專利名稱：變電站自動化系統(tǒng)的可靠性計算的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有標(biāo)準(zhǔn)化配置表示的變電站自動化系統(tǒng)，并且更具體地說，涉及對其可靠性的評估。
背景技術(shù)：
在高壓電網(wǎng)和中壓電網(wǎng)中的變電站包括諸如電纜、線路、母線、開關(guān)、電力變換器和儀表變換器等主要裝置，這些裝置能夠設(shè)置在開關(guān)場和/或間隔中。利用變電站自動化 (SA)系統(tǒng)以自動化方式操作這些主要裝置。SA系統(tǒng)包括輔助裝置，即負(fù)責(zé)保護(hù)、控制和監(jiān)視主要裝置的所謂智能電子裝置(IED)。IED可被指派到分層級別，即，站級別、間隔級別及過程級別。SA系統(tǒng)的站級別包括帶有人機(jī)接口(HMI)的運(yùn)營商工作站(OWS)和到網(wǎng)絡(luò)控制中心(NCC)的網(wǎng)關(guān)。也稱為間隔單元，在間隔級別的IED又相互連接以及經(jīng)由主要服務(wù)于交換命令和狀態(tài)信息目的的間隔間或站間總線連接到站級別上的IED。過程級別上的IED包括用于電壓(VT)、電流(CT)和氣體密度測量的傳感器或儀表變換器、用于感測開關(guān)和變換器抽頭改變位置(transformer tap changer position)的接觸探頭和/或用于控制象斷路器或切斷器等開關(guān)裝置的智能執(zhí)行器(I/O)。諸如非常規(guī)電流或電壓變換器或指派到常規(guī)傳感器的專用合并單元(MU)等示范過程級別IED包括用于模擬信號的采樣的模數(shù)(AD) 轉(zhuǎn)換器。過程級別IED能夠經(jīng)由替代常規(guī)硬連線過程接口的過程總線連接到間隔單元。國際電工委員會(IEC)已將用于變電站的輔助裝置之間的通信的通信標(biāo)準(zhǔn)作為題為“變電站中的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)(communication networks and systems in substations) ”的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850的一部分引入。對于非時間關(guān)鍵消息，基于帶有分別在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層中的傳輸控制協(xié)議(TCP)和因特網(wǎng)協(xié)議(IP)及作為物理媒體的以太網(wǎng)的縮減開放系統(tǒng)互連(OSI)協(xié)議棧，IEC 61850-8-1指定制造消息規(guī)范(MMS，IS0/IEC9506)協(xié)議。對于時間關(guān)鍵的基于事件的消息，IEC 61850-8-1直接在通信棧的以太網(wǎng)鏈路層上指定面向通用對象的變電站事件(G00SE)。對于諸如測量的模擬電壓或電流等在過程級別極快速周期性更改的信號，IEC 61850-9-2指定采樣測量值(SMV)服務(wù)，該服務(wù)象G00SE—樣直接在以太網(wǎng)鏈路層上建立。因此，標(biāo)準(zhǔn)定義了一格式以便作為工業(yè)以太網(wǎng)上的多播消息公布基于事件的消息和來自過程級別上的電流傳感器或電壓傳感器的數(shù)字化測量數(shù)據(jù)。通過過程總線傳送SMV消息，過程總線可延伸到相鄰間隔，即超出傳感器指派到的間隔，尤其是在具成本效益的中壓或低壓變電站中。借助于使用專用變電站配置語言(SCL)的、稱為變電站配置描述(SCD)的標(biāo)準(zhǔn)化配置表示或形式系統(tǒng)描述配置基于IEC 61850的SA系統(tǒng)。S⑶文件包括在“每數(shù)據(jù)”基礎(chǔ)上在IED之間的邏輯數(shù)據(jù)流，即對于每個數(shù)據(jù)宿/源，指定從中能夠推導(dǎo)目的地或接收器 IED列表的所需數(shù)據(jù)集/提供的數(shù)據(jù)集。此外，定義了依據(jù)數(shù)據(jù)集定義的消息大小及用于象 G00SE和SMV等所有周期性業(yè)務(wù)的消息發(fā)送速率。S⑶文件同樣地指定多播消息到虛擬局域網(wǎng)(VLAN)的分發(fā)，其中，單個IED可在SA通信系統(tǒng)的不同VLAN內(nèi)為不同目的發(fā)送不同實(shí)時消息。
雖然IEC 61850定義SA裝置能夠相互通訊的方式，但它未定義通信架構(gòu)，S卩，裝置相互連接的方式。作為互操作性的一個結(jié)果，不同的架構(gòu)今天在技術(shù)上是可行的。圖1示出用于帶有兩個間隔的相同變電站的可能SA架構(gòu)的兩個示例。第一示例(頂部)是每個間隔包括控制IED C和兩個保護(hù)IED(例如，主的和備份的)P1、P2的架構(gòu)。第二示例(底部)將用于兩個間隔的備份保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)到間隔外的一個單一 IED P2上。
上面兩個SA架構(gòu)可在多個特性度量方面不同，諸如性能、投資成本、維護(hù)成本、安全性、保密性和可靠性。在此上下文中，可靠性度量的計算顯現(xiàn)為高度主觀的過程，因此需要清楚地定義。實(shí)際上，一個度量可考慮SA系統(tǒng)的可靠性是從站PC訪問所有控制裝置或僅不訪問其中一個控制裝置的概率，而其它度量將只考慮從保護(hù)裝置訪問合并單元和斷路器。此外，分析給定復(fù)雜架構(gòu)可需要可靠性專家和/或涉及在此過程期間出錯的高概率。
在此上下文中，以下發(fā)明的原理和方法決不限于在變電站自動化中使用，而是同樣適用于帶有標(biāo)準(zhǔn)化配置描述的其它過程控制系統(tǒng)。具體而言，要注意的是，IEC 61850也是用于水電站、風(fēng)力系統(tǒng)和分布式能源(DER)及變電站外通信(用于遠(yuǎn)方保護(hù)的變電站間通信或變電站到NCC通信)的被接受標(biāo)準(zhǔn)。
B. Yunus等人所著題為“基于IEC 61850的變電站自動化系統(tǒng)可靠性和可用性研胃，，(〃 Reliability and availability study on substation automation system based on IEC 61850"，IEEE 2ND INTERNATIONAL POWER AND ENERGY CONFERENCE,1.12. 2008) 的論文公開了基于分層結(jié)構(gòu)的SA系統(tǒng)可靠性研究，分層結(jié)構(gòu)涉及包括硬連線IED的間隔級另O、站總線和站級別。站光纖環(huán)形總線說明了基于8個以太網(wǎng)開關(guān)的集總通信網(wǎng)絡(luò)可靠性。 否則，指派到不同級別的組件的并聯(lián)和串聯(lián)被考慮用于保護(hù)或控制可靠性。通信路徑細(xì)節(jié)未被考慮。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是以客觀和自動化的方式確定變電站自動化(SA)系統(tǒng)的可靠性度量或指數(shù)，允許不同SA系統(tǒng)或架構(gòu)的公正且快速的比較。此目的通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求項(xiàng)的計算SA系統(tǒng)的可靠性的方法、工程工具和計算機(jī)程序而得以實(shí)現(xiàn)。從從屬專利權(quán)利要求項(xiàng)明白其它優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明，為帶有某個SA系統(tǒng)架構(gòu)或通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腟A系統(tǒng)計算可靠性度量。 SA系統(tǒng)是帶有諸如各件連接到基于以太網(wǎng)開關(guān)的SA通信網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備和輔助智能電子裝置(IED)等多個元件的輸變電站或配電站的一部分。對于要由SA系統(tǒng)提供的第一 SA功能性或依據(jù)IEC 61850的邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)，識別構(gòu)成執(zhí)行第一 SA功能性的變電站裝置之間物理數(shù)據(jù)流路徑并允許實(shí)現(xiàn)或涉及與第一 SA功能性有關(guān)的數(shù)據(jù)交換的變電站通信元件。為此目的，咨詢包括第一 SA功能性的邏輯數(shù)據(jù)流定義的SA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化配置表示，諸如根據(jù) IEC61850的變電站配置描述(SCD)。對于每個識別的變電站通信元件，提供諸如由例如故障前平均時間(MTTF)、故障間平均時間(MTBF)、維修前平均時間(MTTR)或標(biāo)稱劣化速率表征的故障概率密度函數(shù)等可靠性指示符。在此基礎(chǔ)上，執(zhí)行與第一 SA功能性有關(guān)的所有數(shù)據(jù)流路徑的可靠性分析。最后，基于所述可靠性分析的結(jié)果和基于執(zhí)行第一 SA功能性的變電站裝置的可靠性，將第一 SA功能性的可靠性度量計算為SA系統(tǒng)可靠性。
優(yōu)選的是，為第一 SA功能性及其它SA功能性計算可靠性度量，并且將這些可靠性度量合并成SA系統(tǒng)的單個可靠性度量。
在本發(fā)明的一有利變型中，在兩個或更多個變電站裝置之間識別的數(shù)據(jù)流路徑確定變電站通信元件集，對該變電站通信元件集執(zhí)行基于故障樹的分析。此故障樹方案允許分析任何類型的通信網(wǎng)絡(luò)，包括冗余和網(wǎng)狀架構(gòu)或拓?fù)?，而在常?guī)的基于可靠性的圖形方案中，在未進(jìn)行過多的努力的情況下只能夠分析系統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)部分。故障樹分析考慮諸如光纖、開關(guān)、IED或SA通信架構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)(N)等所有物理變電站通信元件，并評估元件工作/失敗的所有可能組合(2N個組合)。對于每個組合，確定是否能夠提供SA功能性，以及將組合的概率計算為每個涉及元件的工作/失敗概率之積。隨后，將能夠提供SA功能性的那些組合的概率相加以計算此SA功能性的總體可靠性。
總之，本發(fā)明從描述變電站的SCD文件最大程度地自動提取可靠性相關(guān)信息。具體而言，在SCD文件中存在的信息用于識別SA系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浼芭c給定SA功能性或LN有關(guān)的所有數(shù)據(jù)流。計算LN的LN可靠性度量，涉及對參與所述數(shù)據(jù)流的每個變電站通信元件或變電站裝置而言特定的可靠性指示。最后，合并多個LN可靠性度量以產(chǎn)生特定SA系統(tǒng)架構(gòu)或通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目傮w可靠性。提議的發(fā)明最小化執(zhí)行可靠性計算所需的工程工作，并因此允許在可靠性工程師的工作量和干預(yù)最小的情況下比較不同變電站自動化架構(gòu)的可靠性。


參照在附圖中示出的優(yōu)選示范實(shí)施例，在下文中更詳細(xì)解釋本發(fā)明的主題，其中
圖1示出用于相同變電站的可能SA架構(gòu)的兩個示例，
圖2示出帶有其數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿的單個SA保護(hù)功能，
圖3是多個正D之間邏輯數(shù)據(jù)流的功能圖表，
圖4示出通信網(wǎng)絡(luò)的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及
圖5是帶有IED和開關(guān)的形式配置描述的SCL文件的摘錄。
具體實(shí)施方式
出于工程目的，元件的可靠性定義為“元件在所述條件下在指定時期內(nèi)執(zhí)行其預(yù)期功能的概率”，換而言之，元件在指定時期結(jié)束前將不發(fā)生故障的概率。這可以數(shù)學(xué)方式表示為
權(quán)利要求
1.一種為帶有多個變電站裝置和變電站通信元件(IED，CTl, XCBRl ；MUl, cwl, cw2, fol-fo4)的變電站計算變電站自動化SA系統(tǒng)的可靠性的方法，所述方法包括-識別用于執(zhí)行第一 SA功能性的多個變電站裝置(IED，CTl, XCBR1)，以及-基于所述識別的變電站裝置的可靠性，計算所述SA系統(tǒng)的可靠性，其特征在于所述方法包括-從包括所述第一 SA功能性的邏輯數(shù)據(jù)流定義的所述SA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化配置表示識別允許實(shí)現(xiàn)與所述第一 SA功能性有關(guān)的數(shù)據(jù)流的物理數(shù)據(jù)流路徑和對應(yīng)變電站通信元件 (MUl，IED, cwl，cw2, fol-fo4)，-提供每個識別的變電站通信元件的可靠性指示，-基于所述提供的可靠性指示，計算所述識別的物理數(shù)據(jù)流路徑的可靠性，以及-基于所述識別的物理數(shù)據(jù)流路徑的可靠性，計算所述SA系統(tǒng)的可靠性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括-計算多個單獨(dú)SA功能中每個單獨(dú)SA功能的可靠性，其中每個單獨(dú)SA功能具有識別的物理數(shù)據(jù)流路徑；以及在此基礎(chǔ)上計算所述SA系統(tǒng)的可靠性。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，包括基于故障樹分析所述物理數(shù)據(jù)流路徑。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，包括從在所述SA系統(tǒng)的所述標(biāo)準(zhǔn)化配置表示外部的存儲器提供每個識別的變電站通信元件的可靠性指示。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，包括手動指定所述元件之間的任何冗余數(shù)據(jù)流。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，包括為所述變電站的多個不同SA系統(tǒng)架構(gòu)中每個架構(gòu)計算SA可靠性，以及比較所述多個計算得出的SA可靠性。
7.一種用于為帶有多個變電站裝置和變電站通信元件的變電站計算SA系統(tǒng)的可靠性的工程工具，包括-計算部件，用于從包括第一 SA功能性的邏輯數(shù)據(jù)流定義的所述SA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化配置表示識別允許實(shí)現(xiàn)與所述第一 SA功能性有關(guān)的數(shù)據(jù)流的物理數(shù)據(jù)流路徑和對應(yīng)的變電站通信元件，-存儲器部件，用于存儲每個識別的變電站通信元件的可靠性指示，以及-計算部件，用于基于來自所述存儲器部件的可靠性指示，計算所述識別的物理數(shù)據(jù)流路徑的可靠性，以及用于基于所述識別的物理數(shù)據(jù)流路徑的可靠性，計算所述SA系統(tǒng)的可靠性。
8.一種計算機(jī)程序，包括用于為帶有多個變電站裝置和變電站通信元件的變電站計算變電站自動化SA系統(tǒng)的可靠性的計算機(jī)程序代碼，所述計算機(jī)程序在執(zhí)行時控制裝置的一個或多個處理器以執(zhí)行以下步驟-從包括第一 SA功能性的邏輯數(shù)據(jù)流定義的所述SA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化配置表示識別允許實(shí)現(xiàn)與所述第一 SA功能性有關(guān)的數(shù)據(jù)流的物理數(shù)據(jù)流路徑和對應(yīng)的變電站通信元件，-檢索每個識別的變電站通信元件的可靠性指示，以及-基于所述檢索到的可靠性指示，計算所述識別的物理數(shù)據(jù)流路徑的可靠性，以及基于所述識別的物理數(shù)據(jù)流路徑的可靠性，計算所述SA系統(tǒng)的可靠性。
全文摘要
本發(fā)明從描述輸變電站或配電站的變電站配置描述(SCD)文件最大程度自動提取可靠性相關(guān)信息。具體而言，在SCD文件中存在的信息用于識別變電站自動化(SA)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浼芭c給定SA功能性或邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)流。計算邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)的LN可靠性度量，涉及對參與所述數(shù)據(jù)流的每個元件或裝置而言特定的可靠性指示。最后，合并多個LN可靠性度量以產(chǎn)生考慮的SA系統(tǒng)架構(gòu)或通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目傮w可靠性。提議的發(fā)明最小化執(zhí)行可靠性計算所需的工程工作，并因此允許在可靠性工程師的工作和干預(yù)最小的情況下比較不同SA架構(gòu)的可靠性。
文檔編號G05B23/02GK102549513SQ201080043208
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者C·弗雷, J-C·圖爾尼耶, T·維爾納, W·維默爾 申請人:Abb研究有限公司