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摘要：智能变电站是城市电力系统的重要组成部分，对网络通信系统可靠性的要求比较高。为此，结合多年实践经验，通过探讨220kV智能变电站自动化系统的可靠性，从多方面提出了一些切实有效的改进措施。
关键词：智能变电站；自动化系统；基本思路
作者简介：李国（1978-），男，广东深圳人，深圳市华力特电气股份有限公司，工程师。（广东 深圳 518000）
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0218-02
智能变电站是未来电力系统发展的重要环节，其采用了先进、可靠的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化等为基本要求，自动完成信息的收集、保护和检测等基本功能，在保证城市供电安全性和促进城市经济发展方面发挥着至关重要的作用。在220kV智能变电站自动化系统运行过程中，网络通信是影响系统运行可靠性及功能发挥的最重要因素，若电力工作者没有做好自动化系统可靠性分析工作，就很可能影响到220kV智能变电站的正常运作，并阻碍到城市电力系统的健康发展。因此，本文从多方面分析了自动化系统对智能变电站自动化系统的影响，以期提高自动化系统运行的可靠性。
一、220kV智能变电站中自动化系统的可靠性分析
1.220kV智能变电站中自动化系统可靠性的分析思路
自动化系统的可靠性主要是指系统实际运行中，能够满足用电客户正常通信的需求能力。对智能变电站自动化系统的可靠性进行评价，其基本的分析思路主要是：通过平均故障的时间（MTTF）以及平均无故障的时间（MTBF）等参数对其网络基本元素可靠性进行评估，与此同时，采用功能比较全面或具备降级等功能的可靠度R（t）、可用度A和效能指标对系统的可靠性进行分析和评估，并根据系统拓扑机构来对整个自动化系统进行可靠性评估。[1]
2.220kV智能变电站的智能组件及其可靠度、可用度模型分析
智能变电站的智能组件主要是电子器件，其组件较为典型，属于故障率的曲线。且故障率会随着时间变化而变化，当故障率是常数时，其正常的寿命期在Ⅱ区内；故障率在Ⅰ、Ⅲ区时较高，主要是因为设备投入生产并且逐渐老化。
二、优化220kV智能变电站自动化系统可靠性的策略分析
1.提升220kV智能变电站自动化系统中智能组件的可靠性
由于节点以及链路的失效，降低了自动化系统可靠性，且节点的失效影响相比链路更大。要提升自动化系统的可靠性，最为直接、有效的办法主要是减少智能组件的失效性，提升其可靠性。智能组件是电子设备中的一种，其可靠性受电子元件可靠性以及电路的结构、制造的工艺、操作的方法以及使用的环境等方面的影响。
2.网络的拓扑结构以及冗余的优化设计方案
220kV智能变电站自动化系统对智能组件的可靠性要求高，除此之外，还必须要有先进的体系结构以及网络层次。具备高可靠性以及先进的体系结构，并且利用和设计合理，才能充分利用网络设备高可靠性以及高性能，将自动化系统高可靠性发挥至极限。将冗余技术利用到自动化系统中，不仅会增加系统复杂程度，还会增加成本，而且系统的可靠性与其自身冗余与否无正比关系，因此利用冗余技术时，要对其进行优化，并对其设计的方案进行定量与定性的分析。
220kV智能变电站在实施设计方案时，采用的主要是通过功能冗余以及网络方式来确保系统可靠性，例如在220kV及其以上电压系统中采用互感器、交换机、保护装置、合并的单元以及智能终端等两套智能的组件，且冗余网络装置中利用双以太网以及双网络装置等。网络中，一般采用的是冗余的配置，其目的是提升通信可靠性。
（1）采用网络环型拓扑结构优化网络。根据图1中三种不同拓扑结构——总线型、环型结构以及星型结构的框图，并计算出各自的可用度，对其可用度进行分析，寻找出能够优化网络的拓扑结构，表1所示的是三种网络拓扑可用度结果。可以看出，总线型以及星型的可靠性明显低于环型网，因此在设计时可以采用环型拓扑结构优化网络。但必须注意的是，优化网络的结构时还应控制好建设网络的成本问题。
表1 三种不同网络结构的可用度
网络拓扑结构 MTTF/a 可用度
总线型 7.50 0.99987824
单环型 13.93 0.99995129
单星型 13.64 0.99993303
既要保证网络的可靠性，又要节约建设的成本，最直接的办法就是核心网中应用环型结构，并将星型的结构应用于接入网中，形成复合型拓扑结构。交换机个数以及链路的长度决定了环型网络可靠性，因此环型网络中RSTP作为备用链接，并且通过间隔层、站控层等设备与其他的IED及信息的交互，找到最短的路径。但是220kV智能变电站部分功能实时性要求高，因此环型网络的最短路径应符合节点以及延时等方面的要求。
（2）冗余技术具体分析。
1）系统与元件的冗余。目前，220kV智能变电站中网络的设计主要采用的是双星型的拓扑冗余结构，该结构是自动化系统的冗余方式，而元件的冗余如图2所示。参照可靠性框图的分析方法计算出MTTF以及A的取值，并与220kV线路的间隔系统中冗余的可用度进行对比，对比结果证明，与系统冗余的可靠度相比元件的冗余更高。
2）并联冗余技术。自动化系统中首个冗余单元早获取得到的可靠度最大，冗余单元增加到第五个时系统无故障工作的时间智能增加20%，采用并联的冗余技术能够将系统无故障的工作时间提升50%。
3）冗余技术可分为工作以及非工作的冗余，其中工作冗余主要是在系统中任一单元失效时能够自行完成，且无需借助外部单元的检测或判断等。在220kV智能变电站自动化系统中，需具备持续工作的系统，因此可以将工作冗余应用到系统中，提升其工作的效率。 4）在对计算机网络进行设计时，可以采用模块化结构及热播、热插功能等设备。这样，不仅能够提升组网方式的灵活性，还能在正常供电的基础上更换有故障的模块，从而延长计算机工作的时间，提升其工作能力，提高自动化系统容错的能力。
5）为提升自动化网络系统的可靠性，应尽可能把冗余的方法应用于系统中薄弱或关键的环节。
6）自动化网络的系统中，如服务器等一部分设备的结构较为复杂，对技术的性能要求较高，成本高，因此寻找既能提升系统的可靠性又能节约成本的冗余技术是其关键。通过元件冗余技术优化220kV智能变电站智能组件，能够实现其要求。
（3）优化冗余以及网络拓扑结构的具体方案。将环型结构应用到核心网中，且接入网主要应用星型的结构，以此组合而成的复合型拓扑结构进行元件的冗余，不仅能够提升拓扑结构的可靠度，还能提升自动化系统的可靠度。其中，拓扑结构可靠性的框图如图3所示，双星型的拓扑冗余框图如图4所示。
采用可靠性框图的分析方法可以得出MTTF以及A的值，并且优化后的网络拓扑结构能够提升系统的可靠度。但必须注意的是，单纯提升子系统的可靠度无法达到优化的目的。[2]
3.220kV智能变电站自动化系统中流量的控制和管理
过程层的网络主要是将SV、IEEE1588时钟以及GOOSE等数据进行同步传输，要降低网络延时，提升其效率，就必须过滤这些组播的数据，并且对其进行管理。目前，智能变电站中用来过滤及管理组播的方式主要是GMRP以及VLAN，两种方式亦可以同时进行，其方法主要是在VLAN内部中采用GMRP过滤组播，并且根据智能变电站各个装置优化传输的信道，达到网络延迟和负载的目的。
由于攻击或病毒致使广播风暴出现时可以利用端口的流量对其进行控制和管理，而避免回路造成广播风暴，可以采用能够完全和RSTP/STP兼容的环网冗余技术。与此同时，自动化系统中交换机频繁出现通断现象时，应及时对其并发访问，访问的过程中要确保数据的同一性、完整性。
4.提升网络故障的诊断力度，加强自动化智能分析和预警
在220kV智能变电站网络中设置在线故障的诊断系统，并且采用故障分析的模型对MMS、GOOSE通信的异常或错误以及SV等进行诊断。工作人员将诊断出来的故障内容和后台监控的时间做比对，找出自动化系统中存在的隐患以及发生故障的原因，并及时对其进行处理。
5.保障220kV智能变电站自动化系统运行的环境
智能变电站自动化系统在运行过程中常受到强电磁的干扰，要提升二次设备可靠性，必须减少恶劣环境对其的影响。在220kV智能变电站自动化系统中，通过提升智能组件本身抗干扰的能力，还应采取有效的措施解决恶劣环境对智能组件的影响。智能变电站自动化系统中网络通信占据了重要位置，因此，通过将信息的加密技术以及防火墙等网络安全技术应用到智能变电站中，以此加强变电站智能组件的网络安全，才能确保220kV智能变电站自动化系统运行时的安全。
三、结束语
本文主要对220kV智能变电站自动化系统进行了探讨，在优化智能变电站自动化系统时，电力工作人员在衡量指标时要结合经济性、安全性、可扩展性以及实时性等方面来展开，综合评估智能变电站中自动化的系统。电力工作人员还必须分析自动化网络系统的影响因素，制定切实可行的方案和改进的措施，进一步促进电网运行的安全、可靠，加快电网发展。
参考文献：
[1]余洋.余春收.智能化变电站的自动化可靠性分析[J].科技与企业，2012，（23）.
[2]胡长金.智能变电站自动化可靠性研究[J].电气应用，2011，（17）.
关键词：智能变电站；自动化系统；基本思路
作者简介：李国（1978-），男，广东深圳人，深圳市华力特电气股份有限公司，工程师。（广东 深圳 518000）
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）27-0218-02
智能变电站是未来电力系统发展的重要环节，其采用了先进、可靠的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化等为基本要求，自动完成信息的收集、保护和检测等基本功能，在保证城市供电安全性和促进城市经济发展方面发挥着至关重要的作用。在220kV智能变电站自动化系统运行过程中，网络通信是影响系统运行可靠性及功能发挥的最重要因素，若电力工作者没有做好自动化系统可靠性分析工作，就很可能影响到220kV智能变电站的正常运作，并阻碍到城市电力系统的健康发展。因此，本文从多方面分析了自动化系统对智能变电站自动化系统的影响，以期提高自动化系统运行的可靠性。
一、220kV智能变电站中自动化系统的可靠性分析
1.220kV智能变电站中自动化系统可靠性的分析思路
自动化系统的可靠性主要是指系统实际运行中，能够满足用电客户正常通信的需求能力。对智能变电站自动化系统的可靠性进行评价，其基本的分析思路主要是：通过平均故障的时间（MTTF）以及平均无故障的时间（MTBF）等参数对其网络基本元素可靠性进行评估，与此同时，采用功能比较全面或具备降级等功能的可靠度R（t）、可用度A和效能指标对系统的可靠性进行分析和评估，并根据系统拓扑机构来对整个自动化系统进行可靠性评估。[1]
2.220kV智能变电站的智能组件及其可靠度、可用度模型分析
智能变电站的智能组件主要是电子器件，其组件较为典型，属于故障率的曲线。且故障率会随着时间变化而变化，当故障率是常数时，其正常的寿命期在Ⅱ区内；故障率在Ⅰ、Ⅲ区时较高，主要是因为设备投入生产并且逐渐老化。
二、优化220kV智能变电站自动化系统可靠性的策略分析
1.提升220kV智能变电站自动化系统中智能组件的可靠性
由于节点以及链路的失效，降低了自动化系统可靠性，且节点的失效影响相比链路更大。要提升自动化系统的可靠性，最为直接、有效的办法主要是减少智能组件的失效性，提升其可靠性。智能组件是电子设备中的一种，其可靠性受电子元件可靠性以及电路的结构、制造的工艺、操作的方法以及使用的环境等方面的影响。
2.网络的拓扑结构以及冗余的优化设计方案
220kV智能变电站自动化系统对智能组件的可靠性要求高，除此之外，还必须要有先进的体系结构以及网络层次。具备高可靠性以及先进的体系结构，并且利用和设计合理，才能充分利用网络设备高可靠性以及高性能，将自动化系统高可靠性发挥至极限。将冗余技术利用到自动化系统中，不仅会增加系统复杂程度，还会增加成本，而且系统的可靠性与其自身冗余与否无正比关系，因此利用冗余技术时，要对其进行优化，并对其设计的方案进行定量与定性的分析。
220kV智能变电站在实施设计方案时，采用的主要是通过功能冗余以及网络方式来确保系统可靠性，例如在220kV及其以上电压系统中采用互感器、交换机、保护装置、合并的单元以及智能终端等两套智能的组件，且冗余网络装置中利用双以太网以及双网络装置等。网络中，一般采用的是冗余的配置，其目的是提升通信可靠性。
（1）采用网络环型拓扑结构优化网络。根据图1中三种不同拓扑结构——总线型、环型结构以及星型结构的框图，并计算出各自的可用度，对其可用度进行分析，寻找出能够优化网络的拓扑结构，表1所示的是三种网络拓扑可用度结果。可以看出，总线型以及星型的可靠性明显低于环型网，因此在设计时可以采用环型拓扑结构优化网络。但必须注意的是，优化网络的结构时还应控制好建设网络的成本问题。
表1 三种不同网络结构的可用度
网络拓扑结构 MTTF/a 可用度
总线型 7.50 0.99987824
单环型 13.93 0.99995129
单星型 13.64 0.99993303
既要保证网络的可靠性，又要节约建设的成本，最直接的办法就是核心网中应用环型结构，并将星型的结构应用于接入网中，形成复合型拓扑结构。交换机个数以及链路的长度决定了环型网络可靠性，因此环型网络中RSTP作为备用链接，并且通过间隔层、站控层等设备与其他的IED及信息的交互，找到最短的路径。但是220kV智能变电站部分功能实时性要求高，因此环型网络的最短路径应符合节点以及延时等方面的要求。
（2）冗余技术具体分析。
1）系统与元件的冗余。目前，220kV智能变电站中网络的设计主要采用的是双星型的拓扑冗余结构，该结构是自动化系统的冗余方式，而元件的冗余如图2所示。参照可靠性框图的分析方法计算出MTTF以及A的取值，并与220kV线路的间隔系统中冗余的可用度进行对比，对比结果证明，与系统冗余的可靠度相比元件的冗余更高。
2）并联冗余技术。自动化系统中首个冗余单元早获取得到的可靠度最大，冗余单元增加到第五个时系统无故障工作的时间智能增加20%，采用并联的冗余技术能够将系统无故障的工作时间提升50%。
3）冗余技术可分为工作以及非工作的冗余，其中工作冗余主要是在系统中任一单元失效时能够自行完成，且无需借助外部单元的检测或判断等。在220kV智能变电站自动化系统中，需具备持续工作的系统，因此可以将工作冗余应用到系统中，提升其工作的效率。 4）在对计算机网络进行设计时，可以采用模块化结构及热播、热插功能等设备。这样，不仅能够提升组网方式的灵活性，还能在正常供电的基础上更换有故障的模块，从而延长计算机工作的时间，提升其工作能力，提高自动化系统容错的能力。
5）为提升自动化网络系统的可靠性，应尽可能把冗余的方法应用于系统中薄弱或关键的环节。
6）自动化网络的系统中，如服务器等一部分设备的结构较为复杂，对技术的性能要求较高，成本高，因此寻找既能提升系统的可靠性又能节约成本的冗余技术是其关键。通过元件冗余技术优化220kV智能变电站智能组件，能够实现其要求。
（3）优化冗余以及网络拓扑结构的具体方案。将环型结构应用到核心网中，且接入网主要应用星型的结构，以此组合而成的复合型拓扑结构进行元件的冗余，不仅能够提升拓扑结构的可靠度，还能提升自动化系统的可靠度。其中，拓扑结构可靠性的框图如图3所示，双星型的拓扑冗余框图如图4所示。
采用可靠性框图的分析方法可以得出MTTF以及A的值，并且优化后的网络拓扑结构能够提升系统的可靠度。但必须注意的是，单纯提升子系统的可靠度无法达到优化的目的。[2]
3.220kV智能变电站自动化系统中流量的控制和管理
过程层的网络主要是将SV、IEEE1588时钟以及GOOSE等数据进行同步传输，要降低网络延时，提升其效率，就必须过滤这些组播的数据，并且对其进行管理。目前，智能变电站中用来过滤及管理组播的方式主要是GMRP以及VLAN，两种方式亦可以同时进行，其方法主要是在VLAN内部中采用GMRP过滤组播，并且根据智能变电站各个装置优化传输的信道，达到网络延迟和负载的目的。
由于攻击或病毒致使广播风暴出现时可以利用端口的流量对其进行控制和管理，而避免回路造成广播风暴，可以采用能够完全和RSTP/STP兼容的环网冗余技术。与此同时，自动化系统中交换机频繁出现通断现象时，应及时对其并发访问，访问的过程中要确保数据的同一性、完整性。
4.提升网络故障的诊断力度，加强自动化智能分析和预警
在220kV智能变电站网络中设置在线故障的诊断系统，并且采用故障分析的模型对MMS、GOOSE通信的异常或错误以及SV等进行诊断。工作人员将诊断出来的故障内容和后台监控的时间做比对，找出自动化系统中存在的隐患以及发生故障的原因，并及时对其进行处理。
5.保障220kV智能变电站自动化系统运行的环境
智能变电站自动化系统在运行过程中常受到强电磁的干扰，要提升二次设备可靠性，必须减少恶劣环境对其的影响。在220kV智能变电站自动化系统中，通过提升智能组件本身抗干扰的能力，还应采取有效的措施解决恶劣环境对智能组件的影响。智能变电站自动化系统中网络通信占据了重要位置，因此，通过将信息的加密技术以及防火墙等网络安全技术应用到智能变电站中，以此加强变电站智能组件的网络安全，才能确保220kV智能变电站自动化系统运行时的安全。
三、结束语
本文主要对220kV智能变电站自动化系统进行了探讨，在优化智能变电站自动化系统时，电力工作人员在衡量指标时要结合经济性、安全性、可扩展性以及实时性等方面来展开，综合评估智能变电站中自动化的系统。电力工作人员还必须分析自动化网络系统的影响因素，制定切实可行的方案和改进的措施，进一步促进电网运行的安全、可靠，加快电网发展。
参考文献：
[1]余洋.余春收.智能化变电站的自动化可靠性分析[J].科技与企业，2012，（23）.
[2]胡长金.智能变电站自动化可靠性研究[J].电气应用，2011，（17）.