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【摘 要】针对变电站微机综合自动化系统从系统硬、软件的可靠性以及人为操作引起的故障等方面进行分析并针对以上提出提高系统可靠性的措施和要求。
【关键词】变电站；综合自动化系统；可靠性变电站综合自动化系统的可靠性是指变电站综合自动化系统工作的可靠性程度，而可靠性是对微机变电站综合自动化系统的基本要求。
1.可靠性的基本理论系统指由若干基本元件或子系统有机组合起来, 可完成某种预定功能的整体。系统可靠性是指一个系统在预定时间内, 在规定的条件下完成规定功能的能力。一般有以下几种典型的系统可靠性模型:1.1串联系统(series system) 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, 组成系统的全部元件必须正常工作时, 整个系统才算正常工作1.2并联系统(parallel system)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。1.3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。
2.变电所综合自动化系统可靠性分析变电所综合自动化系统所要实现的功能就是完成对系统控制、监视、测量、保护、自动控制、所内自动化管理及远程通信等功能。一般组成变电所综合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。在可修复系统中, 系统不仅指物, 而且还包括人——检修人员。该系统采用分层分布式结构, 由站级管理层、网络通信层、间隔设备层三部分组成。硬件设备作为基本元件, 通信网络是其中的一个子系统。系统的可靠性取决于组成元件的可靠性和系统的网络结构, 同时软件的可靠性和人为操作引起的故障对系统可靠性有很大影响。以下从变电所综合自动化系统的硬件、网络结构、软件可靠性以及人为故障进行分析。2.1系统硬件可靠性分析2.1.1硬件可靠性有关指标（1）可靠度 R(t)元件或系统在预定的时间内及在规定的条件下,完成其规定功能的成功概率。（2）可用率 A(t) 元件或系统在规定条件下及在特定时刻, 能够维持其功能的概率。（3）故障率 λ 元件在单位时间内的平均故障次数。（4）平均无故障工作时间 MT-TF 可修复元件从投入使用到失效需要检修为止的平均工作时间。（5）修复率 μ 元件在发生故障的条件下, 在单位时间内修复的概率。（6）平均修复时间 MTTR 元件故障后修复时间的平均值。2.1.2系统硬件的可靠性变电所综合自动化系统的硬件主要分布在两层 (站级管理和间隔设备层)上。站级管理层设备有主监控单元。间隔设备层设备有继电保护、测控装置。对于采用工业以太网, 还包括相应网络设备, 即工业以太网交换机及通信控制器。每个装置都是由许多功能插件组成,每一插件又由许多元件组成。因此, 从根本上讲, 系统的可靠度取决于元件的可靠度以及它们的串、并或冗余配置的组合方法。2.2系统通信网络结构的可靠性目前综合自动化系统间隔层设备与变电所综合自动化系统主干网络结构方案有以下模式:模式一: 间隔层设备采用现场总线直接与主监控单元智能接口模块相连。由于供电设备的多样化, 使得系统网络结构形式受制于被保护和控制的设备。而不同公司的产品其接口标准差异较大, 致使系统主干网络为多种现场总线共存模式,主 要 有 Canbus、Modbus、RS232/422/485/worldfip总线等。模式二: 间隔层设备的通信采用现场总线, 在开关柜内总线连接后经通信处理器转换为以太网接口, 通过交换机构成星型以太网, 与主监控单元进行数据传输。当间隔设备层某一继电保护或测控装置故障后, 该装置停运并发出报警信号, 这时其它装置和整个系统仍能继续运行, 综合自动化系统仅丧失故障装置部分的功能。当主监控单元或交换机故障时, 整个系统故障。因此, 按可靠性分析,这既不是串联系统, 也不属于并联系统。2.3系统软件的可靠性软件质量的可靠性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。2.3.1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(MTB-HE) 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、原因不明率、同故障事件率等。（4）对软件的投入。完成软件所用不同水平人员的工时数、软件检查项目数、对用户的要求采取对策的费用等。（5）软件特性。如软件系统特点(在线、实时、离线等) 、计算机性能、所用体制与质量标准。2.3.2变电所自动化系统的软件故障（1）通信规约未全面通过这是现场自动化系统无法运行和不正常运行的主要原因。（2）组态软件整定错误, 引起故障。（3）应用软件缺陷引起故障等软件故障将直接影响软件的可用度,而使可用率降低。软件故障的平均修复时间(MTTR) 一般较长。因此, 要求软件在未经全面测试情况下尽量不要投入现场运行。2.4变电所综合自动化系统人为操作引起的故障人为操作引起的故障取决于值班员、计算操作员的技术水平, 对系统硬、软件掌握的熟练程度, 以及工作时的精神状态等。对系统掌握的熟练程度包括:对组态工具的理解和熟练程度; 对各种通信规约特性的了解程度; 对硬件安装和维护的理解及熟练程度。
3.结论通过上述分析和讨论, 为提高变电所综合自动化系统的可靠性,应达到如下要求。3.1对硬件要求3.1.1对重要的变电所, 采用设备冗余配置。3.1.2系统各单元硬件故障大多是由于元件老化、磨损和其它物理原因所引起, 若变电站自动化系统各装置均可自诊断, 当某装置出现故障时能自动停运, 系统仅丧失部分功能, 其它单元和整个系统仍继续运行,这样就能提高 MTBF。3.1.3能实现带电拔插, 现场有充足的备品备件。这样可减少平均修复时间 MTTR, 提高可用率。
3.1.4提高供电电源质量。电源的故障率同其它单元板相比要高得多。而且系统一般因外部干扰引起的故障中大部分由电源干扰引起, 因此, 提高供电电源质量是很重要的。3.2对通信网络要求3.2.1加强变电所综合自动化系统的抗干扰措施, 注意合理的屏蔽和完善接地系统。3.2.2网络传输介质尽量使用光纤传输系统, 加强系统抗电磁干扰的能力。3.2.3合理选用高可靠性的网络拓扑结构, 并可采用双网冗余系统。3.3对软件要求3.3.1与调度主站的通信规约采用标准成熟的规约, 以避免规约转换。3.3.2变电站内的通信采用可实现互操作性和互换性的规约。3.3.3各厂家编制的规约必须通过全面的测试考验。3.3.4组态软件和应用软件必须是成熟的并经过长期运行考验的软件。
【关键词】变电站；综合自动化系统；可靠性变电站综合自动化系统的可靠性是指变电站综合自动化系统工作的可靠性程度，而可靠性是对微机变电站综合自动化系统的基本要求。
1.可靠性的基本理论系统指由若干基本元件或子系统有机组合起来, 可完成某种预定功能的整体。系统可靠性是指一个系统在预定时间内, 在规定的条件下完成规定功能的能力。一般有以下几种典型的系统可靠性模型:1.1串联系统(series system) 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, 组成系统的全部元件必须正常工作时, 整个系统才算正常工作1.2并联系统(parallel system)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。1.3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。
2.变电所综合自动化系统可靠性分析变电所综合自动化系统所要实现的功能就是完成对系统控制、监视、测量、保护、自动控制、所内自动化管理及远程通信等功能。一般组成变电所综合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。在可修复系统中, 系统不仅指物, 而且还包括人——检修人员。该系统采用分层分布式结构, 由站级管理层、网络通信层、间隔设备层三部分组成。硬件设备作为基本元件, 通信网络是其中的一个子系统。系统的可靠性取决于组成元件的可靠性和系统的网络结构, 同时软件的可靠性和人为操作引起的故障对系统可靠性有很大影响。以下从变电所综合自动化系统的硬件、网络结构、软件可靠性以及人为故障进行分析。2.1系统硬件可靠性分析2.1.1硬件可靠性有关指标（1）可靠度 R(t)元件或系统在预定的时间内及在规定的条件下,完成其规定功能的成功概率。（2）可用率 A(t) 元件或系统在规定条件下及在特定时刻, 能够维持其功能的概率。（3）故障率 λ 元件在单位时间内的平均故障次数。（4）平均无故障工作时间 MT-TF 可修复元件从投入使用到失效需要检修为止的平均工作时间。（5）修复率 μ 元件在发生故障的条件下, 在单位时间内修复的概率。（6）平均修复时间 MTTR 元件故障后修复时间的平均值。2.1.2系统硬件的可靠性变电所综合自动化系统的硬件主要分布在两层 (站级管理和间隔设备层)上。站级管理层设备有主监控单元。间隔设备层设备有继电保护、测控装置。对于采用工业以太网, 还包括相应网络设备, 即工业以太网交换机及通信控制器。每个装置都是由许多功能插件组成,每一插件又由许多元件组成。因此, 从根本上讲, 系统的可靠度取决于元件的可靠度以及它们的串、并或冗余配置的组合方法。2.2系统通信网络结构的可靠性目前综合自动化系统间隔层设备与变电所综合自动化系统主干网络结构方案有以下模式:模式一: 间隔层设备采用现场总线直接与主监控单元智能接口模块相连。由于供电设备的多样化, 使得系统网络结构形式受制于被保护和控制的设备。而不同公司的产品其接口标准差异较大, 致使系统主干网络为多种现场总线共存模式,主 要 有 Canbus、Modbus、RS232/422/485/worldfip总线等。模式二: 间隔层设备的通信采用现场总线, 在开关柜内总线连接后经通信处理器转换为以太网接口, 通过交换机构成星型以太网, 与主监控单元进行数据传输。当间隔设备层某一继电保护或测控装置故障后, 该装置停运并发出报警信号, 这时其它装置和整个系统仍能继续运行, 综合自动化系统仅丧失故障装置部分的功能。当主监控单元或交换机故障时, 整个系统故障。因此, 按可靠性分析,这既不是串联系统, 也不属于并联系统。2.3系统软件的可靠性软件质量的可靠性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。2.3.1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(MTB-HE) 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、原因不明率、同故障事件率等。（4）对软件的投入。完成软件所用不同水平人员的工时数、软件检查项目数、对用户的要求采取对策的费用等。（5）软件特性。如软件系统特点(在线、实时、离线等) 、计算机性能、所用体制与质量标准。2.3.2变电所自动化系统的软件故障（1）通信规约未全面通过这是现场自动化系统无法运行和不正常运行的主要原因。（2）组态软件整定错误, 引起故障。（3）应用软件缺陷引起故障等软件故障将直接影响软件的可用度,而使可用率降低。软件故障的平均修复时间(MTTR) 一般较长。因此, 要求软件在未经全面测试情况下尽量不要投入现场运行。2.4变电所综合自动化系统人为操作引起的故障人为操作引起的故障取决于值班员、计算操作员的技术水平, 对系统硬、软件掌握的熟练程度, 以及工作时的精神状态等。对系统掌握的熟练程度包括:对组态工具的理解和熟练程度; 对各种通信规约特性的了解程度; 对硬件安装和维护的理解及熟练程度。
3.结论通过上述分析和讨论, 为提高变电所综合自动化系统的可靠性,应达到如下要求。3.1对硬件要求3.1.1对重要的变电所, 采用设备冗余配置。3.1.2系统各单元硬件故障大多是由于元件老化、磨损和其它物理原因所引起, 若变电站自动化系统各装置均可自诊断, 当某装置出现故障时能自动停运, 系统仅丧失部分功能, 其它单元和整个系统仍继续运行,这样就能提高 MTBF。3.1.3能实现带电拔插, 现场有充足的备品备件。这样可减少平均修复时间 MTTR, 提高可用率。
3.1.4提高供电电源质量。电源的故障率同其它单元板相比要高得多。而且系统一般因外部干扰引起的故障中大部分由电源干扰引起, 因此, 提高供电电源质量是很重要的。3.2对通信网络要求3.2.1加强变电所综合自动化系统的抗干扰措施, 注意合理的屏蔽和完善接地系统。3.2.2网络传输介质尽量使用光纤传输系统, 加强系统抗电磁干扰的能力。3.2.3合理选用高可靠性的网络拓扑结构, 并可采用双网冗余系统。3.3对软件要求3.3.1与调度主站的通信规约采用标准成熟的规约, 以避免规约转换。3.3.2变电站内的通信采用可实现互操作性和互换性的规约。3.3.3各厂家编制的规约必须通过全面的测试考验。3.3.4组态软件和应用软件必须是成熟的并经过长期运行考验的软件。