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基于IEC+61850的变电站自动化系统连锁故障分析

发布时间:2016-10-26 19:58

  本文关键词:基于IEC 61850的变电站自动化系统连锁故障分析,由笔耕文化传播整理发布。



第37卷第2期
2013年1月25日

电力系统自动化
Automation of Electric Power Systems

V01.37

No.2

Jan.25,2013

DOI:10.7500flAEPS201204097

基于IEC 61850的变电站自动化系统连锁故障分析
张其林1’2,王先培1,赵 宇1
(1.武汉大学电子信息学院,湖北省武汉市430072;2.湖北文理学院数学与计算机学院,湖北省襄阳市441053)

摘要:IEC 61850定义的逻辑节点之间存在复杂的交互关系,变电站自动化系统中的故障有可能通

过这种关系在系统中进一步传播。从复杂网络理论出发,将逻辑节点作为网络的节点,逻辑连接作 为网络的边,则逻辑节点之间的交互关系就可以抽象成一个复杂网络。首先,统计这个复杂网络的 相关特征参数,结果表明,逻辑节点之间的交互关系同时具有小世界和无标度特征;然后,建立了基 于耦合映像格子(cML)的变电站自动化系统连锁故障模型,仿真实验在一定程度上揭示了逻辑节 点的故障在系统中的传播规律。最后,以T1一l型变电站为例,分析其自动化系统中逻辑节点交互 的特性,并应用所建立的模型进行了仿真,进一步验证了从逻辑节点交互特性角度分析变电站自动 化系统的故障传播的有效性。 关键词:IEC 61850;变电站自动化;复杂网络;耦合映像格子;连锁故障


引言
智能电网的发展对电网的安全需求及供电可靠

生物直至社会等各类开放复杂系统的骨架[5书],是研 究它们拓扑结构和动力学性质的有力工具。在电力 系统安全方面,应用复杂网络理论研究电网的结构 脆弱性、分析复杂电网中连锁故障传播机理的方法 取得了众多成果[7’1 2|。这些研究成果均集中在大电 网复杂性方面,对监测、保护和控制日益复杂的变电 站自动化系统中的连锁故障研究尚不多见。本文将
IEC

性要求不断提高,电网中的重要节点——变电站的
安全性也显得极为重要,对变电站的保护与监控要 求越来越高,变电站二次系统也越来越复杂u o。
IEC

61850规定的变电站自动化系统功能由若干相

互交换数据的逻辑节点组成,且仅有逻辑节点中的 数据才能进行交换。逻辑节点是一个由数据和方法 定义的对象,与一次设备相关的逻辑节点不是一次 设备本身,而是它的智能部分或者是它在二次系统 中的映像。根据变电站的功能特点,IEC 61850大 约定义了90个逻辑节点,且提供了扩展定义逻辑节 点的规则心:。所有逻辑节点及其之间的复杂交互实 现了基于IEC 61850的变电站监测、保护与控制功 能。变电站自动化系统的潜在故障将会通过逻辑节 点问的数据交换在相应的智能电子设备(IED)上反 映出来。因此,从整体的角度探索逻辑节点之间的 复杂交互特性对研究变电站自动化系统部件故障的 连锁反应、传播机制、系统的演化机理有重要的 意义。 近年来,复杂网络作为复杂系统研究的热点正 受到各领域研究人员的密切关注[34]。从整体的角 度来考虑复杂系统,将复杂网络用于描述从技术到
收稿日期:2012—04—12;修回日期:2012—07—23。
国家自然科学基金资助项目(50677047);湖北省自然科学基

61850定义的变电站自动化系统功能中逻辑节

点之间的交互关系抽象成一个复杂网络,统计结果 表明,逻辑节点交互网同时具有小世界和无标度特 征。在此基础上,建立了基于耦合映像格子
(coupled map

lattices,CML)的变电站自动化系统

连锁故障传播模型,仿真实验和实例分析均验证了 从逻辑节点交互特性角度分析变电站自动化系统的 故障传播的有效性,为基于IEC 61850的变电站自 动化系统的建设提供了一定的参考。

1.1

复杂网络基本理论
复杂网络简介 现实世界中的大多数复杂系统可以用网络的形

式来描述。人们最初用规则网络描述真实世界的系 统,例如邻近环网。由于规则网络结构的特殊性,导 致规则网络所能描述系统的范围极其有限。 1959年,数学家Erd6s和R6nyi提出了ER随机网 络的概念n 3I,大大拓展了网络研究的范围。随机网 络的随机性十分符合真实网络中连接的某些特性, 但是对于动态演化系统中所表现出来的一些重要特 性,如社会理论中的马太效应等无法予以说明。 61—

金资助项目(2010CDZ051);湖北省教育厅基金资助项目
(D20092505)。

万方数据















1998年Watts和Strogatz提出小世界网络概 念u“,1999年Barabdsi和Albert发现无标度网络 特性。¨],突破了随机网络模型的束缚,揭示了复杂 系统网络结构所包含的各类特征,奠定了复杂网络 研究的基础。 1.2复杂网络的特征参数 根据基本单位之间是否存在相互作用,一个网 络可抽象地表示为由点集V和边集E构成的图 G一(V,E)。如果任意点对(i,J)与(J,i)对应同一 条边,则该网络称为无向网络,否则称为有向网络。 为研究网络的结构特征。下列参数常被用来分析复 杂网络的统计特性。 1)平均路径长度L 其定义为网络中任意2个节点间最短路径长度 的平均值:

向的逻辑连接。例如,开关控制器CSWI向人机接 口IHMI报告断器路的状态,即认为存在一条从 CSWI到IHMI的有向逻辑连接。根据IEC
61850—

5。21定义的PICOM,将逻辑节点看成网络的节点,逻 辑连接看成网络的边,基于IEC 61850的变电站自 动化系统就可以抽象成一个有向复杂网络,如附录 A图A1所示。 由于像发电机这样的实体已超出变电站标准范
围,且IEC 61850—5附录A中没有规定与其他逻辑

节点的交互关系,附录A图A1中忽略了以“Z”开 头的逻辑节点,故只考虑了80个逻辑节点。如果变 电站自动化系统要增加额外的功能,也可以启用或 者自定义相应的逻辑节点。 2.2逻辑节点交互复杂网的统计特征 根据第1节所述的统计特征参数,分别计算逻 辑节点交互网和相同结点随机网络的平均路径长度 及聚类系数,结果如表1所示。
表l
Table 1

L一丽N氚N善dj

“一(一1)台%
度;N为节点个数。

“7 (1)

式中:i,歹∈V;d。为连接节点i和J的最短路径长 平均路径长度主要反映各个节点问的紧密程 度。具有小世界效应的网络,即使非常复杂且规模 异常庞大,它的平均路径长度依然很小。 2)节点度数是和度分布P(是) 节点i的度数忌,指连接该节点的边数,对所有 节点的是,求均值可得到网络的平均度数石。节点 的度数能够体现该节点的“重要”程度。P(是)表示 的是一个随机选定的节点的度数恰好为是的概率, 度分布反映网络的整体性质。 3)聚类系数C 已知节点i的度数为走。,这是,个节点之间最多 有是,(是,一1)/2条边,而实际只存在E,条边,则节点 i的聚类系数C,表示为:

逻辑节点交互网与随机网络的统计特征
Statistics characteristics of logical nodes

interaction network and

random network

根据文献[14]的描述,小世界网络具有较短的 特征路径长度和较高的聚类系数。由表1可知,逻 辑节点交互网的平均路径长度比随机网络的要小, 而聚类系数要大得多。因此,可以认为逻辑节点交 互网属于小世界网络,这种特性对变电站自动化系 统的连锁故障有推波助澜的作用。 分别统计逻辑节点的入度与出度分布.得到双 对数坐标下的度分布如图1所示(线性坐标下的度 分布见附录A图A2)。

c:一赢‰
类系数C。




所有节点聚类系数C,的平均值即为网络的聚

基于IEC 61850的变电站自动化系统功

能中逻辑节点交互的复杂性
2.1

逻辑节点交互的抽象 为了实现对功能自由分布的支持,IEC
61850

定义了与设备无关的功能,并把功能分解成逻辑节 点,逻辑节点之间通过逻辑连接实现数据的传输。 如果逻辑节点之间存在通信信息片(piece
information for of

图l
Fig.1

双对数坐标下逻辑节点的度分布
Degree distributions of logical nodes in double

logarithmic coordinate

communication,PICOM)的传输,

可以看出,在双对数坐标下,逻辑节点交互网的 度分布近似呈一条直线。采用最tbZ-乘法得到拟合

即认为源逻辑节点到目的逻辑节点之间存在一条有 一62一

万方数据

?学术研究?

张其林,等基于IEC 61850的变电站自动化系统连锁故障分析

曲线的人度和出度分布表达式分别为:
P1(忌)一0.622 8k_2’1” Po(志)一O。509 8k.1,48 (3) (4)

为0;N。为存在人度元素的个数;N:为存在出度元 素的个数;deg+(i)为节点i的入度;deg一(i)为节点 i的出度;£。∈(o,t),为节点i的人边耦合强度;£:∈ (o,1),为节点i的出边耦合强度;f为非线性函数, 表征节点自身动态行为,此处选择混沌Logistic映 射厂(z)一4z(1-x),当0≤z≤1时,0K厂(z)≤1。 式(5)中的绝对值符号保证各节点的状态非负。 若节点i的状态在m个时序内始终在(o,1)范围内, 即O<z:(£)<1,tKm,那么称节点i处于正常状态。 若在仇时刻,节点i的状态z:(优)≥1,则称节点i 在此刻发生了故障。这种情况下,节点i的状态在 以后的任意时刻恒等于零,即z:(£)一0,f>m。在 节点状态按照式(5)进行迭代演化的过程中,若 N个节点的初始状态都在(0,1)范围内,并且没有 外部扰动,那么所有的节点将永远保持正常状态。 为了研究由于单个节点受到冲击导致的连锁故 障,在m时刻给某个节点C施加一个外部扰动R≥ 1,如下所示:
X:7(£+1)一z:(£+1)+R=

文献7151中提到,度数服从幂律分布的网络称 为无标度网络。无标度网络的特点在于它存在着极 少数具有大量连接的节点。这类节点对网络功能有 重要影响,使网络同时具有对随机故障的鲁棒性和 对选择性攻击的脆弱性。 从上述分析可知,基于IEC 61850的变电站自 动化系统中逻辑节点交互网同时具有小世界和无标 度特征,即少数逻辑节点的度数很高,其他大部分的 逻辑节点均聚类在少数逻辑节点周围,导致平均路 径长度较小。

3变电站自动化系统的连锁故障分析
3.1

基于CML的连锁故障模型 大多数时空系统的时间、空间和状态数量是连

续的,适宜用偏微分方程来描述。无论是进行理论 分析还是数值分析都比较复杂,而且运算量大。一 种有效的方法是将时间和空间离散化,但状态变量 仍保持连续,既能克服上述缺点,又能从本质上显示 出系统的复杂时空特性,这就是CML。CML最初 由Kaneko[161于1984年提出,它是一个时间、空间 都离散而状态保持连续的非线性动力学模型,近年 来已经被广泛应用于研究复杂系统的时空动力学行 为,在神经网络、城市交通等很多方面都取得了广泛 的推广和应用[17。1 8。。文献[19]提出了基于CML的 连锁失效模型;文献[20]提出了基于CML的边扰 动连锁故障模型;文献[-21]提出了适合描述有向网 络的连锁故障模型。本文在上述模型基础上提出一 种基于IEC 61850的变电站自动化系统连锁故障 模型。 设逻辑节点交互网包含N个逻辑节点,则其 CML的连锁故障模型为: zi(£+1)=I(1一el一£2)f(xi(£))+

1(1一e,一e。)厂(z:(t))+

邑,妻;%等等+ez:妻,ni等等卜
(6)

这种情况下,节点C在仇时刻发生故障,因此 对所有的£>m,有z。(£)=0。在m+1时刻,所有与 节点C直接相连的节点,即c的邻居节点,都将受到 m时刻c节点的状态值z。(优)的影响,并且这些节 点会根据式(5)进行状态值的更新,而更新的结果可 能使有的节点状态值大于1,从而节点会发生失效, 又引起新一轮节点状态值的更新,导致连锁故障。 这个过程反复进行,节点的故障规模就可能扩散,最 终可能导致网络的崩溃。
3.2

基于CML的变电站自动化系统连锁故障 智能电网开放网络环境下,变电站自动化系统

分析

已i妻i%黜托i熏,乜“黜1
(5)

面临多方面的安全威胁,如网络攻击、恶意破坏、设 备自身故障等。这些对系统的威胁归根到底是针对 系统中的一类或者多类设备的威胁,进一步可以认 为是针对设备中的逻辑节点的威胁。由第2节分析 可知,功能完整且基于IEC 61850的变电站自动化 系统中的逻辑节点交互网是一个有向复杂网络,分 析这个复杂网络中节点失效在网络中的传播就可以 研究逻辑节点失效在变电站自动化系统中的传播规 律。将上述安全威胁统一归纳为对逻辑节点不同程 度的扰动,根据3.1节中的连锁故障模型,本文主要 一63—

式中:z;(£)为第i个节点在t时刻的状态;n。和a,: 为连接信息矩阵A∈R撇N中的元素,若以节点i为 源节点,歹为目的节点存在有向边,则a。一1,若以节 点歹为源节点,i为目的节点存在有向边,则口Ⅳ一1, 若i和J之间无边相连,则a。一n。一0,且规定网络 中不允许存在重复边和自环,因此,矩阵A是一个 只包括元素0和1的非对称矩阵,且对角线元素均

万方数据















关注以下问题:一个逻辑节点失效后,系统中其他逻 辑节点的失效情况;扰动大小对故障传播的影响。 根据变电站自动化系统的功能特点及逻辑节点 度的统计,以部分保护功能逻辑节点PDIS,PTOC, CILO,PLDF作为功能关键节点,并以度较大的 IHMI,RBRF,STIM,TCTR,TVTR,XCBR作为连 接关键节点,对它们施加不同程度的扰动,分析失效 传播情况。仿真实验在MATLAB 7.0环境中编程 实现,所有的数据取50次实验的平均值。首先,根 据附录A图A1构造80个逻辑节点的连接信息矩 阵,并设定相关参数£。一0.2,E。一0.6。在第5个时 刻点分别给上述逻辑节点施加R为1,2,3,4,5,6 时的扰动,故障在系统中的传播情况如图2所示。 图中,J(£)为故障规模。

2个时刻点后就致整个系统崩溃;针对断路器的扰 动也使故障的扩散程度较大。这也证明了逻辑节点 交互网的小世界特性及无标度特性,少数度数大的 节点对系统的连锁故障有推波助澜的作用。随着施 加扰动的增大,对整个系统影响比较大的逻辑节点 逐渐增多。图2(c)中显示CILO的故障较其他功能 关键逻辑节点扩散范围大得多,而它们的度相差不 大,因为CILO与CSWI相关,CILO的故障首先影 响CSWI,故障在CSWI中产生连锁反应,继续扩散 到更大的范围。仿真实验中CILO故障的扩散过程 为:CILO—,CSWI—,(XCBR,GAPC,ARCO, ATCC)一更多逻辑节点。因此,与其他功能关键逻 辑节点相比,CILO的故障扩散较大,时间稍长。 当R一4时,连接关键节点故障扩散得很快,经 历3个时刻点就使整个网络崩溃,如图2(d)所示。 当继续增加扰动的程度,存在一个扰动阈值R一5, 使功能关键逻辑节点的故障开始向整个系统扩散, 如图2(e)所示。R一8又是另一个阈值,使任一个 节点的故障都会波及整个系统,见附录A图A3。
3.3

实例分析 以T1-1型变电站为例对其自动化系统进行分

析。T1—1型变电站主要包括系统的相关保护、运行 和控制功能,其基本结构见附录A图A4。基于
IEC

61850对系统功能进行分解,得到逻辑节点连

接图如图3所示。图中,TVTR,TCTR,IHMI, XCBR的多个实例未全部列举,箭头表示逻辑节点 之间存在PICOM的传输。 图3中,各逻辑节点在IED上的分布情况如 下:监控工作站(IHMI,CALH)、远动工作站(ITCI, ITMI)、差动保护单元(PLDF)、距离保护单元 (PDIS)、变压器保护控制单元(PTOV,PIOV, ATCC)、间隔控制单元(C11.O,CSWI)、分接头 (YLTC)、断路器(XCBR)、隔离刀闸(XSWI)、电流
时刻点 (e)R25 时刻点 (f)R=6

互感器(TCTR)、电压互感器(TVTR)。 统计图3中逻辑节点交互网的平均路径长度为
2.374

一CILO;一PDIS;+PLDF:一PTOC;一IHMI —RBRF;一STIM;一TCTR:十TvTR:斗_XCBR 图2故障扩散过程
Fig.2 Fault diffusion process

6,聚类系数为0.427 9;而相同节点的随机网
4。

络的平均路径长度为1.795 9,聚类系数为0.273

因此,基于IEC 61850的T1—1型变电站的自动化系 统逻辑节点交互同样满足小世界特性。根据3.2节 的连锁故障模型,仿真参数与3.2节相同,当扰动 R一2时,功能关键节点和连接关键接点故障扩散曲 线如图4所示。可见,存在与3.2节相同的结论,功 能关键节点CILO的故障扩散的范围比其他节点稍 大,,其故障传播的路径为:CILO—CSWI--(PDIS,
PLDF,PTOC,PTOV)—,(TCTR,TVTR)。PDIS

图2(a)是R一1时的故障扩散过程,通过比较 可知,除IHMI的其他逻辑节点在轻微扰动下故障 基本没有扩散,而IHMI面对扰动时,存在一定程度 的故障扩散。因为变电站的所有监测与控制功能都 要通过人机接口设备来处理,这类IED的故障将会 传播得很快。而其他大部分逻辑节点实现的功能出 现故障后,其影响只是在某单一功能模块内。 图2(b)中,对IHMI施加R一2的扰动,故障在 ~64—

的故障传播路径为:PDIS一(TCTR,TVTR,
CXBR)—,CALH.

万方数据

?学术研究?

张其林,等基于IEC 61850的变电站自动化系统连锁故障分析

图3 Hg.3

T1-1型变电站功能逻辑节点连接图
diagram of T1。1 substation functions

Logical nodes



结语
本文根据IEC 61850分析了变电站自动化系统

中逻辑节点之间的交互关系,从复杂网络角度统计 相关的特征参数,分析结果表明,逻辑节点交互网同 时具有小世界和无标度特征。建立了基于CML的 变电站自动化系统连锁故障模型,仿真实验表明,逻
_. L r,.- L .。P r.L



辑节点交互的小世界特性与无标度特性对故障的扩
4 8 12 16 20

时刻点

散有重要的影响,并以T1—1型变电站为例进行了验 证。下一步重点分析扰动大小与变电站自动化系统 部件可靠性的关系,并深人研究系统关键部件的容 错方案,以应对部件自身故障及攻击而产生的连锁 故障。

—-CILO:—E}IHMI;——9一PDIS:—P 图4
Fig.4

PTOC:——TCTR

R=2时T1—1型变电站故障扩散过程
Fault diffusion process of TI-1 substation

whenR=2

由上述分析可得到如下结论。 1)逻辑节点的度数对故障的扩散起重要作用。 某个节点的度数越大,它对应的传播路径就越多,扩 散范围就越大。在资源有限的情况下,优先保护度 数比较大的节点比随机选择节点进行保护效果要好 得多。因此,在变电站自动化系统中,对一些包括连 接关键节点的IED应采取必要的保护措施。 2)无标度特征使逻辑节点交互网在面对选择性 攻击时表现出更强的脆弱性。从仿真结果可看出, 对部分逻辑节点的选择性扰动可使故障很快地传 播,直至系统崩溃。在逻辑节点交互网中,少数节点 连接多,度数很高,当变电站自动化系统增加功能 时,网络规模增长,这些节点的度数将随新节点的接 入进一步增加。所以,必须对变电站自动化系统中 的人机接口装置及电流和电压互感器等采取冗余配 置,以应对蓄意攻击。 3)扰动越大,故障传播得越快,故障范围也越 大。扰动可以理解为系统部件的故障严重程度、网 络攻击的破坏性大小。提高部件的可靠性可以有效 地阻碍故障的传播。
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(1.College of Electronic and Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China: 2.College of Mathematic and Computer,Hubei University of Art and Science,Xiangyang 441053,China) Abstract:The complex interactions
are

existed among logical nodes defined in IEC 61850.The faults in substation automation
on

system may further propagate via these interactions.Based treated
can
as

the perspective of complex network theory,the logical nodes
as

are

network’s nodes,the logical connections
as a

are

treated

network’s edges,complex relationships among logical nodes
are

be expressed

complex network.First,the relevant statistic parameters of complex network

calculated.The resuIts
at

show that the interaction relations among logical nodes have the characteristics of small—world and scale—free Then the cascading Simulation results failure model of show substation automation system is reveals the
propagation

the same time.

established of logical

based

on

coupled
in

maP lattices(CML).

that the model

rule

node failures

the system.Finally,the
on

interactive features of the logical nodes in automation system of T1—1 substation established modeI further validate the effectiveness of the method. This work is supported by National

are

analyzed,and the simulations based

the

Natural Science Foundation of China(No.50677047)and Hubei Provincial Natural

Science Foundation of China(No.2010CDZ051). Key words:IEC 61850;substation automation;complex network;coupled map lattices;cascading failures

一66—

万方数据

基于IEC 61850的变电站自动化系统连锁故障分析
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 张其林, 王先培, 赵宇, ZHANG Qilin, WANG Xianpei, ZHAO Yu 张其林,ZHANG Qilin(武汉大学电子信息学院,湖北省武汉市430072;湖北文理学院数学与计算机学院,湖北 省襄阳市441053), 王先培,赵宇,WANG Xianpei,ZHAO Yu(武汉大学电子信息学院,湖北省武汉市,430072) 电力系统自动化 Automation of Electric Power Systems 2013,37(2)

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本文编号:154658

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