化等方面日益突出的矛盾，滿足用戶安全可靠的電力供應(yīng)，智能電網(wǎng)（Smart Grid）的概念被提出，基于“智能電網(wǎng)”的未來電網(wǎng)發(fā)展理念也正被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者和電力企業(yè)達(dá)成共識，這為全世界電力行業(yè)在安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效、綠色環(huán)保等方面開辟了新的發(fā)展空間。 我國繼美國、歐盟之后啟動了智能電網(wǎng)的相關(guān)研究，2007 年華東電網(wǎng)公司率先在國內(nèi)開展了智能電網(wǎng)的可靠性研究，并設(shè)計(jì)了 2009-2020 年“三步走”的行動計(jì)劃。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，該項(xiàng)目的啟動標(biāo)志著我國開始進(jìn)入智能電網(wǎng)領(lǐng)域。在歐美智能電網(wǎng)研究的基礎(chǔ)上，2009 年 5 月“

4、特高壓輸電技術(shù)國際會議”在國家電網(wǎng)公在召開了，會上公布了我國對智能電網(wǎng)的定義，即統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是以堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含覆蓋所有電壓等級的發(fā)、輸、變、配、用調(diào)度六大環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各類信息流的高度融合，是可靠、高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、透明友好、開放互動的現(xiàn)代化電網(wǎng)，由此全面拉開了中國智能電網(wǎng)前期研究序幕。智能變電站作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)兼容虛擬電廠和微網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)變電站自動化技術(shù)、GIS 技術(shù)和SCADA 等工業(yè)技術(shù)的高度融合，實(shí)現(xiàn)與控制中心快速、高性能的通信，控制和建模都是在控制中心授權(quán)范圍內(nèi)進(jìn)行的。國家電網(wǎng)公司關(guān)于智能電網(wǎng)規(guī)劃報(bào)告中提出，智能變電站的發(fā)展目標(biāo)是：“設(shè)備

5、信息和運(yùn)行維護(hù)策略與電力調(diào)度實(shí)現(xiàn)全面互動，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的全壽命周期綜合優(yōu)化管理。樞紐及中心變電站全面建成或改造成為智能化變電站。實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、實(shí)時信息共享以及電網(wǎng)實(shí)時控制和智能調(diào)節(jié)，支撐各級電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和各類高級應(yīng)用?！?所以，智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容之一就是智能變電站的實(shí)現(xiàn)，從事變電站自動化研究與開發(fā)的主導(dǎo)方向就是與智能變電站相關(guān)的研究。1.2 課題研究現(xiàn)狀 自從國家政策開始大力扶持城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造以來,我國的變電站綜合自動化建設(shè)迅速發(fā)展,無人值班變電站的建設(shè)如雨后春夢般,變電站綜合自動化系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用,并對社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。一般將變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷程化

6、分為三個階段:第一階段為90年代初開始使用的“集中式”結(jié)構(gòu)的變電站自動化產(chǎn)品;第二階段為90年代中期的“分層分布式”系統(tǒng);第三階段則是現(xiàn)在普遍采用的“分散分布式”自動化系統(tǒng)。染中式的變電站自動化系統(tǒng)通常由一臺前置機(jī)負(fù)責(zé)對各種釆集和控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)掘交換,并將信息傳送給上位機(jī),是較為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是前置機(jī)因過度繁忙,而帶來的運(yùn)行速度慢,可靠性差,并且任何一種采集或控制設(shè)備故障將影響整個系統(tǒng)運(yùn)行,這些問題使集中式結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展應(yīng)用受到很大限制。 目前,國內(nèi)的變電站自動化系統(tǒng)普遍采用的是分散分布式綜合自動化系統(tǒng),該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用分層分布式,與采用“集中式”結(jié)構(gòu)相比,可以節(jié)省大量的二次電纜,

7、同時二次回路負(fù)載將進(jìn)一步減輕,設(shè)計(jì)、安裝簡便,控制室面積進(jìn)一步縮小,從而從整體上降低了變電站的造價。分散分布式系統(tǒng)是將保護(hù)和監(jiān)控等功能按照電氣間隔劃分單元,并將硬件裝置安裝于現(xiàn)場,分布實(shí)施,相互之間用串行通信或網(wǎng)絡(luò)通信組成一個系統(tǒng),這使設(shè)計(jì)更為規(guī)范,調(diào)整擴(kuò)建也很簡單,設(shè)備布置整齊,運(yùn)行維護(hù)方便。由于智能電網(wǎng)是當(dāng)代電力系統(tǒng)的一個熱點(diǎn)話題,智能變電站的發(fā)展是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要標(biāo)志,因此國內(nèi)外諸多學(xué)者幵始投入大量工作到智能變電站的研究中來。文獻(xiàn)2詳細(xì)地介紹了智能化變電站的主要技術(shù)特征,介紹了非常規(guī)傳感器的穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性、IED設(shè)備之間的互操作性、數(shù)據(jù)的同步傳輸和信息安全性等實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站

8、的關(guān)鍵技術(shù),并從經(jīng)濟(jì)角度對智能化變電站進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)3分別從功能結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)兩方面對智能化變電站的基本網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,指出可行方案。文獻(xiàn)4提出了一種數(shù)字化變電站中常規(guī)智能電子設(shè)備的接入方案,設(shè)計(jì)了一種IEC 61850通信網(wǎng)關(guān),包括配置工具、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集過濾器、IEC 61850和過程控制對象鏈接與嵌入(OPC)客戶/服務(wù)器等軟件模塊。文獻(xiàn)5提出一種基于IEC 61850的服務(wù)器端模擬系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法,大大縮短了 IEC 61850的工程調(diào)試周期,促進(jìn)了 IEC 61850工程化的實(shí)施和推廣。1.3 本文主要內(nèi)容本文針對基于IEC61850規(guī)約的智能變電站的可靠性進(jìn)行了分析，共分為四章

9、：第1章 為緒論，對課題的研究背景以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作了介紹；第2章 對IEC61850規(guī)約的內(nèi)容及應(yīng)用情況做了詳細(xì)介紹；第3章 對智能變電站的可靠性進(jìn)行了分析；第4章 為結(jié)語對全文進(jìn)行總結(jié)，并對課題今后發(fā)展提出了展望。2 IEC61850規(guī)約2.1 IEC61850內(nèi)容 自從1994年,德國國家委員會提出對于通訊協(xié)議的設(shè)想,制定一個世界范圍統(tǒng)一的關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)一IEC 61850。該標(biāo)準(zhǔn)不僅吸收了 UCA和IEC 60870系列標(biāo)準(zhǔn)的很多經(jīng)驗(yàn),并且還吸收了多種國際上的先進(jìn)技術(shù),對控制和保護(hù)等自動化產(chǎn)品以及變電站自動化系統(tǒng)(SAS)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生深刻的影響。IEC6185

10、0是變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的惟一國際標(biāo)準(zhǔn),同時也是電力系統(tǒng)中從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)配電自動化的無縫通信體系的基礎(chǔ),是變電站信息建模與信息交互的基礎(chǔ)。國內(nèi)外各大電力公司、研究機(jī)構(gòu)都在積極調(diào)整產(chǎn)品研發(fā)方向,力圖和新的國際標(biāo)準(zhǔn)接軌,以適應(yīng)未來的發(fā)展方向。IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)共10大類,14個標(biāo)準(zhǔn)，如下表所示：表2-1 IEC61850內(nèi)容 就標(biāo)準(zhǔn)的概念而言,IEC 61850主要圍繞以下四個方面展開: (1)功能建模,Part5從變電站自動化通信系統(tǒng)的通信性能出發(fā),定義了變電站系統(tǒng)的功能検型。 (2)數(shù)據(jù)建模,Part7-3/4采用面向?qū)ο蟮姆椒?定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。

11、(3)通信協(xié)議,Part7-2和Part8/9定義了數(shù)據(jù)訪問機(jī)制和向通信協(xié)議棧的映射,如在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)映射到制造報(bào)文協(xié)議MMS;間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)映射成點(diǎn)對點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)或串行單向多點(diǎn)或基于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的過程層總線。 (4)變電站自動化系統(tǒng)工程和一致性測試,Part6定義了基于XML的結(jié)構(gòu)化語言,描述變電站和自動化系統(tǒng)的拓?fù)湟约癐ED結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證互操作性,Part 10描述了 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的一致性測試。IEC 61850提供了 13組約90種兼容邏輯節(jié)點(diǎn)類、450多種數(shù)據(jù)類,幾乎涵蓋了變電站現(xiàn)在所有的功能和數(shù)據(jù)對象,提供了擴(kuò)展新的邏

12、輯節(jié)點(diǎn)的方法,并規(guī)定了數(shù)據(jù)對象代碼的組成方法,另外還定義了面向?qū)ο蟮姆?wù)。將這三部分有機(jī)地結(jié)合在一起,解決了面向?qū)ο笞晕颐枋龅葐栴}。釆用面向?qū)ο笞晕颐枋龅姆椒?可以滿足不同用戶和制造商相互間傳輸不同信息對象和應(yīng)用功能發(fā)展的要求,是保證實(shí)現(xiàn)功能設(shè)備間互操作性的必要前提。2.2 IEC61850的結(jié)構(gòu)體系從物理上來說,智能化變電站自動化系統(tǒng)可分為智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備兩類;從邏輯上來說,變電站通信體系IEC 61850將變電站通信體系分為3層:變電站層、間隔層和過程層。在標(biāo)準(zhǔn)中,過程層與間隔層之間基于交換式以太網(wǎng)的數(shù)字通信方式被稱為過程總線通信,采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范、

13、傳輸控制協(xié)議/國際協(xié)議以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。變電站層與間隔層之間串行通信方式稱為站級總線通信,采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。圖2-1為變電站自動化系統(tǒng)的接口模型,是1EC 61850標(biāo)準(zhǔn)系列的基礎(chǔ)。在一個變電站自動化設(shè)備中,接口并非必須全部出現(xiàn),可以根據(jù)功能需求和成本約束來靈活地選擇配置方案。圖2-1 OSI參考型分層示意圖圖2-1中各接口的意義如下：接口 1:間隔層與變電站層之間的數(shù)據(jù)交換;接口 2:間隔層與遠(yuǎn)方保護(hù)間的保護(hù)數(shù)據(jù)交換(超出標(biāo)準(zhǔn)范圍);接口 3:間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)交換(保護(hù)與控制之間);接口 4:間隔層與過程層之間的CT和PT瞬時數(shù)據(jù)交換;接口 5:間隔層與過程層之間的控制數(shù)據(jù)交換;接口

14、 6:間隔層與變電站層之間的控制數(shù)據(jù)交換;接口 7:變電站層與遠(yuǎn)方工程師工作站之間的數(shù)據(jù)交換;接口 8:間隔層之間直接交換數(shù)據(jù)(特別是快速功能如互鎖的直接數(shù)據(jù)交換);接口 9:變電站層之間的數(shù)據(jù)交換;接口 10:變電站層和遠(yuǎn)方控制中心之間控制數(shù)據(jù)交換(超出標(biāo)準(zhǔn)范圍)。在傳統(tǒng)的變電站自動化系統(tǒng)中存在著很多不足,主要表現(xiàn)在二次設(shè)備之間的互操作性不夠、對象建模的差異使信息難以共享、新技術(shù)應(yīng)用的兼容性問題1以及二次電纜對系統(tǒng)可靠性的影響等。然而與傳統(tǒng)的通信協(xié)議相比,在技術(shù)上IEC 61850具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)使用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)的統(tǒng)一建模;(2)具有分布、分層的結(jié)構(gòu)體系;(3)使用抽象通信服務(wù)接口與特定

15、通訊服務(wù)映射技術(shù);(4)使用制造報(bào)文規(guī)范技術(shù);(5)面向?qū)崟r的服務(wù)與互操作性;(6)面向未來的、開放的體系結(jié)構(gòu),對未來的新技術(shù)具有更高的適應(yīng)性;(7)配置語言,提供了面向?qū)ο蟮淖晕颐枋?。國外許多大公司如ABB、Siemens、AREVA紛紛推出支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的新一代變電站自動化系統(tǒng)。國家電力調(diào)度通信中心也積極地組織國內(nèi)從事變電站自動化的科研單位、生產(chǎn)廠家、檢測機(jī)構(gòu)等,開展IEC 61850互操作試驗(yàn)工作,檢驗(yàn)并促進(jìn)了國內(nèi)IEC 61850系列產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的兼容性,推動了 IEC61850在中國的推廣。2.3 國外IEC61850的應(yīng)用情況 國外很多國家針對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的研

16、究是比較早的,并且有很多示范性的工程己經(jīng)開始實(shí)施,據(jù)介紹,ABB和Siemens等公司在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)公布之前就進(jìn)行了一系列成功的互操作實(shí)驗(yàn),并相繼推出了符合此標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。 2001年1月,ABB、Siemens和OMECRON在美國UCA用戶協(xié)會進(jìn)行的跳鬧命令的網(wǎng)絡(luò)傳輸測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了通用對象的變電站事件(GOOSE)在網(wǎng)絡(luò)上適合傳輸斷路器跳鬧命令,并驗(yàn)證了使用變電站配置語言(SCL)配置來自不同廠商設(shè)備的GOOSE的能力。 2002年1月,由ABB和Siemens參加釆樣值的網(wǎng)絡(luò)傳輸測試,并宣布共同支持 IEC 61850-9。2002 年 9 月,ABB、Siemen

17、s 和 OMECRON 在美國 Utility Initiative會議上共同合作并證實(shí)了采樣值和跳鬧命令經(jīng)同一網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目尚行?。可以預(yù)見,該標(biāo)準(zhǔn)必將成為下一代智能化變電站通信的主流。2004年11月,西門子輸配電集團(tuán)在瑞士承建了世界上第一個基于IEC61850通信協(xié)議的變電站自動化系統(tǒng),在間隔控制單元中使用了內(nèi)置式可以自動進(jìn)行路由切換的光以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。到目前為止,西門子在全球已經(jīng)完成了運(yùn)用同樣規(guī)約的工程100多項(xiàng);ABB公司也在全球完成幾十項(xiàng)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動化系統(tǒng)工程。2.4 國內(nèi)IEC6185O應(yīng)用情況 國內(nèi)對IEC 61850的研究和應(yīng)用工作已陸續(xù)開展,并己取得階

18、段性成果。幾家大的公司如南銳繼保、北京四方、國電南自等都有相應(yīng)的產(chǎn)品問世。國內(nèi)對于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的研究較晚,2005年至2006年之間,中國國網(wǎng)調(diào)度中心以國內(nèi)廠家為主,組織國內(nèi)外主要廠家進(jìn)行了 6次IEC 61850互操作試驗(yàn),其中第6次試驗(yàn)含ABB、SIEMENS、AREVA等國際公司產(chǎn)品,對于國內(nèi)電力系統(tǒng)和設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行IEC 61850研究和提高相關(guān)產(chǎn)品、系統(tǒng)開發(fā)水平起到了巨大的推動作用,加快了國內(nèi)廠家的IEC 61850技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)幵發(fā)進(jìn)程。 文獻(xiàn)2是國內(nèi)較早研究基于IEC 61850對IED進(jìn)行信息分層設(shè)計(jì)以及軟硬件探討的綜述性文獻(xiàn)。文獻(xiàn)3研究了變電站電能量采集終端的實(shí)

19、現(xiàn),利用了 IEC 61850的擴(kuò)展原則,建立了新的邏輯節(jié)點(diǎn),但并未解決電能量采集數(shù)據(jù)流量較大的問題。文獻(xiàn)4主要是對調(diào)度中心的IED進(jìn)行基于IEC 61850的改造,未對信息模型進(jìn)行具體分析,僅提出了基于動態(tài)鏈接庫方案實(shí)現(xiàn)故障信息管理系統(tǒng)的IEC 61850模塊的方法。文獻(xiàn)5探討了使用IEC 61850對現(xiàn)有繼電保護(hù)故障處理子站系統(tǒng)進(jìn)行改造時如何與現(xiàn)有通信協(xié)議兼容的問題。文獻(xiàn)6提出了一種分布式母線保護(hù)方案,針對過程層和間隔層的以太網(wǎng)絡(luò),分析了分布式保護(hù)的采樣值和通用變電站事件傳輸實(shí)現(xiàn)方案,但對于具體的實(shí)施并未做詳細(xì)研究。文獻(xiàn)7以電容器保護(hù)為例將實(shí)際功能映射成各邏輯節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)的基于IEC 618

20、50的IED硬件平臺對數(shù)字化IED的實(shí)現(xiàn)有實(shí)際參考價值。 國內(nèi)的IEC 61850實(shí)際工程應(yīng)用的開展情況有: 2006年3月27日,國內(nèi)首個滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站一西安110KV少陵變電站順利投產(chǎn),標(biāo)志著我國在IEC 61850相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域上邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。華北電網(wǎng)的220kV郭家屯變電站釆用了電子式互感器,開關(guān)釆用就地布置智能操作箱,實(shí)現(xiàn)開關(guān)的智能化,保護(hù)之間的聯(lián)系,保護(hù)與開關(guān)之間的聯(lián)系,保護(hù)與站級監(jiān)控的聯(lián)系,測控裝置之間的聯(lián)閉鎖都采用基IEC 61850的網(wǎng)絡(luò)。南網(wǎng)500kV桂林變電站、湖北500kV武東變電站、陜西330kV曼劉變電站、河北220kV曹妃甸變電站等是典型的

21、變電站層和間隔層2層的IEC 61850變電站,僅間隔層至變電站層信息的傳送和間隔層測控裝置聯(lián)閉鎖采用了基于IEC 61850的網(wǎng)絡(luò),其余保護(hù)和開關(guān)、互感器間的聯(lián)系,保護(hù)之間的聯(lián)系,測控和開關(guān)、互感器間的聯(lián)系都采用常規(guī)的硬節(jié)點(diǎn)。雖然我國的研究人員在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用上已經(jīng)取得巨大突破,但是和國外的研究成果相比,尤其在過程層數(shù)據(jù)共享和具有新過程接口設(shè)備的接入上還存在很大的差距。并且國內(nèi)各大自動化廠家普遍沒有現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),即使己經(jīng)通過了國內(nèi)廠家之間甚至與國外同行之間的互操作試驗(yàn),在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用化方面仍然有很長的路要走。3 智能變電站關(guān)鍵技術(shù)的可靠性分析3.1 可靠性的

22、基本概念及指標(biāo) 可靠性定義為元件、設(shè)備和系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)和預(yù)定的條件下完成規(guī)定功能的概率。使得通常使用的模糊不清的可靠性概念,有了一個可以測量及計(jì)算的定量尺度。 可靠性貫穿于自動化系統(tǒng)的整個開發(fā)和運(yùn)行過程中,包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、工廠驗(yàn)收(FAT)、現(xiàn)場驗(yàn)收(SAT)、運(yùn)行和管理等各個環(huán)節(jié)。從可靠性觀點(diǎn)來看,電力系統(tǒng)中使用的設(shè)備(元件)可分為兩類:可修復(fù)元件和不可修復(fù)元件。按規(guī)范規(guī)定的要求完成規(guī)定功能的狀態(tài)稱為正常狀態(tài)(normal state)。把不可修復(fù)兀件終止執(zhí)行規(guī)定的功能稱為失效(invalidation)。把可修復(fù)元件終止執(zhí)行規(guī)定的功能稱為故障(failure)。一般組成變電站自動化

23、系統(tǒng)的元件都屬于可修復(fù)元件。所以該系統(tǒng)屬于可修復(fù)系統(tǒng)。 對于設(shè)備的可靠性分析,通常應(yīng)用如下指標(biāo): (1)可靠度(Reliability)元件或可靠度是指元件在起始時刻正常運(yùn)行條件下,在時間區(qū)間內(nèi),不發(fā)生故障的概率,對可修復(fù)元件主要集中在起始時刻到首次故障的時間。 (2)可用率：元件在起始時刻正常工作的條件下,在時刻正常工作的概率,用萬分率表示。(3)故障率：元件從起始時刻直至?xí)r刻t的完好條件下,在時刻t以后單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率,平均故障率為：(4)平均無故障工作時間(MeanTime to Failure, MTTF)。MTTF表示元件壽命的數(shù)學(xué)期望值。當(dāng)故障率為常數(shù)人時,可導(dǎo)出MTTF=

24、1A。當(dāng)考慮修復(fù)效果后,MTTF可用故障間的平均時間(Mean Time Between Failure, MTBF)表示。元件由停運(yùn)狀態(tài)轉(zhuǎn)向運(yùn)行狀態(tài),主要靠修理,表示修理能力的指標(biāo)是修復(fù)率。修復(fù)率表示在現(xiàn)有檢修能力和維修組織安排條件下,平均單位時間內(nèi)能修復(fù)設(shè)備的臺數(shù)。在設(shè)備正常壽命周期內(nèi),可通過對同類型設(shè)備長期運(yùn)行的觀察、記錄,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法得到。(6)平均修復(fù)時間(Mean Time to Repair, MTTR).從元件故障開始到完成首次修復(fù)所需的時間稱為修復(fù)時間。為設(shè)備每次連續(xù)檢修所用時間的平均值,是元件連續(xù)停運(yùn)時間隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望。根據(jù)我國實(shí)行的狀態(tài)檢修與預(yù)防性試驗(yàn)制度,智能

25、變電站在檢測維修的過程中可以排除設(shè)備的缺陷,因?yàn)樵撜緸樾陆ㄗ冸娬?所以暫時不會面臨因設(shè)備老化而更換的情況。因此變電站的設(shè)備事故屬于偶然性事故,事故的發(fā)生概率服從泊松分布。變電站設(shè)備失效率需要通過設(shè)備事故統(tǒng)計(jì)才能獲得。變電站的一次設(shè)備包括主變壓器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、接地開關(guān)、斷路器、避雷器、互感器、電容器、高壓電抗器與阻波器、變電站母線支柱絕緣子等。新建變電站的一次設(shè)備的年事故率多由以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得。由110KV及以上變電站一次設(shè)備年事故率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見,目前使用的一次電力設(shè)備的可靠性可以滿足99.5%供電可靠性要求。表3-1 110KV變電站一次設(shè)備年事故率統(tǒng)計(jì)因?yàn)樵谥悄茏冸娬局屑尤肓酥悄艿?/p>

26、二次設(shè)備,從而使得變電站的設(shè)備的年事故率大大低于同等設(shè)計(jì)的常規(guī)變電站。表3-2列出了智能變電站主要通信設(shè)施的年故障率等具體統(tǒng)計(jì)值。表中:TS為同步時鐘;MU為合并單元;RPIT為遠(yuǎn)方智能I/O; SW為交換機(jī);EM為網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)(如光纖);BCU為間隔控制單元;BPU為間隔保護(hù)單元;BU為間隔單元;RTU為遠(yuǎn)方終端單元。表3-2 智能變電站元件可靠性參數(shù)智能化變電站通信網(wǎng)絡(luò)有光纖等各種連接手段和物理部件組成。其主要設(shè)備包括以下幾個部分:(1)集線器一種簡單的多端口裝置,在某一端口收到信息后向所有其他端口廣播,OSI網(wǎng)絡(luò)模型的物理層不用任何數(shù)據(jù)確定傳輸路由,以太網(wǎng)Hub的平均故障間隔時間MTBF 般

27、為118.9年。(2)交換機(jī)智能多路交換機(jī)裝置,監(jiān)視端口的數(shù)據(jù),判斷其屬性;OSI網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)層;如果數(shù)據(jù)包補(bǔ)完整或不能解釋,交換機(jī)就忽略并不再廣播,如果數(shù)據(jù)完整,交換機(jī)就根據(jù)數(shù)據(jù)包的地址信息廣播到另一個端口,智能多路交換機(jī)裝置的MTBF 般為11.5年。(3)路由器智能多路交換機(jī)裝置,負(fù)責(zé)連接兩個網(wǎng)絡(luò),OSI網(wǎng)絡(luò)模型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,路由器可以設(shè)置成忽略內(nèi)斷網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信情況,將互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信到目的地址,以太網(wǎng)的路由器MTBF 般為9.5年。(4)以太網(wǎng)接口IED設(shè)備有以太網(wǎng)接口,通過以太網(wǎng)接口將IED設(shè)備連結(jié)到以太網(wǎng),IED設(shè)備要用接口堆桟以應(yīng)對信息處理時間,為滿足高速以太網(wǎng)應(yīng)用要求,一般IED設(shè)

28、備都具備很強(qiáng)的信息處理能力。以太網(wǎng)接口 MTBF般為19.2年。(5)服務(wù)器接受所有IED設(shè)備的信息,并建立變電站的數(shù)據(jù)庫,通常就地人機(jī)接口的圖庫來自服務(wù)器,服務(wù)器屬于OSI網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用層,如果服務(wù)器使用工業(yè)用PC,其 MTBF 般為 14.3 年。3.2 繼電保護(hù)可靠性分析 分析研究該方案繼電保護(hù)的可靠性從兩個大方面考慮,一個是設(shè)備的可靠程度,另一個是系統(tǒng)的可靠程度。該智能變電站采用數(shù)字繼電保護(hù)裝置,在制定可靠性指標(biāo)時考慮了以下的一些特點(diǎn):保護(hù)裝置的誤動失效和拒動失效。繼電保護(hù)裝置的失效可造成極為嚴(yán)重的社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失,因此對這兩項(xiàng)指標(biāo)的分析是至關(guān)重要的。 分析該設(shè)計(jì)中與繼電保護(hù)裝

29、置可靠性密切相關(guān)的模塊:(1)電源供應(yīng)模塊;(2)中央處理模塊;(3)數(shù)字量輸入模塊;(4)模擬量輸入模塊;(5)數(shù)字量輸出模塊。另外還要考慮二次回路的可靠性,由二次回路絕緣老化、裸露導(dǎo)致接地等原因造成的故障在繼電保護(hù)系統(tǒng)故障中占有一定比例。以及繼電保護(hù)輔助裝置的可靠性,這些輔助裝置包括交流電壓切換箱、三相操作繼電器箱及分相操作繼電器箱等,它們對于繼?？煽啃缘奶岣咂鹬鴺O為重要的作用。 現(xiàn)主要針對該設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析:變電站中通信裝置、通道及接口對于繼保系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。該設(shè)計(jì)考慮了經(jīng)濟(jì)性并在結(jié)合本站為負(fù)荷站的前提下,沒有采用太過復(fù)雜的保護(hù)方案,方案精簡且有助于檢測與維護(hù)

30、。對應(yīng)的SV、GOOSE、MMS網(wǎng)絡(luò)接口釆用了相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)接口控制器,具有先進(jìn)、優(yōu)化的自動控制、算法和技術(shù),系統(tǒng)的存儲力增強(qiáng),能夠更好地實(shí)現(xiàn)故障分量保護(hù);網(wǎng)絡(luò)接口便于擴(kuò)展,系統(tǒng)的在線升級能力得到較好改善;使繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。斷路器是電力網(wǎng)絡(luò)的重要元件,其可靠性不僅關(guān)系到繼電保護(hù)的可靠性,還關(guān)系到電力系統(tǒng)主接線的可靠性。智能斷路器可獨(dú)立采集運(yùn)行數(shù)據(jù),精確地檢測設(shè)備缺陷和故障,并可以在缺陷變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出報(bào)警信號,大大降低故障的發(fā)生率。建議在斷路器選型時,從設(shè)備容量,短路通斷能力和短時耐受能力,分段能力的精確性等多方面出發(fā),選擇各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)越的智能斷路器。從而使智能變電站的可靠性從

31、整體上得到提升。3.3 電子式互感器可靠性分析 電子式互感器由多個電子元器件組成,在智能變電站中起著舉足輕重的作用,因此互感器可靠性的高低會直接影響到變電站總體的可靠性。正常情況下電子互感器的設(shè)計(jì)壽命和變壓器同樣為2025年。但是電子互感器結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行中熱應(yīng)力不如變壓器嚴(yán)重,如果沒有發(fā)生制造工藝不良及運(yùn)行與維護(hù)不當(dāng)?shù)那闆r,從材料可靠性壽命來說,應(yīng)當(dāng)超過25年。 由于工況的改善,雖然電子式互感器的可靠性與傳統(tǒng)的互感器并無實(shí)質(zhì)區(qū)別,但是可靠性要高于常規(guī)互感器。本設(shè)計(jì)釆用了多種類型的電子式互感器,無論是電磁式互感器,還是電阻式或電容式互感器,其可靠性指標(biāo)MTBF均可達(dá)到1x10、以上。設(shè)計(jì)中電子式

32、互感器的傳輸系統(tǒng)采用光纖,光纖的壽命一般為20年,對互感器的失效率影響不大,由此可知采用電子式互感器應(yīng)用于智能變電站的建設(shè),能夠很大的提高智能變電站的總體可靠性。3.4 網(wǎng)絡(luò)的安全性及安全性策略 網(wǎng)絡(luò)的可靠性表示網(wǎng)絡(luò)連續(xù)無故障工作的能力。對于網(wǎng)絡(luò)可靠性的分析,主要從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、鏈路、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面入手。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面,除了分析設(shè)備的可靠性,還要考慮網(wǎng)絡(luò)是否具有冗余功能,該方式可以使整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性大大提高。當(dāng)一臺設(shè)備因故障退出時,網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備能夠?qū)υ撛O(shè)備的功能進(jìn)行互補(bǔ),如此可以避免若某一臺設(shè)備故障而帶來整個網(wǎng)絡(luò)癱瘦的情況發(fā)生。 對鏈路層的可靠性的分析,主要看其能否向網(wǎng)絡(luò)提供可靠的數(shù)據(jù)傳送。將

33、物理層提供的可能出錯的物理連接改造成為邏輯上無差錯的數(shù)據(jù)鏈路,使之對網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為無差錯的線路,用戶不必為此擔(dān)心信息丟失,信息傳送過程中出錯等情況出現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于確保網(wǎng)絡(luò)可靠性有很重要的意義。在可靠的硬件和軟件的支持下,最可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效的原因是外來的對網(wǎng)絡(luò)安全造成威脅的軟主動攻擊。軟攻擊就是采用非物理手段對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊,主要包括中斷、篡改、偽造、計(jì)算機(jī)病毒、計(jì)算機(jī)螺蟲及邏輯炸彈等。 雖然現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的開放性和自由性為我們提供了方便的網(wǎng)絡(luò)共享,但變電站自動化系統(tǒng)因采用網(wǎng)絡(luò)的形式,使得其安全性問題面臨嚴(yán)重考驗(yàn)。安全問題不容忽視,所以要提高網(wǎng)絡(luò)的安全首先應(yīng)該考慮把被保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)由開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中獨(dú)

34、立出來,成立可管理,可控制的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。 主要采用的網(wǎng)絡(luò)安全策略有: (1)信息傳輸安全策略眾所周知,利用加密技術(shù)來保證網(wǎng)絡(luò)安全是非常有效的手段。若傳輸數(shù)據(jù)被加密,就可降低數(shù)據(jù)被利用、被攻擊的可能性。 (2)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部協(xié)議安全策略惡意攻擊者常常選擇通過對通信網(wǎng)內(nèi)部協(xié)議的攻擊,來達(dá)到控制網(wǎng)絡(luò)的目的,通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部協(xié)議的安全性主要通過數(shù)據(jù)的認(rèn)證和完整性鑒別技術(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的安全變異和重構(gòu),公朗密碼算法和哈希函數(shù)是設(shè)計(jì)中的基本工具,用來實(shí)現(xiàn)對協(xié)議數(shù)據(jù)起源發(fā)起點(diǎn)的實(shí)體認(rèn)證和抗重放的歇息完整性鑒別。 (3)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)安全策略設(shè)計(jì)一個安全的網(wǎng)管系統(tǒng),包括網(wǎng)管系統(tǒng)的安全目標(biāo)、安全服務(wù)和技術(shù)體制;網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳遞過程

35、的保密性;網(wǎng)管數(shù)據(jù)的完整性鑒別;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺的訪問控制技術(shù)等。 (4)網(wǎng)絡(luò)入侵檢測安全策略可以借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)入侵檢測系統(tǒng)的思想,設(shè)計(jì)基于節(jié)點(diǎn)的入侵檢測系統(tǒng)或基于網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測系統(tǒng)。4 結(jié)語 電力系統(tǒng)的可靠性是電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行的重要內(nèi)容,是當(dāng)今電力學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn),作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵的智能變電站,其對可靠性的要求更是重中之重。 本文在研究智能化變電站的基本概念、技術(shù)特征和優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。介紹了 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系,并對智能變電站進(jìn)行了可靠性分析。得出的結(jié)論為: 1.電子式互感器取代了原有的電磁式互感器,從根本上解決了互感器電流、電壓傳輸?shù)蕉卧O(shè)備和其處理過程中所產(chǎn)生的附加誤差,大大提高了保護(hù)、測量和計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性; 2.智能化變電站與常規(guī)變電站相比,間隔層和站控層的設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)僅是接口和通信模型發(fā)生了變化,而過程層則由