基于模糊層次法的繼電保護(hù)裝置安全性評估模型

張寶林，王劍亮，陳華軍，黃曉昆

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州　510610；2.南方電網(wǎng)信息技術(shù)與信息安全實(shí)驗(yàn)室，廣州　510080；3.電力行業(yè)信息安全等級保護(hù)測評中心第五實(shí)驗(yàn)室，廣州　510080；4.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州　510080）

基于模糊層次法的繼電保護(hù)裝置安全性評估模型

張寶林1，王劍亮1，陳華軍2-4，黃曉昆1

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州510610；2.南方電網(wǎng)信息技術(shù)與信息安全實(shí)驗(yàn)室，廣州510080；3.電力行業(yè)信息安全等級保護(hù)測評中心第五實(shí)驗(yàn)室，廣州510080；4.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州510080）

0　引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展和人民用電量需求的增加，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響各行業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展。繼電保護(hù)裝置作為電網(wǎng)安全運(yùn)行的守護(hù)者，評估其安全水平是預(yù)防和解決電網(wǎng)安全問題的關(guān)鍵，對繼電保護(hù)裝置自身的安全穩(wěn)定進(jìn)行評估有利于預(yù)防電網(wǎng)大面積斷電、漏電等電網(wǎng)安全事故發(fā)生，并可以根據(jù)評估結(jié)果制定應(yīng)急預(yù)案或采取應(yīng)急措施，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供基本保障［1］。

層次分析法（AHP）是一種定性和定量相結(jié)合的決策方法［2］。AHP方法將目標(biāo)問題按目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層層次進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，每層有若干因素，通過相互比較確定準(zhǔn)則層各因素對目標(biāo)的權(quán)重以及指標(biāo)層各因素對準(zhǔn)則層的權(quán)重，將兩組權(quán)重通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合分析得出指標(biāo)層對于目標(biāo)層的權(quán)重，最后給出決策結(jié)果。

模糊數(shù)學(xué)理論早在1965年就已形成，通過把經(jīng)典集合中的隸屬關(guān)系加以擴(kuò)充，使元素對“集合”的隸屬程度由確定的只能取0與1這兩個(gè)值，推廣到［0，1］區(qū)間中的任一數(shù)值。

本文主要采用模糊綜合評價(jià)和層次分析法相結(jié)合的方法，對繼電保護(hù)裝置安全性進(jìn)行評估。

1　模糊層次分析法的數(shù)學(xué)模型

模糊層次分析方法（FAHP）通過將模糊綜合評價(jià)法和層次分析法相結(jié)合，對目標(biāo)進(jìn)行決策分析［3］。本節(jié)首先對模糊層次分析方法（FAHP）進(jìn)行介紹和數(shù)學(xué)建模。

FAHP首先利用層次分析法構(gòu)造決策問題的層次結(jié)構(gòu)，然后構(gòu)造模糊一致判斷矩陣，接著再確定指標(biāo)層各因素對目標(biāo)的權(quán)重，最后建立評價(jià)集，做出綜合評價(jià)結(jié)果。具體步驟如下：

（1）采用層次分析法建立決策問題的層次結(jié)構(gòu)：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。將每層各因素的相互關(guān)系進(jìn)行連線表示。

（2）構(gòu)建模糊一致校驗(yàn)矩陣。首先根據(jù)如表1所示的模糊判斷尺度表，建立模糊判斷矩陣P，其中rij表示元素ai、aj相對于上層元素的重要程度比值。滿足rii= 0.5，rij=1-rji（i≠j；i，j=1,…，n）

表1　模糊判斷尺度表

在實(shí)際情況中，由于判斷比較的主觀性，往往導(dǎo)致得到的模糊判斷矩陣是不一致的，所以需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將它轉(zhuǎn)換為模糊一致陣。步驟如下：

因此可以得出模糊一致判斷矩陣為A=（bij）n×n。

（3）求出各層元素的權(quán)重ωi

（4）根據(jù)模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行綜合評價(jià)分析

假設(shè)指標(biāo)X=｛x1，…，xp｝，評價(jià)集P=｛優(yōu)，良，中，及格，差｝，其中xi表示指標(biāo)下面的某因素，xi相對于評價(jià)集P的隸屬關(guān)系為μA（X），本文選用三角函數(shù)來表示隸屬度函數(shù)。評價(jià)集為P=｛優(yōu)，良，中，及格，差｝，根據(jù)三角函數(shù)可以得出單因素xi相對于評價(jià)集P的隸屬度值，通過各因素相對于評價(jià)集P隸屬分析建立模糊綜合評價(jià)矩陣R，然后根據(jù)ωR=D得出指標(biāo)X綜合評價(jià)結(jié)果，這只是對于單一指標(biāo)的綜合評價(jià)結(jié)果。

對于多指標(biāo)而言，需要根據(jù)各單一指標(biāo)的綜合評價(jià)結(jié)果構(gòu)造評價(jià)矩陣S，再由各指標(biāo)相對目標(biāo)的權(quán)重W，通過WS=E計(jì)算出總的綜合評價(jià)結(jié)果E。

2　基于FAHP的繼電保護(hù)裝置評估模型

本節(jié)在上述理論分析的基礎(chǔ)上，采用模糊層次分析法建立繼電保護(hù)裝置的安全評估模型?；静襟E如下：

（1）對繼電保護(hù)裝置安全性影響因素進(jìn)行分析，建立繼電保護(hù)裝置安全性影響因素判斷矩陣；

（2）建立計(jì)算各層權(quán)重模型；

（3）建立繼電保護(hù)裝置綜合評價(jià)模型。

2.1繼電保護(hù)裝置安全性層次結(jié)構(gòu)模型的建立

綜合繼電保護(hù)裝置安全性影響因素，首先建立繼電保護(hù)裝置安全評估層次結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。評估體系共分為3層，其中第2層主要包括軟件因素、硬件因素和人為因素三部分［4］。

軟件因素主要包括內(nèi)存使用問題、邏輯遺漏與執(zhí)行錯(cuò)誤、計(jì)量相關(guān)的錯(cuò)誤、軟硬件接口的錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)操作錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)問題、文檔問題等［5］。例如，邏輯遺漏與執(zhí)行錯(cuò)誤問題的失效原因如表2所示。

圖1　繼電保護(hù)裝置安全評估層次結(jié)構(gòu)圖

表2　邏輯遺漏與執(zhí)行錯(cuò)誤情況表

硬件因素主要包括CPU模塊、出口模塊、電源模塊、交流輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊、人機(jī)界面模塊等［6］。具體如表3所示。

表3　繼電保護(hù)硬件因素情況

人為因素主要包括繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)不合理、未按規(guī)程執(zhí)行、廠商制作商品不合格、維護(hù)人員不正確操作、不合適存儲(chǔ)或運(yùn)輸?shù)取?/p>

2.2繼電保護(hù)裝置各因素權(quán)重的計(jì)算

通過對繼電保護(hù)裝置的層次結(jié)構(gòu)分析，可知要計(jì)算出指標(biāo)層中指標(biāo)對最終目標(biāo)層的綜合權(quán)重需要計(jì)算6次，首先計(jì)算出末端指標(biāo)層對上一級指標(biāo)的權(quán)重。運(yùn)用模糊層次分析原理，結(jié)合電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置專家建議和模糊評價(jià)尺度表，可以得出軟件因素下7個(gè)指標(biāo)的模糊一致矩陣為：

對M1進(jìn)行歸一化處理得M1，根據(jù)模糊一致陣和軟件7個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系：M1ω1=λmaxω1，得出7個(gè)指標(biāo)權(quán)重向量為ω1。

同理可以得出硬件因素和人為因素的模糊一致矩陣M2，M3和權(quán)重向量ω2，ω3。

因此，我們可以求得末端指標(biāo)對其上一級指標(biāo)的權(quán)重所組成的綜合權(quán)重矩陣WG，如下所示：

同理，通過模糊一致陣M0，也可以求出 “軟件因素”、“硬件因素”和“人為因素”指標(biāo)相對于繼電保護(hù)裝置安全性的權(quán)重向量ω0。

由上述計(jì)算結(jié)果并結(jié)合總排序權(quán)重計(jì)算公式WG*ω0=Wz，可以得出指標(biāo)層相對于目標(biāo)層的綜合權(quán)重矩陣Wz，式子如下所示：

Wz便是繼電保護(hù)裝置指標(biāo)體系下指標(biāo)層相對于目標(biāo)層的相對重要性權(quán)值排序矩陣（表4所列的18個(gè)指標(biāo)的權(quán)重之和為1，即此處的權(quán)重是繼電保護(hù)裝置第三層指標(biāo)中各指標(biāo)相對于目標(biāo)層“繼電保護(hù)裝置安全”的權(quán)重），如表4所示。

表4　繼電保護(hù)裝置各指標(biāo)權(quán)重表

根據(jù)上述建立的綜合權(quán)重矩陣，本章節(jié)結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重和綜合評價(jià)矩陣對繼電保護(hù)裝置的總體安全情況做出綜合評價(jià)。

（1）建立綜合評價(jià)集P=｛優(yōu)，良，中，及格，差｝，對應(yīng)的評價(jià)等級代數(shù)區(qū)間P=｛［90，100），［80，90），［70，80），［60，70），［0，60）｝。

（2）單因素模糊綜合評價(jià)

本文將繼電保護(hù)裝置的影響因素主要分為 “軟件因素”、“硬件因素”和“人為因素”三類，分別對它們進(jìn)行單因素綜合評價(jià)分析。利用三角函數(shù)作為模糊隸屬度函數(shù)，計(jì)算單因素相對于評價(jià)集的模糊隸屬度值，其中隸屬度函數(shù)的未知變量表示為權(quán)重值［7］。

分別計(jì)算“軟件因素”、“硬件因素”和“人為因素”的隸屬度值，然后根據(jù)隸屬度值構(gòu)建綜合評價(jià)矩陣，最后，計(jì)算出單因素的綜合評價(jià)結(jié)果。表6表示軟件因素各指標(biāo)的隸屬度值向量，根據(jù)它建立“軟件因素”的綜合判斷矩陣P1，利用P1Tω1=D1，得出指標(biāo)“軟件因素”的綜合結(jié)果D1。

同理根據(jù)建立的綜合評價(jià)矩陣P1、P2、P3，可以求出“硬件因素”和“人為因素”的綜合評價(jià)結(jié)果D2、D3。

表5　隸屬度函數(shù)表

表6　軟件因素各指標(biāo)的隸屬度值向量表

然后根據(jù)三大因素相對于繼電保護(hù)裝置安全的權(quán)重ω0=［ω41ω42ω43］T、綜合評價(jià)矩陣P4=［D1D2D3］以及關(guān)系式P4ω1=D4，得出三大因素的綜合評價(jià)結(jié)果D4。

若需要對繼電保護(hù)安全進(jìn)行打分，則假定評價(jià)集的代數(shù)向量為V=｛95，85，75，65，30｝，通過Z=D41×95+ D42×85+D43×75+D44×65+D45×30，可以得出繼電保護(hù)裝置安全評估的綜合得分Z［8］。

3　結(jié)語

本文采用模糊層次分析法建立了繼電保護(hù)裝置的安全性評估模型，該模型改變了判斷矩陣的構(gòu)造方式，一定程度上減少了一致性校驗(yàn)的困難程度。后續(xù)還將結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)對電力行業(yè)軟硬件產(chǎn)品安全性進(jìn)行綜合評估。

［1］張國華,張建華,彭謙.電網(wǎng)安全評價(jià)的指標(biāo)體系與方法［J］.電網(wǎng)技術(shù),2009,33(8):30-34.

［2］王峰.基于層次分析法的軟件質(zhì)量評估模型分析與研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(24):21-23.

［3］肖寒.電網(wǎng)建設(shè)安全評估模型及方法研究［D］.北京:華北電力大學(xué),2013.

［4］方岳群.繼電保護(hù)裝置常見故障分析及處理［J］.電子技術(shù)與軟件工程,2015,(4):248-248.

［5］US-Canada Power System Outage Task Force.Final Report on the August 14th Blackout in the United States and Canada:Causes and Recommendations［R］,2004.

［6］王敏.大電網(wǎng)在線安全評估的理論與方法研究［D］.武漢,華中科技大學(xué),2013.

［7］鐘銀超,譚世海,楊太國.基于模糊層次分析法的電力安全風(fēng)險(xiǎn)評估［J］.重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2011(05):112-201.

［8］周玉蘭,王玉玲,趙曼勇.2004年全國電網(wǎng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置運(yùn)行情況［J］.電網(wǎng)技術(shù),2005,29(16):42-48.

Relay Protection Device；Fuzzy Analytic Hierarchy Process；Judgment Matrix；Safety；Comprehensive Assessmen

The Safety Assessment Model of Relay Protection Device Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process

ZHANG Bao-lin1，WANG Jian-liang1，CHEN Hua-jun2-4，HUANG Xiao-kun1
（1.The Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology，Guangzhou 510610；2.China Southern Power Grid InformationTechnology and Security Evaluation Lab，CSG，Guangzhou 510080；3.Electric Power Information Security Classified Protection Test and Evaluation Center 5th Lab，Guangzhou 510080；4.Electric Power Research Institute,CSG,GuangDong.Guangzhou 510080）

1007-1423（2015）32-0024-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.32.006

張寶林（1988-），男，山東青島人，碩士研究生，從事領(lǐng)域?yàn)檐浖y試，嵌入式系統(tǒng)測試，功能安全應(yīng)用測評研究工作

王劍亮（1988-），男，江西上饒人，碩士研究生，從事領(lǐng)域?yàn)檐浖_發(fā)，嵌入式系統(tǒng)測試，功能安全應(yīng)用相關(guān)研究工作

陳華軍（1980-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，從事領(lǐng)域?yàn)殡娏π畔⑴c通信、信息安全及智能電網(wǎng)相關(guān)研究工作

2015-11-03

2015-11-13

將模糊算法與層次分析法進(jìn)行結(jié)合，在對繼電保護(hù)裝置安全性影響因素從硬件、軟件和人為因素三方面進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將模糊層次分析法應(yīng)用到繼電保護(hù)裝置的安全性評估中，建立繼電保護(hù)裝置的模糊層次安全性分析和評估模型，并根據(jù)模糊層次模型對繼電保護(hù)裝置的安全性進(jìn)行模糊綜合評估。

繼電保護(hù)裝置；模糊層次分析法；判斷矩陣；安全性；綜合評估

Combines the fuzzy algorithm with analytic hierarchy process(AHP),on the basis of the analysis of influence factors on the safety of relay protection device,applies the FAHP in the safety assessment of relay protection device,builds the model of fuzzy hierarchy analysis and evaluation about relay protection device,and makes the comprehensive assessment of the safety about relay protection device according to the model.