故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用

故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用 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 ANALYSIS OF SUBSTATION COMMUNICATION SYSTEM HAN Xiao-tao，YIN Xiang-gen，ZHANG Zhe (School of Electrical & Electronic Eng.，Huazhong University of Sci.&Tech.，Wuhan 430074， Hubei Province，China) ABSTRACT: With the development of electronic and 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 informational technology in Instrument & Control (I&C) area, 响。应用故障树分析法，可以提高变电站通信系统的可靠性 the reliability of substation communication system (SCS) is 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 playing an important role in the decision of the performance 依据。 of SCS. As a powerful tool in system failure analyzing and system failure probability prediction, Fault tree analysis (FTA) 关键词:故障树分析法;可靠性;变电站通信系统;最小割can be applied in the reliability analysis and prediction of SCS. 集分析;网络拓扑 The basic concept of reliability theory, the principle of FTA method and the quantitative and qualitative ways to solve the 1 引言 reliability problem are described, and the failure models of 随着微机技术和智能电子设备(Intelligent SCS are abstracted in accordance with the characteristic of SCS. Electronic Device，IED)的迅速发展，微机保护装 The main factors affecting the failure of SCS can be 置、微机故障录波装置、电子式互感器和智能电能 determined by qualitative analysis in which the minimal cut set [1]测量装置等在变电站系统内得到了大量使用。由 analysis (MCSA) is used. For frequent topological forms of 于智能设备的应用，大量的变电站运行、状态和控 SCS the quantitative analysis is used to analyze their 制信息需要传送。因而负责传送这些信息的通信系 availabilities to illustrate the influence of different topological 统的性能便成为进一步提高变电站自动化水平的 forms on reliability of SCS. Using FTA the analysis lever of 关键因素。对通信系统的研究除了研究其传输介 SCS reliability can be improved and the results of the analysis 质、通信速度、拓扑结构和服务品质外，对通信系 can be used as the theoretical basis for the reliability analysis of 统可靠性的研究也是一个重要方面。 newbuilt SCS. 以往对可靠性的研究主要集中在输电网、配电 [2~4]KEY WORDS: Fault tree analysis (FTA); Reliability; 网自身的可靠性建模和分析算法的研究上，或对 [5]Substation communication system (SCS); Minimal cut set 不同的电网连接方式进行供电可靠性的研究。随着 analysis (MCSA); Network topology 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 摘要:随着测控技术的电子化和信息化的发展，变电站通信可靠性。 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 故障树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)由 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 美国贝尔电话实验室的 H.A.Walson 首先提出，它 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 是一种系统可靠性分析方法。利用故障树可以寻找 系统的特点，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 57 电 网技 术 它事件之间的交互关系。在故障树中，底事件(basic 潜在故障或进行故障诊断，还可以进一步预测系统 event)通过一些逻辑符号(如与门和或门)连接到 故障发生的概率。对系统进行可靠性分析与预测， [6]已广泛应用于工程实践。对于由多个环节构成的 一个或多个顶事件(top event)。顶事件一般指危及 变电站通信系统，也可以应用故障树分析法研究其系统的事件或是不希望发生的系统故障。底事件通系统的可靠性。 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: 2 可靠性理论的基本概念 ?定义系统和系统故障，确定系统故障事件， 可靠性理论是进行故障树分析的基础。其中几 即“顶事件”; 个关键的技术指标，如可靠度、失效率、平均寿命、 ?建造故障树;[6]系统有效度和失效度等介绍如下: ?进行定性与定量分析。 对故障树的定性分(1)可靠度 R 产品在规定的条件下和规定的 析通常采用最小割集法，即 时间 t 内，完成规定功能的概率称为该产品的可靠 利用引起发生事件的基本事件链来发现系统的薄度，记为 R (t ) P (T t ), t 0 。 弱环节，进而采取改进措施，提高系统的可靠性。 (2)失效率Z 单位时间内失效的元器件数与 设故障树中有 n 个基本事件 x, x, , x，而 C 为由 1 2 n 元器件总数之比称为失效率，它也是时间的函数。 其中某些基本事件组成的集合 ， C {x , i (3)平均寿命 对于不可修复产品，平均寿 1 x , x , x } ,1 i n , k 1,2, , e 。当 C 中命指的是平均工作时间(Mean Time To Failure， i i i k 2 k e MTTF)，对于可修复产品，平均寿命指的是相邻故 基本事件都发生时，顶事件必发生，此时则称 C 为 障间的平均工作时间(Mean Time Between Failure， 故障树的一个割集。若 C 中去掉任意一个基本事件 MTBF)。二者统称为平均寿命。数学上就是寿命 T后就不再是割集时，则称此时的 C 为最小割集。最 小割集的求解方法有上行法(Semanderes 算法)、的数学期望 E(T)。如果寿命 T 具有分布密度函数 下行法( Fussell - Vesely 算法)和质数法。 f (t ) ，则若已求得故障树的所有最小割集 C, C, , 1 2 MTBF E (T ) tf (t)dt tf (t )dt C，并且已知基本事件 x, x,, x发生的概率， m 1 2 n 0 t 则顶事件发生的概率为 d F (t )du td F (t ) dud F (t) m 0 0 0 0 u P(T ) P(C)(3) i (1) i 1 [1 F (u)]du 0 0 m R(u)du 如果可靠度服从指数分布，即R(t) P(T t ) 两两相斥，则 P(T ) 若 Ci Zt e, t 0 ，则 P(C) i (4) i 1 Zu (2) 否则MTBF E (T ) R(u)du e du 1/ 0 0 m Z ( 4 )系统有效度 A A MTBF /( MTBF P(T ) P(C) P(CC ) i i j i 1 1 i j m MTTR ) m 1 P(C C C ) ( 1) P(C C C ) (5) 式中 MTTR(Mean Time To Repair)为系统平均维 i j k 1 2 m 1 i j k m 修时间。 系统可靠度 R 1 P(T ) 。此即为故障数的 s q MTTR /(MTBF ( 5 )系统失效度 q 定量分析。 MTTR ) 。由上可见 A q 1。 4 变电站通信网络失效模型及其分析 3 故障树分析法的基本理论 4.1 概念 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、 失效模型及其分析就是分析变电站通信网络 环境、人为等因素)，在这些原因间建立逻辑关系， 的构成和可能引起网络功能失效的各种组成部分， 并用逻辑框图(即故障树) 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示的一种方法。故障 并分析每一部分的失效度和各部分间的相互关系。 树以图形化的方式表示了在一个系统内故障或其 当已知各部分的失效度-时，利用故障树分析法可以 58 Power System Technology Vol. 28 No. 1 很容易得到系统的总失效度:用或逻辑( OR)将任 通信系统故障 G一部分的失效会导致上一级失效的所有部分的失 4 61524×10 效度加起来，用与逻辑(AND)将只有所有部分都 G 保护设备故障3 6352×10 失效才会导致上一级失效的所有部分的失效度乘起 交换机失效 路由器失效 服务器失效GG1 2(S ) 5×42 6 2 (R) 577 ×10 6 663 来，根据这样的原则从底部向上依次构造故障树， (S ) 385×10 18750×10 618750×10 1 ×10 得到系统的总失效度或“顶事件”。 保护接 设 IED 设 保护接 IED 保护失效 备失效保护失效口失效 备失效 4.2 通信系统模型口失效 (R ) 30×55 (R) 30×285 (I) 30×285 (R) 30× 55 ) 30× 285(I(R) 30×285 121 112 6 6 6 66 6×10×10 ×10 目前的变电站通信网络通常包括集线器 ×10 ×10 ×10 (hubs)、交换机(switches)、路由器(routers )、IED 图 2 星型连接通信系统的故障树 Fig. 2 Star topology communication system fault tree 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 4.3 最小割集定性分析 假定 MTTR 为 48 h，按照前面可靠性基本理论的计 本文采用上行法进行分析，即从最末一级起， 算可以得到如表 1 所示的各设备的失效度 q。 将该级中各事件用基本事件表示，继而将上一级中 表 1 变电站通信网络设备的失效度 q 的事件用最末一级中的事件和本级中有关的基本 Tab. 1 The unavailability of network devices in 事件表示，如此向上运算，直到最上一级。每进行 substation communication system 一步，必须用事件间的逻辑运算规则进行运算并简 IED 接口 微机保化。这样可以得到全部的最小割集。顶事件用 T 表 集线器交换机路由器 服务器设备名称 设备护装置示。按照该原则，便可得到由下至上的最末一级、 131.5 99.6 MTBF /a 118.9 9.5 14.3 19.2 6 6 6 6 6 6 42 10 55 10 q 46 10 577 10385 10285 10 上一级、最上一级和顶事件的表达式: 备有上述数据后，就可以建造故障树。以一变(6) G R R I; G R R I 1 1 2 1 2 1 2 1 电站为例，站内有 30 套主保护装置和 30 套后备保 (7) G G G R R I 3 1 2 1 2 1护装置负责站内线路、开关和变压器等的监控，有 G S G S R 4 1 3 2 3 60 套 IED 设备负责电压、电流和功率等电量和非(8) R R R S S I 电量信息的传送。在底层，每 6 组保护装置和 6 组 1 2 3 1 2 1 IED 设备共享一个交换机，5 个交换机以星型方式 (9) T G R R R S S I 4 1 2 3 1 2 1连接到路由器，并与服务器和广域网(WAN)交换 由此可得该系统的最小割集为{R} ，{R} ， 12信息。系统连接框图如图 1 所示。 {R}，{S}，{S}，{I}，并可发现割集{R}(即路 31213 由器失效)的影响最大。可见若要提高系统的可靠 服务器 广域网( WAN 性，路由器的选择则非常重要。 路由器 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 交换机 交换机交换机交换机交换机树进行逻辑运算就可以得到系统的总失效度。对图 3 1212 12 12 12 …… … … … 所示的星型连接系统进行逻辑运算，可得到 G的输 4 6图 1 星型连接的网络结构图 出为 1 524×10，此即为系统的总失效度，则有效度 6 Fig. 1 Star topology network block diagram 为 1 1 524×10= 99.8 476 %。 在变电站通信网络 图 1 中每个交换机下的 12 个设备是 6 套保护 中还有一种常见的连接方 装置接口和 6 套 IED 设备接口。保护设备引起的故 式是总线型连接，如图 3 所示。采用级联方式将各 障因素有微机保护装置失效、保护装置接口(也是 集线器连接在一起，每一个集线器下的连接对象也 IED 设备接口)失效。而系统的失效因素有保护设 用星型连接。但由于集线器不能解决所谓的广播数 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 据风暴问题(Broadcast Data Storm, BDS)，所以网络 障树，其中顶事件定义为变电站通信系统故障。 接口的可靠性必须分为两部分:一部分为影响设备 6利用该故障树建立通信网络的失效模型后，就 的接口故障，失效率为 274×10;另一部分为 BDS 6可以进行最小割集的定性分析和定量分析。 引起的网络故障，失效率为 11×10。其故障树如图 4 所示。依次计算可得到系统的总失效度为 第 28 卷 第 1 期 59 电 网技 术 6 6 2 839×10，有效度为 1,2 839×10,99.7161%。的难易性等指标。 服务器 ) 广域网(WAN 5 小结 路由器 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 集线器集线器集线器集线器集线器 护;通过对不同 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的比较分析，也有利于新建通 12 12 12 12 12 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 图 3 级联总线型的网络结构图 障树分析法，对提高变电站通信系统可靠性设计水 Fig. 3 Cascaded bus topology network block diagram 平将起到积极作用。 通信系统故障 G 4参考文献 62839×10 [1] 陈升(Chen Sheng)(网络化变电站自动化系统的应用(Application of 失效 保护设 集线器失效 路由器失效BDS 服务器失效G computer network based substation automation system)[J](电力系统 3 6 备故障6 (S) 385×10(S) 5×46 (R ) 577×10 6123327×10 B )120×11 自动化(Automation of Electric Power Systems)，2000，26(10):59-63( ( 61 ×10 6× 10 [2] 丁明，刘友翔，戴仁昶，等(Ding Ming, Liu Youxiang, Dai Renchang et 6 6 G 18090×1018090×10 G 2al)(输电系统的分层可靠性建模及概率模拟( Hierarchical transmission 1 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 保护接 IED 设 设 保护接 IE D 备失效保护失效 保护失效(Sci.&Tech.))，1997，37(S1):99-103( 备失效口失效 口失效(I) 30×274(R) 30× 55 (R) 30× 274 (I) 30× 274 11 2 (R ) 30× 55 (R) 30×2741 [3] 洪梅，丁明，戴仁昶(Hong Mei，Ding Ming，Dai Renchang)(保护 12 6 6 6 6×10 6 6 ×10×10 ×10 ×10×10 The probabilistic 系统的概率模型及其对组合系统可靠性的影响(图 4 总线型连接的通信系统故障树 modeling of protection system and its effect on composite system Fig. 4 Bus topology network fault tree reliability)[J](电网技术(Power System Technology199721(8) )，，: 45-48( 为了提高系统运行可靠度，经常采用的方法是 [4] 刘开培，李俊娥(Liu Kaipei，Li Jun’e)(配电网自动化系统的可靠 系统冗余设计，将图 1 所示的系统全部采用双冗余 性模型与分析(Reliability model and analysis of distribution grid 设计，则可得到图 5 所示的故障树，其系统的总失 automatic system)[J](电工技术(Electric Engineering)，2002，(4): 6 6效度为 397×10，有效度为 1 397×10= 99.9603 %。 13-14( [5] 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 通信系统故障system loop nertwork)[J](电力系统及其自动化学报( Proceedings of G2 6the EPSA)，2002，14(2):49-50( 397×10 [6] 唐月英，樊鑫瑞(仪表可靠性基础 [M](北京:机械工业出版社， D 后备系统失效 主系统失效D G 1992( 1 6 19922×10 619922×10 保护接 设 交换机 IED 路由器 保护失效 服务器失效口失效 备失效 失效失效(R) 30×55 (R) 30× 285 (I) 30×285(S) 385 (S) 5×42 (R) 577 112 123 6 6 66 6 6×10×10×10 ×10×10×10 图 5 星型连接的冗余通信系统故障树 收稿日期:2002-07-30。 Fig. 5 Redundant star topology network fault tree 作者简介: 比较上述 3 种通信网络拓扑结构的系统可靠性 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。可以发现，星型连接冗余通信系统的可靠性最高， :编辑 查仁柏: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