基于智能变电站通信系统的可靠性及优化分析

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1、基于智能变电站通信系统的可靠性及优化分析（福建亿榕信息技术有限公司福建福州350003）摘要：智能变电站一般采用三层两网或两层一网的体系结构，各层内部及各层之间均采用高速以太网进行数据通信。M络通信在智能变电站自动化系统中起着重要作用，直接参与系统功能实现并影响整个系统的可靠性。近年来，已对智能变电站自动化系统的可靠性开展了相关研究，但主要是提出了一些可靠性分析方法，未对智能变电站自动化系统的可靠性进行优化。为此，木文以典型220KV智能变电站保护和控制功能为例，利用可靠性框图分析方法分析了不同的拓扑方案和冗余方案的可靠性指标，提出了一种复合型的拓扑结构和冗余配置方

2、案，通过分析获得智能组件的可靠性、M络的管理与维护等对自动化系统M络可靠性及智能变电站自动化系统的可靠性有直接的影响。关键词：通信网络；可靠性；可靠性框图；网络拓扑；冗余设计1智能变电站通信网络系统可靠性分析1.1通信网络系统可靠性分析的基木思路通信网络可靠性是指通信网络在实际连续运行过程中完成用户的正常通信需求的能力。智能变电站通信网络系统可靠性评价的基木思路是：利用平均故障时间MTTF、平均无故障时间MTBF等参数评估网络基木元素的可靠性；采用全功能、降级功能、最低功能可靠度R（t）、可用度A及效能指标来评估或分析系统可靠性，再根据系统的拓扑结构评价整个网络系统

3、的可靠性。1.2智能变电站智能组件可靠度及可用度模型智能变电站智能组件由电子器件组成，图1为智能变电站智能组件的典型故障率曲线（浴盆曲线）。由图可看出，故障率随时间的变化大致可分为三个阶段，在正常寿命期II区内，故障率为常数，在I、III区，由于设备生产或老化的问题，故障率较高。智能变电站服从指数分布的智能组件可靠度为:可用度是描述可修设备或系统的可靠性指标，表示其处于正常工作的稳态概率。对于给定的平均修复吋间MTTR,可用度为：2算例典型220KV智能变电站220KV过程层网络见图2,智能组件可靠性参数见表1，其中220KV线路保护功能、主变保护功能、母线保护功能

4、可靠性框图见图3;功能可用度计算结果见表2;3锊能变电站通信网络可靠性优化策略3.1提高自动化系统网络中智能组件的可靠性造成自动化系统网络可靠性变差的原因主要是节点失效和链路失效，且前者影响较大。因此，提高自动化系统网络中智能组件的可靠性、降低失效率,是提高网络可靠性最直接的办法。智能组件基本上属于电子设备，影响可靠性的因素主要包括所采用元器件的可靠性、电路结构、制造工艺、使用环境和操作使用等。3.2优化网络拓扑结构及冗余设计方案智能变电站自动化系统网络不仅要高可靠性的智能组件，还要奋先进的网络层次和体系结构。只冇采用正确合理的网络层次、体系结构设计，方能将网络设备

5、的高性能和高可靠性完全发挥出来，否则会降低整个计算机网络的可靠性。采用冗余技术会增加系统的复杂度及成本费用等，且系统的冗余和苏可靠性并不呈正比例线性关系，故有必要对冗余设计方案进行定性及定量分析。IEC62439标准中提出利用并行冗余协议（PRP）以提高系统的可靠性。智能变电站具体实施方案中采用功能冗余和网络的方式保证系统的可靠性，如220KV及以上电压等级的系统中两套保护系统具冇完全独立的互感器、合并单元、智能终端、交换机及保护装置等智能组件，冗余网络要求装置包含双以太网控制器和双网络端1_1，分别接入两个完全独立的以太网。为了提高通信的可靠性，网络通常采用冗余配

6、置。并行冗余协议的两个网络可采用任意拓扑结构。3.2.1优化网络拓扑结构图6、图7分别为优化网络拓扑结构及可靠性框图。三种网络拓扑的可用度计算结果见表3。由表可看出，环型网的可靠性优于总线型和星型，在网络设计时多采用环型结构是提高网络可靠性的有效办法。而在追求网络结构最优化的同吋，还须考虑网络的建设成本。综合考虑网络可靠性和建设成本，可在核心网采用环形结构，接入网采用星型结构，组成复合型的拓扑结构。但环型网络的可靠度主要与链路长度及环路中交换机的个数有关，链路越长、交换机个数越多，则其可靠度越低。环型网络可采用RSTP实现备用连接，间隔层IED设备与站控层设备及其他

7、IED之间的信息交互依靠快速生成树协议寻找最短路径实现，由于智能变电站中部分功能的实吋性要求，环型网络最短路径的节点数量和延吋应满足相关要求。3.2.2采用冗余技术应考虑的因素（1）系统冗余与元件冗余。智能变电站S前设汁网络采用双星型拓扑结构，是一种系统冗余的方式（图2），其元件冗余见图8。根据可靠性框图分析方法，计算得出：MTTF=28.125；A=0.999999999629。与220KV线路间隔系统冗余可用度AUne=0.999999998相比，说明在n相冋的情况下，元件冗余比系统冗余可靠度要高。(2)简单的并联冗余。第一个冗余单元获得的可靠性最大，可提高