基于FTA的电厂电力调度数据网通信系统可靠性分析_姚映帆.pdf

国家电网地区调度数据网是为电力调度生产服务的专用数据网络，是实现各级调度中心之间及调度中心与厂站、变电站之间实时生产数据传输和交换的基础设施和重要通道。我国电力调度数据网按照“统一规划设计、统一技术体制、统一路由策略、统一组织实施”的方针进行设计、建设、运行和管理。为了满足供电需要，并解决调度中心在一般情况和紧急情况下对数据的需求，同时也为新型智能调度数据网络提供安全保障和可靠支撑，因此需要建立一套功能强大的电力调度数据网络，以全面提高网络安全性和电力生产服务的保障能力，电力系统调度数据网双平面建设已成为电网改造主要发展方向。其网络结构设计应坚持N-1的电路可靠性和N-1的节点可靠性原则，即任意一条单一传输电路或单一节点设备出现故障都不会影响整个调度数据网络的运行。1研究对象与研究现状分析1.1电厂电力调度数据网双平面结构分析电力调度数据网利用独立的通讯网络，实现各个调度中心之间及调度中心与厂站、变电站之间的互联，并设置专用的通讯通道，各个通道中设置IP路由器交换设备，实现电力系统中实时数据和电力生产信息的传输，保障了电网调度运行的稳定性、安全性和可靠性。电力调度数据网采用分层网络结构，具体分为骨干网和接入网两个层级。骨干网由国调、网调、省调、地调组成，各级调度厂站组成相应的接入网，接入网厂站端节点采用2M专线方式通过各个调度节点接入骨干网的两个平面。同时，电力调度数据网通信系统组网要求采用VPN技术实现，按照不同的安全等级VPN来划分传输业务，通常划分为安全区I VPN和安全区II VPN，分别对应实时和非实时两类业务。电力调度数据网分别由一平面和二平面构成，各级调度厂站组成的接入网通过不同等级路由器，将实时数据和电力生产业务信息进行划分，最终把数据和信息汇聚在一起分配到两个平面，一网双平面组网技术实现了网络节点冗余的业务分流，达到网络高可靠性要求。电力调度数据网双平面组网架构如图1所示：图1电力调度数据网双平面组网架构1.2电厂电力调度数据网通信系统结构分析为提高网络可靠性，厂站端业务系统采用双平面备份组网连接，一平面、二平面互为主备关系，确保一个平面如果出现故障完全崩溃了，另一个平面仍然可以正常稳定运行。每个平面对应1台电力调度数据网机柜，柜内配置2台路由器、2台纵向加密装置（加密机）和2台交换机。每个机柜都承担实时区业务和非实时区业务，采用业务冗余方式提高网络可靠性和可维护性。机柜内的路由器通过2M专线上联至两个不同的骨干网平面。每台路由器通过以太网口下联至两台安防设备（即纵向加密装置），纵向加密装置再通过以太网口下联至两台调度数据网交换机，而各厂站端业务系统通过FE端口接入当地的调度数据网交换机。因安全分区分为实时和非实时两类业务，因此调度数据交换机分为实时交换机和非实时交换机。实时交换机（即局域网交换机）可以有多个接口，每个接口既可以单独与接入网的任意一个节点连接，也可以与一个互通介质类型的以太网集线器连接；非实时交换机（以太网交换机）工作于OSI网络参考模型的第二层（即数据链路层），是一种采用MAC地址识别进行以太网数据帧互换功能的计算机网络装置。厂站端的保护信息子站、EMS系统（调度自动化管理系统）、水调自动化系统的信息分别通过以太网口接入到各级调度中心的非实时交换机。而厂站端的电基于 FTA 的电厂电力调度数据网通信系统可靠性分析*姚映帆张旭彭浩冯诗漫刘全东（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213）Communication System of Power Dispatching Data Network in Power Plant Based on FTA摘要：国网电力调度数据网是用于电厂电力生产调度的专用数据网络，其安全稳定运行直接关系到电网与电厂间的功率负荷等数据的实时传输可靠性。电厂电力调度数据系统在关键重要设备中采取了冗余配置的结构，提升系统的可靠度。通过分析电力调度数据系统的结构与逻辑关系，构建其故障树模型。通过对其层级划分，结合底层设备的可靠性参数，逐层计算系统可靠度，通过仿真实验，定量计算了具体的可靠性指标。根据仿真实验计算结果，构建更加合适的维护策略。关键词：故障树分析；二次安防；可靠性；电子产品Abstract:The power dispatching data network of State Grid is a special data network for power production and dispatch-ing in power plants,which safe stable operation is directly related to the real-time transmission reliability of power load databetween State Grid and power plant.The power dispatching data system adopts redundancy configuration structure in key e-quipment to improve the reliability of the system.This paper analyzes the structure and logical relationship of power dispatch-ing data system and constructs its fault tree model.The system reliability is calculated layer by layer based on the hierarchicaldivision and the reliability parameters of the underlying equipment.The specific reliability index is calculated quantitativelythrough simulation experiment.Considering the simulation results,a more appropriate maintenance strategy is constructed.Keywords:fault tree analysis(FTA),secondary security,reliability,electronic products*四川省杰出青年科技基金（2020JDJQ0068）基于FTA的电厂电力调度数据网通信系统可靠性分析4工业控制计算机2023年第36卷第2期网动态稳定监控系统、RTU上网、电能量计量系统的数据分别通过以太网口连接到IP网络，并通过异步串口与接入设备的数据采集串口连接，相互之间通过RS232协议通信，同时将远程数据接入到各级调度中心的实时交换机。电力调度数据网一平面、二平面均包含两条数据链路，双平面共包含四条链路，每个平面的两条链路分别对应一条实时数据传输和一条非实时数据传输，二者结构和配置相同。单条数据传输链路的结构如图2所示。进一步地，按照实时区和非实时区业务功能实现的逻辑关系结构，划分电力调度数据网业务分区逻辑结构如图3所示：图3电力调度数据网业务分区逻辑结构图由于电力调度数据网双平面建设是全面提升电网网络安全性和业务保障能力的主要发展方向，对于其可靠性的分析成为电厂信息系统可靠性研究的重点。1.3研究现状分析故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）方法常用于对研究对象从结构层面进行分析，并挖掘其薄弱之处，在该领域已有部分学者进行了研究。文献1针对电网调度自动化系统应急预案完备度采用FTA方法，通过该标准故障树与应急预案的比对，找出了应急预案缺失的基本事件；文献2对于单相智能电能表黑屏的问题，借助FTA方法，逐单元分析失效原因，并确定最小割集；文献3利用FTA模拟调度操作执行过程，进行电网调度操作的实时风险评估，并提出了一种能够实时评估调度操作风险的方法；文献4提出了一种基于故障树的铁道调度集中系统的可靠性分析方法，建立了分散自律调度集中系统的故障树，对其定性和定量分析；文献5以电力机车为对象，建立故障树并划分割集，针对可靠性薄弱项给出了优化建议。2电力调度数据网通信系统故障树模型构建2.1故障树分析方法故障树分析方法对待分析系统的内部结构关系、组织层级有着良好的描述和表达的能力。通过将系统总体功能设置为顶事件，逐层向下分解功能，直到底层事件。底事件通常选取可靠性模型明确的、可靠性参数可知的事件，并由底事件的可靠性参数逐层求取顶事件概率。故障树通常采用“与”门、“或”门等逻辑符合描述事件之间的关系，并根据该关系，确定由底事件向上逐层计算过程中的计算表达式。因其思想表达清晰、可扩展性强，广泛应用于各工业领域6。2.2可靠性参数计算方法对于可修复的产品，MTBF（平均无故障时间，Mean TimeBetween Failure）是常用的可靠性计算参数。电力调度数据网通信系统中单一链路承担数据传输的主要部件均为电子产品，寿命分布的分析可采用电子产品的通用分析方法。电子产品的寿命分布通常认为符合指数分布，即对于电子产品，其故障率有如下公式：=1MTBF（1）产品可靠度R(t)可表示为7：R（t）=e-t=e-tMTBF（2）由此可获得产品可靠度随时间变化的趋势。2.3电力调度数据网通信系统故障树模型根据对电力调度数据网通信系统的结构和功能分析，建立其故障树模型。分析目标，即顶事件（y7）为电力调度数据网通信系统故障事件，底事件为路由器故障、纵向加密装置故障、交换机故障，共12台设备，编号x1x12；1台路由器、1台纵向加密装置与1台交换机构成1条数据链路，其故障事件记为单条数据链路故障，记为y1-4；每台机柜中各有一套实时数据传输和非实时数据传输链路，2台机柜的冗余数据分别形成的实时数据链路和非实时数据链路，记为y5-6；系统总体为电力调度数据网通信系统，记为y7。综合上述分析，电力调度数据网通信系统故障树模型如图4所示。底事件中实线图标表示1号机柜中的设备、虚线图标表示2号机柜中的设备。故障树按逻辑结构建立，即按照实时数据链路故障和非实时数据链路故障建立。图4电力调度数据网通信系统故障树模型3仿真实验3.1可靠性参数计算路由器、交换机、纵向加密装置的具体型号参数及其MTBF参数如表1所示：表1设备型号与MTBF由式（1）可以得到，路由器（Router）、交换机（Switch）、纵向加密装置（Encryption）的故障率分别为：Router=1308760（3）Switch=1758760（4）Encryption=140 000（5）由式（2）可以得到，路由器、交换机、纵向加密装置的可靠度变化函数为：RRouter（t）=e-1308760t（6）RSwitch（t）=e-1758760t（7）REncryption（t）=e-140 000t（8）由此即得到了路由器、交换机、纵向加密装置可靠度随时间图2数据传输链路结构图5衰减的函数。3.2设备可靠度仿真分析由上节分析，可得到路由器、交换机、纵向加密装置的可靠度衰退曲线，如图5所示，路由器、交换机、纵向加密装置分别为图5中的a、b、c。图5设备可靠度仿真结果各类设备的可靠度随时间总体呈现衰退趋势。由图分析可知，其中，纵向加密装置是各种部件中可靠性参数的短板。3.3子系统与系统可靠度仿真分析结合电力调度数据网通信系统故障树模型，分析中间层（单条实时或非实时数据链路a、实时或非实时数据链路数据链路b）的可靠度。其仿真结果如图6所示：图6中间层可靠度仿真结果通过对结果的分析可以看出，纵向加密装置与交换机形成串联系统，降低了该部分的可靠度，形成了使用初期可靠度快速下降的时间段。两个数据链路相互冗余，该并联系统对使用初期的可靠度下降形成了有效的抵抗作用。数据链路与路由器连接，形成了交汇点，对子系统可靠度造成了一定的影响。由中间层推算系统总体可靠度，结果如图7所示。两台机柜整体上呈现并联关系，在系统层面实现了冗余。由仿真实验中可明显看出，经过两台机柜的并联，系统总体可靠度有了很大的提升，在系统使用初期能够保证较高的可靠度，可结合适当的系统维护方案，使系统保持较高的可靠度。3.4系统维护方案优化根据N-1的电路可靠性和N-1的节点可靠性原则，除接入网的厂站端路由器和交换机之间进行纵向互联之外，为了提高网络通信设备和链路之间的冗余备份能力，不同平面中实现相同业务的路由器之间、交换机之间进行横向互联，此技术方案在满足调度业务实时性、可靠性的同时，还提高了网络冗余度和可扩展性，在网络设计中实现了业务的分流。建设完成后电力调度数据网一平面、二平面完全独立，厂站端业务系统通过双机双网卡实现双平面接入，可完全杜绝一、二平面的业务不会因一个节点故障而失去网络的连通，而导致的业务故障风险。在现有电力调度数据网中对其结构进行进一步优化，为电网调度数据的安全、稳定传输提供了坚强的技术保障，大大提升了电力调度数据网的健壮性。结合仿真实验结果，制定系统维护方案。假定系统可靠度下限设计为0.8，则其可靠使用时间为35 180小时；假定系统可靠度下限设计为0.9，则其可靠使用时间为25 800小时。通常，该系统的可靠度要求为0.8，即35 180小时（约4.02年）检修一次。当前水电站或火电站大修周期通常为每年一次，核电厂通常为一年半一次，而电厂电力数据调度网为二次设备，通常采取事后维修的策略。如图8所示：图8电站电力调度数据网通信系统维修周期优化示意图根据仿真计算的结果，水电站或火电站可优化为每四年一次（间隔三次大修）的定期预防维修，核电厂可优化为每三年一次（间隔一次大修）定期预防性维修，使系统时刻保持高可靠度运行。4结束语电力调度数据网作为电力调度生产的专用网络，为各级调度之间以及调度与厂站之间生产数据传输和交换提供了一个基础平台，一网双平面网络架构为电网调度业务的接入提供安全可靠的重要技术支撑。基于电厂电力调度数据网双平面组网架构及电力调度数据网通信系统故障树模型，本文分析了其可靠性特征。结合电厂大修方案，将该系统的维修策略由事后维修优化为预防维修。同时，避免了传统事后维修中直接更换旧有设备的做法，通过定期的预防性维修，延长了系统的使用时间，降低了成本。参考文献1高明，李文云，袁德君，等.使用故障树理论对电网调度自动化系统应（下转第8页）图7系统可靠度仿真结果基于FTA的电厂电力调度数据网通信系统可靠性分析6基于RVDT的高精度模拟量采集单元设计图3数控半波整流电路二阶滤波采用多端负反馈低通滤波电路，基于运算放大器和RC反馈网络构成有源滤波器，不仅有放大作用，施加反馈为RC网络补充能量，而且运算放大器输出电阻小，可以实现与负载的隔离。2.2信号处理RVDT信号经前端解调电路处理为直流模拟信号并进行过压保护后，使用A/D采集芯片SAD7656进行码值转换，该芯片是一种6通道16位电容结构的A/D转换器，主要由控制逻辑、SAR寄存器、输入输出控制、基准、时钟、D/A转换器和比较器组合而成，转换码值时使用FPGA进行状态控制和数据传输6，并基于DSP进行数据解算，电路原理如图4所示：图4A/D转换框图A/D采样时在逻辑输入脉冲有效的边沿复位内部寄存器，逐次逼近逻辑驱动采样开关工作，在电荷重分布D/A中采样模拟输入信号，启动转换时钟，经过逐次逼近得到对应的二进制编码，转换完成输出结束信号，并根据输入的控制信号控制数据按16位总线方式输出，数据并行输出的时序关系如图5所示：图5数据并行输出时序关系图其中t1表示CS到RD的设置时间，最小为0 ns，t2表示RD下降沿后的数据访问时间，最大为45 ns，t3表示RD脉冲宽度，最小为45 ns，t4表示RD上升沿后的数据保持时间，最小为10 ns，t5表示RD上升沿后的总线释放时间，最大为50 ns，t6表示CS到RD的保持时间，最小为0 ns，t7表示两次读取的最短间隔时间，最小为20 ns。A/D转换的模拟输入电压范围为-10 V+10 V，满度误差为0.8%，即采样的最大误差不超过80 mV，转换时间为3.1 s，输出码值和输入电压为线性关系，具体如表1所示：3测试验证RVDT传感器的差值电压范围为-5 V，+5 V，和值电压为11.6 V1.2 V，频率为1800 Hz，模拟量采集单元加载FP-GA逻辑和固化DSP程序后，在PC机上使用仿真器读取DSP打印数据，多次测量取均值的结果如表2所示：表2交流模拟量采集结果从表2可以看出，交流模拟量的采集精度控制在0.5%内，且随着输入电压绝对值的增大而降低，差值电压误差小于30 mV，和值电压误差小于50 mV，满足角位移传感器的采集需求。4结束语本文简要阐述了RVDT角位移传感器的工作原理，分析了交流模拟量的前端采集电路以及信号处理过程，最后对模拟量采集结果进行了多次测量。测试结果表明，设计的交流模拟量采集单元较好地完成了预期目标，满足机载系统对模拟量的采集需求。参考文献1蔡晓乐，车炯晖，吴斌等基于FPGA的多通道模拟量采集电路设计J航空计算技术，2018，48（2）：101-1042段宝利，葛玥，李鹏刚基于PCI-76C2多功能卡的RVDT信号分配器的设计与实现J计算机测量与控制，2018，26（4）：212-2163穆日敏，李鹏，秦晓楠差动角位移传感器输出电压与结构关系的研究J电子测量技术，2017，40（12）：176-1814张瑜，李燕杰，封锦琦，等基于PXIe总线的旋转可变差动变压器信号仿真技术研究J计算机测量与控制，2017，25（3）：143-1455李明，李亚锋，安书董多通道LVDT/RVDT传感器信号解调与监控方法研究J电子测试，2019（8）：46-486徐燕，毛师彬，汤永东，等基于FPGA的多通道模拟量采集/输出PCI板卡的研制J测控技术，2018，37（12）：119-123收稿日期：2022-07-03表1A/D转换工作特性（上接第6页）急预案完备度的量化分析J.电力系统保护与控制，2010，38（17）：58-63，692罗冉冉，龙磊，张垠，等.基于故障树理论的单相智能电能表黑屏故障分析方法研究J.电测与仪表，2014，51（23）：6-10，173林少华，刘嘉宁，陈东，等.基于故障树理论的电网调度操作实时风险评估J.电力自动化设备，2014，34（5）：121-1254马小玲.基于故障树的分散自律调度集中车站子系统可靠性分析J.铁道技术监督，2011，39（8）：28-315杜建波.基于故障树的电力机车高压系统故障分析及检修优化D.北京：中国铁道科学研究院，20196林云威.基于故障树和DSET的电力控制系统信息安全风险评估D.上海：华东理工大学，20147马铖.某星载接收机可靠性评估方法研究J.电子产品可靠性与环境试验，2016，34（5）：20-23收稿日期：2022-06-208