溫　杰, 楚　瀛, 彭富強, 王海燕, 王宗慧

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

3.北京四方繼保自動化股份有限公司, 北京　100085)

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層次分析法在繼電保護系統(tǒng)可靠性研究中的應用

溫杰1, 楚瀛1, 彭富強2, 王海燕3, 王宗慧3

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

3.北京四方繼保自動化股份有限公司, 北京100085)

摘要:針對電力系統(tǒng)可靠性研究工作主要集中于一次設備,而二次系統(tǒng)可靠性研究相對較少的現(xiàn)狀,提出了一種定量計算繼電保護系統(tǒng)靜態(tài)可靠性的方法.首先根據(jù)繼電保護系統(tǒng)的物理結構特點抽象出其網(wǎng)絡模型；然后，分別計算節(jié)點和支路的可靠性；最后，根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構計算得到整個系統(tǒng)正常工作的概率.將算例結果與實際運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該方法的合理性.

關鍵詞：繼電保護系統(tǒng); 可靠性; 網(wǎng)絡模型; 層次分析法

可靠性是指元件、設備或系統(tǒng)在預定時間內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備,而二次設備被近似認為完全正常工作無故障發(fā)生且性能保持良好,但根據(jù)北美電力可靠性委員會對17年的電力系統(tǒng)故障統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，70%以上的電力系統(tǒng)故障是由于二次設備的不可靠工作造成的[2].繼電保護系統(tǒng)作為二次系統(tǒng)中重要組成部分，其重要性不言而喻,其可靠性研究相當重要.文獻[3]使用故障樹法分析變電站自動化系統(tǒng)的可靠性,但是在區(qū)分設備重要度時簡單地劃分了5個等級,且在分析通訊鏈路可靠性時沒有考慮通訊報文的可信度.文獻[4]使用物元法分析了光纖通道對繼電保護業(yè)務的影響,從通訊鏈路的角度上評估了光纖通道上所承載業(yè)務量對繼電保護系統(tǒng)可靠性的影響,然而繼電保護系統(tǒng)的正常工作需要各個組成部分的協(xié)調工作,具有整體性和系統(tǒng)性,需要從系統(tǒng)的角度出發(fā)評估其可靠性.

本文構造了以變電站通訊鏈路為支路,以繼電保護裝置及其他智能設備為節(jié)點的變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性評估網(wǎng)絡模型,其中綜合考慮了傳輸報文的可信度,并使用層次分析法區(qū)分了不同類型智能設備的重要度.

1綜合自動化變電站繼電保護系統(tǒng)

繼電保護系統(tǒng)是變電站綜合自動化實現(xiàn)的硬件基礎,保護裝置通過二次電纜采集一次設備的運行參數(shù)如電流、電壓、位置信號,并通過將相關信息發(fā)送至通訊管理機,通訊管理機將所有信息匯總后轉發(fā)至監(jiān)控后臺及各級調度系統(tǒng).電力系統(tǒng)故障后,繼電保護裝置需要迅速動作隔離故障點,第一時間將故障信息發(fā)送至監(jiān)控后臺或調度提醒運行人員,繼電保護裝置同時接受上位機的遙控,完成對一次設備的遠程控制.

為便于事故分析，全站智能設備需統(tǒng)一對時,傳統(tǒng)綜合自動化繼電保護系統(tǒng)常采用報文對時這種軟對時方法,通訊管理機或者監(jiān)控后臺獲得GPS時鐘后以報文的方式廣播給其他智能設備.繼電保護系統(tǒng)是一個實時分布式系統(tǒng),各智能設備是整個系統(tǒng)的基礎,通訊鏈路連接相關智能設備并為變電站后臺及各級調度控制中心的數(shù)據(jù)交互提供通路.

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

現(xiàn)作如下假設:節(jié)點和支路只有正常和故障兩種狀態(tài),且各節(jié)點支路運行狀況彼此相互獨立.整個系統(tǒng)可靠性的求解問題可轉化為:通過求解系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖中節(jié)點和支路的可靠性,再結合網(wǎng)絡拓撲結構評估繼電保護系統(tǒng)整體的可靠性.

2繼電保護系統(tǒng)可靠性

2.1支路可靠性

20世紀60年代美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能資訊委員會提出了評估武器系統(tǒng)效能評估法,該方法認為系統(tǒng)的整體效能不僅與系統(tǒng)的可用度有關,還與系統(tǒng)的可信度有關.繼電保護系統(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.鑒于通訊網(wǎng)絡與武器系統(tǒng)的可比性,通訊網(wǎng)絡可靠性計算方法可借用武器系統(tǒng)效能評估的方法，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文的可信度.

Pij的數(shù)值可用傳統(tǒng)可靠性指標公式計算.

(2)

式中:tMTTR——平均故障恢復時間;

tMTTF——平均正常工作時間.

D的數(shù)值可通過報文誤碼率Br計算,在靜態(tài)計算時可將誤碼率視為常數(shù).

(3)

2.2節(jié)點可靠性

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是綜合網(wǎng)絡系統(tǒng)理論和多目標綜合評價法的一種層次權重決策法.一個復雜決策問題可通過定性分析和定量計算相結合的方法分解為若干步,通過逐層計算最終求得初始目標.繼電保護系統(tǒng)中各智能設備重要程度不相同,故障后造成的損失也不同,可采用層次分析法對其重要性進行區(qū)分.

2.2.1構造層次分析模型

層次分析法將待解決問題分為目標層、準則層、方案層,要求層次結構是元素內部獨立的遞進層次結構,同一層之間的任意兩元素之間不存在支配和從屬關系且相互獨立.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個元素和第j個元素重要程度之比，結果用數(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n階方陣，如表1所示.

2.2.3校驗判斷矩陣的一致性

在構造判斷矩陣時,鑒于客觀事物的復雜性和人們認識的多樣性,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.需要用隨機一致性指標kCR校驗判斷矩陣的一致性,步驟如下:

(1) 計算判斷矩陣B的最大特征值λ;

(3) 結合矩陣介數(shù)n,從表2中查找對應的平均隨機一致性指標kRI;

(4) 計算kCR,kCR=kCI/kRI.

當kCR<0.1時，即可認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求解權重

當判斷矩陣一致性校驗合格后,可采用特征向量求解權重,即求判斷矩陣最大特征值及其所對應的特征向量.計算公式為BW=λW.其中λ為判斷矩陣B的最大特征根,W為對應于λ的特征向量,W向量中第i個分量即為第i個元素的重要度.

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

(4)

其中節(jié)點正常工作的概率Pi計算公式同式(2).

節(jié)點可靠性計算流程如圖3所示.

2.3系統(tǒng)可靠性網(wǎng)絡模型

繼電保護系統(tǒng)網(wǎng)絡結構拓撲包括總線型、星形、樹形、環(huán)形等,分析系統(tǒng)可靠性時需要綜合考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構,常見的可靠性模型有以下3種.

2.3.1串聯(lián)型網(wǎng)絡模型

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

(5)

式中:Ai——第i元件的可靠性;

n——元件個數(shù).

2.3.2并聯(lián)型網(wǎng)絡模型

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

(6)

2.3.3k/n型網(wǎng)絡模型

系統(tǒng)由n個元件共同組成,只有k個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、通訊管理機常用此模型.

(7)

系統(tǒng)整體的可靠性是各個節(jié)點、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(以下簡稱“庾村變”)為例,庾村變35 kV為刀閘進線,10 kV側采用單母分段接線,配有兩臺35 kV/10 kV變壓器,35 kV側有兩條進線,每條10 kV母線各帶4條10 kV出線、1套電容器及1臺站用變壓器,系統(tǒng)一次接線圖如圖4所示.

庾村變全站智能設備采用GPS報文對時,測控保護裝置采用北京四方生產的測控保護一體化裝置,通訊管理機配備主備雙套由湖州泰倫電力自動化工程有限公司提供,變電站當?shù)乇O(jiān)控后臺系統(tǒng)采用研華工控機使用北京四方提供的CSC2000監(jiān)控軟件.通訊管理機與繼電保護裝置之間采用單網(wǎng)lon網(wǎng)通訊,通訊管理機與變電站后臺之間采用單網(wǎng)網(wǎng)絡通訊,繼電保護系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖如圖5所示.

注:V1—監(jiān)控后臺;V2,V3—通訊管理機;V4—繼電保護測控裝置;V5—對時裝置;E12,E13—網(wǎng)絡通訊;E24,E25,E34,E35—lon網(wǎng)通訊.

圖5庾村35 kV變電站繼電保護系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

3.1節(jié)點可靠性計算

繼電保護系統(tǒng)中的智能設備根據(jù)功能不同可劃分為保護測控裝置、通訊管理機、對時裝置及監(jiān)控后臺4大類,需要區(qū)分這4類設備的重要度.

建立判斷矩陣B并校驗其一致性,利用特征值法計算各個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裝置迅速準確地隔離故障點,保護測控裝置故障后將導致整個繼電保護系統(tǒng)的崩潰,是整個系統(tǒng)中最重要的元件;通訊管理機連接保護裝置和監(jiān)控后臺,起著承上啟下的作用,其發(fā)生故障后,將導致監(jiān)控后臺和各級調度無法實時獲取一次設備的運行數(shù)據(jù),雖不影響繼電保護裝置對電力系統(tǒng)故障點的隔離,但會導致運行人員對一次設備的失控,其重要性僅次于繼電保護裝置;GPS對時裝置對電力系統(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裝置;監(jiān)控后臺是變電站運行操作人員查看操作一次設備的終端,庾村變屬于無人值守變電站,監(jiān)控后臺重要性略低.通過上述分析后建立如下判斷矩陣B,其中第1行為保護測控裝置,第2行為通訊管理機,第3行為對時裝置,第4行為監(jiān)控后臺.

最大特征值為:

λ=4.045 8

滿足一致性要求.最大特征值對應的特征向量W=[ 0.889 2,0.388 5,0.212 5,0.115 4].

根據(jù)智能設備生廠商和電力部門提供的設備使用壽命,并假定變電站智能設備的tMTTR為24 h,計算得到設備的不可用度,參數(shù)匯總如表3所示.

3.2支路可靠性計算

繼電保護系統(tǒng)的通信鏈路為屏蔽雙絞線產品,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)可靠性計算

4結語

繼電保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中最重要的組成部分,本文采用網(wǎng)絡模型法評估了傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)的靜態(tài)可靠性,使用層次分析法對不同種類智能設備在繼電保護系統(tǒng)中的重要程度進行了區(qū)分;計算通訊可靠性的過程中結合了通訊報文的可靠性,使計算結果更為精確;結合保護系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構對整個保護系統(tǒng)可靠性進行評估.最后,通過文中算例進行驗證,證明該診斷方法正確有效.

參考文獻：

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[3]雷宇,李濤.變電站綜合自動化系統(tǒng)可靠性的定量評估[J].電力科學與工程,2009,25(6):37-40.

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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

中圖分類號：TM774；TM77

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0035-06

通訊作者簡介：溫杰(1985-),男,在讀碩士,山西晉中人.主要研究方向為變電站繼電保護裝置在線監(jiān)測.E-mail:wenjie265@126.com.

收稿日期：2015-06-24

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.009