（电力系统及其自动化专业论文）广域保护通信系统可靠性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i d ea r e ap r o t e c t i o ns y s t e m w a p s w h i c ha c q u i r em u l t i p o i n ti n f o r m a t i o no ft h e p o w e rs y s t e mb ym e a n so fm o d e r nm e a s u r e m e n ta n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d i d e n t i f yt h ed i s t u r b a n c ew h i c hp o s s i b l es e r i o u sc o n s e q u e n c e st ot h ep o w e rs y s t e ma n dt a k e a p p r o p r i a t ec o n t r o lm e a s u r e st oe l i m i n a t eo rm i t i g a t et h ec o n s e q u e n c e si sap o w e rs y s t e m c o n t r o la n dp r o t e c t i o ns y s t e m w i d ea r e ap r o t e c t i o ni sb a s e do nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y c o n s t r a i n e db yt h el e v e lo fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i no r d e rt or e a l i z er e a l t i m ec o n t r o l t h ep o w e rs y s t e m w i d e a r e ap r o t e c t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e q u i r eh i g hr e a l t i m ea n d 1 1 i g hr e l i a b i l i t y t h er e a l t i m eo ft h ew i d ea r e ap r o t e c t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa c h i e v e d b yd e v e l o p m e n to fm o d e r nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h er e l i a b i l i t yo ft h ew i d ea r e a p r o t e c t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi m p a c tt h ew i d ea r e a p r o t e c t i o n sr e l i a b l eo p e r a t i o n s t u d yo nt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi no r d e r t op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g na n dm a i n t e n a n c et h es y s t e m t h i sp a p e rw h i c h a n a l y z ef r o m t h ew i d e a r e a p r o t e c t i o n f u n c t i o nd i v i d e st h ew i d ea r e a p r o t e c t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n t o s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a n dw i d ea r e a c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s s u b s t a t i o na u t o m a t i o nh a se n t e r e dt h ed i g i t a la g e t h ep a p e ra n a l y z et h er e l i a b i l i t yo f t h ed i g i t a ls u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf i r s t e s t a b l i s hs t a ra n dr i n gt o p o l o g i e sd i g i t a l s u b s t a t i o n s r e l i a b i l i t ym o d e l c o m p a r et h et w ot o p o l o g i e ss u b s t a t i o n s r e l i a b i l i t ya n df i n d t h ew e a kl i n k so ft h es y s t e m sr e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ed i g i t a ls u b s t a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t y e s t a b l i s ht h es u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nu n d e rt h ew i d e a r e ap r o t e c t i o nr e l i a b i l i t ym o d e l s i nd i g i t a ls u b s t a t i o n t h er e l i a b i l i t yo fp r o t e c t i o no p e r a t i o n i sa f f e c t e db yt h er e l i a b i l i t yo ft h ed i g i t a lp r o t e c t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e l i a b i l i t y m o d e l sf o rt w os t r u c t u r e sw h i c ho n eo fs t r u c t u r ei st h ep r o t e c t i o nc o m p o n e n t sa n dc i r c u i t b r e a k e r sa n ds e v e ra r er e d u n d a n ta n do n eo fs t r u c t u r ei sd o u b l ec o n f i g u r a t i o na r ee s t a b l i s h e d t h r o u g ht h r e et y p e so fd a t as e r v i c e sw h i c ha r es a m p l ev a l u es i g n a lt r a n s m i s s i o na n dt r i p p i n g s i g n a lt r a n s m i s s i o na n df i l ed a t at r a n s m i s s i o n s t u d yt h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n df m dt h ew e a k n e s so ft h es y s t e ma n dt h ec o m p o n e n t s p r o b a b i l i t yi m p o r t a n c eo f t h es y s t e ma n dt h es u b s y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 1 页 t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r ef e a t u r e so ft h ew i d ea r e ap r o t e c t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd i v i d e di n t ot h es y s t e mp r o t e c t i o nc e n t e r b a c k b o n e n e t w o r k sa n dr e g i o n a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sw h i c hi sd i v i d e di n t or e g i o n a lp r o t e c t i o n c e n t e r r e g i o n a ln e t w o r k sa n ds u b s t a t i o ns y s t e m a n a l y z et h er e l i a b i l i t yo ft h r e ec o m m o n l y f i b e ro p t i cr i n g s r e l i a b i l i t ym o d e lo fe a c hs u b s y s t e mw e r ee s t a b l i s h e d a ne x a m p l eo f i e e e14b u ss y s t e m c a l c u l a t i n gt h er e l i a b i l i t yo fv a r i o u ss u b s y s t e ma n do v e r a l ls y s t e m i nt h i sp a p e r b a y e s i a nn e t w o r k sa st h em e t h o do fr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n t w h i c hn o ta n y c o m p u t et h ei n d i c e sb u ta l s of i n dt h ew e a k n e s so ft h es y s t e mb yt h ea d v a n t a g eo ft h eu n i q u e r e v e r s er e a s o m n g k e yw o r d s w i d ea r e ap r o t e c t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m d i g i t a ls u b s t a t i o n d i g i t e dp r o t e c t i o n r e l i a b i l i t ym o d e l b a y e s i a nn e t w o r k s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密醴使用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名 j 司盔畏 指导老师签名 刁以腹 荔 日期 砂 口 s 0 日期2 0 l0 歹 弓1 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 l 分析了数字化变电站通信系统的结构特点 将通信系统分成变电站层网 络 交换层网络和间隔层网络3 个子系统 交换层网络可为星形和环形2 种拓扑结构 分别建立了变电站层网络 间隔层网络的可靠性模型 建立 了交换层网络分别为星形和环形2 种网络结构的可靠性模型 利用贝叶斯 网络可靠性评估方法能计算出系统的可靠性 找出影响系统可靠性的薄弱 环节 建立了广域保护下的变电站通信系统可靠性模型 2 分析了数字化保护通信系统的特点 根据采样值信号传输 跳闸信号传输 和文件数据传输3 类业务 建立了同步时钟源 保护元件 合并单元 断 路器和服务器冗余和双重化配置2 种结构下的数字化保护通信系统可靠性 模型 利用贝叶斯网络进行可靠性计算 找出影响系统可靠性的薄弱环节 并给出了系统与3 个子系统中元件的概率最要度的次序 3 分析了广域保护通信系统的结构 将其分成系统保护中心 主干网络和区 域通信系统 而区域通信系统又分成区域保护中心 区域网络和子站系统 分别建立可靠性模型和贝叶斯网络 利用贝叶斯网络可靠性评估方法能计 算出可靠性指标 找出影响系统可靠性的薄弱环节 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 周彤 日期 弘l o 岁 孑o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着电力需求不断增长而输电网络扩建日益困难 电力系统运行和控制更加复杂 发生扰动的可能性更大 后果也更严重 如何平息系统范围的大扰动 维持电力系统 稳定运行是一个巨大挑战 传统安全稳定控制系统 人工调度系统和继电保护系统已 经越来越不能满足电力系统安全 可靠运行的要求 另一方面 测量 计算机 通信 技术的快速发展为建立更完善的保护控制系统创造了条件 基于广域测量的广域保护 技术 w a p 应运而生 广域保护系统 w a p s 是通过现代测量和通信技术获取电力系统的多点信息 辨 识出可能给电力系统带来严重后果的扰动并采取相应的控制措施 消除或减轻扰动造 成后果的电力系统控制保护系统 l 3 广域保护的基础是通信技术 受到通信技术水平 的制约 为了实现对电力系统的实时控制 对广域通信系统要求高实时性和可靠性 现代通信技术的发展为实时性提供了可能 广域保护系统的正常运行依赖于通信系统 可靠运行的支持 一个关键通信部件发生故障 将会使整个广域保护系统陷入瘫痪 进而可能导致整个电网失去可控性和可监测性 高可靠性的广域保护通信系统是广域保护系统正确可靠运行的重要组成部分 本 文从广域保护的功能出发 将其分为变电站通信系统和广域通信系统 分别提出了可 靠性评估模型和可靠性评估方法 对广域保护通信系统的设计和运行提供依据 1 2 广域保护通信系统 广域保护 w a p 的概念最早由瑞典学者b e r t i li n g e l s s o n 等与1 9 7 7 年提出 4 但 到目前为止 对广域保护系统没有一个公认的定义 各种文献给出了不同的定义 5 7 总体上讲 广域保护系统的定义可以归结为两大类 一类仅涉及故障或扰动后的系统 保护 即稳定控制 另一类则包含了稳定控制和常规保护 高效可靠的通信系统是实现广域保护的基础 计算机技术和通信技术的快速发展 为广域保护系统的实现提供了必要的条件 广域保护与常规继电保护和控制系统的重 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 要区别之一是依靠通信系统实现性能更高的保护和控制功能 在广域保护实现的诸多 功能中 尤以广域继电保护功能对通信系统性能要求最高 这是由继电保护快速性和 高可靠性的基本要求决定的 因此要实现广域保护系统中的各项功能 必须有强健 可靠的通信系统为各种信息的交换提供平台 对广域保护通信系统而言 要保证通信的快速性和可靠性满足广域保护系统功能 的要求 8 9 1 广域保护的通信信道至少在逻辑上要独立 独享一定的带宽 在物理上可以 根据情况与其它信道复用 2 尽量采用成熟且通用的通信技术 便于技术升级 降低造价 3 通信系统要支持信息优先级定义 根据功能要求对不同信号定义不同的优先 等级 4 l e d 要具备主动发送数据的能力 即事件驱动模式 只要认为有事件发生 就主动向相关e i d 传输数据 5 减少通信系统的中间复用环节 使业务尽快上到主干网 减小通信延迟 从物理结构上看 广域保护的通信系统分为变电站内通信系统和变电站间通信系 统 站内通信属于局域网内部通信 而站间通信属于广域通信 二者应分别讨论 1 2 1 变电站通信网络 随着i e c 6 1 8 5 0 标准的实施 以太网通信技术的应用 电子式互感器技术和智能断 路器技术的发展 标志着变电站自动化进入数字化阶段 l 们 数字化变电站中的绝大部 分自动化功能的实施都依赖于通信 高速可靠和开放的通信网络是数字化变电站的前 提条件和核心技术之一 变电站采用以太网进行组网 其组网简单 技术成熟且价格 相对低廉 工业以太网己达到工业应用的要求 传统的以太网采用随机的网络仲裁机 制c s m a c d 其传输不确定性是以太网进入实时控制领域的主要障碍 交换式以太网 具有微网段和全双工传输的特性 从本质上为通信的确定性提供了保证 变电站体系结构将趋向于分层分布式结构 将变电站自动化系统按功能分成三个 层次 变电站层 间隔层和过程层 变电站层与间隔层之间的网络为站级网络 间隔 层与过程层之间的网络为过程网络 变电站中的网络均采用光纤作为通信介质 其频 带宽 损耗低 抗干扰能力强和可靠性高 根据站级网与过程层网络是否联通 数字 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 化变电站可以有独立过程层网络和全站统一式网络2 种基本组建方案 独立过程网络 中的站级网络与过程网络相互独立 变电站通信网络为2 层物理网络 全站统一式网 络与过程网络相互联通 变电站通信网络为1 个物理网络 l l 1 3 在数字化变电站中站 级网络可以采用星形拓扑和环形拓扑 在传统的以太网拓扑中不能出现环路 在现代 管理型交换机中实现了快速生成树协议i e e e 8 0 2 1 w r a p i ds p a n n i n gt r e ep r o t o c 0 1 能在很短时间内监测到网络故障并生成新的路径 降 1 2 2 广域通信网络 对于广域通信的网络类型 w a p s 覆盖范围大 数据量大而且实时性要求高 采用 光纤作为通信介质 光纤的通信距离长 带宽大 通信时延小 抗干扰能力强 适合 w a p s 的实时通信要求 除了由于这些优良特性外 还因为光纤通信技术在电力系统中 应用具有两大潜在优势 一是可利用高压电网的自然出线走廊 建设复合地线光缆 o p g w o p t i c a lg r o u n dw i r e 形成广域光纤网络 二是可利用配电网络将光纤延伸到 用户1 1 6 光纤系统中采用的通信协议主要有同步光纤网络和同步数字层级s o n e t s d h s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k i n gs y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y 和异步传输模a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e r m o d e 两种 文献 1 7 认为 选择以光纤为媒介 以s d h 承载a t m 为通 信模式的通信网 能满足w a p s 对通信的要求 文献 1 8 详细介绍了一个应用于广域电 流差动保护和广域失步稳定保护的 建立在1 5 5 m b a t m 主干网上的i p 通信系统 并对 该系统的传输延时和报文丢失等性能进行了评估 结果表明这种通信技术具有很好的 实用性 常用的通信网络结构呈树状 环形和网格拓扑的混合体 且以环为主干网 环形 结构具有很好的自我修复能力 从而可大大提高通信系统的可靠性 w a p s 的广域通信 主干网络主要采用环形网 可以将w a p s 的通信网络分为2 层 上层用于连接系统保护 中心和区域中心 下层用于连接区域中心和变电站 这样的结构可以实现系统保护中 心和区域中心与变电站之间的自由通信 又可以将局部区域保护的通信局限在局部 避免主干网的拥塞 1 9 1 1 3 电力通信系统可靠性研究现状 研究电力系统通信网可靠性 对于提高电力通信网可靠性 保障电力部门生产运 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 行 提高电力通信部门的通信网管理水平有重要意义 电力系统的通信网既有一般通 信网络的特点 又要满足广域保护的实时性和高可靠性要求 对于普通通信网的可靠性研究 文献 2 0 1 从通信网可靠性的概念 可靠性分析与设 计方法角度总结了近几十年来国内外在通信网可靠性方向的研究进展 指出研究的难 点和需要解决的关键问题 文献 2 1 以通信网的连通性和凝聚度作为可靠性测度来对通 信网节点或链路重要性进行评估 文献 2 2 2 5 提出了两种通信网的可靠性评价测度 可行性测度和归一化容量加权可靠性测度 前者适合仿真分析 得到与业务相关的各 种网络状态下的仿真数据或参考曲线 后者可以精确计算出通信网可靠性指标 为评 估通信网可靠性提供理论依据 文献 2 6 在大型网络系统可靠度的不交最小路集算法基 础上 提出了大型网络系统可靠度的不交最小路集算法的实现新方法 由于直接采用 两节点之间弧表示逻辑运算 根据需要可以提供网络系统的全部最小路集 全部最小 割集和系统可靠度 文献 2 7 1 提出了w d m 光层连通可靠性的评估方法 根据网络邻接 矩阵和结构参数矩阵用遍历法和不交化法计算所有源宿点对的最小路集 通过概率求 解得出各源宿点对的连通可靠度 并计算出网络的平均故障间隔时间 故障频率和维 修频率 文献 2 8 提出了基于网络的硬软件可靠性模型的局域网的可靠性和可用度的评 估方法 文中针对局域网的设备建立了硬件和软件可靠性模型 针对以太局域网建立 了多点对多点的通信可靠性模型 并针对具体的局域网进行了可靠性评估 为通信网 的可靠性评估提供理论指导 目前关于电力通信系统可靠性研究处于起步阶段 文献 2 9 利用故障树建立了变电 站可靠性模型 对总线型 星形和环形拓扑结构定量分析了其可用度 说明了不同拓 扑结构对通信系统可靠性的影响 文献 3 0 针对电力通信系统建立了可靠性模型 从非 冗余系统 完全冗余系统 部分冗余系统以及备用系统的可靠性模型出发 分析建立 了典型电力通信系统的可靠性模型 对电力通信系统的可靠性评估提供了依据 文献 3 1 根据变电站可靠性要求采用了双以太网多环结构 提出基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电 站冗余以太网通信的实现方案 并根据变电站的通信结构 构建了变电站可靠性框图 利用最小割集理论 计算了该结构的通信可靠性指标 文献 3 2 对几种变电站通信冗余 结构进行了可靠性分析和比较 文献 3 3 对s c a d a 系统中的通信系统进行可靠性分析 目前 对于广域保护通信方面的可靠性研究还处于起步时期 文献 3 4 对w a m s 分为监控中心和数据采集2 个子系统 基于马尔可夫模型提出监控中心可用度的评价 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 方法 以串联 并联和七加判决模型为基础 建立了数据采集子系统的可靠度计算方法 文献 3 5 分析了w a m s 的网络结构 利用w a m s 连通可靠性评估方法 在考虑节点可 靠性的情况下 用节点遍历法和不交化法计算出源宿点的最小路集 然后用频率时间 法计算出整个网络连通可靠性 平均故障间隔时间等可靠性指标 文献 3 6 对w a m s 主干通信网和w a m s 局部通信网络建立了可靠性模型 针对性运用了不同的灵敏度分 析方法 评估了每一子部分中各自的构成模块及其参数可靠性的影响 1 4 本文工作 本文分析了广域保护通信系统的特点 将通信系统分为变电站通信系统和广域通 信系统 分别对其进行了可靠性研究 研究主要内容如下 1 介绍了可靠性的一些相关指标和可靠性模型 对几种可靠性研究方法进行分 析 选用贝叶斯网络作为可靠性分析方法 2 对数字化变电站通信系统进行研究分析 分别建立了星形拓扑和环形拓扑的 变电站通信系统可靠性模型 比较两种结构下通信系统可靠性 并找出系统的薄弱环 节 在此基础上 建立了广域保护下的变电站通信系统的可靠性模型 3 分析了数字化保护通信系统的特点 从业务的角度 建立了可靠性模型 计 算出了可靠性指标 并找出系统的薄弱环节和系统与3 种业务下的元件概率重要度的 排序 4 分析了广域保护通信络特点 将广域通信系统分成系统保护中心 主干网络 和区域通信系统 将区域通信系统分成区域网络 区域保护中心和子站系统 并分别 建立了可靠性模型 利用贝叶斯网络可靠性方法进行了可靠性计算 并计算出整个广 域通信系统的可靠性 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章可靠性基础 通信系统可靠性是指在人为或非人为的外来破坏以及内在老化的作用下 网络在 规定条件下 规定时间内的生存能力 无论是在网络的规划设计还是运行维护阶段 可靠性都是一个重要的技术性能指标 3 7 2 1 可靠性指标 可靠性理论中几个关键的技术指标 如可靠度 失效率 平均寿命 修复率 平 均修复时间 可用度和不可用度等 3 8 棚 1 可靠度 可靠度是产品在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的概率 记为欠 可靠 度是时间的函数 故也记为r t 称为可靠度函数 尺o p 丁 f j 厂 f 出 2 1 式中 丁代表产品的寿命 为一个随机变量 指产品开始工作到故障发生的时间 t 为规定时间 系统失效与不失效是两个对立事件 不可靠度定义为 产品在规定的条件下 在 规定的时间内 完不成规定功能的概率 记为f t f t p t f 2 2 则有 月 f f 1 2 3 2 失效率 系统工作到时刻f 尚未失效的系统 在时刻f 后的单位时间内发生的概率 称为系 统在时刻r 的失效率 或故障率 也称为失效函数2 t 2 0 l i m 坐等 幽 式中 f t 为产品故障概率密度函数 盟 2 4 天 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 3 平均寿命 平均寿命就是寿命的平均数 即随机变量寿命的期望值 记为0 对于不可修复系统 系统的寿命是指系统发生失效前的工作时间或工作次数 因 此 系统的平均寿命是系统失效前的平均工作时间 也称为系统在失效前的平均时间 记为m t t f m e a nt i m et of a i l u r e 口 脚 j c o 卯胁胁胁去喜 2 5 式中 刀为试验的产品数 f 为第i 件产品的寿命 对于可修复系统 系统的寿命是指两次相邻失效之间的工作时间 而不是指整个 系统的报废时间 故系统的平均寿命为系统的平均无故障时间 记为m t b f m e nt i m e b e t w e e nf a i l u r e 秒 m t b f 耪 像6 式中 z 为试验产品发生故障的次数 为每次故障修复后的工作间 4 修复率 修复率是在f 时刻产品还没有修复的情况下 产品在时刻f 后单位时间内被修复的 概率 记为 f l i m 丝三 三 笪i 兰型 唑 2 7 一7a t 0 a t 1 一m f 式中 代表修复时间 为随机变量 m t 为产品维修度 m t 为维修密度函数 5 平均修复时间 平均修复时间指故障发生后修复时间的平均值 记为m t t r m e a nt i m et or e p a i r m t t r 是修复时间y 的数学期望 m t t r e y i t m t d t 2 8 当修复了为定值时 6 可用度和不可用度 m t t r 一1 2 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 可用度为在规定条件f 在任葸时刻f 产品能正常工作的概翠 为时间函数 记为 么 f 若产品可靠度和维修度均为指数函数 即r t e 维修度m t 1 一e 一 则可 用度满足微分方程 a a t 一 一五彳o 1 一彳o 2 1 0 讲 解得 么 f l l e a 训 2 1 1 九七u九七u 当f 一0 0 时的系统可用度 称为稳态可用度 记为彳 老 而面m t 砑b f 丽 2 1 2 九 um tb 七m tik 不可用度为产品在起始时刻正常工作的条件下 在时刻f 不能正常工作的概率 记 为q t q t i a f 面面m t 砑t r 丽 2 1 3 2 2 可靠性模型 在电力通信系统中有几种常见的可靠性模型 串联系统 并联系统 表决系统和 旁联系统等 4 0 1 1 串联系统 一个系统由刀个元件或任务功能模块组成 只有当n 个元件或任务功能模块都正常 工作时 系统才能正常工作 系统中任何一个元件或任务功能模块失效时 系统就失 效 串联系统是最常见的和最简单的 许多实际工程系统是可靠性串联系统 f j l 母 吁 图2 1 串联系统的可靠性框图 在串联系统中 假设各单元相互独立的情况下 其系统可靠性为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 r f 兀r f t l 2 1 4 式中 火 f 为系统在f 时正常工作的概率 即系统在 时的可靠度 r f 为第f 个 单元在 时刻正常工作的概率 即单元a 在f 时刻的可靠度 如各单元的寿命分布都是指数分布 且r e t f 0 式中五是第f 个单元的失 效率 于是系统的可靠度为 删 血p 叫 p p 玎印 式中 五 五 如 乃 丑 l l 同理 系统可用度4 和系统平均寿命m 乃e 为 4 r f 1 4 f t l 2 1 5 2 1 6 崛2 必2 篪丑 2 1 7 2 并联系统 一个系统由刀个元件或任务功能模块组成 如只要有一个元件或任务功能模块正常 工作 系统就能正常工作 只有系统中全部元件或任务功能模块都失效 系统才失效 系统的可靠性框图如图所示 图2 2 并联系统可靠性框图 如各元件或任务功能模块的寿命都是失效为五的指数分布 则 足 r 1 一n 1 一r f 卜n 1 一p 叫 2 1 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 4 1 一兀 1 4 f m t t f s o r s d t r 一冉 州 p 2 1 9 2 2 0 3 表决系统 表决系统又称部分冗余系统 是指由 2 个独立元件或具有独立任务功能模块组成 的系统 只有系统中正常工作元件或任务功能模块数不小于某一阀值 设为m 系统 才正常工作 亦称为州 2 表决系统 系统的可靠性框图如图所示 图2 3 表决系统可靠性框图 如各元件或任务功能模块的寿命都是失效为丑的指数分布 则 b c r 1 一民 月 4 c a o o a o 2 2 1 2 2 2 m t t f s r 愿西 r 委c r o c t 一心广7 廊 c 2 2 3 其中 凡 4 为行个相同元件的可靠度和可用度 4 旁联系统模型 系统中存在多个完全功能相同的元件或任务功能模块 当其中一个失效后 通过 故障监测或转换装置使得另外一个承接失效元件功能投入运行 只有当主用系统与所 有备用系统的同时故障导致整个系统的失效 系统寿命为所有元件或任务功能模块的 寿命之和 其可靠性框图如图所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 假定故障监测或转换装置均能可靠动作 即为理想切换状态 此时 假设各个元 件相同 则系统的可靠度为 戤归p 十肌 跞 协2 4 以两备用 记为1 和2 为例 系统可用度a s m t t f s 为 4 4 4 4 2 2 5 m t t f 一 一 2 s 11 2 6 a五 2 3 可靠性分析方法 目前常用的可靠性分析方法有最小路集法 4 h 3 1 最小割集法 删 故障树分析法 4 7 4 9 蒙特卡罗法 5 0 5 2 1 和贝叶斯网络 5 3 5 5 3 等方法 1 最小路集法 最小路集一般用于网络系统的可靠性研究 路是指任意两个节点之间由有向弧或 无向弧组成的弧的集合 由输入节点到输出节点的所有路的集合 称为路集 如果一 条路中任意移去一条弧后就不再是路 则这条路为最小路 由最小路构成的集合称为 最小路集 设系统的输入与输出节点之间的所有最小路集为4 4 以 系统正常事件用s 表示 系统正常意味着至少有一个最小路集存在 即 s u 4 2 2 7 t l 且用4 f l 2 聊 第f 个最小路集意味着该最小路集中每条弧 均正常 即 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 4 n 矗 而e 4 其中 如果网络系统节点数目为栉 则j 玎一1 系统正常事件s 可表示为 s 0 n ll 勺6 4 2 2 8 2 2 9 即s 表示为每条弧 正常事件的积之和 由于每条最小路集之间是有可能相交 必须用相容事件的概率公式来计算系统的 可靠性为 灭 尸c s 尸 0 4 p 4 一 p 4n a j 2 3 0 j 善j k 3 p c 4n 4n 4 c 一 1 p 0 4 j f 霉l 随着最小路集数目的增加 项数急剧增加 达到2 一1 项 运算量也急剧增加 产生组合爆炸问题 求解系统的最小路集 对于小型网络系统通常采用联络矩阵法 当网络系统很复杂 节点数目很大时 采用节点遍历法 2 最小割集法 最小割集法也一般用于网络系统可靠性研究 割集是从系统故障的角度考虑问题 而路集是从系统正常角度考虑 网络系统中 存在一个最小割集 则输入与输出节点 无法连通 系统处于故障状态 系统故障状态用系统正常工作状态的逆事件表示为一s 所有最小割集用q i 1 2 k 表示 则系统故障状态表示为 s u q 3 3 1 网络系统的可靠性为 r 一尸c c 3 3 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 最小割集法和最小路集法一样 随着割集数目的增加 将产生组合爆炸问题 3 故障树分析法 故障树是一种逻辑因果关系图 根据元部件状态来显示系统的状态 其也是一种 图形化设计方法 是从上到下逐级建树并且根据事件而联系 用图形化 模型 路径 的方法 使一个系统能导致一个可预知的或不可预知的故障事件 失效 路径的交叉 处的事件和状态 用标准的逻辑符号 与门 或门等 在故障树中最基础的构造单元 为逻辑门和事件 故障树分析法的基本步骤 定义系统和系统故障 确定故障事件 即顶事件 建立故障树 进行定性 定量分析 对故障树的定性分析常采用最小割集法 即利用引起发生事件的基本事件链来发 现系统的薄弱环节 进而才去改进措施 提高系统的可靠性 设故障树中有刀个基本事件x t x 2 若以求得故障树的所有最小割集 c 1 c 2 已 并且已知基本事件五 x 2 发生的概率 则顶事件发生的概率为 尸c 丁 尸 1 刍c c 2 3 3 若c 两两互斥 则有 否则 尸 丁 p c i 2 3 4 t l 尸 丁 2 善尸 c 萎p c c j i 王r a 白互s p c f q q 2 3 5 f l1 鱼sl 白 s 七s 所 二 j j 一 一1 p c g c 历 系统的可靠度匙 1 一p t 此即为故障树的定量分析 4 蒙特卡罗法 蒙特卡罗法是以概率统计理论和方法为基础的数值计算方法 广泛用于系统可靠 性评估中 属于统计试验方法 比较直观 易于掌握和理解 可以发现一些难以预料 的事故 容易处理各种实际运行控制策略 采样次数与系统的规模无关 在进行复杂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 系统可靠性的评估时更有优越性 当用蒙特卡罗法求解某一事件发生的概率时 通过抽样试验的方法 得出该事件 出现的频率 将其作为问题的解 蒙特卡罗方法的步骤为 确定系统模型 确定 仿真逻辑关系 仿真运行 得出结论 蒙特卡罗模拟法由于估计量的方差系数随样本容量的增大按平方根的关系下降 系统的可靠性水平越高 在同样的样本容量下模拟估计量的精度越差 5 贝叶斯网络 贝叶斯网络是基于概率论和图论的不确定知识表达模型 在不确定知识和图模型 表示和推理中表现出很好的性能 贝叶斯网络是一种对概率关系的有向图解描述 提 供了一种将知识直觉地图解可视化方法 一个贝叶斯网络是一个有向无环图 d i r e c t e d a c y c l i cg r a p h 它的节点用随机变量标识 弧代表影响的概率 用条件概率标识 一 个简单的贝叶斯网络如图2 5 所示 图2 5 一个简单的贝叶斯网络 图2 5 中4 个节点分别为c 多云 s 喷洒器 r 雨天 w 湿草坪 变量值取1 或0 表示变量代表的事件为真或假 如节点变量c 为真的概率为0 5 用p c c 1 0 5 来表 示 条件概率用于表示节点间的影响大小 如图2 5 中p w 1 i s 1 厂 o o 9 表示在非雨 天而喷洒设备在工作状态下草坪为湿状态的概率 根据概率论 可得 p w o ls 1 厂 o 1 0 9 0 1 利用贝叶斯网络计算草坪为湿的概率p w 1 o 6 7 4 1 由诊断推理得p s 1 1 w 1 o 4 2 9 8 由辩解推理可得p s 1 1 w l 厂 1 o 1 9 4 5 由因果 推理可得p w 1i s 1 0 9 2 7 0 在电力通信系统中利用贝叶斯网络可以求解系统的可靠性 描述变量之间的逻辑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 关系 图2 6 是贝叶斯网络的 与 或 和 表决 节点模型 其中节点a b c 和d 的取值 1 表示正常 0 表示失效 abp c i 口 6 00o 011 101 1 l1 a 逻辑 与 b 逻辑 或一 口b dp cq b d 00 0 0 001 0 010 o l000 0l l 1 10l1 1 10l 11 l1 c 逻辑 2 3 表决一 图2 6 与 或 和 表决 节点模型 图2 6 a 中 系统节点c 的正常概率计算 前向推理 过程为 则节点c 的失效概率为 p c 1 p a b c a b z 尸 口 p c 1a 6 z p 口 p c l l a 6 o 尸 6 o a 尸 c 1 i a b 1 p b 1 e a 1 p b 1 1 2 3 6 p c o 1 一尸 1 1 一p a 1 p b 1 2 3 7 同理 图2 6 b 中节点c 的正常概率为 尸 c 1 p a 1 p b 0 尸 口 o p b 1 尸 口 1 p b 1 2 3 8 1 一p a o p b 0 同理 图2 6 c 中 节点c 的正常概率为 p c 1 户 口 o p b 1 p d 1 p 口 1 p b o p d 1 尸 口 1 p b 1 p d o 尸 口 1 p b 1 p d 1 2 3 9 图2 6 a 中 利用得到的节点c 的失效率和贝叶斯后向推理技术可以得出节点 c 失效时 节点a 的失效概率 vv 产 甲h 掺 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 删i c 等 尸 口 o i c o p c o l a o p a o p c 0 2 4 0 在文献 5 5 中 比较了贝叶斯网络推理结果和几种常见重要度的区别 当元件故 障后系统故障的条件概率与元件的概率重要度的排序相同 系统故障后元件故障的条 件概率从可靠性评估的角度反映了元件在系统中的重要性大小 指明了引起系统故障 的最可能原因 特别适合识别薄弱环节 故障诊断和制定检查和修理计划 而对于较复杂的系统 一般不能直接根据物理拓扑结构和串并联思想建立贝叶斯 网络 可先画出系统的故障树或最小路集 然后根据故障树或最小路集画出贝叶斯网 络 进行可靠性求解 以桥形网络为例 设各弧的可靠度分别为暑 o 7 最 o 9 只 0 8 只 0 9 5 只 0 6 求此网络系统的s 的可靠度r 3 2 4 图2 7 桥形网络系统 求得系统共有4 个最小路集互 葺 x 2 互 五 x 5 x 3 五 x 5 x 2 互 x 3 根据求得的最小路集建立贝叶斯网络如图2 8 所示 图2 8 桥形网络系统的贝叶斯网络模型 网络第一层为元件层 为各条弧的可靠度 第二层为最小路集层 共4 个最小路 集 节点类型为 与 第三层为系统层 节点类型为 或 根据公式 2 3 6 和 2 3 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 容易地求出系统的可靠度r 0 9 4 3 6 6 与文献 3 8 相等 根据式 2 4 0 求解出系统失 效时 五条链路的不可靠度 根据计算结果看出 x 3 的不可靠度最高 为系统的最薄 弱环节元件 如表2 1 所示 表2 1 系统失效时元件的不可靠度 采用贝叶斯方法能避免最小路集或最小割集的不交化处理 大大简化了计算复杂 性 利用贝叶斯网络进行可靠性评估 不但能计算出系统的可靠性指标 而且能方便 地给出每个部件或几个部件对整个系统可靠性的影响大小 计算结果能确定系统的薄 弱环节 2 4 本章小结 本章介绍了可靠性理论的基本概念 常用的可靠性指标和模型 对几种可靠性分 析方法进行简单介绍 详细地介绍了贝叶斯网络可靠性分析方法 阐述如何利用贝叶 斯网络评估系统的可靠性和求解系统的薄弱环节 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章数字化变电站通信系统可靠性研究 3 1 数字化变电站通信网络 数字化变电站通信网络的根本任务是解决数字化变电站内部以及与其他系统之间 的实时信息交换 而网络是不可或缺的功能载体 一个可靠 实时 高效的网络体系 是通信系统的关键之一 而由于变电站的特殊环境和变电站自动化系统的要求 使变 电站通信网络应具备以下特点和要求 实时性 可靠性 良好的开放性 优先级和良 好的电磁兼容性能 i e c 6 1 8 5 0 将变电站自动化系统划分为变电站层 间隔层和过程层 而变电站层与 间隔层之间的站级网络 间隔层与过程层之间的过程网络的组建方法并无明确规定 通常有2 种组建方案 根据站级网络与过程网络是否联通 可以有独立过程网络和全站 统一式网络2 种基本组建方式 前者 站级网络与过程网络相互独立 包括2 层物理网 络 后者 站级网络与过程网络