《故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用.doc（4页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、文章编号：1000-3673（2004）01-0056-04中图分类号：TN914; TM63文献标识码：A故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用韩小涛，尹项根，张哲（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省 武汉市 430074）APPLICATION OF FAULT TREE ANALYSIS METHOD IN RELIABILITY ANALYSISOF SUBSTATION COMMUNICATION SYSTEMHAN Xiao-tao，YIN Xiang-gen，ZHANG Zhe（School of Electrical & Electronic Eng.，Huazho
2、ng University of Sci.&Tech.，Wuhan 430074，Hubei Province，China）ABSTRACT: With the development of electronic andinformational technology in Instrument & Control (I&C) area, the reliability of substation communication system (SCS) is playing an important role in the decision of the performance of SCS.
3、As a powerful tool in system failure analyzing and system failure probability prediction, Fault tree analysis (FTA) can be applied in the reliability analysis and prediction of SCS. The basic concept of reliability theory, the principle of FTA method and the quantitative and qualitative ways to solv
4、e the reliability problem are described, and the failure models of SCS are abstracted in accordance with the characteristic of SCS. The main factors affecting the failure of SCS can be determined by qualitative analysis in which the minimal cut set analysis (MCSA) is used. For frequent topological f
5、orms of SCS the quantitative analysis is used to analyze their availabilities to illustrate the influence of different topological forms on reliability of SCS. Using FTA the analysis lever of SCS reliability can be improved and the results of the analysis can be used as the theoretical basis for the
6、 reliability analysis ofnewbuilt SCS.效的主要因素，针对变电站通信系统的常见拓扑结构定量分析了其有效度，说明了不同拓扑结构对通信系统可靠性的影 响。应用故障树分析法，可以提高变电站通信系统的可靠性 分析水平，并可作为新建变电站通信系统可靠性分析的理论 依据。关键词：故障树分析法；可靠性；变电站通信系统；最小割集分析；网络拓扑引言随着微机技术和智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）的迅速发展，微机保护装 置、微机故障录波装置、电子式互感器和智能电能 测量装置等在变电站系统内得到了大量使用1。由 于智能设备的应用，大量
7、的变电站运行、状态和控 制信息需要传送。因而负责传送这些信息的通信系 统的性能便成为进一步提高变电站自动化水平的 关键因素。对通信系统的研究除了研究其传输介 质、通信速度、拓扑结构和服务品质外，对通信系 统可靠性的研究也是一个重要方面。以往对可靠性的研究主要集中在输电网、配电 网自身的可靠性建模和分析算法的研究上24，或对 不同的电网连接方式进行供电可靠性的研究5。随着 智能设备性能的提高，通信系统的可靠性将直接影 响变电站运行的可靠性，也关系着整个电网运行的 可靠性。故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）由 美国贝尔电话实验室的 H.A.Walson 首先提出，它 是
8、一种系统可靠性分析方法。利用故障树可以寻找1KEY WORDS: Fault tree analysis (FTA); Reliability;Substation communication system (SCS); Minimal cut set analysis (MCSA); Network topology摘要：随着测控技术的电子化和信息化的发展，变电站通信系统的可靠性直接关系着变电站自动化水平。故障树作为系 统失效分析和预测系统故障发生概率的有力工具，可应用于 变电站通信系统的可靠性分析与预测。文章介绍了故障树分 析法的基本原理及其定性和定量分析方法。结合变电站通信 系统的特点，
9、建立了变电站通信系统的失效模型，采用最小 割集分析法进行了定性分析，以确定影响变电站通信系统失第 28 卷 第 1 期电 网技 术57潜在故障或进行故障诊断，还可以进一步预测系统故障发生的概率。对系统进行可靠性分析与预测， 已广泛应用于工程实践6。对于由多个环节构成的变电站通信系统，也可以应用故障树分析法研究其系统的可靠性。它事件之间的交互关系。在故障树中，底事件（basicevent）通过一些逻辑符号（如与门和或门）连接到 一个或多个顶事件（top event）。顶事件一般指危及系统的事件或是不希望发生的系统故障。底事件通常指部件故障或者是人员的错误操作。 故障树分析法的基本步骤如下：定义系
10、统和系统故障，确定系统故障事件， 即“顶事件”；建造故障树；进行定性与定量分析。 对故障树的定性分析通常采用最小割集法，即利用引起发生事件的基本事件链来发现系统的薄弱环节，进而采取改进措施，提高系统的可靠性。 设故障树中有 n 个基本事件 x1 , x2 , xn ，而 C 为由2可靠性理论的基本概念可靠性理论是进行故障树分析的基础。其中几个关键的技术指标，如可靠度、失效率、平均寿命、系统有效度和失效度等6介绍如下：（1）可靠度 R 产品在规定的条件下和规定的 时间 t 内，完成规定功能的概率称为该产品的可靠 度，记为 R (t ) P (T t ), t 0 。（2）失效率Z 单位时间内失效
11、的元器件数与 元器件总数之比称为失效率，它也是时间的函数。（3）平均寿命 对于不可修复产品，平均寿 命指的是平均工作时间（Mean Time To Failure，MTTF），对于可修复产品，平均寿命指的是相邻故 障间的平均工作时间（Mean Time Between Failure，MTBF）。二者统称为平均寿命。数学上就是寿命 T其中某些基本事件组成的集合 ， C x ,i1x , x , x ,1 i n , k 1,2, e 。当 C 中iiik2ke基本事件都发生时，顶事件必发生，此时则称 C 为故障树的一个割集。若 C 中去掉任意一个基本事件 后就不再是割集时，则称此时的 C 为最
12、小割集。最小割集的求解方法有上行法（Semanderes 算法）、下行法（ Fussell - Vesely 算法）和质数法。 若已求得故障树的所有最小割集 C1 , C2 , ,Cm ，并且已知基本事件 x1 , x2 , xn 发生的概率， 则顶事件发生的概率为m的数学期望 E(T)。如果寿命f (t ) ，则T 具有分布密度函数 MTBF E (T ) tf (t)dt 0 tf (t )dt t td F (t ) dud F (t) d F (t )du 0 0 00 uP(T ) P(Ci )(3) 1 F (u)du R(u)du(1)i 100m如果可靠度服从指数分布，即R(t
13、) P(T t ) e Zt , t 0 ，则若 Ci 两两相斥，则 P(T ) P(Ci )i 1(4) MTBF E (T ) R(u)du e Zu du 1/ Z (2)否则00m（ 4 ）系统有效度 AA MTBF /( MTBF MTTR )式中MTTR（Mean Time To Repair）为系统平均维 修时间。P(T ) P(Ci ) P(Ci C j ) i 11 i j m P(C C C ) ( 1) m 1 P(C C C ) (5)i j k1 2 m1 i j k m系统可靠度 Rs 1 P(T ) 。此即为故障数的定量分析。（ 5 ）系统失效度 qMTTR )
14、。由上可见 A q 1。q MTTR /(MTBF 4变电站通信网络失效模型及其分析故障树分析法的基本理论故障树分析法是研究引起系统发生故障这一 事件的各种直接的或间接的原因（例如硬件、软件、 环境、人为等因素），在这些原因间建立逻辑关系， 并用逻辑框图（即故障树）表示的一种方法。故障 树以图形化的方式表示了在一个系统内故障或其34.1概念失效模型及其分析就是分析变电站通信网络 的构成和可能引起网络功能失效的各种组成部分，并分析每一部分的失效度和各部分间的相互关系。 当已知各部分的失效度-时，利用故障树分析法可以58Power System TechnologyVol. 28 No. 1很容易
15、得到系统的总失效度：用或逻辑（ OR）将任一部分的失效会导致上一级失效的所有部分的失 效度加起来，用与逻辑（AND）将只有所有部分都失效才会导致上一级失效的所有部分的失效度乘起来，根据这样的原则从底部向上依次构造故障树， 得到系统的总失效度或“顶事件”。4.2 通信系统模型目前的变电站通信网络通常包括集线器 （hubs）、交换机（switches）、路由器（routers ）、IED网络接口设备（IED Network Interfaces）和服务器（servers）等硬件设备。根据设备厂商提供的数据和 假定 MTTR 为 48 h，按照前面可靠性基本理论的计 算可以得到如表 1 所示的各设备
16、的失效度 q。表 1 变电站通信网络设备的失效度 qTab. 1 The unavailability of network devices in substation communication system 4152410 6G3保护设备故障35210 6交换机失效路由器失效服务器失效(S ) 542 6(R3 ) 577 102(S ) 38510 61875010 61875010 610 61保护接 口失效IED 设 备失效保护接 IED 设保护失效保护失效口失效 备失效(R 1) 3055 (R2) 30285 (I1 ) 30285(R1) 30 55 (R2) 30285 (I
17、1) 30 28510 6 10 610 610 610 610 6图 2 星型连接通信系统的故障树Fig. 2 Star topology communication system fault tree4.3最小割集定性分析本文采用上行法进行分析，即从最末一级起， 将该级中各事件用基本事件表示，继而将上一级中的事件用最末一级中的事件和本级中有关的基本 事件表示，如此向上运算，直到最上一级。每进行一步，必须用事件间的逻辑运算规则进行运算并简 化。这样可以得到全部的最小割集。顶事件用 T 表示。按照该原则，便可得到由下至上的最末一级、 上一级、最上一级和顶事件的表达式：IED 接口设备微机保护装
18、置设备名称 集线器交换机路由器 服务器MTBF /a 118.9131.542 10 69.514.319.299.655 10 646 10 6577 10 6 385 10 6 285 10 6q备有上述数据后，就可以建造故障树。以一变电站为例，站内有 30 套主保护装置和 30 套后备保 护装置负责站内线路、开关和变压器等的监控，有60 套 IED 设备负责电压、电流和功率等电量和非电量信息的传送。在底层，每 6 组保护装置和 6 组 IED 设备共享一个交换机，5 个交换机以星型方式 连接到路由器，并与服务器和广域网（WAN）交换 信息。系统连接框图如图 1 所示。G1 R1 R2 I
19、1 ； G2 R1 R2 I1G3 G1 G2 R1 R2 I1G4 S1 G3 S2 R3 R1 R2 R3 S1 S2 I1T G4 R1 R2 R3 S1 S2 I1(6)(7)(8)(9)由此可得该系统的最小割集为R1 ，R2 ，R3，S1，S2，I1，并可发现割集R3（即路 由器失效）的影响最大。可见若要提高系统的可靠性，路由器的选择则非常重要。4.4不同网络拓扑结构的定量分析在上述基本事件相互独立的情况下，按照故障 树进行逻辑运算就可以得到系统的总失效度。对图 3所示的星型连接系统进行逻辑运算，可得到 G4 的输 出为 1 52410 6，此即为系统的总失效度，则有效度为 1 1
20、52410 6 = 99.8 476 %。 在变电站通信网络中还有一种常见的连接方式是总线型连接，如图 3 所示。采用级联方式将各 集线器连接在一起，每一个集线器下的连接对象也用星型连接。但由于集线器不能解决所谓的广播数 据风暴问题（Broadcast Data Storm, BDS），所以网络接口的可靠性必须分为两部分：一部分为影响设备 的接口故障，失效率为 27410 6；另一部分为 BDS引起的网络故障，失效率为 1110 6。其故障树如图4 所示。依次计算可得到系统的总失效度为 1212121212图 1 星型连接的网络结构图Fig. 1 Star topology network b
21、lock diagram图 1 中每个交换机下的 12 个设备是 6 套保护 装置接口和 6 套 IED 设备接口。保护设备引起的故 障因素有微机保护装置失效、保护装置接口（也是 IED 设备接口）失效。而系统的失效因素有保护设 备故障、交换机故障、IED 设备接口故障、路由器 故障和服务器故障。据此可以建立如图 2 所示的故 障树，其中顶事件定义为变电站通信系统故障。利用该故障树建立通信网络的失效模型后，就 可以进行最小割集的定性分析和定量分析。机交换机服务器广域网（WAN路由器交换机交换交换机交换机G1 G2通信系统故障G第 28 卷 第 1 期电 网技 术592 83910 6，有效度为
22、 12 83910 699.7161%。的难易性等指标。小结利用故障树分析法可以很快地找出影响变电 站通信系统可靠性的因素，以便于故障诊断和维 护；通过对不同方案的比较分析，也有利于新建通 信系统的可靠性设计。目前故障树分析法的发展很 迅速，而且还有专用软件可供设计分析。利用好故 障树分析法，对提高变电站通信系统可靠性设计水 平将起到积极作用。参考文献1 陈升（Chen Sheng）网络化变电站自动化系统的应用（Application of computer network based substation automation system）J电力系统 自动化（Automation of E
23、lectric Power Systems），2000，26(10)：59-632 丁明，刘友翔，戴仁昶，等（Ding Ming, Liu Youxiang, Dai Renchang et al）输电系统的分层可靠性建模及概率模拟（ Hierarchical transmission system reliability modeling and probabilistic simulatio n）J清华大学学 报（自然科学版 ）（增刊 ）（ Journal of Tsinghua University（Sci.&Tech.）)，1997，37(S1)：99-1033 洪梅，丁明，戴仁昶（H
24、ong Mei，Ding Ming，Dai Renchang）保护 系统的概率模型及其对组合系统可靠性的影响（The probabilistic modeling of protection system and its effect on composite system reliability）J电网技术（Power System Technology），1997，21(8)：45-484 刘开培，李俊娥（Liu Kaipei，Li June）配电网自动化系统的可靠 性模型与分析（Reliability model and analysis of distribution grid aut
25、omatic system）J电工技术（Electric Engineering），2002，(4)：13-145 甘正宁，甘正佳（Gan Zhengning，Gan Zhengjia）电力系统环形网 络的供电可靠性研究（A study on power supply reliability of power system loop nertwork）J电力系统及其自动化学报（ Proceedings of the EPSA），2002，14(2)：49-506 唐月英，樊鑫瑞仪表可靠性基础 M北京：机械工业出版社，19925）1212121212图 3 级联总线型的网络结构图Fig. 3 C
26、ascaded bus topology network block diagramG4283910 6BDS 失效 服务器失效保护设 集线器失效 路由器失效G3 6备故障(S1) 38510(B )12011(S2) 546(R 3) 57710 632710 61 10 6G2G1 18090101809010 6保护接 口失效IE D 设 备失效保护接 口失效IED 设 备失效(I1) 3027410 6保护失效保护失效(R1 ) 30 55 (R2 ) 30 274 (I1) 30 274(R 1) 30 55 (R2) 3027410 6 10 610 6 10 610 6图 4 总
27、线型连接的通信系统故障树Fig. 4 Bus topology network fault tree为了提高系统运行可靠度，经常采用的方法是 系统冗余设计，将图 1 所示的系统全部采用双冗余 设计，则可得到图 5 所示的故障树，其系统的总失 效度为 39710 6，有效度为 1 39710 6= 99.9603 %。39710 6DD 后备系统失效主系统失效G 6119922101992210 6保护接 口失效IED 设交换机 路由器保护失效服务器失效备失效失效失效(R1) 3055 (R2 ) 30 285 (I1) 3028510 6 10 6 10 6(S1) 385 (S2) 542
28、(R3) 57710 6 10 6 10 6图 5 星型连接的冗余通信系统故障树Fig. 5 Redundant star topology network fault tree比较上述 3 种通信网络拓扑结构的系统可靠性 可以发现，星型连接冗余通信系统的可靠性最高， 级联总线型的可靠性最低。当然若要全面评价各方 案的性能，则还须考虑性价比、后期维护以及诊断收稿日期：2002-07-30。作者简介：韩小涛（1974-），男，湖北广水人，博士研究生，研究方向为智能 传感器及其在电力系统中的应用。（编辑查仁柏）G2通信系统故障10 6 6通信系统故障集线器服务器广域网（WAN路由器集线器集线器集线器集线器
