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基于IEC 61850的变电站自动化系统通信网络的可靠性评估

摘要

IEC 61850的应用对变电站自动化系统（SAS）中使用的仪器，监测，通信，控制和保护系统带来了重大变化。与传统变电站系统相比，IEC 61850的实现在SAS架构中提供了更多的灵活性，但也引起了对整个系统的可靠性和性能的关注。本文提出了一种评估全数字变电站考虑车站和过程总线的不同拓扑结构的可靠性的方法。提出的可靠性评估程序基于分析可靠性框图（RBD）方法和随机蒙特卡罗模拟方法。这种可靠性分析，结合敏感分析，将有助于指示最可靠的变电站通信网络（SCN）架构，以实现特定的通信服务。它还将有助于确定需要改进的弱点，以便提高自动化系统的整体可靠性。

关键词：可靠性，变电站通信架构，过程总线架构，IEC 61850，IEC 62439。

1简介

变电站是电力网络中的战略节点，其由大量开关设备和由变电站自动化系统（SAS）控制，监督和保护的测量设备组成。 变电站内变电站通信的IEC61850标准的出现开辟了广泛的SAS设计解决方案[1]。 然而，数字信号处理，信息和通信技术的使用给变电站中使用的仪器，监测，通信，控制和保护系统带来了重大变化，并引起了对整个系统可靠性的主要关注。因此，尽管实施IEC61850标准提供了灵活性，但必须确保满足电力系统的可用性和性能要求。

根据IEC 60870-4 [2]，可靠性被定义为在指定的时间内在指定条件下执行其预期功能的设备或系统的度量。提高SAS的可靠性的一个解决方案是用IEC 61850所意图的串行通信链路替换铜线的串，以便减少系统中的电子设备的总数[3]。另一种方式是在站和间隔级组件中引入冗余。然而，这必须遵循相应的协议标准来执行，所述协议标准作为SAS中的数据传输的基础。以太网通信技术是SAS的主干，冗余要求不再仅涵盖保护设备，而且还涵盖SAS内的通信系统。 IEC 62439-3标准[4]中的最近发展使得能够应用无缝通信冗余，这可以促进时间关键信号（例如跳闸消息，采样数据）的传输。因此，这将满足EHV变电站自动化系统中极高的可靠性要求。

根据IEC 61850 [5]，变电站中的数据传输基于必要的数据模型和通信服务。 然而，这不能掩盖这样的事实，即成功的通信还依赖于可靠的物理变电站通信网络（SCN）架构，其提供大型地理分布式电力系统的动态信息交换。通常，SAS是包括三个级别的层次结构，即站，间隔和过程级，它们使用两个总线连接：站总线和过程总线。本文表示需要考虑两个总线的拓扑结构，而不是单独考虑，以评估SAS系统的可靠性。对不同站和间隔级通信系统的可能组合在其可靠性和成本方面进行审查和评估。

本文的提醒组织如下。第2节和第3节分别描述了站和过程总线的可能解决方案。第4节讨论了用于进行可靠性评估的标准，第5节描述了拟议方法的说明。敏感性分析在第6节中使用两种方法进行，以突出系统中每个组件的重要性。最后，第7节总结并总结了本文。

2站的总线架构

2.1星圆环体系结构

包括各种通信设备的站总线便于站和间隔级组件之间的通信以及间隔IED内的通信。图1显示了两种典型的SCN架构：星型和环型架构。假设在每个自动化结构中有十个隔间。对于星形架构，中央站级交换机连接到所有间隔交换机，并进一步连接到每个间隔中分配的智能电子设备（IED）。中央交换机成为整个SCN的单点故障，从而显着影响间隔信息的可用性。然而，环形架构通过形成没有单点故障的开关环而提供固有的通信冗余。在IEEE 802.1w中定义的快速生成树协议（RSTP）被集成在环结构中，以防止可能由于数据复制和再循环而导致洪泛的通信环路。 RSTP环架构可以提供从250msec到高达12sec的重新配置时间，这比传统的生成树协议（STP）更快，在故障情况下具有30秒的平均故障转移时间[6]。

图1：星形（左）和环（右）类型SCN架构

2.2基于IEC 62439-3并行冗余协议（PRP）的架构

并行冗余协议（PRP）的概念是将IED与两个以太网端口（运行PRP的双连接节点，DANP）连接到两个分离的独立网络，并且通过这两个局域网（LAN）同时发送复制的以太网分组 A＆LAN B）。因此，如果一个数据帧由于业务而无法到达目的地，则目的地仍然可以从其他网络接收所需的信息，而没有任何重新配置时间，从而提供无缝冗余。

图2：冗余双星（左）和环（右）SCN架构

图2示出了根据IEC62439-3 PRP [7]实现的冗余双星和双环SCN结构。注意到一些IED是单独连接节点（SAN）。因此，与PRP网络的连接需要冗余盒（Redbox）。在本文中，假设所有保护和控制IED具有两个并行通信端口；因此在可靠性模型中不考虑Redbox。站站内总线控制中心需要防火墙设施，以防止网络攻击外的数据。

3过程总线架构

3.1过程总线组件

对于一个完美的SCN架构，必须考虑间隔级和过程级冗余以消除所有单点故障。 基于IEC 61850-9-2的过程总线包括更多的硬件设备，软件例程，固件模块和用户定义的设置，这提出了满足SAS的可用性和性能要求的困难。

主要部件（CT / VT和断路器）被认为是极可靠的，因此在可靠性分析中不予考虑。每组保护和控制装置的电源也被假定为完全可靠的，因为它可以由多个电源同时提供，包括AC，电池和不间断电源（UPS）。

每个隔间具有执行控制和保护功能的专用IED。为了简单起见，假设一个MU（合并单元）可以处理和提供一个保护和控制单元所需的所有信息。IEC兼容IED应该有一个内部时钟用于时间戳，提供约1ms的精度。然而，它可能不足以采样电流和电压。因此，在这里考虑重复的外部时间源（TS），用于符合IEEE 1588 [8]的更精确的系统范围的时间同步。

由于通信在过程总线结构中起重要作用，因此需要考虑以太网介质和以太网交换机的可靠性。以太网交换机（ESW）是连接以太网接口的活动通信节点，接收，处理和转发以太网数据包到特定端口。假设以太网接口是其主机设备的一部分，因此其可靠性包括在相应的主机设备中。

3.2系统架构

关于间隔层通信网络的冗余，这里考虑基于IEC 61850的两种过程总线架构，如图3所示。 在两种架构中已经冗余地实现了湾式保护单元（BPU）（Main1和Main2），因为在传输级通常是这种情况。与备份保护相比，冗余Main2保护还提供了更快的响应时间。因此，当Main1保护无法操作时，可以防止完全保护系统故障。海湾控制单元（BCU）通常不使用冗余来实现。与第一个过程总线架构（图3左侧）相比，架构2（图3右侧）还通过复制过程总线开关（SW）在通信系统中提供冗余。同时，作为电压/电流源的合并单元（MU）和作为断路器状态源的断路器IED（BIED）也在结构2中重复。

所有托架P＆C IED被假定为双重附接节点（DANP），因此可以通过不同的托架连接到单个局域网（LAN A，没有虚线部分）或两个独立的LAN（LAN A和LAN B） 液位开关。由于空间的限制，只考虑冗余考虑对过程总线架构的影响。不包括具有不同拓扑的其他可能的解决方案。

图3：两种可能的过程总线架构

4系统可靠性评估

4.1可靠性评估方法

开始可靠性评估需要系统物理布局，可靠性数据以及维护程序的全面了解。 在可修复的系统中，电子部件中的故障可以通过自测试或手动测试程序来检测。 然后可以固定或替换有问题的部件。然而，并不是所有的击穿器件都能够及时地被检测到，从而损害整个系统的可靠性。因此，系统的可靠性数据在考虑和不考虑修理的情况下进行检查。

由于整个变电站自动化系统（SAS）可以被认为是串联和并联结构的复杂组合，在[9]中提供了由两个组件组成的基本系统结构的基本理论分析。对于不可修复的系统，其组件的故障率假定具有恒定值。虽然修复率被认为是无限的，意味着一旦组件进入其失败状态，它不能返回到成功状态。假设变电站部件的故障具有近似指数分布。当考虑部件修复率时，使用马尔科夫模型来显示组合系统处于其上或下状态的概率。执行等效转换速率[10]的概念来计算组合系统的等效修复/故障率。总之，平均故障时间（MTTF），平均修复时间（MTTR）以及整个系统的可用性。

4.2组件可靠性数据

为了客观地评估不同的SAS架构，需要商定组件的可靠性参数。表1显示了变电站中使用的所有元件的平均故障时间（MTTF）和平均修复时间（MTTR）值及其相对成本。这里必须说明的是，这些数据仅用于说明目的。间隔IED和外部时间源（TS）被认为是相对不稳定的设备，因为用于保护和控制的IED包含更多的硬件设备，软件程序，固件模块和用户定义的设置。此外，GPS时间参考信号可能容易被干扰，阻塞或干扰。以太网交换机（SW）的可靠性数字取决于其使用的端口数量。因此，用于环形架构的站交换机比用于星形架构的站交换机更可靠，这需要更多的以太网接口。以太网介质（EM）的可靠性和成本数字还取决于SAS的地理分布（电缆长度）。此外，假设所有故障设备可以在24小时内检测和固定或更换。组件的相对成本只是粗略估计，因为实际成本还取决于变电站的地理分布和组件的供应商。

表1：组件可靠性数据

比较了八个SCN架构（Arch1-8），考虑了前面提到的过程总线和站总线结构的所有可能的组合：

拓扑1.单星站/单进程总线

拓扑2.单环站总线/单进程总线

拓扑3.双星站总线/单进程总线

拓扑4.双环站总线/单进程总线

拓扑5.单星站总线/重复进程总线

拓扑6.单环站总线/重复进程总线

拓扑7.双星站总线/重复进程总线

拓扑8.双环站总线/重复进程总线

其中，前四个SAS体系结构不是通过在最后四个体系结构中实现的间隔通信网络中的冗余来实现的。此外，拓扑7和拓扑8从站总线到过程总线是完全冗余的，这消除了变电站系统中的所有单点故障。

5对通信服务可靠性的影响

IEC 61850的出现标准化了变电站内的通信服务，以满足互操作性要求。 根据IEC 61850的通信服务涵盖三个主要应用：

1.间隔IED和变电站级客户端（HMI，NCC网关或变电站主机）之间的通信例如 控制，报告服务。

2.IED之间的通信例如 通过GOOSE（面向通用对象的变电站事件）消息互锁。

3.将数字化数据从合并单元发送到IED，GOOSE消息从IED发送到断路器。

由于通信服务作为SAS中的数据传输的基础，为了评估不同通信体系结构的可靠性，需要指定相应的通信服务。在本文中，针对不同

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