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摘要：随着变电站综合自动化技术的广泛应用，其可靠性问题已成为影响电力系统稳定运行的重要因素。本文介绍了可靠性的基本概念和模型，探讨并分析了变电站综合自动化系统的可靠性问题。
关键词：变电站自动化系统可靠性分析
目前，变电站综合自动化技术已获得广泛应用，也出现了不少无人值守的变电站，但近年来世界上出现的重大停电事故提醒人们电力二次系统的可靠性需要引起高度重视[1]。变电站综合自动化系统与二次系统有密切关系，分析其可靠性有助于找出影响可靠性的因素，并采取有针对性的措施提高其可靠性，这对于改善整个电力系统的运行状态有很重要的意义。
1可靠性的基本概念和模型
1.1可靠性概念
可靠性是指产品规定的条件下、在给定的时间内执行所要求功能的能力[2]。这里的产品是指研究对象，如一个元件、一台设备或一套系统等。
1.2可靠性特征指标[3]
⒈可靠度，产品在规定条件和时间内，完成所需功能的概率。
⒉不可靠度，产品在规定条件和时间内，失效的概率，且有。
⒊故障率，产品在时刻发生故障的概率。
⒋，不可修复产品的平均故障前时间。
⒌，可修复产品的平均故障间隔时间。假设故障率为常数即时。
⒍，平均修复时间。当恒定时其倒数为恒定平均修复率。
⒎可用性，产品可用的概率或者是产品可用时间占整个时间之比率。当产品故障率和平均修复率都恒定时，其稳态可用度为
(1.1)
式（1.1）说明要提高可用度，一是提高平均故障间隔时间，二是减少平均修复时间。
1.3可靠性模型
⒈串联模型
产品由若干单元组成，如图1所示，任何一个单元失效，该产品就失效。
图4并串联模型
1.4建立可靠性模型的原则
⒈为了便于进行可靠性分析，复杂产品一般采用串联模型，系统内是并联或串联模型，也就是大回路是串联，小回路是并或串联的混联模型。
⒉采用并联模型可提高可靠性，但冗余设计过多，不会提高基本可靠性，反而因增加体积、重量、复杂度、费用等而得不偿失。
⒊元件和零件可靠性是产品可靠性的基础，因此应首先提高元件和零件的可靠性；只有在元件和零件可靠性不高或不值得提高时才采用并联模型。
2变电站综合自动化系统的可靠性分析
2.1系统结构
变电站综合自动化系统有下面几种结构类型[4]：
⒈集中式结构。该型结构在计算机控制下，通过扩展接口，集中采集变电站的各种信息，并集中计算和处理，如图5所示。优点是结构紧凑、体积小、占地少、造价低，但也有软件复杂、调试困难、适应性差等不足。
⒉分布式结构。这种型式是把整套系统按照不同的功能组装成多个控制屏或柜，集中放在主控室中，如图6所示。特点是软件简单、调试方便、组态灵活；模块化结构，可靠性好；管理维护方便，容易实现无人值班等。缺点是控制电缆多，需注意信息传输的问题。
⒊分层分布式结构。按照变电站控制层次和对象，设置变电站层、间隔层二层分布结构，如图7所示；也可按变电站层、间隔层及过程层设置三层结构。其优点是可靠性高、节约电缆、扩展性强，代表了当前变电站自动化技术的发展水平。
2.2系统可靠性影响因素
变电站综合自动化系统需要实现系统控制、监视、检测、保护、控制和通讯等一系列功能，组成系统的元件一般都是可修复元件，故属可修复系统。系统中硬件设备是基本元件，是构成系统的可靠性重要组成部分，而控制系统的软件和人为操作也对系统的可靠性构成很大影响，系统的可靠性就是由这三种因素决定的。
2.3系统硬件可靠性分析
前已述及变电站综合自动化系统主要分布在两层（变电站层、间隔层）或三层（变电站层、间隔层及过程层）上。变电站层有监控、远动、防护闭锁、通信监控等系统；间隔层包括线路保护、测控装置等；过程层包括断路器、隔离开关、调压控制等，还包括数据采集单元等。这些装置都是由各种功能插件组成，每一个插件又是由许多元件组成，因此系统的可靠性是由元件的可靠性以及它们之间的组合方式（串、并、混联）决定的。
根据故障树分析法（FTA）对某典型220kV分布分层系统硬件可靠性的评估，变电站三层结构的可靠性影响如下：
⒈变电站层的监控工作站、LAN网及远动通信机是系统可靠性的最薄弱环节，对系统的可用性影响最大，如图8所示（图中是敏感度，）。
图8系统可用度的敏感度分析
⒉间隔层的通信管理机和高压测控装置对系统的可用性也有较大的影响；高压电气保护和通信系统的链路对系统的可靠性也有明显影响，由于通信链路数量多，提高其可靠性对改善系统的可靠性将有较大的作用。
⒊间隔层的IDE设备、低压保护测控装置及其通信系统，还有过程层的模拟量和开关量传变器对系统可靠性影响相对较低。
⒋间隔层的高压保护系统采用双冗余配置方案，其对系统的影响几乎可以忽略不计，说明对关键设备或薄弱环节采取冗余配置是提高系统可靠性的有效方式。
2.4系统软件可靠性分析
软件可靠性与硬件的可靠性本质上存在许多差异，因此所采取的提高可靠性的措施也有许多不相同，下面进行分析。
2.4.1软件可靠性特征
⒈软件的失效主要是由设计缺陷引起的，因此提高其可靠性也要由修复设计错误来实现。
⒉软件的可靠性不直接依赖时间，与时间有关的只是实践机会越多，错误暴露的机会越大，通过检查与纠正错误代码使软件的可靠性获得提高。
⒊外部环境不影响软件的可靠性，除非外部环境影响到程序的输入。软件的可靠性是内部环境（等待队列、内存漏洞等）的函数。
⒋一般的冗余配置不能提高可靠性，相同的软件存在同样的错误；只有不同设计人员编写的程序可以提供冗余配置。
⒌软件保证可靠性的措施除了设计需符合规范以外，主要靠测试；但对一个很复杂的软件进行彻底的覆盖测试是不可能的，因此测试是要有选择的，既要考虑测试范围，又要经济。
2.4.2软件可靠性度量方法[5]
⒈软件故障暴露率：对软件随机测试，经过次故障仍无暴露，则次测试后有
(2.1)
式中：是经过次测试后故障平均检测率；为故障暴露前的连续测试次数。
关系如图9所示。由图中可以看出：⑴随着的增加，逐渐增大，并趋近1；⑵随着的增加，曲线斜率不断减小，故测试次数大到一定程度，故障暴露率很难提高。
图9关系曲线
⒉对软件进行随机测试，假设存在个独立故障，在次测试后暴露的概率是，则故障暴露的平均概率是：
(2.2)
由式(2.2)可知，故障平均检测率已知情况下，计算故障暴露平均概率，经与经验值比较，可估算被测软件残存故障，从而确定是否可以终止测试。
2.5人为操作可靠性分析
变电站人为操作可靠性分析是建立在对人因差错统计分析基础上的，通过分析影响可靠性的因素，建立人为操作可靠性分析模型，并量化人的可靠性[6]。
人为操作可靠性受到人的生理、心理、精神状态以及人机环境等多种因素的影响。在变电站综合自动化系统操作时，监护人与操作人常要共用一台电脑，操作者容易受到彼此干扰而影响操作，在操作项目较多时容易因为疲劳造成操作事故。
提高人为操作可靠性措施：⑴根据人、机特点，合理分配人机功能；⑵强化对操作人员的选拔、培训及责任心的培养，合理安排作息时间，使人处于最佳状态；⑶设备设计要有防错措施；⑷改善操作环境，使操作容易进行，不易发生操作错误。
3结语
要提高变电站综合自动化系统的可靠性，需要从系统硬件、软件和人为操作几个方面入手，重点对影响可靠性的关键结构和薄弱环节进行分析研究，并提高其可靠性，这样才能提高整个系统的可靠性。
参考文献：
[1]雷宇等.变电站综合自动化系统可靠性的定量评估[J].电力科学与工程，2009,25(6).
[2]PatrickD.T.O’Connor等.实用可靠性工程（第四版）[M].北京：电子工业出版社，2005.
[3]秦英孝.可靠性•维修性•保障性管理[M].北京：国防工业出版社，2003.
[4]何永祥.数字化变电站技术在西昌电网中的应用及其关键技术研究[J].国外电子测量技术，2009,28(2).
[5]刘晓娟等.软件可靠性度量方法[J].计算机工程，2009,35(3).
[6]白艳等.变电运行操作中人的可靠性分析[J].中国电力教育，2010(10).