CN103559287B - 基于scd文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，包括以下步骤：1)读取SCD文件，获得保护***中各IED的虚端子和虚回路的谓词表达式；2)根据所述谓词表达式，生成保护***的逻辑连接图及其谓词表达式；3)根据逻辑连接图的谓词表达式进行谓词演算，识别保护***的物理连接，并生成保护***的物理连接图；4)将物理连接图转化为保护***的可靠性框图；5)根据可靠性框图对保护***进行可靠性指标的计算。与现有技术相比，本发明具有效率高、能适应智能变电站保护***的多种通信方式等优点。

Description

基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法

技术领域

本发明涉及变电站保护技术，尤其是涉及一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法。

背景技术

智能变电站***除了要满足所需的功能性要求外，还需满足各种性能要求。例如，非专利文献“智能变电站自动化***有效度评估模型研究.电力***自动化，2013,37(9)：1-9”研究并提出了涵盖了可靠性、可用性、实时性和经济性的***有效度指标；非专利文献“基于IEC61850的变电站自动化***连锁故障分析.电力***自动化,2013,02：61-66”从复杂网络理论出发，以逻辑节点为节点、逻辑连接为边，将智能变电站抽象成一个复杂网络，初步揭示了逻辑节点的故障在***中的传播规律；非专利文献“基于IEC61850的变电站自动化***可靠性评估.电力***保护与控制,2012,05：32-36+41”基于IEC61850标准，将***功能分解成由逻辑节点和逻辑连接构成的逻辑节点连接图，根据***功能的可靠性框图，计算***的可用率。但上述文献存在的共性问题是，在进行***性能分析之前，需要以人工方式建立相应的性能评估模型。由于智能变电站具有复杂多变的网络结构，使得上述性能评估的效率较低。

智能变电站和常规变电站的一个重要区别是，前者在工程配置中广泛采用变电站配置描述(Substation Configuration Description，SCD)文件。与变电站所采用的其他配置文件相比，SCD文件具有两点重要区别，其一是该文件具有严谨的语法结构和语义描述，因而实现了“机器可读”(machine readable)；其二是该文件完整描述了变电站的一次***拓扑、智能电子装置(Intelligent Electronic Device，IED)内的功能拓扑以及全站的通信拓扑。因此，本发明利用SCD文件对智能变电站进行自动的性能评估。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种效率高、能适应多种通信方式的基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，包括以下步骤：

1)读取SCD文件，获得保护***中各IED的虚端子和虚回路的谓词表达式；

2)根据所述谓词表达式，生成保护***的逻辑连接图及其谓词表达式；

3)根据逻辑连接图的谓词表达式进行谓词演算，识别保护***的物理连接，并生成保护***的物理连接图；

4)将物理连接图转化为保护***的可靠性框图；

5)根据可靠性框图对保护***进行可靠性指标的自动计算。

所述的保护***中各IED的虚端子和虚回路的谓词表达式包括：

IED的输入虚端子谓词表达式：

VTIN(IED,AP,VTIN_id，FCDA)

其中，IED为SCD文件中各IED的命名，全站唯一，AP为访问点名称，VTIN_id为输入虚端子序号，FCDA为带功能约束的数据属性，其格式为LD/LN.DO.DA；

IED的输出虚端子谓词表达式：

VTOUT(IED,AP,VTOUT_id，FCDA,CB)

其中，VTOUT_id为输出虚端子序号，CB为该FCDA所对应的GOOSE或SV控制块名称；

虚回路谓词表达式：

VC(IED1,AP1，CB,VTOUT_id，IED2,AP2,VTIN_id)

其中，IED1为输出虚端子所在的IED，即GOOSE或SV的发布方；CB为输出虚端子所属的GOOSE或SV控制块；IED2为接收方；AP1、AP2分别为IED1、IED2的访问点名称。

所述的生成保护***的逻辑连接图时，以IED为节点，以虚回路为边，边的方向从输出虚端子指向输入虚端子，所有边以其控制块名称代替，删除冗余的边，逻辑连接图对应的谓词表达式为：

LC(IED1，AP1，CB,IED2,AP2)。

所述的步骤3)具体包括：

3a)建立以太网交换机最小化模型，将以太网交换机作为IED包含到SCD文件中；

3b)设定光纤连接的谓词表达式：

FC(IED,AP,Port,Cable,RedPort,RedCable)

其中，AP为访问点名称，Port、Cable分别为主物理连接的通信端口号和光缆名称，RedPort、RedCable分别为冗余物理连接的通信端口号和光缆名称，如果无冗余物理连接，则RedPort、RedCable为空；

3c)建立如下谓词演算公式，得到保护***物理连接的谓词表达式：

式中，“?”表示变量；

3d)以IED为节点，以物理连接为边，生成保护***的物理连接图。

所述的步骤4)具体为：

4a)将物理连接图中冗余通信回路中的元件转换为并联结构；

4b)将其余元件转换为串联结构，获得保护***的可靠性框图，该可靠性框图的结构函数为：

$\mathrm{\Φ}\left(X\right)=1-\underset{j=1}{\overset{P}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\Φ}}_{P_j}\left(X\right))$

其中，P₁，P₂，...，P_p为可靠性框图的所有最小路集，各最小路集并联，最小路集的总数为p，X_i为图中第i个元件的状态变量。

所述的可靠性指标包括***可靠性、平均故障时间、平均可用性、平均首次故障时间和停运次数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明以SCD文件作为输入，使得这种方法在显著提高分析效率的同时，分析结果更具客观性；

2)本发明采用“逻辑连接图—物理连接图—可靠性框图”的变换方法，有效解决了物理连接识别的问题，且能适应智能变电站点对点和网络等多种通信方式；

3)本发明可以对采用不同通信组网方式的保护***的可靠性进行自动分析，从而有助于发现***可靠性的薄弱环节并改善设计。

附图说明

图1为SCD中描述的逻辑与物理子***示意图；

图2为典型保护***中的逻辑连接与物理连接示意图；

图3为本发明的流程示意图；

图4为图2所示保护***的逻辑连接图；

图5为交换机IED的对象模型示意图；

图6为图2所示保护***的物理连接图；

图7为图2所示保护***的可靠性框图；

图8为典型110kV智能变电站保护***结构图；

图9为图8所示保护***的可靠性框图；

图10为图8所示保护***的可靠性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，利用SCD文件进行自动的***性能评估，可以对采用不同通信组网方式的保护***的可靠性进行自动分析，从而有助于发现***可靠性的薄弱环节并改善设计；由于评估的输入为SCD文件，使得这种方法在显著提高分析效率的同时，分析结果更具客观性。在SCD文件所描述的智能变电站***中，包含了逻辑和物理两个子***，如图1所示。逻辑子***以逻辑节点(LN)为核心。为了完成各种智能变电站功能，LN之间需要进行数据交换。在IEC61850中，利用逻辑连接(Logical Connection，LC)表示LN之间的虚拟通信连接。LC可通过多种服务方式实现，如Report、GOOSE、SV等；而物理子***则以IED为核心。在IEC61850中，利用物理连接(PhysicalConnection，PC)表示IED之间真实的通信连接。对于过程层网络，物理连接由光纤、以太网交换机等元件组成。

为了能够适应不断发展的通信技术，IEC61850标准弱化了对物理通信介质和网络设备的描述，这使得SCD文件中对逻辑连接描述的详细程度明显高于物理连接。但从可靠性分析的角度，物理连接是不可忽略的。但是，从SCD文件中完整地提取出可靠性分析所需的物理连接是比较困难的，这可用图2说明。图2所示的保护***采用了“直采网跳”的通信结构。其中，合并单元U1、U2与保护装置R1之间通过直连光纤传输SV信号，而R1与智能终端T1之间则通过冗余网络传输GOOSE信号。图中利用虚线和实线同时表示了逻辑连接(GOOSE、SV虚回路)和物理连接(交换机、光纤)。逻辑连接最终需通过物理连接才能完成实际数据交换，SCD文件对前者的描述是直接的、充分的，而对后者的描述是间接的、不充分的。例如，U1和R1之间的SV信号是通过哪些光纤传输的?采用点对点方式还是交换机组网方式?通信回路是否存在冗余?

为了有效解决利用SCD文件进行物理连接的问题，且使其能适应点对点和网络等多种通信方式，本发明通过“逻辑连接图—物理连接图—可靠性框图”的变换方法进行可靠性自动分析，具体包括以下步骤，如图3所示：

在步骤S100中，读取SCD文件，获得保护***中各IED的虚端子和虚回路的谓词表达式。

采用虚端子(Virtual Terminal，VT)和虚回路(Virtual Circuit，VC)表示GOOSE和SV，使之在设计、配置等环节更易于理解与使用，但虚端子所依据的对象模型仍是完全兼容于IEC61850标准的。

步骤S100中，保护***中各IED的虚端子和虚回路的谓词表达式包括：

IED的输入虚端子可以表示为4元谓词表达式：

VTIN(IED,AP,VTIN_id，FCDA) (1)

其中，IED为SCD文件中各IED的命名，全站唯一，AP为访问点名称，VTIN_id为输入虚端子序号，FCDA为带功能约束的数据属性，其格式为LD/LN.DO.DA。以下为图2中保护装置R1所包含的一个输入虚端子：

VTIN(R1，M1，1，SVINGGI01.AnIn0.Mag.i) (2)

IED的输出虚端子可以表示为5元谓词表达式：

VTOUT(IED,AP,VTOUT_id，FCDA,CB) (3)

其中，VTOUT_id为输出虚端子序号，CB为该FCDA所对应的GOOSE或SV控制块名称。以下为图2中合并单元U1的一个输出虚端子：

VTOUT(U1，M1，1，TCTR0.Amp.InstMag.i,AmpSVCB) (4)

虚回路谓词表达式：

VC(IED1,AP1,CB,VTOUT_id，IED2,AP2,VTIN_id) (5)

其中，IED1为输出虚端子所在的IED，即GOOSE或SV的发布方；CB为输出虚端子所属的GOOSE或SV控制块；IED2为接收方；AP1、AP2分别为IED1、IED2的访问点名称。

图2中，与保护装置R1相关的虚回路有：

其中，AmpSVCB和VolSVCB分别为合并单元U1、U2的SV控制块，TripGOCB1为保护R1跳闸GOOSE控制块，PosGOCB1为智能终端T1的断路器位置GOOSE控制块。

在步骤S200中，根据所述谓词表达式，生成保护***的逻辑连接图及其谓词表达式。

生成保护***的逻辑连接图时，以IED为节点，以虚回路为边，边的方向从输出虚端子指向输入虚端子，所有边以其控制块名称代替，删除冗余的边，逻辑连接图对应的谓词表达式为：

LC(IED1,AP1,CB,IED2,AP2) (7)

以图2为例，经上述处理后形成图4所示的逻辑连接图，图中的有向边为逻辑连接。图4中的四个有向边分别为：

在步骤S300中，根据逻辑连接图的谓词表达式进行谓词演算，识别保护***的物理连接，并生成保护***的物理连接图，具体包括：

3a)建立以太网交换机最小化模型，将以太网交换机作为IED包含到SCD文件中。

IEC61850标准主要针对保护、测控等IED建立了对象模型，对交换机建模考虑甚少。本发明利用IEC61850Ed2.0中新增的LCCH逻辑节点，建立了图5所示的交换机最小化模型。图中除了LPHD、LLN0等***逻辑节点之外，还包括多个LCCH逻辑节点，每个LCCH实例对应交换机的一个物理端口，包含该端口的访问点名称、VLAN标识、端口编号以及远方端口号等重要属性。

3b)在SCD文件的通信(Communication)部分提供了对通信介质的描述机制。以图2中保护R1为例，其R1P3和R1P4两个冗余端口分别接入光纤C3、C4。描述信息如下：

其中，Connection和RedConn分别描述主物理连接和冗余物理连接。

光纤连接可用如下6元谓词表达式：

FC(IED,AP,Port,Cable,RedPort,RedCable) (9)

其中，AP为访问点名称，Port、Cable分别为主物理连接的通信端口号和光缆名称，RedPort、RedCable分别为冗余物理连接的通信端口号和光缆名称，如果无冗余物理连接，则RedPort、RedCable为空。例如，图2中光纤C1的描述为：

FC(U1，M1，U1P1,C1) (10)

3c)根据式(7)、(9)建立如下谓词演算公式，得到保护***物理连接的谓词表达式：

式中，“?”表示变量；

利用上述公式识别出图2中的如下物理连接：

3d)以IED为节点，以物理连接为边，生成保护***的物理连接图。

将式(12)描述的物理连接转化为无向图，如图6。对比图4与图6可见，图4中的TripGOCB1和PosGOCB1逻辑连接皆通过图6中的光纤C3、C5和交换机S1实现物理连接；而图6中的光纤C4、C6和交换机S2则是为上述逻辑连接提供的冗余通信通道。需注意的是，从可靠性角度，图4中R1与T1之间的两个逻辑连接是串行的，而在图6中，R1与T1之间的两个通信通道则是并行的。

在图6中，如果光纤C3与C5之间通过多级交换机互联，则形成无向图的过程稍微复杂些。此时，可将问题转换为搜索C3与C5之间的物理通信路径，并以该路径中的交换机端口应属于相同VLAN作为约束条件。

在步骤S400中，将物理连接图转化为保护***的可靠性框图，可靠性框图(Reliability Block Diagram，RBD)方法能够描述完成特定***功能的所有元件之间的连接关系。具体为：

4a)将物理连接图中冗余通信回路中的元件转换为并联结构；

4b)将其余元件转换为串联结构，获得保护***的可靠性框图，如图7所示，该可靠性框图的结构函数为：

$\mathrm{\Φ}\left(X\right)=1-\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{\Φ}}_{P_j}\left(X\right))---\left(13\right)$

其中，P₁，P₂,...，P_p为可靠性框图的所有最小路集，各最小路集并联，最小路集的总数为p，X_i为图中第i个元件的状态变量。

一旦建立了***RBD，即可进行各种可靠性分析计算。

在步骤S500中，根据可靠性框图对保护***进行可靠性指标的自动计算，可靠性指标包括平均故障时间、平均可用性、平均首次故障时间和停运次数等。

设所有元件的故障时间都为指数分布，则对任意元件i，其可靠性函数为：

R_l(t)=p_i(t)=e^-λ,l (14)

假设智能变电站保护***为不可修复***，此时，用各元件的可靠性函数p_l代替式(14)中对应的状态变量X_i，即得到***可靠性函数R_sys(t)。进一步，***的平均故障时间(MTTF)用下式计算：

$\mathrm{MTTF}={\∫}_0^{\∞}{R}_{\mathrm{sys}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(15\right)$

实际的智能变电站保护***皆为可修复***。此时，可以将蒙特卡罗法和RBD方法结合起来，通过大量的统计实验进行可靠性仿真，从而计算***的平均可用性、平均首次故障时间(MTTFF)以及停运次数等可用性指标。

图8为一座典型110kV智能变电站的主变间隔，采用内桥接线，主变保护为主后备一体化装置，采用“直采网跳”的通信结构。变电站配置信息利用SCD文件描述。通过解析SCD文件，利用本文提出的方法，通过“逻辑连接图—物理连接图—功能方框图”的自动变换，形成图9的RBD图。完整变换过程如附录所示。为方便绘图，图9中用四取四模块“4/4”代表串联关系。

虽然SCD文件中并不记录IED的可靠性参数，但包含了各IED的型号、制造厂等铭牌信息。这样，就可以首先建立专门的IED可靠性数据库，然后以IED的型号为关键字检索可靠性参数，如表1所示。

表1

A、不可修复***

首先假设保护***为不可修复***。根据图9的RBD，通过解析法可以得到保护***的可靠性曲线，如图10所示。根据式(15)，可算得该保护***的MTTF为6.677年。

B、可修复***

现有保护***均采用定期检修策略。将图9的RBD和蒙特卡洛方法结合起来，进行1000次仿真，仿真时长为10年，可得到可修复***的可靠性指标，如表2所示。

表2

以SCD文件作为主要输入源进行变电站可靠性的自动分析，既能对已有变电站设计方案进行高效评估，发现可靠性的薄弱环节，又能对不同设计方案的可靠性进行客观比较。

利用SCD文件进行可靠性自动分析的主要困难在于对物理连接的识别，利用本发明的“逻辑连接图—物理连接图—可靠性框图”的变换方法，有效解决了上述问题，且能适应点对点和网络等多种通信方式。

Claims (5)

1.一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)读取SCD文件，获得保护***中各IED的虚端子和虚回路的谓词表达式；

2)根据所述谓词表达式，生成保护***的逻辑连接图及其谓词表达式；

3)根据逻辑连接图的谓词表达式进行谓词演算，识别保护***的物理连接，并生成保护***的物理连接图；

4)将物理连接图转化为保护***的可靠性框图；

5)根据可靠性框图对保护***进行可靠性指标的自动计算；

所述的保护***中各IED的虚端子和虚回路的谓词表达式包括：

IED的输入虚端子谓词表达式：

VTIN(IED,AP,VTIN_id,FCDA)

其中，IED为SCD文件中各IED的命名，全站唯一，AP为访问点名称，VTIN_id为输入虚端子序号，FCDA为带功能约束的数据属性，其格式为LD/LN.DO.DA；

IED的输出虚端子谓词表达式：

VTOUT(IED,AP,VTOUT_id,FCDA,CB)

其中，VTOUT_id为输出虚端子序号，CB为该FCDA所对应的GOOSE或SV控制块名称；

虚回路谓词表达式：

VC(IED1,AP1,CB,VTOUT_id,IED2,AP2,VTIN_id)

其中，IED1为输出虚端子所在的IED，即GOOSE或SV的发布方；CB为输出虚端子所属的GOOSE或SV控制块；IED2为接收方；AP1、AP2分别为IED1、IED2的访问点名称。

2.根据权利要求1所述的一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，其特征在于，所述的生成保护***的逻辑连接图时，以IED为节点，以虚回路为边，边的方向从输出虚端子指向输入虚端子，所有边以其控制块名称代替，删除冗余的边，逻辑连接图对应的谓词表达式为：

LC(IED1,AP1,CB,IED2,AP2)。

3.根据权利要求2所述的一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括：

3a)建立以太网交换机最小化模型，将以太网交换机作为IED包含到SCD文件中；

3b)设定光纤连接的谓词表达式：

FC(IED,AP,Port,Cable,RedPort,RedCable)

其中，AP为访问点名称，Port、Cable分别为主物理连接的通信端口号和光缆名称，RedPort、RedCable分别为冗余物理连接的通信端口号和光缆名称，如果无冗余物理连接，则RedPort、RedCable为空；

3c)建立如下谓词演算公式，得到保护***物理连接的谓词表达式：

LC(？IED1,？AP1,？CB,？IED2,？AP2)∧

FC(？IED1,？AP1,？Port1,？Cable)∧

FC(？IED2,？AP2,？Port2,？Cable)∧

式中，“？”表示变量，Port1为AP1对应的主物理连接的通信端口号，Port2为AP2对应的主物理连接的通信端口号；

3d)以IED为节点，以物理连接为边，生成保护***的物理连接图。

4.根据权利要求3所述的一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：

4a)将物理连接图中冗余通信回路中的元件转换为并联结构；

4b)将其余元件转换为串联结构，获得保护***的可靠性框图，该可靠性框图的结构函数为：

$\mathrm{\Φ}\left(X\right)=1-\underset{j=1}{\overset{p}{\Π}}(1-{\mathrm{\Φ}}_{P_j}(X\left)\right)$

其中，P₁,P₂,...,P_p为可靠性框图的所有最小路集，各最小路集并联，最小路集的总数为p，X为图中元件的状态变量。

5.根据权利要求1所述的一种基于SCD文件的智能变电站保护***可靠性自动分析方法，其特征在于，所述的可靠性指标包括***可靠性、平均故障时间、平均可用性、平均首次故障时间和停运次数。