數字化和信息化已經成為時展的趨勢和潮流，生產與生活中的方方面面都開始了信息化和數字化征程，本文主要探討的是電站機電保護系統數字化的發展現狀以及未來的趨勢。

　　《電站系統工程》報道國內外電力工程領域的研究成果和發展動向。讀者對象為電力專業的科研人員及大專院校師生。有英文目次和英文文摘,繼承《動力系統工程》。獲獎情況:中文核心期刊(2011)、中文核心期刊(2008)、中文核心期刊(2004)、中文核心期刊(2000)、中文核心期刊(1996) 中文核心期刊(能源與動力工程類)、中國學術期刊綜合評價數據庫來源期、本刊全文入編中國學術期刊(光盤版)。

　　本文在分析數字化變電站繼電保護系統元件構成基礎上，對保護系統的信息流進行了剖析，分析了各類信息流回路可能的拓撲結構，利用二端網絡連通率的最小路集算法對信息流進行可靠性計算，并用串并聯的模型將繼電保護系統中的冗余配置考慮在內，最終建立起了通用的數字化保護系統的可靠性評價模型和方法。最后介紹了可靠性評價模型與方法的軟件實現，并采用實際保護方案驗證了可靠性評價模型和方法的有效性。

　　1 數字化變電站繼電保護系統的組成

　　信息的數字化和通信的網絡化是數字化變電站的特點，因此繼電保護系統不同于傳統變電站由互感器、保護單元和斷路器通過點對點方式連接的簡單結構，會有更多的元件加入其中。合并單元用于匯集和合并多個互感器的采樣數據并以一定的格式編制成數據幀上傳給交換機。智能終端作為斷路器等一次設備側的數字化智能組件，在保護系統中主要用于接收保護單元發來的跳合閘和閉鎖信息去控制斷路器的動作，以及負責采集斷路器的開關位置等信息并上傳給保護單元。交換機組成的網絡取代了傳統的二次電纜，成為合并單元與二次設備之間信息傳遞的平臺，有利于各設備之間信息的共享。由于繼電保護對各種事件發生的時間序列有嚴格的準確性要求，各設備在輸出信息時需要附加精準的時標信息，這就需要全站的同步時鐘源進行統一對時。

　　2 數字繼電保護系統的信息流與拓撲結構

　　同步對時信息、以SV 報文形式傳輸的采樣信息、以GOOSE 報文形式傳輸的斷路器控制及狀態信息是數字化繼電保護系統中的三類重要信息。

　　2.1 同步對時信息

　　同步對時信息回路的起點是同步時鐘源，其主要用來接收GPS 或北斗系統的時鐘信號，然后以固定的時間間隔向合并單元、保護單元和智能終端等設備發送對時信息。現有的變電站對時方式主要有脈沖對時、編碼對時和網絡對時三種，其中在過程層最常用的是編碼對時中的IRIG-B 碼對時和網絡對時中的PTP(IEEE 1588)對時。當對時方式不同時，其拓撲結構也會有所變化。脈沖對時和編碼對時需要專用的對時網絡，由

　　同步時鐘源直接通過傳輸介質與需要對時的設備相連，一般為星型結構或分級星型結構，圖1 所示為星型結構。

　　絡對時的方式如圖2 所示。它需要借助支持網絡對時的交換機以及由其組成的以太網，可以單獨組網也可以與SV、GOOSE 等報文共用一個通信網，當采用后者時可以有效的減少交換機和光纖的使用。網絡對時的拓撲一般為樹狀路徑，對時信息由同步時鐘源出發經過交換機組成的網絡到達需要對時的設備，冗余度較高。

　　2.2 SV 報文信息

　　SV 報文信息回路起始于互感器，經由合并單元和交換機網絡后，最終到達保護單元，如圖3 所示，其中交換機網絡用虛線表示，是由于采樣值傳輸可采用不同的規約，有些規約只支持點對點傳輸，不需要交換機網絡。目前常用的采樣值傳輸規約有IEC 60044-7/8、IEC 61850-9-1 和IEC 61850-9-2。

　　IEC 60044-7/8 采用FT3 幀格式，不支持以太網組網，只能通過串行口實現點對點傳輸，傳輸介質一般為光纖或是電纜，由于是非以太網傳輸方式，其數據傳送的延時是恒定不變的，因而采用此規約的合并單元不需要外部對時，同時也省去了交換機的環節，結構較為簡單，然而點對點的傳輸方式將使傳輸介質的使用量增加，對可靠性產生影響。

　　IEC 61850-9-1 是為兼容IEC 60044-7/8 而制定的規約，數據內容與后者相同均為固定格式，通訊方式為邏輯點對點的單向廣播方式，所以通常也可以不使用交換機，由合并單元通過專用的線路與保護單元相連。然而由于是以太網的傳輸方式，其CSMA/CD 的介質訪問控制方法將造成傳輸延時的不確定，所以要求合并單元對發出的信息附以精確的時標信息，這就要求外部的對時網絡對合并單元的時鐘進行對時。

　　IEC 61850-9-2 報文所傳送的數據是可以靈活配置組合的，采用以太網絡方式，可以使用點對點方式，也可以采用交換機組網，從而減少接口和傳輸光纖的數量，與9-1 相同，由于以太網傳輸延時的不固定，所以需要同步對時。

　　2.3 GOOSE 報文信息

　　GOOSE 報文采用發布者/訂閱者的方式，實現裝置間一點對多點數據的快速傳遞。在繼電保護系統中，GOOSE 報文一般作為跳合閘信號、開關位置信息和閉鎖信號等信息的載體，在保護單元和智能終端之間傳輸，并最終達到控制斷路器的目的。

　　與SV 報文相同，GOOSE 可以采用點對點的方式連接，也可以采用組網的方式。前者不需要交換機，但在每個保護單元和智能終端之間都要用專用的光纖連接，后者更符合IEC 61850 的標準和信息共享的原則，但在網絡流量過大時會對跳合閘的實時性產生影響，因此一般賦予GOOSE 報文較高的優先級，從而保證其可靠傳輸。#p#分頁標題#e#

　　3 數字化繼電保護系統的可靠性分析

　　如果將傳輸介質看作節點間的線段，而其他元件看作節點，數字化繼電保護系統可以看作一個連通網絡系統，各類信息回路的可靠性可以運用最小路集法計算二端網絡連通率。

　　1)對時回路的可靠性計算。對于需要對時的合并單元、保護單元和智能終端等元件，只有對時回路保持連通，這些元件才有可能正確工作，因此可以將對時回路的可靠性加入設備本身的可靠性，形成修正后的元件可靠性，如式(1)~式(3)所示。

　　分別表示修正后的合并單元、保護單元和智能終端的可靠度; 、 和 分別表示同步時鐘源分別到合并單元、保護單元和智能終端的第i 條最小路徑;n 表示最小路徑的數量。

　　對于圖1 所示星型結構的對時回路，L 只包括1 條從同步時鐘源經傳輸介質到對時元件路徑，以合并單元為例此時的修正元件可靠度為分別表示同步時鐘源、傳輸介質和合并單元的可靠度。對于網絡對時，由于有交換機網絡的加入，對時回路拓撲結構將變得復雜，最小路徑數量n 也相應增多，但其可靠性計算處理方法同式(1)~式(3)。

　　2)SV 回路和GOOSE 回路的可靠性計算。這兩個回路的區別是待計算的二端網絡起始節點與終端節點不同，具體計算表達式如式(5)~式(6)。

　　和分別表示SV 和GOOSE 回路的可靠性; 和 分別表示互感器到保護單元和保護單元到斷路器的第i 條最小路徑。

　　式(5)為一套保護對應一個互感器的情況，當一套保護對應n 個互感器時，如果這些互感器不是冗余配置，則每條互感器的SV 回路都應保持暢通，其之間應為串聯關系，即

　　表示第i 個互感器對應的SV 回路的可靠性。

　　如果是冗余配置，則只要一條SV 回路保持暢通，保護就能正常工作，此時應為并聯關系，即

　　同樣，式(6)為一套保護對應一個斷路器的情況，一般斷路器很少會進行冗余配置，當一套保護控制n 臺斷路器時，其之間的GOOSE 回路應為串聯關系，即

　　表示第 i 個斷路器對應的GOOSE 回路的可靠性。

　　需注意的是，上述路集計算中，合并單元、保護單元和智能終端的可靠度要用式(1)~式(3)對時回路修正后的可靠度所代替。

　　3)系統整體可靠性計算。由于一套保護需要SV 回路和GOOSE 回路同時正常工作，因此對于繼電保護系統的可靠性來說兩者之間為串聯關系，由式(8)、式(9)得

　　表示整個保護系統的可靠性。當保護單元冗余配置時，應分別計算每套保護對應的SV 回路和GOOSE 回路的可靠性，最終各套保護之間并聯就是整個保護系統的可靠性，即

　　表示第i 套保護對應的系統的可靠性。需再次強調的是，上述公式計算時，展開后需按照布爾代數的運算規則進行合并運算，將相乘的相同項合并為一項，才能得到最終的繼電保護系統可靠性表達式，再代入相應的數值計算。