基于HAZOP分析的数字化变电站故障树建立方法

第40卷第6期电力系统保护与控制Vol.40 No.6 2012年3月16日Power System Protection and Control Mar. 16, 2012基于HAZOP分析的数字化变电站故障树建立方法苏永春1，陈忻磊2，张沛超2，胡昱宙2，胡 炎2（1.江西省电力科学研究院，江西 南昌 330096； 2. 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海 200240）摘要：针对故障树的建立中所存在的主观性、模糊性、重复性以及覆盖性等问题，提出了一种基于HAZOP建立数字化变电站故障树的系统性方法。

先通过HAZOP的引导词与数字化变电站相联系，确定必要的偏差事件；然后分析得出偏差产生的原因和结果，以此来确定故障树的父子关系；最后按照流程图建立完整的故障树，并以数字化变电站与数字化保护为例，示例了完整的建模过程。

通过此方法可以规范化地建立故障树，为发现数字化变电站系统内固有的或潜在的各种危险因素提供了科学、合理的手段。

关键词：危险与可操作性；故障树分析；数字化变电站；可靠性分析A fault tree constructing method based on HAZOP analysis for digital substationsSU Yong-chun1, CHEN Xin-lei1, ZHANG Pei-chao2, HU Yi-zhou2，HU Yan2（1. Jiangxi Electric Power Science Research Institute，Nanchang 330096, China;2. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China）Abstract: Aiming at the issues of subjectivity, ambiguity, redundancy and coverage, this paper presents a systematic approach to constructing fault trees of digital substations based on HAZOP. First, the necessary deviation events are determined through associating the HAZOP guide words with the digital substation. Then the causes and results of the deviation are analyzed in order to determine the paternity of the fault tree. Finally, the complete fault tree is constructed according to the proposed flow chart. To illustrate the effectiveness of the proposed approach, the overall model as well as the modeling process of the digital substation and digital protection system is presented. This method can establish fault tree normatively, and provide a scientific and rational way to identify the inherent or potential risks within the digital substation systems.This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50807037).Key words: HAZOP；FTA；digital substation；reliability analysis中图分类号： TM764 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2012)06-0001-050 引言为适应智能电网的发展需要，目前国内大规模建设新的数字化变电站[1-3]，同时进行传统变电站的数字化改造工程。

因此，数字化变电站的可靠性问题引起广泛关注。

系统可靠性分析方法主要有两类：组合法和状态法。

组合法具有模型易于理解和建立、计算量小等优点，因此在不考虑系统的可修复性的前提下，组合法得到了广泛应用。

组合法又包括可靠性框图（Reliability Block Diagram，RBD）和故障树（Fault Tree，FT）法。

在关于数字化变电站可靠性分析的研究中，多采用基金项目：国家自然科学基金项目（50807037） RBD法[4-6]。

该方法的局限性是仅考虑到系统硬件失效，不能考虑人为因素、环境因素、软件因素等。

同时，数字化变电站中大量采用通信技术，由通信原因导致的延迟、丢包、失去同步等问题会导致系统功能失效或降级，使用RBD分析方法无法体现这种关联逻辑。

与之比较，FT方法可以对导致事故的各种原因及逻辑关系做出全面、简洁、形象的描述，并进行定性和定量分析。

另一个潜在的好处是，FT方法是工作于失败域，通常失败域要比成功域小得多，这是由于FT往往只关心某个失效单元或某个不期望事件。

但FT 方法存在如下问题：（1）主观性。

不同人所建造的“树”不会完全相同，这与RBD有很大区别。

（2）模糊性。

当顶事件过于模糊时，将会使故障树庞大- 2 - 电力系统保护与控制而复杂，导致FT 重点不突出，不明确。

（3）重复性。

当系统中存在多个顶事件时，如果顶事件之间界限不清，容易导致FT 之间有较大重复与重叠。

（4）易遗漏。

由于存在主观性，使得事件容易被遗漏，使得FT 不能覆盖完整的失败域。

为了解决FT 方法的这些局限性，本文提出一种建立数字化变电站FT 的系统性方法。

该方法首先引入一种在化工领域广泛使用的危险与可操作性分析方法（Hazard and Operability ，HAZOP ），对可能导致数字化变电站失效的具体情形进行详细分析。

在此基础上，提出一种利用HAZOP 的分析结论构造故障树的系统方法。

1 HAZOP 分析方法HAZOP 是以系统工程为基础的一种可用于定性分析或定量评价的危险性评价方法[7-9]。

该方法重点分析系统运行过程中状态参数的变动、操作控制中可能出现的偏差事件。

通过分析导致这些偏差的原因及这些偏差对系统造成的影响，明确系统实际运行过程中存在的主要风险、危害因素，寻找系统的薄弱环节，并针对偏差事件的后果提出相应的预防措施。

HAZOP 分析的核心是引导词与系统元素之间的搭配[10]。

将HAZOP 中定义的引导词与数字化变电站联系后，得到了如表1所示的偏差类型与引导词的关系。

由表1可见，上述偏差类型对于分析数字化变电站的可靠性具有重要指导意义。

其中既包括定量偏差，也包括定性偏差。

由于数字化变电站的特点，因网络丢包、延迟、乱序等数据完整性问题会导致系统异常，表1中与时间和时序相关的偏差刚好覆盖了这些问题。

表1偏差类型与相关的引导词Table 1 Type of deviations and the associated guide words偏差类型引导词说明与示例负面 NO （无） 无数据或控制信号，如保护拒动。

MORE （偏高）如过程层网络流量偏大；监控后台弹出事件报告过于频繁。

定量LESS （偏低）如测量值偏低。

AS WELL AS （以及）干扰和噪声。

如采集单元、合并单元在电源开断、电源抖动时有不规则输出；因网络风暴导致大量重复报文。

定性PART OF （部分）信息不完整。

如采样值丢包；遥信事件不完整。

REVERSE （逆）如互感器极性反向。

替换OTHER THAN （异常）错误的输出信号或控制命令，如保护误动；数据品质异常。

EARLY （偏早）时间LATE （偏晚）时间错误的输出信号。

如采样值失步；网络延迟；保护动作过缓等。

BEFORE （之前）时序AFTER （之后）时序错误的信号或报文，如采样值乱序、GOOSE 乱序。

本文提出如图1所示的基于HAZOP 分析的数字化变电站故障树建立方法。

实施HAZOP 分析的一般步骤见图1的上半部分。

图1 HAZOP 分析建立故障树的流程图Fig.1 Flow chart of constructing the fault tree by HAZOP analysis2 数字化变电站HAZOP 分析按照图1的分析流程对数字化变电站进行HAZOP 分析，元素分别选择保护装置、测控装置、合并单元/智能终端以及通信网络。

在遍历全部具有实际意义的偏差事件后，得到针对数字化变电站的苏永春，等基于HAZOP分析的数字化变电站故障树建立方法- 3 - HAZOP分析结论，如表2所示。

表2 数字化变电站HAZOP分析Table 2 HAZOP analysis for digital substationsNO 元素引导词偏差原因后果M1 合并单元/智能终端NO 无输出信号 1.合并单元/智能终端固件故障2. 合并单元/智能终端光端口故障保护闭锁、拒动M2 合并单元/智能终端AS WELL AS 干扰与噪声 1.电子式互感器异常2. 电源开断、抖动影响输出保护闭锁或误动M3 合并单元/智能终端OTHER THAN SMV/GOOSE报文异常 1.合并单元/智能终端固件故障2. 电子式互感器异常3. 开关量采集回路异常保护闭锁、拒动M4 合并单元/智能终端PART OF SMV/GOOSE丢帧 1.合并单元/智能终端固件故障2. 合并单元/智能终端光端口故障保护闭锁、拒动M5 合并单元/智能终端EARLY/LATE SMV失去同步 1.GPS/同步模块故障2. 合并单元守时异常保护闭锁、拒动或误动M6 合并单元/智能终端BEFORE/AFTER SMV/GOOSE乱序 1.合并单元/智能终端固件故障保护闭锁、拒动M7 合并单元/智能终端REVERSE 采样值极性反向 1. 互感器接线错误2. 电子式互感器积分器故障保护误动或拒动M8 合并单元/智能终端LATE SMV/GOOSE延迟，动作速度慢1. 合并单元/智能终端固件故障保护动作过缓P1 保护装置 NO 保护拒动 1.保护算法（软件）问题2. 保护闭锁后不能及时返回不能切除故障P2 保护装置 OTHERTHAN 保护误动 1.保护算法（软件）问题2. 保护闭锁功能失效误切除设备P3 保护装置 LATE 动作速度过缓 1.CPU负载过高，或RTOS调度异常2. 保护算法（软件）问题3. CT饱和不能快速解除故障C1 测控装置 NO 无输出事件/控制命令 1.装置故障2. 通信配置错误“四遥”失败C2 测控装置 PARTOF 输出事件不完整 1.通信配置错误影响调度端高级应用C3 测控装置 MORE 输出事件太频繁 1. 测量值死区设置不合理2. 开关量去抖时间设置不合理影响调度端高级应用C4 测控装置 MORE/LESS 测量精度不足（偏高/偏低）1. 采集单元异常影响调度端高级应用C5 测控装置 EARLY/LATE SOE时间不准确（达不到2ms精度要求）1. GPS/同步模块故障2. 装置守时异常影响调度端高级应用C6 测控装置 LATE 遥测、遥信上送时间过长 1. 装置故障影响调度端高级应用N1 通信网络 NO 通信中断 1.交换机故障2. 光纤故障保护闭锁、拒动N2 通信网络 MORE 网络流量偏高 1.交换机带宽不足2. VLAN划分不合理3. GMRP协议异常保护动作过缓或拒动N3 通信网络 ASWELLAS 网络风暴 1.网络环路2. RSTP协议失效3. IED网卡故障保护拒动N4 通信网络 OTHERTHAN 通信报文错误 1.通信配置错误（如GOOSE/SMV配置错误）2. 交换机故障保护误动或拒动下面以保护系统为例，讨论如何依据HAZOP 分析结论建立故障树。