基于FAHP的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)

陳金華，郭曉娟，李明生，李 露，張海峰

(北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100070)

繼電保護(hù)設(shè)備是電力系統(tǒng)中重要的安全保護(hù)設(shè)備，其安全性和可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全性和可靠性以及人身安全，因此對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)可以及時(shí)掌握繼電保護(hù)設(shè)備的工作狀態(tài)和故障類型，從而為繼電保護(hù)設(shè)備維修保養(yǎng)和檢修提供科學(xué)決策的依據(jù)[1-2]。多指標(biāo)的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)，一般需要科學(xué)地確定指標(biāo)權(quán)重，目前主要采用因子分析法、專家評(píng)測(cè)法等方法計(jì)算權(quán)重，單一地采用這些評(píng)價(jià)方法無法保證評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性與整體性。層次分析法[3]適合對(duì)較為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)；模糊綜合評(píng)價(jià)法[4]適合解決難以量化的評(píng)價(jià)問題。為提高繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的精度，本文構(gòu)建了一套基于保護(hù)屏本體、保護(hù)回路和保護(hù)通道的多層次繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了一種基于模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)的繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)模型。

1 繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)的評(píng)價(jià)，需要建立繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。本文在綜合文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于保護(hù)屏本體、保護(hù)回路和保護(hù)通道的多層次繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

2 模糊層次分析法

由于繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中部分指標(biāo)具有模糊性和不確定性[7]，因此本文將模糊層次分析法應(yīng)用于繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)。

1)建立繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系U。

繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為因素集U：

U={U1,U2,…,Ui,…,Uk}

(1)

式中：U為一級(jí)因素集；Uk={Ui1,Ui2,…,Uim}(i=1,2,…,k),為二級(jí)因素集，且Ui∩Uj=?(i≠j)；k為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量。

2)構(gòu)造繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣。

首先運(yùn)用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)建立繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)層次模型，然后采用標(biāo)度1-9法確定繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[7-8]。

3)一致性檢驗(yàn)與不同指標(biāo)權(quán)重的確定。

(2)

(3)

圖1 繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

4)建立繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)的評(píng)價(jià)等級(jí)集。

假設(shè)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)集V={V1,V2,…,Vp}，將繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)分為正常、注意、異常和嚴(yán)重4種狀態(tài)，此時(shí)p=4。

5)繼電保護(hù)設(shè)備的二級(jí)因素集模糊綜合評(píng)價(jià)。

(4)

(5)

式中：bk(k=1,2,…,p)為繼電保護(hù)設(shè)備評(píng)價(jià)等級(jí)集中第k個(gè)元素的隸屬度。

圖2 基于FAHP的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

為了驗(yàn)證模糊層次分析法進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的有效性和可靠性，選擇某電網(wǎng)220 kV變壓器繼電保護(hù)設(shè)備2018年1月—2019年8月的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象。為了直觀地展示繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，本文用橫線、豎線、右斜線和左斜線分別表示繼電保護(hù)設(shè)備的4個(gè)狀態(tài)(優(yōu)良、正常、注意和異常)。繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)220 kV變壓器繼電保護(hù)設(shè)備2018年1月—2019年8月共20個(gè)月的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，得到運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示，包括評(píng)分值和狀態(tài)類型。圖3中評(píng)價(jià)序號(hào)1的評(píng)價(jià)分值為57.19，表示2018年1月該繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)得分為57.19，此時(shí)繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為注意狀態(tài)。序號(hào)2～20以此類推。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以平均絕對(duì)百分比誤差(mean absolute percent error, MAPE)MAPE和希爾不等系數(shù)(theil inequality coefficient,TIC)TIC評(píng)價(jià)繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的好壞[11-12]：

(6)

(7)

式中：N為樣本數(shù)據(jù)量；Xr,Xf分別為繼電保護(hù)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)的評(píng)價(jià)分值和評(píng)估狀態(tài)的評(píng)價(jià)分值。

3.3 結(jié)果分析

以繼電保護(hù)設(shè)備2018年1月—2019年2月共14個(gè)月的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分值作為訓(xùn)練樣本，得到繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估模型，之后運(yùn)用訓(xùn)練樣本建立的評(píng)估模型預(yù)測(cè)繼電保護(hù)設(shè)備2019年3月—2019年8月6個(gè)月的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)分值。運(yùn)用FAHP、AHP和模糊評(píng)價(jià)法得到的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比見表2。

圖4 繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)圖

表2 繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

由圖4可知，與AHP和模糊評(píng)價(jià)法相比較，繼電保護(hù)設(shè)備FAHP的評(píng)價(jià)分值曲線與繼電保護(hù)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)曲線具有更高的一致性。2018年4月和7月AHP和模糊評(píng)價(jià)法均出現(xiàn)了誤報(bào)，而FAHP僅在2018年4月發(fā)生誤報(bào)，說明用FAHP進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)較AHP和模糊評(píng)價(jià)法具有更高的準(zhǔn)確率。由表2可知，F(xiàn)AHP的誤差指標(biāo)MAPE和TIC分別為4.596 1%和0.023 5，較AHP的6.744 1%和0.036 7以及模糊評(píng)價(jià)法的8.537 2%和0.045 40分別提高2.148 0%和0.013 2以及3.941 1%和0.021 9。綜上所述，與AHP和模糊評(píng)價(jià)法相比，采用FAHP進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)具有更高的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率，為繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)提供了新的方法。

4 結(jié)束語

考慮到繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中部分指標(biāo)具有模糊性和不確定性，為提高繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的精度，本文構(gòu)建了基于保護(hù)屏本體、保護(hù)回路和保護(hù)通道的多層次繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了基于模糊層次分析法的繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，并以某電網(wǎng)220 kV變壓器繼電保護(hù)設(shè)備2018年1月—2019年8月在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，進(jìn)行了基于FAHP的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)實(shí)證評(píng)價(jià)。

運(yùn)用FAHP對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以避免單獨(dú)的層次分析法產(chǎn)生的判斷矩陣不能通過一致性檢驗(yàn)需反復(fù)修改所帶來的繁瑣驗(yàn)證和計(jì)算，可以有效提高繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的精度，評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合繼電保護(hù)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)，為繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)提供了新的方法。由于評(píng)價(jià)指標(biāo)尚存在一定的局限性，模型的適用性不廣，后續(xù)將建立有更多評(píng)價(jià)指標(biāo)的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，以提高模型的精度和適用性。