网络化继电保护的可靠性评估模型

张延旭

摘 要：网络化保护缺少有效的网络化保护可靠性评估模型，致使网络化保护的可靠性评估和提升缺乏理论依据。本文建立了虚拟连接的可靠性模型，为网络化继电保护分析提供了有效方法。

关键词：网络化；继电保护；可靠性

中图分类号：TM77 文献标识码：A

0.引言

网络的引入引发了众多关于继电保护新原理和架构体系的探讨与研究，以提高继电保护的性能和电力系统的稳定性。然而网络化保护缺少有效的网络化保护可靠性评估模型，致使网络化保护的可靠性评估和提升缺乏理论依据。本文建立了虚拟连接的可靠性模型，为网络化继电保护分析提供了有效方法。

1.虚拟连接失效的故障树模型

对于虚拟连接而言，可能引起保护失效的因素主要包括：（1）跳闸GOOSE报文误码（GBER）；（2）报文丢包（LS），分为GOOSE报文丢包（GLS），SV报文丢包（SLS）和PTP报文丢包（PLS）；（3）虚拟连接断线（LB），包括GOOSE报文对应的虚拟连接断线（GLB），SV报文连接断线（SLB）以及PTP报文连接断线（PLB）；（4）报文在网络中的传输延时超过规定的范围（DE），具体可分为GOOSE报文延时过大（GDE），SV（SDE）报文延时过大和PTP报文延时过大（PDE）。

根据继电保护误动和拒动与上述各因素的关系，可构建虚拟连接存在误动和拒动因素的故障树模型，如图1和图2所示。

2.误码失效率模型

如果GOOSE的误码恰好发生在表示跳闸信息的那一位，则既可能引起继电保护误动，也可能引起拒动，两者概率相等。假设某GOOSE虚拟连接所映射的物理链路共有w个实体设备，其误码率均为BER，若该GOOSE报文的长度为L，则由该虚拟连接误码引发误动或拒动的失效率为则误码引发的误动和拒动的失效率均为?λGBER。

3.丢包失效率模型

丢包对误动和拒动产生影响的原因不同。对于采用差动保护原理的保护而言，若由于SV报文的丢包导致差动的计算结果超过了动作值，则会引起误动。若SV的丢包过多使得保护装置根本无法判断是否发生故障，则可能会引起保护的拒动，可以认为SV丢包引发误动和拒动的概率各占50%。跳闸GOOSE报文的丢包会引发继电保护的拒动。PTP报文的丢包会引起时钟之间的同步精度，一般几帧报文的丢失对同步精度影响不大，但若发生持续大量的PTP报文丢包，则时钟失步严重，在恰当的时钟偏差值下，均有可能引发误动和拒动，可以认为时钟失步引发误动和拒动的概率各占50%。

丢包主要在交换机中发生，对于某一确定的交换设备而言，其丢包率与交换机负载成负指数关系。而网络化保护系统中交换机的负载具有一定的确定性，主要体现为在网络正常工作的情况下，SV报文和PTP报文的负载确定，GOOSE报文的负载有一个确定的上界。因此，可以根据虚拟连接与实体设备之间的映射关系计算出某台交换机的负载上界，进而确定交换机的丢包率。对于网络发生如广播风暴，拥塞等故障的情况，由于其丢包情况比较极端，因此将这一类丢包归于引发虚拟连接断线的原因。

对于不同报文而言，由于其重要度不同而被赋予了不同的优先级，若SV报文和GOOSE报文共有p路，优先级均为y1，而PTP报文有q路，优先级均为y2，则可利用加权的方法来近似计算不同报文的丢包率。假设由n帧SV报文i丢包可以引发继电保护的拒动或误动，则SV报文的丢包失效率λSLS可近似地利用下式进行计算。

式中，li为SV报文的负载流量，Lk为报文经过的第k台交换机的总负载，K为常数系数，m表示SV报文i的虚拟连接所映射的物理链路共有m台交换机。λPLS和λGLS也可以利用类似的方法进行计算。SV报文和PTP报文丢包引发的误动或拒动的失效率分别为?λSLS和?λPLS。

4.虚拟连接断线失效率模型

虚拟连接发生断线使继电保护发生拒动的原因与丢包类似，而使继电保护发生误动的原因主要是PTP连线断线引发的时钟失步。虚拟连接断线失效率与其所映射的实体设备的故障率相关。一个简单的MU到保护IED的某SV报文的虚拟连接所映射的物理链路如图3所示。

其中，FB和SW分别代表光纤和交换机。可见，该SV报文虚拟连接的断线失效率λSLB可依据其所映射的物理设备的故障率求得，如式（3）。

5.报文延时过大失效率模型

IEC61850-5对各类报文的最大网络传输延时做了规定，报文传输延时超过规定范围所引发继电保护拒动和误动的原因与虚拟连接断线类似。

报文在交换机中的驻留时间在报文传输总延时中占了绝大部分，其他延时占总延时的份额较少且相对固定。由于交换机的排队延时与网络的实时负载密切关联，因此交换机驻留时间具有波动性。若某台交换机同属于q路GOOSE报文的虚拟连接所映射的物理链路，则在网络正常工作的情况下，该交换机可能的最大负载（最长排队延时）是在该q路报文均突发的情况下产生的。而广播风暴等网络故障被归为虚拟连接断线，因此，此时的报文延时过大失效率为0。

若在大方式下，有报文的延时已经超过了规定的范围，则报文延时过大失效率与GOOSE报文的突发概率相关。考虑到排队延时与负载基本上成正比关系，假设每一种GOOSE突发的概率（相对好统计一点）均为λpri，其发生后均会增加d个单位的排队延时，则对于SV报文而言，其报文延时过大失效率λSDE为

其中，T表示所规定的SV报文的最大传输延时，E表示SV报文虚拟连接所映射的物理链路上除排队延时外相对固定的部分，m为该链路上交换机的台数。λGDE和λPDE的计算方法类似。

结论

本文构建了虚拟连接的可靠性模型，该模型能够为网络化继电保护的可靠性研究提供建模和评估手段，有利于提升网络化继电保护系统的可靠性。

参考文献

[1]李振兴，尹项根，张哲，等.基于多信息融合的广域继电保护新算法[J].电力系统自动化，2011，35（9）：14-18.

[2]刘东超，王开宇，胡绍刚，等.基于数字化变电站的集中式保护[J].电力自动化设备，2012，32（4）：117-121.