电网调度自动化系统可靠性分析

摘要: 电网调度自动化系统是电力系统稳定运行的重要保障，其运行的可靠性是系统最基本的要求。一旦调度自动化系统发生故障造成系统失效，则很容易导致较大电力事故的发生，，造成难以估计的经济损失，并对整个社会造成影响。因此，对电力系统的调度自动化系统的可靠性进行评估分析具有很重要的意义。本文通过建立调度自动化系统可控性分析的模型，对整个系统的可靠性进行定量分析，对实际生产中电网调度自动化系统可靠性评估工作有一定的参考意义。

关键词：电网调度自动化，可靠性，定量计算

一 概述。

电网调度自动化系统对电力系统从全局进行监控，通过通信手段接收电网进行实时监测，对整个电网的工作状态实现监控、安全性评估、负荷预测以及远程控制等，从而确保电网的可靠运行，保障供电质量的提高，使电网的经济性得到提高。调度自动化的可靠运行对电网安全意义重大，一旦调度自动化系统功能发生故障，控制中心就不能对电网的实际运行状态进行全面掌握，从而做出错误的判断，难以保证电力系统运行的安全，甚至造成重大事故的发生，导致重大的经济损失和不良的社会影响。[1]长久以来业内对调度自动化的可靠性研究工作不多，往往依靠人工依靠自身经验进行分析和判断，本文通过模型的建立对调度自动化可靠性进行了定量分析和评估。

二 调度自动化系统的基本结构。

图2.1 电网调度自动化系统结构图

调度自动化系统的结构经历了集中式、分布式和开放分布式三个阶段。现以某地区电网为例。该地区电网有220kV变电站3个，110kV变电站9个。该电网调度自动化系统由调度主站系统、远程站点数据采集和指令执行系统以及站点通讯网络系统构成，整个系统结构如图2.1所示，其中110kV站点监控采用无冗余的综合自动化系统，220kV站点监控采用关键设备配备冗余的自动化系统。

三 电网调度自动化系统故障影响分析计算。

3.1调度自动化系统故障影响分析。

（1）主站对系统故障的影响。

从图2.1可以明显看出，终端服务器、前置机和前置局域网复杂整个系统的数据交换，一旦发生故障会对整个系统产生严重影响；SCADA服务器、调度员工作站、PSA工作站和数据服务器对电网进行实时监控，其故障对电网影响较大；报表和维护工作站以及DTS网和企业网故障对电网的影响可以忽略；

（2）通信网对系统故障的影响。

光纤是主要通信手段，电力电话是备用通信手段。光纤通信故障对站点间的通讯会造成影响，影响调度自动化系统功能的实现；电话专线的容量小、抗干扰性能低，容易受自身和干扰的影响而发生故障。

（3）厂站自动化系统对调度系统故障的影响。

厂站自动化系统将站点信息产送到控制中心，是调度自动化的基础，其可靠性直接关系着调度自动化的可靠性。厂站中的通讯网络和远动通信机是影响调度自动化系统的主要因素。

3.2 调度自动化系统设备可靠性指标。

主站、调度主站以及厂站通信和监控系统组成电网调度自动化系统，系统各部分中有各自不同的设备，不同设备对整个系统的影响程度也是不同的。可以通过加入设备重要程度因数的方式来描述设备对调度系统可靠性影响的大小。影响设备重要程度因数大小的因素主要包括设备在系统中的功能以及设备功能的重要性两方面。[2]参考这两方面因素可以得出设备对系统的重要程度因数。假设调度主站设备的平均修复时间为2小时，厂站通信网络和监控系统的平均修复时间为8小时，由式（3-1）可求得设备对调度系统的等效不可用度Qli如表2-1所示。

（3-1）

式中，Kli是设备重要度因数，λi是设备等效失效率，μi是设备故障修复率。

表3-1 调度自动化系统设备等效不可用度表

设备名称

失效率λ×10-6/h

重要度因数Ki

等效不可用度Q×10-6

SCADA服务器

105.4

1.0

210.8

数据服务器

113.8

1.0

227.5

调度员工作站

426.5

1.0
852.3

PAS工作站

350.2

1.0

699.9

实时LAN网

122.5

1.0

244.9

前置机

68.24

1.0

136.5

终端服务器

95.48

1.0

190.092

前置LAN网

76.22

1.0

152.4

220kV站光纤网络

183.4

0.25

366.1

220kV站专线网络

592.6

0.25

1183.8

110kV站光纤网络

183.1

0.05

73.23

110kV站专线网络

592.6

0.05

237.0

通过式（3-2）可近似求得厂站自动化系统的等效不可用度如表3-2所示。

（3-2）

表3-2 厂站自动化的等效不可用度

设备名称

不可用度Qi×10-6

重要度因数Ki

等效不可用度Qe×10-6

220kV站SAS

462

0.5

231

110kV站SAS

2708

0.1

270.8

四电网调度自动化系统可靠性计算。

4.1 调度自动化系统的故障树模型。

导致调度自动化系统故障的原因主要有：

（1）主站故障。包括SCADA服务器故障、数据服务器故障、调度员工作站故障、PAS工作站故障、实时LAN故障、前置机故障、终端服务器故障以及前置LAN故障；

（2）站间通信故障。主要包括主站和从站间的光纤通信和专线通信故障；

（3）厂站本地监控故障。主要包括站内自动化控制系统故障。从而可以得出如图2-2所示的故障树。[3]利用故障树则可对系统可靠性进行定量计算。

图4-1 调度自动化系统故障树模型

4.2 电网调度自动化系统不考虑时间的可靠性分析。

(1)系统的可用度。

由故障树中得出，电网调度自动化系统故障TD为：

（4-1）

根据表3-1和表3-2中的数据并对式（4-1）利用不交化算法处理，从而可以得出调度自动化系统的故障TD的
概率，即系统的不可用度QD：

(4-2)

那么系统的可用度如下所示：

(4-2)

（2）系统可靠性敏感度探析。

假定系统设备为理想状态，即可用度是1，不可用度是0，系统可用度如下图所示。

图4-2 系统可用度敏感度柱形图

图中横坐标1为各种设备由表3-1和表3-2计算所得的系统可用度，2-13分别为SCADA服务器、数据服务器、调度员工作站、PAS工作站、实时LAN网、前置机、终端服务器、前置LAN网,220kV站通信网络、110kV站通信网络,220kV站SAS和110kV站SAS理想状态的可用度。从图中可以看出，调度系统中可靠性最差的部分是110kV站综合自动化系统，其次则为220kV站综合自动化系统。由于应用了冗余配置，调度主站设备和通信网络的故障影响较小；并且由于主站设备的平均修复时间是2小时，使设备的可用度有所提高，系统整体的可用度也提高了。

4.3电网调度自动化系统考虑时间的可靠性分析。

（1）考虑时间的可靠性分析模型。

当调度自动化系统采用光纤通信时，系统通信不存在超时的问题。当光纤通信出现故障时，大量的数据通过专线进行传输，这时则需要考虑数据传输的延时。假定数据传输的延时为Td，数据传输时间下限是Tc1，上限是Tc2。则系统通信考虑时间的可靠性模型如图4-3所示。当Td≤Tc1时，通讯延时对系统可靠性的影响可以忽略；当Td≥Tc2时，通信时间超过上限值，通信状态判定为故障，不可用度是1；当Tc1＜Td＜Tc2时，系统可靠性受到数据传输延时的影响，但没有造成系统故障，只是通信的可靠性有所下降。

图4-3 考虑时间的专线通信可靠性模型

则专线通信的不可用度Qi可由下式表示：

（4-3）

式中，Qi0是专线自身的不可用度。

专线传输的时间延时和事故发生时，专线需要传输的数据量大小有关，数据量越大，延时时间越长。

（2）考虑时间的可用度计算。

由仿真计算得出，220kV专线通信的平均延时是2.57S，110kV专线通信的平均延时是1.86S。若系统数据传输延时下限是2S，上限是3S。计算可得220kV和110kV站专线通信的等效不可用度分别为0.4787和0,0367。从而可以计算出考虑延时的系统不可用度和可用度分别为3675×10-6和99.6325%。与不考虑时间的系统可靠性指标比较可以看出，考虑时间延时后，系统的可用度下降了。

（3）考虑时间的系统可靠性铭感度探析。

假定系统设备在理想状态，即设备可用度是1，不可用度是0，对可用度重新计算，如图4-4所示。

图4-4 考虑时间的系统可靠性敏感度分析

从图中可以看出，考虑延时以后，系统可靠性最低的部分是220kV站和主站的通讯部分，其次依次为110kV综合自动化系统和110kV站和主站的通讯部分。其主要原因在于220kV站在发生故障后与主站有大量故障信息传递。为减小这些环节对系统可靠性的影响可以将后备通讯业采用光纤通信。

五结论

对于各地电网的重大停电事故，电力工作者应引以为戒，必须对电力系统调度自动化系统的可靠性提起足够的重视。电网调度自动化是防止电网事故发生，确保电网正常运行的有效手段，必须保证足够的可靠性。本文对电网调度自动化的可靠性进行了量化评估，具有一定的实际意义，但是其中仍然存在不足。首先，如何获得更加全面更加准确的基础数据还需进一步研究，其次，对系统的修复率考虑不足，只是参考了经验数据，再次，人员对系统的影响也没有进行考虑。因此调度自动化可靠性研究工作还有很多工作要做。

参考文献：

[1] 杨漪百,戴景哀,孙启宏.电力系统可靠性分析基础及应用[M」.北京:水利电力出版社,1986.

[2] 郭永基.电力系统可靠性分析「M〕.北京:清华大学出版社,2003.

[3] 金星,洪延姬等.工程系统可靠性数值分析方法[M〕.北京:国防工业出版社,2002.