劉海峰 ，肖 繁 ，趙永生，曹力行 ，張 哲，尹項根

（1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.華中科技大學(xué) 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

傳統(tǒng)繼電保護一般采用按間隔分散配置的方式，其可利用的信息有限，使得保護性能的改善受到制約；此外還存在設(shè)備硬件重復(fù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地空間大、成本高等諸多問題。近年來，隨著通信和計算機技術(shù)的發(fā)展，以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實施，以二次系統(tǒng)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化為主要特征的智能變電站受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注［1-3］，并已步入工程化應(yīng)用的快速發(fā)展階段。智能變電站二次系統(tǒng)的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化以及信息易于共享的獨特優(yōu)勢，極大地促進了繼電保護技術(shù)的發(fā)展。其中，基于全站信息的集中式站域保護系統(tǒng)研究受到了高度重視。與傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)相比，站域保護可以獲得更多的故障特征信息，不僅有助于解決傳統(tǒng)繼電保護存在的問題，而且通過合理的集成設(shè)計，可有效降低投資成本和簡化保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進而提高運行維護管理水平。

繼電保護承擔(dān)著保證電力設(shè)備運行安全以及電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重任，要求具有高度的可靠性。站域保護作為一種新型保護系統(tǒng)，其構(gòu)建模式與分散獨立設(shè)置的傳統(tǒng)保護系統(tǒng)存在較大差異，特別是站域保護對各間隔保護功能進行了集成化設(shè)計，對其運行的可靠性提出了更高要求。因此，站域保護可靠性分析和評估是其工程化應(yīng)用中亟待解決的重要問題。目前，針對保護系統(tǒng)的可靠性分析開展了多方面的研究工作：文獻［4］對傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)進行了可靠性評估，并對繼電保護系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行了比較；文獻［5］對基于集中備用和交叉?zhèn)溆玫臄?shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的2種冗余結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟性進行了評估；文獻［6］提出了一種求解復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的最小割集方法；文獻［7］基于概率行為樹對保護系統(tǒng)的可靠性進行了分析評估。文獻［8］提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的繼電保護裝置的可靠性評估方法；文獻［9］提出以動態(tài)故障樹法評估通信系統(tǒng)的可靠性。但以上分析主要針對的是分散獨立配置的保護裝置，并不適用于基于站域信息的集中式站域保護系統(tǒng)。

本文根據(jù)站域保護的結(jié)構(gòu)和運行特點，建立了站域保護系統(tǒng)的可靠性分析模型和評估指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種利用故障樹與蒙特卡羅法進行聯(lián)合求解的可靠性計算方法，綜合考慮了通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、集中式保護系統(tǒng)的動作特征和容錯性能，以及各元件的失效和修復(fù)過程。以實際工程為例，采用所提方法對站域保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進行了分析計算，并與傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進行了對比研究，為站域保護系統(tǒng)的工程化應(yīng)用提供參考。

1 集中式站域保護系統(tǒng)構(gòu)建模式

所謂集中式站域保護是指綜合利用變電站全站數(shù)據(jù)信息，將站內(nèi)各保護功能進行整合集成的新型保護系統(tǒng)，以實現(xiàn)簡化保護配置和改善現(xiàn)有保護性能的目的。集中式站域保護主要應(yīng)用于110 kV及以下電壓等級的變電站，通過站域信息共享，進行保護集中決策判斷和跳閘控制，統(tǒng)一實現(xiàn)各間隔主保護、后備保護和母線保護功能。由于集中式站域保護需要獲取各間隔的電氣量和開關(guān)量信息進行故障的檢測判斷，并完成各間隔開關(guān)的操作控制，因此，站域保護系統(tǒng)一般采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的構(gòu)建模式。同時，為了保證保護系統(tǒng)所需的高度可靠性，并便于運行維護，過程層網(wǎng)絡(luò)采用雙星型冗余結(jié)構(gòu)，站域保護裝置采用雙重化配置方式，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)《智能變電站繼電保護系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》［2］相關(guān)設(shè)計要求，采樣值（SV）網(wǎng)和面向變電站的通用對象事件（GOOSE）網(wǎng)獨立組網(wǎng)，單臺交換機連接2個及以上的間隔。在下文的分析中，單臺間隔層交換機按連接2個間隔考慮。由于集中式站域保護的構(gòu)建模式與按間隔分散獨立配置的傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的構(gòu)建模式存在較大差異，特別是將各間隔保護功能進行集成化設(shè)計，其可靠性評估更為復(fù)雜，需采用不同的分析方法。

圖1 集中式站域保護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Network topology of centralized substation protection

2 站域保護系統(tǒng)可靠性模型

2.1 站域保護子系統(tǒng)分類

由于站域保護系統(tǒng)由多個不同組件構(gòu)成，為不失一般性且方便計算，在可靠性分析中，將保護系統(tǒng)分為采樣子系統(tǒng)、跳閘子系統(tǒng)、保護裝置子系統(tǒng)和對時子系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，其模型統(tǒng)一框架如圖2所示。

圖2 站域保護系統(tǒng)統(tǒng)一框架Fig.2 Unified framework of centralized substation protection system

采樣子系統(tǒng)可靠性表示SV信息從合并單元（MU）經(jīng)SV通信網(wǎng)絡(luò)至保護裝置入口的可靠性；跳閘子系統(tǒng)可靠性表示保護信息從保護裝置出口經(jīng)GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)至智能終端（ST）的可靠性；保護裝置子系統(tǒng)可靠性表示站域保護裝置本體的可靠性；對時子系統(tǒng)可靠性表示同步時鐘和對時鏈路的可靠性。鑒于對時子系統(tǒng)對站域保護的影響主要體現(xiàn)在采樣同步性方面，在實際可靠性分析中，可只考慮其對MU采樣同步的影響。

2.2 站域保護系統(tǒng)整體可靠性模型

由于站域保護系統(tǒng)包含較多的二次組件和復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文將利用故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)建立站域保護系統(tǒng)的可靠性分析模型。故障樹是一種圖示模型，利用各種邏輯門來反映系統(tǒng)與組件的因果關(guān)系，即從頂事件出發(fā)，通過中間事件到各有關(guān)的基本事件有機地連成一棵倒置的事件樹。根據(jù)事件樹，可進一步建立整個系統(tǒng)的可靠性分析模型。

2.2.1 采樣子系統(tǒng)和跳閘子系統(tǒng)

采樣子系統(tǒng)失效和跳閘子系統(tǒng)失效均將導(dǎo)致站域保護系統(tǒng)失效。保護的失效包括誤動失效和拒動失效2類特性，因此采樣子系統(tǒng)和跳閘子系統(tǒng)的可靠性分析也需分別考慮誤動可靠性和拒動可靠性。其中，導(dǎo)致采樣子系統(tǒng)誤動的原因包括SV網(wǎng)絡(luò)正常情況下MU誤動；采樣子系統(tǒng)拒動的原因包括MU拒動和SV網(wǎng)絡(luò)故障。采樣子系統(tǒng)的誤動失效和拒動失效的可靠性模型如圖3所示。在圖3中， 表示失效基本事件；表示中間事件；MU11表示MU1失效引起的誤動事件；MU21表示MU1失效引起的拒動事件，其他元件失效造成的誤動事件和拒動事件的表征方法類似。

圖3 采樣子系統(tǒng)可靠性模型Fig.3 Reliability models of sampling subsystem

站域保護可獲取全站各間隔電氣量信息，因此具有一定的信息冗余度，通過合理的設(shè)計有助于改善在某間隔信息缺失或錯誤情況下的繼電保護性能，這也是站域保護相較于傳統(tǒng)保護的一大優(yōu)點，在這方面已開展了相關(guān)的研究工作。例如，當(dāng)一組電壓互感器（TV）斷線或SV失效，可由另一組TV的SV代替，無需閉鎖保護；在變電站正常運行條件下某間隔的電流互感器（TA）采樣信息發(fā)生錯誤時，可以結(jié)合其他線路的TA采樣信息，通過基爾霍夫定律檢測出該間隔的SV錯誤，并用由基爾霍夫定律得到的計算值代替該間隔的SV，從而使得站域保護做出正確的決策。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，且單間隔SV錯誤時，也可通過相關(guān)處理措施，保證保護動作的正確性［15-17］。因此，采樣子系統(tǒng)的可靠性模型可采用表決門實現(xiàn)，如圖3所示，X/N表決門表示保護系統(tǒng)在 N個MU信息中有X及以上個MU信息錯誤時，采樣子系統(tǒng)不能正常工作。對于站域保護，由于任意1條線路信息錯誤或缺失，一般不影響保護系統(tǒng)的正常決策，因此，取X=2。

跳閘子系統(tǒng)的誤動失效為ST誤動失效。跳閘子系統(tǒng)拒動失效分為2種情況：GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)故障；ST拒動失效。因此，跳閘子系統(tǒng)的可靠性模型可用圖4表示。

圖4 跳閘子系統(tǒng)可靠性模型Fig.4 Reliability models of tripping subsystem

2.2.2 通信子系統(tǒng)

SV網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)的可靠性通過建立網(wǎng)絡(luò)的最小路集進行評估。網(wǎng)絡(luò)中能使源宿點連通的一組鏈路的集合稱為網(wǎng)絡(luò)的一個路集，如果某個路集中任意1條鏈路發(fā)生故障就會造成源宿點不能連通，則此路集是一個最小路集。最小路集中任一組件失效則此路集失效，所有最小路集失效，則該通信網(wǎng)絡(luò)失效。由交換機和光纖元件的失效機理可知，通信子系統(tǒng)故障即為拒動失效。因此，假設(shè)某一通信網(wǎng)絡(luò)的最小路集為個數(shù)為n，則該通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性模型如圖5所示，其中SW、FI分別表示交換機和光纖。

圖5 通信網(wǎng)絡(luò)可靠性模型Fig.5 Reliability model of communication subsystem

2.2.3 保護裝置子系統(tǒng)

站域保護系統(tǒng)的保護本體裝置包括電源供應(yīng)元件（PSU）、通信功能元件（CU）、保護裝置內(nèi)的中央處理器（CPU）、存儲器功能元件（MEM）［11］4 類主要功能元件。依照保護裝置硬件系統(tǒng)的構(gòu)成特點，建立保護裝置誤動和拒動可靠性模型，如圖6所示。

圖6中QD表示啟動元件，ACT表示保護算法，二者與保護原理有關(guān)。保護裝置為雙重化配置，則保護裝置子系統(tǒng)只需任意1套保護裝置誤動則誤動失效，而保護裝置子系統(tǒng)拒動失效則需2套保護裝置同時拒動。在分析時，假設(shè)各模塊誤動失效和拒動失效率各占模塊失效率的50%。

圖6 保護裝置可靠性模型Fig.6 Reliability models of protection device

2.2.4 對時子系統(tǒng)

目前，智能變電站采用的對時方式主要有B碼對時和IEEE1588對時［22-24］，而B碼對時又可進一步分為單時鐘單鏈路、雙時鐘（主、備用時鐘）單鏈路和雙時鐘雙鏈路等不同模式，其中單時鐘單鏈路結(jié)構(gòu)由于其可靠性較低，一般不適用于網(wǎng)采方式的站域保護。因此，主要針對雙時鐘單鏈路和雙時鐘雙鏈路的B碼對時方式，分析其對站域保護可靠性的影響。

對時系統(tǒng)故障會使得MU采樣失步，一般處理措施是閉鎖相關(guān)保護，即對時系統(tǒng)故障不會造成站域保護誤動，但可能導(dǎo)致站域保護部分功能或全部功能失效而發(fā)生拒動。下面以最嚴重的站域保護全部功能拒動失效為例，分別建立對時系統(tǒng)在雙時鐘單鏈路和雙時鐘雙鏈路2種模式下的可靠性模型，如圖7所示。圖中，TS表示同步時鐘。

圖7 對時子系統(tǒng)的可靠性模型Fig.7 Reliability models of synchronous subsystem

對于站域保護系統(tǒng)的整體可靠性而言，對時系統(tǒng)故障將導(dǎo)致MU采樣失步，此時，站域保護將直接閉鎖，即站域保護系統(tǒng)發(fā)生拒動失效。因此，可以將對時系統(tǒng)失效事件直接等效為站域保護發(fā)生拒動失效事件。對于站域保護系統(tǒng)在間隔的等效可靠性而言，對時系統(tǒng)失效將導(dǎo)致整個站域保護系統(tǒng)拒動失效，則站域保護系統(tǒng)在該間隔也將拒動失效。因此，可將對時系統(tǒng)失效等效為站域保護系統(tǒng)在間隔的等效拒動失效。

2.2.5 站域保護系統(tǒng)整體可靠性模型

根據(jù)以上各子系統(tǒng)的可靠性模型（3個及以上元件同時失效的概率不予考慮），可得保護系統(tǒng)整體可靠性模型如圖8所示。

圖8 集中式站域保護系統(tǒng)的整體可靠性模型Fig.8 Overall reliability model of centralized substation protection system

如圖8所示，保護系統(tǒng)誤動失效考慮了以下2個方面。

a.采樣子系統(tǒng)或保護裝置子系統(tǒng)誤動失效。當(dāng)跳閘子系統(tǒng)工作正常，而保護裝置子系統(tǒng)或采樣子系統(tǒng)誤動失效時，保護系統(tǒng)誤動失效。

b.跳閘子系統(tǒng)誤動失效導(dǎo)致保護系統(tǒng)誤動失效。保護系統(tǒng)拒動失效可能的原因包括：采樣子系統(tǒng)拒動失效、跳閘子系統(tǒng)拒動失效、保護裝置子系統(tǒng)拒動失效、對時子系統(tǒng)失效4個方面。在其他條件正常的情況下，這4個方面中任何一方面發(fā)生，則保護系統(tǒng)拒動失效。

2.3 站域保護單間隔等效可靠性分析模型

站域保護系統(tǒng)作為集中式保護，對各間隔保護進行了集成化設(shè)計，上述可靠性體現(xiàn)的是涵蓋所有間隔保護的整體可靠性，不能直接反映單間隔保護的可靠性水平。為比較集中式站域保護系統(tǒng)與傳統(tǒng)按間隔獨立配置保護系統(tǒng)之間的可靠性差異，建立站域保護系統(tǒng)單間隔的等效可靠性分析模型，以便實現(xiàn)站域保護系統(tǒng)在單間隔的可靠性評估。

由圖2可知，站域保護系統(tǒng)在第k個間隔的動作指令流向為采樣子系統(tǒng)、保護裝置子系統(tǒng)、GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)和第k個ST。因此，站域保護系統(tǒng)在第k個間隔等效誤動失效包括：

a.第k個ST發(fā)生誤動；

b.第k個ST與GOOSE網(wǎng)絡(luò)正常，站域保護裝置子系統(tǒng)誤動；

c.第k個ST、GOOSE網(wǎng)絡(luò)、保護裝置子系統(tǒng)均正常，采樣子系統(tǒng)誤動。

其中，站域保護裝置子系統(tǒng)失效誤動的情況較復(fù)雜，可能導(dǎo)致單間隔開關(guān)跳閘或多間隔開關(guān)跳閘，本文分析時考慮最嚴重情況，即一旦保護裝置誤動失效，將造成所有間隔開關(guān)誤跳。

與保護裝置誤動失效類似，采樣子系統(tǒng)誤動失效也可能造成單間隔誤跳（誤判某間隔保護動作）或多間隔誤跳（誤判母線故障）。鑒于在集中式站域保護設(shè)計中，為降低保護裝置誤動造成全站誤跳的風(fēng)險，在軟件決策設(shè)計時，通常采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，如單間隔保護和母線保護同時動作時，優(yōu)先跳單間隔保護，或閉鎖母線保護等。因此，在采樣子系統(tǒng)誤動失效分析中，以某一時刻的故障率為例，可近似假設(shè)其導(dǎo)致單間隔誤動的概率與導(dǎo)致多間隔誤動的概率相等。如若變電站間隔數(shù)為N個，保護采樣子系統(tǒng)誤動失效概率為Pw，則采樣子系統(tǒng)直接導(dǎo)致間隔開關(guān)元件誤動失效的概率為Pw/（N+1）；同時，當(dāng)采樣子系統(tǒng)失效導(dǎo)致母線誤動時，同樣將影響間隔的可靠性。因此，采樣子系統(tǒng)誤動失效導(dǎo)致間隔誤動失效的概率為 2Pw/（N+1）。

站域保護系統(tǒng)在第k個間隔等效拒動失效包括采樣子系統(tǒng)拒動失效、保護裝置子系統(tǒng)拒動失效、GOOSE網(wǎng)絡(luò)失效、第k個ST拒動失效和對時子系統(tǒng)失效。

根據(jù)以上分析，站域保護系統(tǒng)在第k個間隔的等效可靠性模型可用圖9表征。

圖9 集中式站域保護單間隔等效可靠性模型Fig.9 Equivalent single-bay reliability models of centralized substation protection

3 站域保護系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和計算方法

3.1 站域保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

繼電保護系統(tǒng)屬于可修復(fù)系統(tǒng)，其可靠性分析包括失效率λ和修復(fù)率μ這2個最基本指標(biāo)［12］。鑒于保護系統(tǒng)存在拒動與誤動失效2種不同性質(zhì)的失效模型，因此系統(tǒng)中每個元件均定義保護誤動失效率λw和保護拒動失效率λj。繼電保護可靠性分析中，通常假定各元件的可靠度函數(shù)和維修度函數(shù)服從指數(shù)分布，于是可得元件的平均無故障工作時間（MTBF）為 tMTBF=1 /λ，其平均修復(fù)時間 tMTTR=1 /μ。同時，根據(jù)繼電保護系統(tǒng)具有拒動和誤動2類失效特征，定義繼電保護系統(tǒng)的誤動平均無故障工作時間為twMTBF，拒動平均無故障工作時間為tjMTBF。

3.2 站域保護系統(tǒng)可靠性計算方法

站域保護系統(tǒng)的可靠性分析分為誤動可靠性分析和拒動可靠性分析兩部分，且包含整體可靠性和單間隔等效可靠性兩方面。站域保護的可靠性分析流程如圖10所示。

圖10 集中式站域保護系統(tǒng)可靠性分析流程圖Fig.10 Flowchart of reliability evaluation for centralized substation protection system

基于故障樹建立的可靠性模型主要反映站域保護系統(tǒng)的靜態(tài)邏輯，難以準(zhǔn)確體現(xiàn)系統(tǒng)的修復(fù)性能［12］。站域保護系統(tǒng)為可修復(fù)系統(tǒng)，對其直接進行解析分析一般可采用馬爾科夫狀態(tài)空間方法，但由于站域保護系統(tǒng)元件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其馬爾科夫模型存在狀態(tài)組合空間爆炸而無法求解的問題［13］。序貫蒙特卡羅法［14］可以仿真系統(tǒng)元件故障、運行的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程和時序變化因素對系統(tǒng)的影響，可得到相應(yīng)的具有時序特性的可靠性指標(biāo)。因此，本文采用基于故障樹的蒙特卡羅仿真方法對站域保護系統(tǒng)的可靠性進行分析評估。

采用序貫蒙特卡羅仿真系統(tǒng)狀態(tài)的過程中，通過產(chǎn)生的隨機數(shù)和元件的故障及修復(fù)參數(shù)的概率分布函數(shù)可以確定各元件的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程（運行時間和故障時間），從而由各元件的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程導(dǎo)出系統(tǒng)的時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。序貫概率仿真中，對元件的誤動失效和修復(fù)狀態(tài)以及拒動失效和修復(fù)狀態(tài)依次抽樣進行仿真。假定元件的無故障工作時間和維修時間是t和t′，且均服從負指數(shù)分布的隨機變量，則t和t′的值按式（1）進行抽樣。

其中，ε1、ε2為［0，1］上均勻分布的隨機數(shù)；λ、μ 分別為序貫蒙特卡羅算法中元件失效率和修復(fù)率參數(shù)。

基于故障樹的序貫蒙特卡羅仿真流程如下：

a.輸入各元件數(shù)據(jù)，形成系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息，確定系統(tǒng)的初始狀態(tài)（一般假設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為所有元件都正常運行）；

b.確定仿真最大時間和仿真步長；

c.在初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，參照式（1）采用序貫蒙特卡羅法，根據(jù)元件的故障率和修復(fù)率仿真系統(tǒng)各元件在仿真最大時間內(nèi)的時序狀態(tài)變化過程；

d.根據(jù)元件的狀態(tài)變化過程導(dǎo)出系統(tǒng)在最大仿真時間內(nèi)的狀態(tài)變化過程；

e.仿真多次后，求仿真結(jié)果平均值，計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

4 仿真結(jié)果比較

根據(jù)建立的站域保護系統(tǒng)可靠性模型及間隔等效可靠性模型，通過序貫蒙特卡羅方法對圖1中的站域保護系統(tǒng)的整體可靠性指標(biāo)與站域保護系統(tǒng)在單間隔的等效可靠性指標(biāo)進行仿真計算。由于站域保護裝置的基本結(jié)構(gòu)與微機保護裝置類同，故其故障率按照微機保護裝置的故障率進行取值；而其他相關(guān)組件，如MU、交換機、ST等元件的故障率參數(shù)則按照國家電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定。

a.綜合考慮保護實際運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定保護裝置硬件部件無故障工作時間服從單參數(shù)指數(shù)分布［13］，各部件的失效率為：λCPU=36.738×10-6h-1；λCU=22.562 × 10-6h-1；λMEM=36.738 × 10-6h-1；λPSU=11.4 ×10-6h-1；λQD=7 × 10-6h-1；軟件失效率 λsf=7.504 ×10-6h-1；人員失效率 λhm=7.2×10-7h-1。

b.變電站內(nèi)部分IED和通信網(wǎng)絡(luò)各元件的平均無故障時間和失效率如表1所示［18-20］。

表1 集中式站域保護系統(tǒng)各元件失效率Table1 Component failure rates of centralized substation protection system

c.假設(shè)保護系統(tǒng)各元件與通信子系統(tǒng)中光纖元件的平均修復(fù)時間tMTTR為24 h。

d.根據(jù)南方電網(wǎng)變電站時間同步系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［21］：同步時鐘的平均無故障時間取為 25000 h，其平均修復(fù)時間為0.5 h。

e.假定變電站的間隔個數(shù)為5個，仿真最大時間為1000000 h，多次循環(huán)，取各可靠性指標(biāo)的平均值。

4.1 集中式站域保護系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

集中式站域保護系統(tǒng)失效的原因包括采樣子系統(tǒng)失效、保護裝置子系統(tǒng)失效和跳閘子系統(tǒng)失效。根據(jù)各子系統(tǒng)的可靠性模型，通過蒙特卡羅方法多次仿真取平均值，得到集中式站域保護系統(tǒng)的誤動、拒動和整體（全站）的平均無故障時間和失效率如表2所示。

表2 集中式站域保護的平均無故障時間和失效率Table 2 MTBF and failure rate of centralized substation protection system

從表2可以看出，在不考慮時鐘影響的情況下，集中式站域保護系統(tǒng)的誤動平均無故障時間大于拒動平均無故障時間。這是因為站域保護系統(tǒng)保護裝置為雙重化配置，且保護的邏輯出口為或門，只有2套保護裝置同時拒動，才會使站域保護系統(tǒng)拒動失效。此外，站域保護系統(tǒng)具有一定的容錯功能，單一間隔失效不影響保護系統(tǒng)動作正確性。其中，本文在2套保護裝置誤動失效時，取最惡劣的情況進行分析，即令所有間隔均誤動失效。實際上，由于站域保護系統(tǒng)具有閉鎖功能，2套保護裝置誤動將不會導(dǎo)致變電站所有間隔均發(fā)生誤動失效，實際誤動失效率應(yīng)低于理論值。此外，考慮對時系統(tǒng)對站域保護系統(tǒng)可靠性的影響時，站域保護系統(tǒng)的拒動失效率將高于誤動失效率，這是因為保護系統(tǒng)發(fā)生同步失效時，將直接導(dǎo)致站域保護閉鎖，即站域保護系統(tǒng)發(fā)生拒動失效，由此可見對時系統(tǒng)是影響站域保護系統(tǒng)可靠性的重要因素。同時，由表2可以看出，對時系統(tǒng)配置雙鏈路的組網(wǎng)方式，能有效提高站域保護系統(tǒng)的可靠性。

4.2 集中式站域保護與傳統(tǒng)保護可靠性比較

根據(jù)2.3節(jié)建立的集中式站域保護系統(tǒng)單間隔等效可靠性模型，通過蒙特卡羅仿真方法計算其可靠性指標(biāo)，并與傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)進行比較。其中，傳統(tǒng)繼電保護采用典型的單重化配置方案，即各間隔保護由單套MU、ST、光纖通信和保護裝置單元構(gòu)成。表3和表4分別為傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)和站域保護系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)計算結(jié)果。

表3 傳統(tǒng)保護系統(tǒng)可靠性指標(biāo)Table 3 Reliability indexes of traditional protection system

表4 集中式站域保護系統(tǒng)單間隔等效可靠性指標(biāo)Table 4 Equivalent single-bay reliability indexes of centralized substation protection system

從表3可以得出，傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)的誤動失效概率小于拒動失效率，這是因為傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)的光纖元件故障將導(dǎo)致MU與保護裝置的誤動信息傳送失效，這有效減小了保護系統(tǒng)的誤動失效率；同時，保護裝置誤動失效率也小于保護裝置拒動失效率。

從表3和表4對比可以得出：在對時系統(tǒng)采用雙時鐘雙鏈路的對時方式時，集中式站域保護系統(tǒng)單間隔的等效防拒動性能和防誤動性能均優(yōu)于傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)。站域保護防誤動性能提升的主要原因在于，雖然集中式站域保護系統(tǒng)的保護裝置為雙重化冗余，邏輯出口為或門，任一保護動作將使保護系統(tǒng)動作，使保護系統(tǒng)誤動可能性增加，但集中式站域保護系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護系統(tǒng)相比具有一定的容錯性能，單一間隔的信息錯誤不影響保護系統(tǒng)動作的正確性，這在很大程度上減小了MU誤動失效對保護系統(tǒng)的影響，有效提高了集中式站域保護系統(tǒng)的防誤動性能。計算結(jié)果表明，站域保護系統(tǒng)的容錯功能對保護系統(tǒng)誤動失效的影響比保護裝置雙重化冗余對保護系統(tǒng)誤動失效的影響更為明顯。站域保護與傳統(tǒng)保護相比，其更突出的優(yōu)點是防拒動能力得到了顯著改善。主要原因是：一方面集中式站域保護系統(tǒng)具有容錯功能，而2個及以上間隔同時發(fā)生信息錯誤的概率極低，因此單間隔MU拒動失效不影響集中式站域保護系統(tǒng)正常動作；另一方面，集中式站域保護系統(tǒng)的保護裝置、通信網(wǎng)絡(luò)以及對時系統(tǒng)均采用雙重化配置方式，較傳統(tǒng)保護的單重化配置相比，其防拒動能力明顯增強。

需要指出的是，表2和表4的分析結(jié)果表明，對時系統(tǒng)可靠性對站域保護的整體可靠性有較大影響。在實際應(yīng)用中，站域保護除可采用B碼對時方式外，也可采用IEEE1588對時方式，而后者是依附于智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的對時方式，其精確時鐘同步協(xié)議（PTP）時鐘同步網(wǎng)可在一定時間內(nèi)實現(xiàn)各節(jié)點的互備授時，特別是采用冗余設(shè)計的PTP時鐘同步網(wǎng)［25］，能有效減小因根時鐘或通信網(wǎng)絡(luò)故障對變電站時間同步的影響。因此，相較于B碼對時，IEEE1588對時方式有其獨特優(yōu)勢，有助于進一步提高站域保護系統(tǒng)的整體可靠性。

綜上，集中式站域保護系統(tǒng)采用冗余化設(shè)計等技術(shù)措施，防誤動和防拒動的能力均優(yōu)于傳統(tǒng)按間隔獨立配置的保護方式，具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

本文根據(jù)智能變電站集中式站域保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，將保護系統(tǒng)分解成采樣子系統(tǒng)、保護裝置子系統(tǒng)、跳閘子系統(tǒng)和對時子系統(tǒng)，分別建立了各子系統(tǒng)以及站域保護整體可靠性分析模型。所提出的可靠性分析模型可較全面地反映站域保護系統(tǒng)的容錯功能，以及冗余、修復(fù)等相關(guān)特性。此外，為方便與傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的可靠性進行比較，根據(jù)站域保護系統(tǒng)在各間隔的失效動作機制，建立了其間隔等效可靠性模型。在上述理論研究的基礎(chǔ)上，利用蒙特卡羅仿真方法，對集中式站域保護和傳統(tǒng)保護的可靠性指標(biāo)進行了仿真對比分析。結(jié)果表明，集中式站域保護系統(tǒng)由于保護裝置、通信網(wǎng)絡(luò)以及對時系統(tǒng)采用冗余配置，且具有良好的信息容錯性能，其防拒動與防誤動能力均優(yōu)于傳統(tǒng)按間隔獨立配置的保護系統(tǒng)，可較好地滿足工程應(yīng)用要求。

同時，本文提出的可靠性計算方法也可用于分析影響繼電保護系統(tǒng)整體可靠性的主要因素，以便有針對性地采取相應(yīng)措施，提高保護系統(tǒng)的可靠性。

需要指出的是，集中式站域保護較之常規(guī)的間隔保護，間隔的獨立性受到一定影響，其檢修和運維方式與單間隔保護相比存在較大差異，進而可能對保護系統(tǒng)的可靠性帶來一定影響，相關(guān)研究工作還有待進一步深入。

參考文獻：

［1］樊陳，倪益民，竇仁輝，等.智能變電站過程層組網(wǎng)方案分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（18）：67-71.FAN Chen，NI Yimin，DOU Renhui，et al.Analysis of network scheme for process layer in smart substation［J］.Automation of Electric Power Systems，2011，35（18）：67-71.

［2］國家電網(wǎng)公司.智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范：Q/GDW441—2010［S］.北京：中國電力出版社，2011.

［3］姚成，黃國方，仲雅霓，等.基于站控層GOOSE的站域控制實現(xiàn)方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36（18）：159-161.YAO Cheng，HUANG Guofang，ZHONG Yani，et al.A realization scheme of substation based on GOOSE message in station level［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36 （18）：159-161.

［4］張沛超，高翔.全數(shù)字化保護系統(tǒng)的可靠性及元件重要度分析［J］.中國電機工程學(xué)報，2008，28（1）：77-82.ZHANG Peichao，GAO Xiang.Analysis of reliability and component importance for all-digital protective systems［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28（1）：77-82.

［5］朱林，陳金富，段獻忠.數(shù)字化變電站冗余體系結(jié)構(gòu)的改進及其可靠性和經(jīng)濟性評估［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（10）：147-151.ZHU Lin，CHEN Jinfu，DUAN Xianzhong.Improvement of redundant architecture in digital substation and its reliability and economic assessment［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（10）：147-151.

［6］FOTUHI-FIRUZABAD M，BILLINTON R，MUNIAN T S，et al.A novel approach to determine minimal tie-sets of complex network［J］.IEEE Trans Rel，2004，53（1）：61-70.

［7］熊海軍，朱永利，張琦，等.基于概率行為樹的保護系統(tǒng)建模與可靠性定量評估［J］.電力自動化設(shè)備，2016，26（1）：162-168.XIONG Haijun，ZHU Yongli，ZHANG Qi，et al.Protection system modeling based on probabilistic behavior trees and quantitative evaluation of its reliability［J］.Electric Power Automation Equipment，2016，26（1）：162-168.

［8］戴志輝，李芷筠，焦彥軍，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小樣本失效數(shù)據(jù)下繼電保護可靠性評估［J］.電力自動化設(shè)備，2014，34（11）：129-134.DAI Zhihui，LI Zhijun，JIAO Yanjun，et al.Reliability assessment based on BP neural network for relay protection system with a few failure data samples［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（11）：129-134.

［9］熊小萍，譚建成，林湘寧.基于動態(tài)故障樹的變電站通信系統(tǒng)可靠性分析［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32（34）：135-141.XIONG Xiaoping，TAN Jiancheng，LIN Xiangning.Reliability analysis ofcommunication systems in substation based on dynamic fault tree［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（34）：135-141.

［10］國家電力監(jiān)管委員會電力可靠性管理中心.電力可靠性技術(shù)與管理培訓(xùn)教材［M］.北京：中國電力出版社，2007：53-54.

［11］王鋼，丁茂生，李曉華，等.數(shù)字繼電保護裝置可靠性研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24（7）：47-52.WANG Gang，DING Maosheng，LIXiaohua，etal.Reliability analysis of digital relay［J］.Proceedings of the CSEE，2004，24（7）：47-52.

［12］吳月明.可修復(fù)元件的失效率和修復(fù)率仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（9）：2080-2085.WU Yueming.Simulation of failure rate and repair rate of repairable components［J］.Journal of System Simulation，2007，19（9）：2080-2085.

［13］陸志峰，周家啟，陽少華，等.多元件備用系統(tǒng)可靠性計算研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2002，22（6）：52-56.LU Zhifeng，ZHOU Jiaqi，YANG Shaohua，et al.Study on reliability computation for system with muti-component in reserve［J］.Proceedings of the CSEE，2002，22（6）：52-56.

［14］李天柁.系統(tǒng)可靠性分析［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，2003.

［15］馬云龍，王來軍，文明浩，等.數(shù)字化變電站集中式保護應(yīng)對邊界信息缺失新方法研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（6）：84-89.MA Yunlong，WANG Laijun，WEN Minghao，et al.The study of a new method for digital substation centralized protection to cope with boundary information deficiency［J］.Power System Protection and Control，2011，39（6）：84-89.

［16］王菲.站域保護的構(gòu)建模式與實現(xiàn)原理研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2014.WANG Fei.Study on the construction mode and principle of centralized protection system in smart substation［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2014.

［17］JIANG Xianguo，WANG Zengping，LI Chen.Fault identification algorithm applied in regional backup protection based on fault condition set［C］//2011 International Conference on Advanced Power System Automation and Protection.Beijing，China：IEEE，2011：2097-2101.

［18］國家電網(wǎng)公司.智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機技術(shù)規(guī)范：Q/GDW 429—2010［S］.北京：中國電力出版社，2011.

［19］國家電網(wǎng)公司.智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范：Q/GDW426—2010［S］.北京：中國電力出版社，2011.

［20］國家電網(wǎng)公司.智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范：Q/GDW428—2010［S］.北京：中國電力出版社，2011.

［21］南方電網(wǎng)公司.變電站時間同步系統(tǒng)［S］.廣州：南方電網(wǎng)公司，2012.

［22］馮軍.智能變電站原理及測試技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社2011：6.

［23］曾祥君，黎銳烽，李澤文，等.基于IEEE1588的智能變電站時鐘同步網(wǎng)絡(luò)［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2011，26（3）：3-8.ZENG Xiangjun，LI Ruifeng，LI Zewen，et al.IEEE1588 based time synchronization networks for smart substations［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2011，26（3）：3-8.

［24］張言蒼.智能變電站網(wǎng)絡(luò)采樣同步新技術(shù)［J］.電力自動化設(shè)備，2015，35（8）：143-147.ZHANG Yancang.Network sampling synchronization method for smart substation ［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（8）：143-147.