層次分析法在繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究中的應(yīng)用

溫　杰, 楚　瀛, 彭富強(qiáng), 王海燕, 王宗慧

(1.上海電力學(xué)院, 上海　200090; 2.北京送變電公司, 北京　102401;

3.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司, 北京　100085)

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層次分析法在繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究中的應(yīng)用

溫杰1, 楚瀛1, 彭富強(qiáng)2, 王海燕3, 王宗慧3

(1.上海電力學(xué)院, 上海200090; 2.北京送變電公司, 北京102401;

3.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司, 北京100085)

摘要:針對(duì)電力系統(tǒng)可靠性研究工作主要集中于一次設(shè)備,而二次系統(tǒng)可靠性研究相對(duì)較少的現(xiàn)狀,提出了一種定量計(jì)算繼電保護(hù)系統(tǒng)靜態(tài)可靠性的方法.首先根據(jù)繼電保護(hù)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)抽象出其網(wǎng)絡(luò)模型；然后，分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)和支路的可靠性；最后，根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算得到整個(gè)系統(tǒng)正常工作的概率.將算例結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的合理性.

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)系統(tǒng); 可靠性; 網(wǎng)絡(luò)模型; 層次分析法

可靠性是指元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)特定條件下完成自身功能的能力[1].早期電力系統(tǒng)可靠性研究集中于一次設(shè)備,而二次設(shè)備被近似認(rèn)為完全正常工作無(wú)故障發(fā)生且性能保持良好,但根據(jù)北美電力可靠性委員會(huì)對(duì)17年的電力系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，70%以上的電力系統(tǒng)故障是由于二次設(shè)備的不可靠工作造成的[2].繼電保護(hù)系統(tǒng)作為二次系統(tǒng)中重要組成部分，其重要性不言而喻,其可靠性研究相當(dāng)重要.文獻(xiàn)[3]使用故障樹(shù)法分析變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性,但是在區(qū)分設(shè)備重要度時(shí)簡(jiǎn)單地劃分了5個(gè)等級(jí),且在分析通訊鏈路可靠性時(shí)沒(méi)有考慮通訊報(bào)文的可信度.文獻(xiàn)[4]使用物元法分析了光纖通道對(duì)繼電保護(hù)業(yè)務(wù)的影響,從通訊鏈路的角度上評(píng)估了光纖通道上所承載業(yè)務(wù)量對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的影響,然而繼電保護(hù)系統(tǒng)的正常工作需要各個(gè)組成部分的協(xié)調(diào)工作,具有整體性和系統(tǒng)性,需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)評(píng)估其可靠性.

本文構(gòu)造了以變電站通訊鏈路為支路,以繼電保護(hù)裝置及其他智能設(shè)備為節(jié)點(diǎn)的變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性評(píng)估網(wǎng)絡(luò)模型,其中綜合考慮了傳輸報(bào)文的可信度,并使用層次分析法區(qū)分了不同類(lèi)型智能設(shè)備的重要度.

1綜合自動(dòng)化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)

繼電保護(hù)系統(tǒng)是變電站綜合自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ),保護(hù)裝置通過(guò)二次電纜采集一次設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)如電流、電壓、位置信號(hào),并通過(guò)將相關(guān)信息發(fā)送至通訊管理機(jī),通訊管理機(jī)將所有信息匯總后轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控后臺(tái)及各級(jí)調(diào)度系統(tǒng).電力系統(tǒng)故障后,繼電保護(hù)裝置需要迅速動(dòng)作隔離故障點(diǎn),第一時(shí)間將故障信息發(fā)送至監(jiān)控后臺(tái)或調(diào)度提醒運(yùn)行人員,繼電保護(hù)裝置同時(shí)接受上位機(jī)的遙控,完成對(duì)一次設(shè)備的遠(yuǎn)程控制.

為便于事故分析，全站智能設(shè)備需統(tǒng)一對(duì)時(shí),傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化繼電保護(hù)系統(tǒng)常采用報(bào)文對(duì)時(shí)這種軟對(duì)時(shí)方法,通訊管理機(jī)或者監(jiān)控后臺(tái)獲得GPS時(shí)鐘后以報(bào)文的方式廣播給其他智能設(shè)備.繼電保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng),各智能設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),通訊鏈路連接相關(guān)智能設(shè)備并為變電站后臺(tái)及各級(jí)調(diào)度控制中心的數(shù)據(jù)交互提供通路.

繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性由智能設(shè)備的可靠性和通訊鏈路的可靠性共同決定,可用無(wú)向圖G=(V,E)來(lái)描述.圖1為典型繼電保護(hù)系統(tǒng)及其無(wú)向圖.其中,V表示繼電保護(hù)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn),E表示繼電保護(hù)系統(tǒng)的通訊鏈路,記Vi為無(wú)向圖G中的第i個(gè)節(jié)點(diǎn),Eij為連接i和j兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通訊鏈路.

現(xiàn)作如下假設(shè):節(jié)點(diǎn)和支路只有正常和故障兩種狀態(tài),且各節(jié)點(diǎn)支路運(yùn)行狀況彼此相互獨(dú)立.整個(gè)系統(tǒng)可靠性的求解問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為:通過(guò)求解系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中節(jié)點(diǎn)和支路的可靠性,再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)評(píng)估繼電保護(hù)系統(tǒng)整體的可靠性.

2繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性

2.1支路可靠性

20世紀(jì)60年代美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能資訊委員會(huì)提出了評(píng)估武器系統(tǒng)效能評(píng)估法,該方法認(rèn)為系統(tǒng)的整體效能不僅與系統(tǒng)的可用度有關(guān),還與系統(tǒng)的可信度有關(guān).繼電保護(hù)系統(tǒng)通訊鏈路的可靠性與通訊鏈路的可用度及所傳輸數(shù)據(jù)的可信度有關(guān).鑒于通訊網(wǎng)絡(luò)與武器系統(tǒng)的可比性,通訊網(wǎng)絡(luò)可靠性計(jì)算方法可借用武器系統(tǒng)效能評(píng)估的方法，即:

(1)

式中:Pij——支路Eij的通訊鏈路的可用度；

D——通訊鏈路傳輸數(shù)據(jù)的可信度,即在通訊鏈路中所傳輸報(bào)文的可信度.

Pij的數(shù)值可用傳統(tǒng)可靠性指標(biāo)公式計(jì)算.

(2)

式中:tMTTR——平均故障恢復(fù)時(shí)間;

tMTTF——平均正常工作時(shí)間.

D的數(shù)值可通過(guò)報(bào)文誤碼率Br計(jì)算,在靜態(tài)計(jì)算時(shí)可將誤碼率視為常數(shù).

(3)

2.2節(jié)點(diǎn)可靠性

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法的一種層次權(quán)重決策法.一個(gè)復(fù)雜決策問(wèn)題可通過(guò)定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法分解為若干步,通過(guò)逐層計(jì)算最終求得初始目標(biāo).繼電保護(hù)系統(tǒng)中各智能設(shè)備重要程度不相同,故障后造成的損失也不同,可采用層次分析法對(duì)其重要性進(jìn)行區(qū)分.

2.2.1構(gòu)造層次分析模型

層次分析法將待解決問(wèn)題分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層,要求層次結(jié)構(gòu)是元素內(nèi)部獨(dú)立的遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu),同一層之間的任意兩元素之間不存在支配和從屬關(guān)系且相互獨(dú)立.典型層次分析模型如圖2所示.

2.2.2建立判斷矩陣

根據(jù)模型建立判斷矩陣B,矩陣中第i行j列元素為模型中第i個(gè)元素和第j個(gè)元素重要程度之比，結(jié)果用數(shù)字1~9表示,1表示兩者同等重要,9表示前者比后者重要很多,判斷矩陣是一個(gè)n階方陣，如表1所示.

2.2.3校驗(yàn)判斷矩陣的一致性

在構(gòu)造判斷矩陣時(shí),鑒于客觀事物的復(fù)雜性和人們認(rèn)識(shí)的多樣性,不可能所有的判斷都是完全一致的,尤其在因素多規(guī)模大的情況下更容易出現(xiàn)自相矛盾的判斷.需要用隨機(jī)一致性指標(biāo)kCR校驗(yàn)判斷矩陣的一致性,步驟如下:

(1) 計(jì)算判斷矩陣B的最大特征值λ;

(3) 結(jié)合矩陣介數(shù)n,從表2中查找對(duì)應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)kRI;

(4) 計(jì)算kCR,kCR=kCI/kRI.

當(dāng)kCR<0.1時(shí)，即可認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性;否則，需要矯正判斷矩陣并重新判斷一致性,直至滿足一致性要求.

2.2.4求解權(quán)重

當(dāng)判斷矩陣一致性校驗(yàn)合格后,可采用特征向量求解權(quán)重,即求判斷矩陣最大特征值及其所對(duì)應(yīng)的特征向量.計(jì)算公式為BW=λW.其中λ為判斷矩陣B的最大特征根,W為對(duì)應(yīng)于λ的特征向量,W向量中第i個(gè)分量即為第i個(gè)元素的重要度.

若已知節(jié)點(diǎn)Vi正常工作概率為Pi，該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中重要度為αi,則該節(jié)點(diǎn)的可靠性計(jì)算公式為:

(4)

其中節(jié)點(diǎn)正常工作的概率Pi計(jì)算公式同式(2).

節(jié)點(diǎn)可靠性計(jì)算流程如圖3所示.

2.3系統(tǒng)可靠性網(wǎng)絡(luò)模型

繼電保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)浒偩€型、星形、樹(shù)形、環(huán)形等,分析系統(tǒng)可靠性時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),常見(jiàn)的可靠性模型有以下3種.

2.3.1串聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)模型

在串聯(lián)系統(tǒng)的多個(gè)元件中，若其中一個(gè)發(fā)生故障，則整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障,其可靠性等于各個(gè)元件可靠性之積.

(5)

式中:Ai——第i元件的可靠性;

n——元件個(gè)數(shù).

2.3.2并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)模型

并聯(lián)系統(tǒng)中，只有所有元件均發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)才故障,故障率等于單個(gè)元件故障率之積.

(6)

2.3.3k/n型網(wǎng)絡(luò)模型

系統(tǒng)由n個(gè)元件共同組成,只有k個(gè)及以上元件正常工作,系統(tǒng)才能正常工作,采用冗余配置的交換機(jī)、通訊管理機(jī)常用此模型.

(7)

系統(tǒng)整體的可靠性是各個(gè)節(jié)點(diǎn)、各條支路正常工作概率的函數(shù).

3算例分析

本文以浙江省德清縣庾村35 kV變電站(以下簡(jiǎn)稱“庾村變”)為例,庾村變35 kV為刀閘進(jìn)線,10 kV側(cè)采用單母分段接線,配有兩臺(tái)35 kV/10 kV變壓器,35 kV側(cè)有兩條進(jìn)線,每條10 kV母線各帶4條10 kV出線、1套電容器及1臺(tái)站用變壓器,系統(tǒng)一次接線圖如圖4所示.

庾村變?nèi)局悄茉O(shè)備采用GPS報(bào)文對(duì)時(shí),測(cè)控保護(hù)裝置采用北京四方生產(chǎn)的測(cè)控保護(hù)一體化裝置,通訊管理機(jī)配備主備雙套由湖州泰倫電力自動(dòng)化工程有限公司提供,變電站當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)采用研華工控機(jī)使用北京四方提供的CSC2000監(jiān)控軟件.通訊管理機(jī)與繼電保護(hù)裝置之間采用單網(wǎng)lon網(wǎng)通訊,通訊管理機(jī)與變電站后臺(tái)之間采用單網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊,繼電保護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示.

注:V1—監(jiān)控后臺(tái);V2,V3—通訊管理機(jī);V4—繼電保護(hù)測(cè)控裝置;V5—對(duì)時(shí)裝置;E12,E13—網(wǎng)絡(luò)通訊;E24,E25,E34,E35—lon網(wǎng)通訊.

圖5庾村35 kV變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1節(jié)點(diǎn)可靠性計(jì)算

繼電保護(hù)系統(tǒng)中的智能設(shè)備根據(jù)功能不同可劃分為保護(hù)測(cè)控裝置、通訊管理機(jī)、對(duì)時(shí)裝置及監(jiān)控后臺(tái)4大類(lèi),需要區(qū)分這4類(lèi)設(shè)備的重要度.

建立判斷矩陣B并校驗(yàn)其一致性,利用特征值法計(jì)算各個(gè)判斷矩陣中行元素的重要度.電力系統(tǒng)中發(fā)生故障后需要繼電保護(hù)裝置迅速準(zhǔn)確地隔離故障點(diǎn),保護(hù)測(cè)控裝置故障后將導(dǎo)致整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)的崩潰,是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的元件;通訊管理機(jī)連接保護(hù)裝置和監(jiān)控后臺(tái),起著承上啟下的作用,其發(fā)生故障后,將導(dǎo)致監(jiān)控后臺(tái)和各級(jí)調(diào)度無(wú)法實(shí)時(shí)獲取一次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),雖不影響繼電保護(hù)裝置對(duì)電力系統(tǒng)故障點(diǎn)的隔離,但會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行人員對(duì)一次設(shè)備的失控,其重要性僅次于繼電保護(hù)裝置;GPS對(duì)時(shí)裝置對(duì)電力系統(tǒng)故障的記錄和故障后的分析起著決定性作用,其重要性僅次于繼電保護(hù)裝置;監(jiān)控后臺(tái)是變電站運(yùn)行操作人員查看操作一次設(shè)備的終端,庾村變屬于無(wú)人值守變電站,監(jiān)控后臺(tái)重要性略低.通過(guò)上述分析后建立如下判斷矩陣B,其中第1行為保護(hù)測(cè)控裝置,第2行為通訊管理機(jī),第3行為對(duì)時(shí)裝置,第4行為監(jiān)控后臺(tái).

最大特征值為:

λ=4.045 8

滿足一致性要求.最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量W=[ 0.889 2,0.388 5,0.212 5,0.115 4].

根據(jù)智能設(shè)備生廠商和電力部門(mén)提供的設(shè)備使用壽命,并假定變電站智能設(shè)備的tMTTR為24 h,計(jì)算得到設(shè)備的不可用度,參數(shù)匯總?cè)绫?所示.

3.2支路可靠性計(jì)算

繼電保護(hù)系統(tǒng)的通信鏈路為屏蔽雙絞線產(chǎn)品,使用壽命為500 a,假定tMTTR為24 h,根據(jù)式(2)可算得通訊支路的可靠性為0.999 995.假設(shè)lon網(wǎng)通訊誤碼率為1×10-9,根據(jù)式(2)和式(3)可算得通訊支路正常工作的概率為0.999 994 5.

3.3系統(tǒng)可靠性計(jì)算

4結(jié)語(yǔ)

繼電保護(hù)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中最重要的組成部分,本文采用網(wǎng)絡(luò)模型法評(píng)估了傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的靜態(tài)可靠性,使用層次分析法對(duì)不同種類(lèi)智能設(shè)備在繼電保護(hù)系統(tǒng)中的重要程度進(jìn)行了區(qū)分;計(jì)算通訊可靠性的過(guò)程中結(jié)合了通訊報(bào)文的可靠性,使計(jì)算結(jié)果更為精確;結(jié)合保護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)估.最后,通過(guò)文中算例進(jìn)行驗(yàn)證,證明該診斷方法正確有效.

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(編輯白林雪)

Application of AHP in Reliability Research of Relay Protection System WEN Jie1, CHU Ying1, PENG Fuqiang2, WANG Haiyan3, WANG Zonghui3

(1.Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;

2.Beijing Transmission and Distribution Company, Beijing102401, China;

3.Beijing Sifang Automation Co.,Ltd., Beijing100085, China)

Abstract:A technique to quantitatively calculate the reliability of relay protection system is proposed.The network model is used to calculate the normal working probability of relay protection system which takes communication links of the secondary system of the intelligent substation as its branch routine and the intelligent devices such as protection,network switches as its nodes.The reliability of branch and nodes can be calculated by analytic hierarchy process.Then the reliability of relay protection system can be calculated according to the network topology.The comparison between the results of the examples and the actual operation shows that the method is reasonable.

Key words:relay protection system; reliability; network model; analytic hierarchy process

中圖分類(lèi)號(hào)：TM774；TM77

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)01-0035-06

通訊作者簡(jiǎn)介：溫杰(1985-),男,在讀碩士,山西晉中人.主要研究方向?yàn)樽冸娬纠^電保護(hù)裝置在線監(jiān)測(cè).E-mail:wenjie265@126.com.

收稿日期：2015-06-24

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.009