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摘要：智能变电站一般采用三层两网或两层一网的体系结构，各层内部及各层之间均采用高速以太网进行数据通信。网络通信在智能变电站自动化系统中起着重要作用，直接参与系统功能实现并影响整个系统的可靠性。近年来，已对智能变电站自动化系统的可靠性开展了相关研究，但主要是提出了一些可靠性分析方法，未对智能变电站自动化系统的可靠性进行优化。为此，本文以典型220KV智能变电站保护和控制功能为例，利用可靠性框图分析方法分析了不同的拓扑方案和冗余方案的可靠性指标，提出了一种复合型的拓扑结构和冗余配置方案，通过分析获得智能组件的可靠性、网络的管理与维护等对自动化系统网络可靠性及智能变电站自动化系统的可靠性有直接的影响。
关键词：通信网络；可靠性；可靠性框图；网络拓扑；冗余设计
1智能变电站通信网络系统可靠性分析
1.1通信网络系统可靠性分析的基本思路
通信网络可靠性是指通信网络在实际连续运行过程中完成用户的正常通信需求的能力。智能变电站通信网络系统可靠性评价的基本思路是：利用平均故障时间MTTF、平均无故障时间MTBF等参数评估网络基本元素的可靠性；采用全功能、降级功能、最低功能可靠度R（t）、可用度A及效能指标来评估或分析系统可靠性，再根据系统的拓扑结构评价整个网络系统的可靠性。
1.2智能变电站智能组件可靠度及可用度模型
智能变电站智能组件由电子器件组成，图1为智能变电站智能组件的典型故障率曲线（浴盆曲线）。由图可看出，故障率随时间的变化大致可分为三个阶段，在正常寿命期Ⅱ区内，故障率为常数，在Ⅰ、Ⅲ区，由于设备生产或老化的问题，故障率较高。智能变电站服从指数分布的智能组件可靠度为：
可用度是描述可修设备或系统的可靠性指标，表示其处于正常工作的稳态概率。对于给定的平均修复时间MTTR，可用度为：
2算例
典型220KV智能变电站220KV过程层网络见图2，智能组件可靠性参数见表1，其中220KV线路保护功能、主变保护功能、母线保护功能可靠性框图见图3；功能可用度计算结果见表2；
3智能变电站通信网络可靠性优化策略
3.1提高自动化系统网络中智能组件的可靠性
造成自动化系统网络可靠性变差的原因主要是节点失效和链路失效，且前者影响较大。因此，提高自动化系统网络中智能组件的可靠性、降低失效率，是提高网络可靠性最直接的办法。智能组件基本上属于电子设备，影响可靠性的因素主要包括所采用元器件的可靠性、电路结构、制造工艺、使用环境和操作使用等。
3.2优化网络拓扑结构及冗余设计方案
智能变电站自动化系统网络不仅要高可靠性的智能组件，还要有先进的网络层次和体系结构。只有采用正确合理的网络层次、体系结构设计，方能将网络设备的高性能和高可靠性完全发挥出来，否则会降低整个计算机网络的可靠性。采用冗余技术会增加系统的复杂度及成本费用等，且系统的冗余和其可靠性并不呈正比例线性关系，故有必要对冗余设计方案进行定性及定量分析。
IEC62439标准中提出利用并行冗余协议（PRP）以提高系统的可靠性。智能变电站具体实施方案中采用功能冗余和网络的方式保证系统的可靠性，如220KV及以上电压等级的系统中两套保护系统具有完全独立的互感器、合并单元、智能终端、交换机及保护装置等智能组件，冗余网络要求装置包含双以太网控制器和双网络端口，分别接入两个完全独立的以太网。为了提高通信的可靠性，网络通常采用冗余配置。并行冗余协议的两个网络可采用任意拓扑结构。
3.2.1优化网络拓扑结构
图6、图7分别为优化网络拓扑结构及可靠性框图。三种网络拓扑的可用度计算结果见表3。由表可看出，环型网的可靠性优于总线型和星型，在网络设计时多采用环型结构是提高网络可靠性的有效办法。而在追求网络结构最优化的同时，还须考虑网络的建设成本。
综合考虑网络可靠性和建设成本，可在核心网采用环形结构，接入网采用星型结构，组成复合型的拓扑结构。但环型网络的可靠度主要与链路长度及环路中交换机的个数有关，链路越长、交换机个数越多，则其可靠度越低。环型网络可采用RSTP实现备用连接，间隔层IED设备与站控层设备及其他IED之间的信息交互依靠快速生成树协议寻找最短路径实现，由于智能变电站中部分功能的实时性要求，环型网络最短路径的节点数量和延时应满足相关要求。
3.2.2采用冗余技术应考虑的因素
（1）系统冗余与元件冗余。智能变电站目前设计网络采用双星型拓扑结构，是一种系统冗余的方式（图2），其元件冗余见图8。
根据可靠性框图分析方法，计算得出：MTTF＝28．125；A＝0．999999999629。与220KV线路间隔系统冗余可用度ALine＝0．999999998相比，说明在n相同的情况下，元件冗余比系统冗余可靠度要高。
（2）简单的并联冗余。第一个冗余单元获得的可靠性最大，可提高系统平均无故障工作时间（MTBF）50%，当冗余单元增加到五个时，系统的MTBF仅增加20%，因此冗余单元一般超过两个。
（3）冗余技术大致可归为工作冗余和非工作冗余两大类。工作冗余是当系统中一个单元（信道）失效时，不需外部单元检测、判断、转换就能完成冗余的系统。智能变电站自动化系统属于对工作状态要求有连续性的系统，应采用工作冗余。
（4）计算机网络设计时，应采用具有模块化结构、热插热拨功能的网络设备。这不仅可拥有灵活的组网方式，且在不切断电源的情况下能及时更换故障模块，以提高计算机网络系统长时间连续工作的能力，从而大幅提高整个计算机网络系统的容错能力。
（5）尽可能在网络系统的关键环节和薄弱环节采用冗余方法以提高其可靠性。
（6）在网络系统中，有些设备（如服务器）结构复杂，要求技术性能很高，价格昂贵，可采用元件冗余（如双CPU、双硬盘镜像技术等）来提高系统可靠性。如智能变电站设计中，存在单套配置的220KV以上电压等级的智能组件，这要求组件配置两个独立的网络接口控制器，以实现接入冗余配置的双网络的功能要求。
3.2.3网络拓扑结构及冗余设计优化方案
在核心网采用环形结构，接入网采用星型结构，组成复合型的拓扑结构，采用元件冗余的方案提高系统可靠度。拓扑结构及可靠性框图见图9。目前采用的双星型拓扑系统冗余框图见图10。
根据可靠性框图分析方法，计算出MTTF＝20.89；A＝0．999999999258。而由式（6）、（7）可计算出：MTTF＝20．46；A＝0．99999999551。由此可知，优化后的网络拓扑对系统可靠度有明显提高。该子系统可靠度的提高并未起到决定性的作用，但考虑到整个智能变电站自动化系统的复杂性，本文优化方案对于提高整个自动化系统的可靠性仍具有指导意义。
3.3通信网络流量控制与管理
过程层网络主要传输GOOSE、SV和IEEE1588时钟同步数据，需对这些组播数据进行有效的管理和过滤，以减少网络负载，提高网络的效率，降低网络上的延时等。交换机对组播进行管理和过滤的通用方法有VLAN、GMRP、IGMPSnooping、CGMP等。由于GOOSE、SV报文不属于IP组播，只是二层的MAC组播，因此目前变电站内用于管理和过滤组播的两种主要方式为VLAN和GMRP。VLAN与GMRP可同时使用，即在VLAN的内部还可使用GMRP对组播进行过滤，从而可按照智能化变电站中各装置对GOOSE和SV报文及传输信道进行优化，以降低网络上的负载和延迟。
采用与STP/RSTP完全兼容的环网冗余协议可防止因为回路形成的广播风暴，采用端口流量控制可防止病毒或攻击造成的广播风暴，另外交换机需具备端口保护功能，一旦侦测到端口的频繁通断，则采取相应同一数据集进行并发访问，并保证在并发方式下数据的完整性和一致性。
3.4增强网络的故障诊断能力，实现通信网络的智能分析、诊断及预警
智能变电站应设置网络在线故障诊断分析系统，利用网络通信记录仪取得SV、MMS和GOOSE应用层通信协议的记录报文，根据预先设定故障分析模型进行分析，将SV、MMS和GOOSE通信异常、错误输出到计算机显示器告警窗，运行人员将诊断故障内容与后台监控事件进行对比，及时发现自动化系统故障及隐患，辅助运行维护人员快速、准确定位故障原因，及时处理故障。
3.5确保智能变电站系统的运行环境
在强电磁干扰等恶劣环境下保证二次设备的可靠性，除了提高智能组件自身的抗干扰能力外，还需采取进一步措施改善智能组件的运行环境。网络通信是智能变电站自动化系统非常重要的组成部分，需进一步考虑智能组件在智能变电站网络环境下的网络安全威胁和相应对策。应加快研究信息加密、防火墙等网络信息安全技术在智能变电站中的应用。
4结语
a．采用可靠性框图可对智能变电站系统可靠性的不同方案进行比较，并着重对网络拓扑结构选型、系统冗余配置方案、网络管理与维护等影响自动化系统网络可靠性的关键因素进行分析，提出系统可靠性优化策略，有利于新建通信系统的可靠性设计。
b．智能变电站通信网络优化设计过程中，还需结合实时性、安全性及可扩展性、经济性等，对相关效能和经济指标进行分析衡量，从而对自动化系统网络进行全面评估。
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作者简介：
李涛（1980-），男，四川南充人，硕士研究生，工程师，福建亿榕信息技术有限公司，研究方向：电能计量技术。