摘要：該文對(duì)數(shù)字變電站常見(jiàn)的余度構(gòu)成進(jìn)行了研究，給出了兩種不同的改造方式：集中備份和交錯(cuò)備份，并全面對(duì)比了不同配置方式的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。分析結(jié)果顯示，這兩種改良方法均比現(xiàn)有的幾個(gè)經(jīng)典方法更為合理有效，具有重大應(yīng)用價(jià)值；而二次結(jié)構(gòu)的防護(hù)體系，由于其可靠性較高，不需要對(duì)單個(gè)單元的防護(hù)進(jìn)行多余的網(wǎng)絡(luò)配置。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；冗余體系結(jié)構(gòu)；可靠性；經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.027

中圖分類號(hào)：TM 63；TM 76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）10-00-03

Improvement of Redundant Architecture for Digital Substation and Its Reliability and Economic Evaluation

Abstract： This article studies the common redundancy components of digital substations and provides two different retrofitting methods： centralized backup and interleaved backup， and comprehensively compares the reliability and economy of different configuration methods. The analysis results show that both of these improved methods are more reasonable and effective than several existing classical methods， and have significant application value; The secondary structure protection system， due to its high reliability， does not require additional network configuration for individual unit protection.

Keywords： digital substation; redundant architecture; reliability; economic evaluation

1 數(shù)字化變電站典型冗余結(jié)構(gòu)

隨著新型互感器、IEC61850標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能開關(guān)技術(shù)的不斷成熟，使得數(shù)字變電站技術(shù)逐漸發(fā)展為一個(gè)全新的技術(shù)開發(fā)平臺(tái)。在電力系統(tǒng)中，監(jiān)控、遙控和繼電保護(hù)的可靠性、實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性都得到了很大的提升。隨著電力系統(tǒng)技術(shù)水平的不斷提高，電力系統(tǒng)的智能化程度越來(lái)越高。當(dāng)前，如何實(shí)現(xiàn)高可靠性和高經(jīng)濟(jì)性的電力系統(tǒng)的架構(gòu)，是電力系統(tǒng)中可靠性研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文對(duì)目前廣泛使用的兩種余度系統(tǒng)構(gòu)型、雙環(huán)網(wǎng)構(gòu)型進(jìn)行了分析和對(duì)比，在此基礎(chǔ)上，給出了集中儲(chǔ)備型和交錯(cuò)儲(chǔ)備型兩種改進(jìn)方法，并分別就實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析與對(duì)比。采用故障樹分解法對(duì)二者進(jìn)行了可靠度的定量研究。

一套完善的自動(dòng)化變電站設(shè)備，其自動(dòng)化元件、執(zhí)行元件是必不可少的，且其數(shù)據(jù)交換對(duì)高速、高可靠等提出了更高的要求。當(dāng)前，隨著電力電子設(shè)備應(yīng)用電網(wǎng)的供電水平不斷提高，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性提出了更高的需求，加之二次防護(hù)技術(shù)在電網(wǎng)中的廣泛使用，使得傳統(tǒng)的將以太網(wǎng)開關(guān)為基礎(chǔ)的單一通信網(wǎng)絡(luò)中的冗余法已經(jīng)很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，在變電站的通信備份化設(shè)計(jì)中，采用雙重通信網(wǎng)路的備份法比較普遍。雙環(huán)網(wǎng)的冗余架構(gòu)能夠在雙重故障或多個(gè)故障下保持正常通信，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，是目前在數(shù)字化變電站中應(yīng)用最廣泛的一種雙層網(wǎng)絡(luò)冗余架構(gòu)。該雙環(huán)網(wǎng)由兩條相互分離的環(huán)路組成。與用戶界面或入口相連的開關(guān)位于變電站級(jí)，是環(huán)形內(nèi)部的主要開關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)該入口與控制中心或其他變電站進(jìn)行通信。與各自區(qū)間相關(guān)聯(lián)的區(qū)間開關(guān)在區(qū)間層中，當(dāng)某一區(qū)間的IED之間有必要進(jìn)行通信時(shí)，可以在區(qū)間中添加對(duì)應(yīng)的開關(guān)，如果沒(méi)有必要，該區(qū)間中的IED可以直接連接到區(qū)間開關(guān)。雙環(huán)網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化、高可靠的特點(diǎn)，是在控制層與隔層間使用比較頻繁的網(wǎng)絡(luò)形式。

2 改進(jìn)的冗余結(jié)構(gòu)

雖然雙環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)擁有上述優(yōu)點(diǎn)，但其所需交換機(jī)數(shù)目較多。因?yàn)槊總€(gè)交換機(jī)都有自己本身固有延時(shí)（約100郵），當(dāng)報(bào)文傳送到交換機(jī)的數(shù)量越來(lái)越多時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，同時(shí)，隨著交換機(jī)數(shù)量的增加，系統(tǒng)的投入也會(huì)越來(lái)越大。筆者針對(duì)雙環(huán)網(wǎng)的特點(diǎn)，給出了兩種不同的設(shè)計(jì)方法，即雙環(huán)網(wǎng)的中心備份和雙環(huán)交叉分支備份。

2.1 雙環(huán)網(wǎng)集中備份改進(jìn)模式

在雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)下，沒(méi)有專門的備份開關(guān)，而只有一個(gè)中央備份開關(guān)在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多個(gè)時(shí)間的備份開關(guān)。從圖1可以看出，設(shè)置的區(qū)間1和區(qū)間2，區(qū)間3和區(qū)間4共享一個(gè)中央后備開關(guān)。這種集中備用方式能有效地降低環(huán)路中開關(guān)數(shù)量。IEC61850雙網(wǎng)通信方式存在著許多可能的解決方法（雙網(wǎng)雙工、雙網(wǎng)熱備份、網(wǎng)絡(luò)層冷備份等），指出IEC61850雙網(wǎng)熱備份以其高可靠、實(shí)時(shí)性和互用性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字化變電站。因此，在對(duì)雙環(huán)網(wǎng)進(jìn)行集中備份改造時(shí)，也應(yīng)用了這種方法。在這種情況下，中心備份開關(guān)所在的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)為“熱備份”模式，僅接收各種類型的數(shù)據(jù)包，不做任何的轉(zhuǎn)發(fā)。環(huán)形雙環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中心備份的技術(shù)方案為：在工作鏈路上，按照標(biāo)準(zhǔn)化的生成樹序列（如RSTP、快速生成樹、IEEE802.1W等），將工作環(huán)路上的開關(guān)兩個(gè)接口設(shè)置為前向狀態(tài)和阻止?fàn)顟B(tài)。環(huán)網(wǎng)中主交換機(jī)循環(huán)發(fā)送一幀檢測(cè)報(bào)文。一旦檢測(cè)到發(fā)生故障，立刻將交換機(jī)阻塞端口切換成轉(zhuǎn)發(fā)端口，并告知其他交換機(jī)改變轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。在這個(gè)時(shí)候，主機(jī)開關(guān)還是會(huì)繼續(xù)繼續(xù)循環(huán)地傳送偵測(cè)消息。更換連接后，故障仍未得到解決，表明在工作環(huán)路上有兩個(gè)以上的連接失效，或者是一個(gè)時(shí)間間隔開關(guān)發(fā)生了失效，而在失效開關(guān)所在的時(shí)間區(qū)間，無(wú)法通過(guò)切換該傳輸堵塞端口將消息傳送到控制中心，因此必須開啟一個(gè)熱備份回路。此時(shí)集中備用交換機(jī)端口迅速切換到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，并發(fā)送報(bào)文通知其他交換機(jī)完成相應(yīng)切換。

2.2 雙環(huán)網(wǎng)交叉?zhèn)浞莞倪M(jìn)

在雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)中，區(qū)間1的工作開關(guān)被用作區(qū)間2的待機(jī)開關(guān)，相反區(qū)間2的工作開關(guān)也被用作區(qū)間1的待機(jī)開關(guān)。區(qū)間3和區(qū)間4也一樣，以便對(duì)開關(guān)進(jìn)行交叉?zhèn)浞?。也可以減少對(duì)開關(guān)數(shù)量的要求。在圖3中可以看到，環(huán)路中的區(qū)間開關(guān)既要充當(dāng)當(dāng)前區(qū)間的工作開關(guān)，又要充當(dāng)其他區(qū)間的備份開關(guān)，兩者都要處于正常工作狀態(tài)。由于無(wú)法采用集中式備份模式的方式，僅采用一條環(huán)形網(wǎng)鏈路作為熱備份鏈路，所以必須采用雙網(wǎng)雙工的方式。在這種方式下，IED的2個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口分別被賦予了不同的MAC/IP位址，并同時(shí)將同一消息傳送到工作開關(guān)和備份開關(guān)。當(dāng)鏈路或開關(guān)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)須進(jìn)行任何的接口轉(zhuǎn)換和重新配置，即可保證數(shù)據(jù)包的高效傳送。當(dāng)然，這樣的通信方式由于報(bào)文的多次傳輸勢(shì)必會(huì)在區(qū)間上增大IED的負(fù)荷。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以避免將報(bào)文發(fā)送到失效鏈路或失效的開關(guān)上，從而減輕了IED的負(fù)荷。需要指出，工作開關(guān)與備份開關(guān)應(yīng)處于兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)路中，不然單環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會(huì)反復(fù)傳送，既會(huì)加重系統(tǒng)的負(fù)荷，又無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余性[1]。

3 實(shí)時(shí)性分析

雙環(huán)網(wǎng)的熱備份方式具有其內(nèi)在的缺點(diǎn)，即處于熱備份狀態(tài)的開關(guān)從僅接收消息轉(zhuǎn)換為發(fā)送消息時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)0時(shí)刻切換，具有切換延遲。正如前文所述，開關(guān)自身具有自身的延遲（大約100 ms）。在環(huán)網(wǎng)中，切換延遲和本征延遲均隨著網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)個(gè)數(shù)的增多而積累。另外，若備份架構(gòu)中使用的開關(guān)數(shù)目過(guò)多，則在備份切換時(shí)，會(huì)向其他開關(guān)傳遞信息，亦會(huì)對(duì)網(wǎng)路造成影響。通過(guò)對(duì)雙環(huán)網(wǎng)的優(yōu)化，可以有效地減小環(huán)路中開關(guān)數(shù)量，減小開關(guān)的積累時(shí)間和內(nèi)在延遲，同時(shí)減小開關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊（在交叉儲(chǔ)備改善方式下，雙網(wǎng)雙工的傳輸不會(huì)受到延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)震蕩的干擾）。因此，該方法在實(shí)時(shí)性上優(yōu)于一般的雙環(huán)網(wǎng)。

4 經(jīng)濟(jì)性比較

在雙環(huán)網(wǎng)中，采用集中式備份和交錯(cuò)備份兩種方式，這兩種方式都使得中間層交換設(shè)備所承載的業(yè)務(wù)量增大，同時(shí)對(duì)交換設(shè)備的性能也提出了更高的要求。ZYJ.860 F系列智能化以太網(wǎng)絡(luò)開關(guān)在行業(yè)中表現(xiàn)出良好的運(yùn)行效率（環(huán)路自動(dòng)恢復(fù)、動(dòng)態(tài)環(huán)路技術(shù)）、高可靠度（抗沖擊、抗電磁干擾）、高性價(jià)比，是目前最理想的解決方案。文中以該開關(guān)為實(shí)例，比較了每種類型的冗余度結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能。由于開關(guān)的重要程度及所承載的信息流的大小有差異，因此有相應(yīng)的埠數(shù)量及埠模式。作為一個(gè)4區(qū)間的電力變壓器系統(tǒng)實(shí)例，針對(duì)雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的集中備用改進(jìn)和交叉?zhèn)溆酶倪M(jìn)分別比普通雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)投資減少4.8萬(wàn)元和6.8萬(wàn)元，減少比重為25％和35.5％，文中所述的兩種改造方式在經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)勢(shì)都較為顯著，而且該優(yōu)點(diǎn)會(huì)隨著變電站的規(guī)模增加而越來(lái)越大[2]。

5 可靠性評(píng)估

筆者從時(shí)間和經(jīng)濟(jì)兩方面對(duì)兩種常用的雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)以及兩種不同的改造方式進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，這種新的雙環(huán)網(wǎng)比現(xiàn)有的方法更具優(yōu)勢(shì)。但是改造后的系統(tǒng)能否達(dá)到變電站自動(dòng)化的需求，仍有待于量化評(píng)估。

5.1 故障樹分析法簡(jiǎn)介

以一個(gè)變電站為例子，假定這個(gè)變電站有30臺(tái)主要保護(hù)設(shè)備，30臺(tái)備份保護(hù)設(shè)備，通過(guò)Ethernet連接到變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，幾臺(tái)交換機(jī)，一臺(tái)服務(wù)器，為用戶提供人機(jī)界面，并設(shè)置一臺(tái)路由器。按照制造商給出的元器件損壞程度進(jìn)行分類。根據(jù)失效樹的原理，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行邏輯操作，可以得到整個(gè)系統(tǒng)的失效有效性。針對(duì)以上不同的電力系統(tǒng)，構(gòu)建故障樹的故障模型。在主保護(hù)中，如果發(fā)生保護(hù)設(shè)備的內(nèi)在故障，或者是由于保護(hù)設(shè)備與交換機(jī)的界面發(fā)生故障，就會(huì)失去正常的工作狀態(tài)。

5.2 故障樹分析法簡(jiǎn)介

在一個(gè)交叉儲(chǔ)備改善模型中，其有效度分別為96.473%和99.9035%。利用相同的方法，可以得到不同的網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)的有效性。受篇幅所限，我就不一一贅述了。在表2中給出了有效性的計(jì)算結(jié)果。在雙環(huán)網(wǎng)的中心備份方案中，采用兩個(gè)區(qū)間共用一臺(tái)中央備份開關(guān)的方案。表2中的資料顯示，三種不同的網(wǎng)路架構(gòu)均具備較高之可靠度，但在網(wǎng)路架構(gòu)上進(jìn)行改良后，其系統(tǒng)之可靠度并無(wú)顯著降低。實(shí)際上，無(wú)論采用中央備份或交叉?zhèn)浞?，都不?huì)影響雙環(huán)網(wǎng)的冗余架構(gòu)，也不會(huì)顯著地降低系統(tǒng)的可靠度，而且在環(huán)路中僅使用少量開關(guān)，可以減小開關(guān)失效的幾率，從而略微提升系統(tǒng)的可靠性。但是由于采用了失效樹方法對(duì)其可靠性進(jìn)行了研究，沒(méi)有將其作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行，忽略了其在整個(gè)體系中的重要作用。但在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的方法，即在兩層環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，區(qū)間開關(guān)只需同時(shí)進(jìn)行一次或多次的數(shù)據(jù)包傳輸，其重要度要高于一般雙層環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。在進(jìn)行體系可靠度計(jì)算時(shí)，這一點(diǎn)是不可忽略的。

在單次防護(hù)中引入了冗余后，整個(gè)系統(tǒng)（特別是母線）的可靠性得到了顯著的提升，且以集中備份和特殊備份兩種方式最為可靠，但與一般的專用備份相比，后者的投入要低33.5萬(wàn)元。就可靠度而言，交叉儲(chǔ)備比專門儲(chǔ)備稍差一些，但是其總的總投資額要少于305 000美元。所以，從可靠性與經(jīng)濟(jì)性兩方面來(lái)看，采用單一保護(hù)時(shí)，應(yīng)采用集中備份或交叉?zhèn)浞?。在二次防護(hù)中使用了多余的結(jié)構(gòu)，雖然投入分別增加了540 000元、150 000元、260 000元，但是在線路和母線保護(hù)的可用率上，幾乎沒(méi)有增加多少，說(shuō)明經(jīng)過(guò)二次化的配置以后系統(tǒng)已經(jīng)是非常可靠的，不需要為每個(gè)單一保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做多余的布置[3]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面對(duì)數(shù)字化變電站冗余系統(tǒng)接口進(jìn)行了改進(jìn)。模擬結(jié)果表明，該方案優(yōu)于傳統(tǒng)雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可供數(shù)字化變電站的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)參考。本文的研究結(jié)果表明，集中備份與交叉?zhèn)浞莘绞絻?yōu)于傳統(tǒng)專用備份方式，為數(shù)字化變電站架構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了架構(gòu)逐步改變、原有功能不斷優(yōu)化重組、新功能不斷涌現(xiàn)的過(guò)程。因此，如何設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性好的系統(tǒng)架構(gòu)，以適應(yīng)未來(lái)數(shù)字化變電站的發(fā)展需求，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱林，陳金富，段獻(xiàn)忠．?dāng)?shù)字化變電站冗余體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及其可靠性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（10）：147-151．

[2] 張穎，曾翔，文明，等．?dāng)?shù)字化變電站通信冗余實(shí)施方案的改進(jìn)及可靠性分析[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（5）：124-128．

[3] 曾翔．?dāng)?shù)字化變電站通信冗余改進(jìn)方案的研究[D]．長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012．