变电站自动化系统的可靠性分析徐立子(中国电力科学研究院，北京100085)摘要：变电站自动化系统的可靠性是电网安全经济调度极为重要的因素。文中阐述了可靠性的基本概念；对变电站自动化系统（SAS）的可靠性进行了分析，并对提高SAS可靠性的措施提出了建议。
关键词：变电站自动化系统；可靠性分析；通信规约；远方终端装置
IEC61850对变电站自动化系统的定义是：变电站自动化系统（SAS）就是在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化。变电站自动化系统的功能就是完成控制、监视和保护变电站的设备及其馈线，以及SAS的维护功能，即系统组态、通信管理和软件管理等功能。变电站自动化系统故障一般有如下类型：硬件故障、软件故障和人为操作引起的故障。因此，为了保证电网的安全经济调度，有必要对变电站自动化系统进行可靠性分析。
1变电站自动化系统硬件可靠性分析
1.1可靠性的基本概念
可靠性是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条件下完成规定功能的能力。
可靠性贯穿于自动化系统的整个开发和运行过程，包括结构设计、制造、工厂验收(FAT)、现场验收(SAT)、运行和管理等各个环节。
可靠性工程涉及元件失效数据的统计和处理，系统可靠性的定量评定，运行维护，可靠性和经济性的协调等各个方面。
元件按规范规定的要求完成规定功能的状态称为正常状态(normalstate)。把不可修复元件终止执行规定的功能称为失效(invalidation)。把可修复元件终止执行规定的功能称为故障(failure)。
一般组成变电站自动化系统的元件都属于可修复元件。所以该系统属于可修复系统。
1.2硬件可靠性有关指标
（1）可用性(availability)。元件或系统在规范规定的条件下执行规定功能的概率。
（2）可用率A(t)(availabilityattimet)。元件在起始时刻正常工作的条件下，在时刻t正常工作的概率，用百分率表示。
（3）故障率h(t)(failurerate)。元件从起始时刻直至时刻t的完好条件下，在时刻t以后单位时间内发生故障的概率，单位用10-9次故障/h表示。
（4）平均无故障工作时间(MeanTimetoFailure，MTTF)。MTTF表示元件寿命的数学期望值。
当故障率h(t)为常数l时，可导出MTTF=1/λ。当考虑修复效果后，MTTF可用故障间的平均时间(MeanTimeBetweenFailure,MTBF)表示。
（5）平均修复时间(MeanTimetoRepair，MTTR)。
从元件故障起到完成首次修复所需的时间称为修复时间。平均修复时间为修复时间的期望值。
（6）修复率m(t)(repairrate)[6]。元件在起始时刻正常完好状态，直至时刻t发生故障的条件下，在时刻t之后每单位时间内修复的概率。
对于可修复元件，若修复率为常数，则表示元件无论何时发生故障，只要时间间隔相同，元件被修复的机会都相同。
当故障率和修复率均为常数即h(t)=λ，m(t)=m时可靠性指标间有如下关系：
分析式(2)可得出：
1）若故障元件可修复，就可提高可用率。
2）在考虑修复效果后平均无故障时间（MTTF）可用故障间的平均时间（MTBF）表示。
3）平稳状态可用率：A(∞)=MTBF/(MTBF MTTR)。若平均修复时间（MTTR）越短，则可用率A(∞)越高。
1.3几种典型的硬件可靠性模型
1.3.1串联系统(seriessystem)模型
串联系统是指系统中当任何一个元件失效时，均会构成系统失效的一种系统。也就是说，必须组成系统的全部元件正常工作时，整个系统才算正常工作。
串联系统的可用率为串联系统结构称为键形结构，又称最弱环结构。串联系统的可用率比单个元件的可用率低。系统中元件数越多，系统的可用率就越低。当串联系统中的元件遭受同样冲击时，最弱元件将首先失效，从而导致串联系统失效，所以串联系统与最弱的元件一样弱。
若一串联系统由n个元件组成，并设li为常数，MTTFi=1/λi，并考虑修复效果，则可导出系统故障间的平均时间为1.3.2并联系统(parallelsystem)模型
并联系统中只有当所有元件失效时系统才会失效。只要系统中有1个元件正常工作，就认为系统是正常工作。可导出系统的可用率为由上可知，若一并联系统由n个等可靠性的元件组成，则可得出：
1）当元件可靠性提高(即故障率低)时，并联系统的可靠性可提高很多；
2）当元件可靠性低时(即故障率高)，并联系统可靠性就较难提高。
3）并联系统的MTTF大于串联系统的MTTF。
4）为了提高系统的可靠性，可采用并联元件，又称冗余(redundancy)。在并联结构中若1个元件工作，其它元件处于备用状态，则称为准备就绪的备用冗余(standbyredundancy)。
1.3.3混联系统模型
工程系统并非只有单纯的串联和单纯的并联，也有串并或并串等混合模型。具体系统应具体分析。
1.4变电站自动化系统的硬件可靠性
变电站自动化系统的硬件主要分布在3层(变电站层、间隔/单元层、过程层)上。变电站层的设备有后台机、RTU远动通信接口、操作员平台及相应闭锁(含微机五防)装置等；间隔层有各种IEDs(如继电保护、四遥、VQC等)；过程层有各种智能传感器和执行器。在三层设备中，RTU起着承上启下的作用，既要与调度主站通信，又要与三层设备及IEDs通信。IEC赋予RTU的功能是，典型SCADA的外部站作为通信网络和变电站设备间的接口。因此，远方终端装置（RTU）的可靠性将对变电站自动化系统的可靠性起着重要的作用。
现以ABB公司的RTU560系统为例进行硬件可靠性分析。RTU560系统由多个中央通信控制单元和多个I/O单元构成，且各个单元均能自诊断。当某单元故障后能自动停运，故障单元自动短接，这时RTU560系统仅丧失故障单元的功能，其它单元和整个系统仍能继续运行。因此，按可靠性分析，这既不是串联系统，也不属于并联系统。可靠性若按串联结构定义进行分析和计算，这意味着1个单元发生故障就相当于系统发生故障。这对RTU560的可靠性是严格的计算，所以算出的MTBF将偏小。以湖南长沙某220kV变电站RTU560为例，其系统规模为：遥测104点、遥信240点，遥控112点，一发三收。可靠性分析表如表1所示。其MTBF=20759h。由于RTU560各单元均可实现带电拔插，若有充足的备品备件，则将任一故障单元带电拔下后，马上插上备用单元，RTU560系统立即恢复完好的运行状态。所以RTU560系统任何单元的故障修复都是带电拔下故障单元，插上完好备件的过程。所以，平均修复时间MTTR均可认为相同，并时间很短。平均修复时间应由单元故障诊断发出故障报警时间T1、值班员发现报警拿上备件走到RTU560装置旁时间T2和值班员带电拔下故障单元及插上备件时间T3所组成。其中T2是可变的，如无人值班变电站的T2将比有人值班变电站的T2大。若缺乏备件，则T2将会加长等。由上可见，对于已知系统，若单元的平均修复时间（MTTR）越短，则可用率就越高。
2变电站自动化系统的软件可靠性分析
2.1软件可靠性分析
软件可靠性是可靠性工程的新课题。随着软件规模与应用领域的增大，软件故障越益严重。突出表现在：
1）透明度差。由于手工作坊式的开发方式，开发过程管理差。软件出现故障只能由原开发人员处理，其他人难以介入。
2）尚未建立三检体制：自检、互检和专检。
3）尚未建立严格的技术状态管理和软件的规范化设计与管理。软件缺陷有如下特性：
4）软件缺陷的固有性。它是牢固地潜伏在软件中。在一定环境或条件下运行时是正确的，但在某种环境或条件下运行时缺陷和错误就会暴露出来，使系统出现不正常、不正确、不按规范执行的状态。
5）对环境的敏感性。在某种输入环境下出现错误，而在其它环境下能正常工作。
6）软件错误的传染性。软件缺陷只要未排除就始终存在，一旦暴露就会产生错误，而且会不断地传染，甚至引起软件故障。
软件可靠性定义：软件在规定的条件下和规定的时间周期内执行所要求的功能的能力。
软件可靠度定义：软件在规定的条件下和规定的时间周期内不引起系统故障的概率。
2.2软性可靠性的常用指标
软件故障与硬件不同，只要查找出软件中的缺陷并加以修正，以后就不会再重复出现，提高了可靠性，所以故障率h(t)不是常值。软件质量是很多因素及指标的综合反映。决定软件质量的因素有：
1）时间因素。MTBF、MTTR、MTBSD(系统平均不工作间隔时间)和平均操作错误间隔时间(MTBHE)等。
2）缺陷频数。软件缺陷数、文件缺陷数、致命缺陷数、用户提出的补充要求数等。
3）与软件可靠性有关的百分率。可靠性、可维护性、有效性、故障率、不合格率、延迟率、错误操作率、原因[1][2]下一页