智能變電站數(shù)字化保護可靠性綜合評估案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u4345智能變電站數(shù)字化保護可靠性綜合評估案例綜述 190221.1基于模糊綜合評判設(shè)備狀態(tài)評價 1144491）第一步：選取評判對象的因素集； 1267575）對設(shè)備所處的狀態(tài)進行有效的判斷。 2200181）改進模糊層次分析法 2114192）變權(quán)重理論 3203511.2智能變電站數(shù)字化保護的綜合評估 7100241.2.1數(shù)字化保護綜合評估因素集和評語集 7120651.2.2評估期望值 11149801.3算例分析 11智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)過程中的基礎(chǔ)條件和重要的支撐，常規(guī)變電站存在很多電纜連接，導(dǎo)致電磁干擾嚴重，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化不足，站內(nèi)有很多系統(tǒng)，信息無法共享，存在信息的閉塞，同時借助于通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，電子式互感器的應(yīng)用、一次設(shè)備的智能化以及IEC61850的推廣，智能變電站就被提出來了。智能變電站的保護屏內(nèi)的數(shù)據(jù)線更少了，采用報文來進行數(shù)據(jù)傳輸，也不用擔(dān)心二次線接觸不良的問題。傳統(tǒng)的微機保護需要A/D轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)輸入輸出、CPU、交流輸入模塊。但是在智能變電站中，之前的端子箱取消了，將以上的設(shè)備全部集成到合并單元里面去，同時取消了操作箱，將此功能全部集成到智能終端里面去了，保護裝置里面只保存處理數(shù)據(jù)和邏輯判斷的CPU，同時保護直接通過光纖和開關(guān)進行信號交換，不再通過電纜，一次設(shè)備和二次設(shè)備之間沒有直接的聯(lián)系，不用考慮二次回路是否接地的問題。在現(xiàn)場的實際運行中，目前數(shù)字式保護中的電子式互感器不是必須的，在110kV以下的保護中，電子式互感器的效果還不是那么明顯，電子式互感器在抗干擾上還沒找到很好的解決方案，因此目前還是采用常規(guī)的互感器進行數(shù)據(jù)的采集，采用電纜跳閘的方式。目前在微機保護的評價上，還是沿用原來的狀態(tài)量，注意力還是集中在失效率、可靠性等，而沒有考慮到網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)成為全世界電網(wǎng)需要關(guān)注的焦點，尤其是在泛在電力互聯(lián)網(wǎng)的提出之后，委內(nèi)瑞拉的兩次全國性停電給我們的啟示就是首先電網(wǎng)要優(yōu)化能源布局；精益化管理和可靠的設(shè)備質(zhì)量是保證電網(wǎng)堅強的后盾；網(wǎng)絡(luò)安全是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的必要支撐。1.1基于模糊綜合評判設(shè)備狀態(tài)評價模糊綜合評價的步驟為下面所述：1）第一步：選取評判對象的因素集；2）第二步：建立模糊評判集和狀態(tài)評判等級。在本文中主要有四個評判極別既：正常、注意、異常以及嚴重；3）第三步：當(dāng)我們把等級確定之后，就需要對各個指標(biāo)的權(quán)重進行計算。通常我們會采用改進模糊層次分析法來計算不同狀態(tài)量的權(quán)常規(guī)重值，通過變權(quán)函數(shù)來計算各個狀態(tài)量的變權(quán)重，將繼電保護劣化的狀態(tài)量體現(xiàn)出來；4）計算隸屬度。由于傳輸數(shù)據(jù)的過程，數(shù)據(jù)采集的過程以及狀態(tài)臨界值的分配都粗壯乃一定的不確定性，所以在本文中對隸屬度的計算主要是采用云模型來計算，該方法不僅能夠同時兼顧模糊性和隨機性，并且實用性很強；5）對設(shè)備所處的狀態(tài)進行有效的判斷。1.1.1隸屬度的計算通常情況下，云模型一般都是通過期望Ex、熵En和超熵He三個數(shù)字的特征來實現(xiàn)定性概念以及定量數(shù)值之間轉(zhuǎn)化。其中期望值Ex表征兩個狀態(tài)臨界值的平均數(shù)；熵En表示所取數(shù)據(jù)的隨機性；超熵He反應(yīng)的是數(shù)據(jù)的離散型。在云圖中，縱坐標(biāo)表示隸屬度，橫坐標(biāo)表示實測值。下面我們將以繼電保護裝置的CPU溫度作為參考，并假設(shè)溫度此可正處于正常狀態(tài)的區(qū)間[a，b]內(nèi)，那么CPU溫度的正態(tài)云的表達公式就是這樣： （5-1）其中 (5-2) (5-3)1.1.2權(quán)重的計算衡量智能變電站的指標(biāo)有很多，但是每個狀態(tài)量對最終狀態(tài)評估起著不一樣的作用，因此需要權(quán)重來衡量。本文采用改進模糊層次分析法來計算設(shè)備的常權(quán)重以及基于設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)來計算設(shè)備的變權(quán)重。1）改進模糊層次分析法層次分析法計算的前提是一致性矩陣存在，但是如果評價指標(biāo)過多的情況下，一致性矩陣很難滿足。在這種情況下有模糊性和層次分析法結(jié)合起來的模糊層次分析法可以很好解決這個問題，模糊層次分析法不需要判斷一致性矩陣的存在性，但是模糊層次分析法缺少對權(quán)重是否合理的判斷，因此本文在模糊層次分析法基礎(chǔ)上，增加了對權(quán)重分配合理性的檢驗，以此來提高判斷的滿意度。具體的操作步驟為以下這樣：（1）首先采用表1.1中提到的0.1~0.9標(biāo)度法來建立一個模糊判斷矩陣；表1.10.1~0.9標(biāo)度法標(biāo)度aij含義1因素i與因素j一樣的重要3因素i比因素j略微的重要5因素i比因素j重要7因素i比因素j顯著的重要9因素i比因素j極端的重要2、4、6、8因素i與因素j的重要性之比介于上述兩個相鄰等級之間（2）通過兩個元素的兩兩比較，構(gòu)造模糊一致性矩陣R；模糊一致性矩陣R滿足的性質(zhì)為 (5-4)其中，rij代表指標(biāo)i和j之間的比較情況。（3）利用公式（5-5）中的數(shù)據(jù)來計算各評價指標(biāo)的權(quán)重； (5-5)其中，wi表示因素ai的權(quán)重值，n代表評價指標(biāo)的個數(shù)，a代表調(diào)整參數(shù)，且a=(n-1)/2。（4）對權(quán)重滿意度檢驗；很多權(quán)重的計算沒有考慮到權(quán)重分配是否合理，為了減少權(quán)重分配情況給評估結(jié)果帶來的影響，我們還需要對其做出對應(yīng)的滿意度檢驗。假設(shè)權(quán)重向量W=[w1，w2…wn]T是模糊一致性矩陣R的權(quán)重，并使則稱n階矩陣 (5-6)就是模糊一致性矩陣R的特征矩陣。如果相容性指標(biāo)I(A，W*)<α，我們就可以說權(quán)重分配是合理的，通常我們會選取α=0.1。如果計算的結(jié)果得到是矩陣不滿意，那么（a）利用轉(zhuǎn)換公式eij=rij/rji將矩陣R轉(zhuǎn)化為互反型矩陣E=[eij]n×n；（b）取B=log(E），其中bij=logeij；（c）構(gòu)造，其中；（d）在矩陣W*的基礎(chǔ)上，根據(jù)式(4.5)算出評價指標(biāo)的權(quán)重。2）變權(quán)重理論繼電保護是由很多元器件構(gòu)成的，每個元器件式單一的，但是又是互相聯(lián)系的，一旦一個元器件發(fā)生故障，整個保護的運行性能就會出現(xiàn)一定的狀況。繼電保護在運行過程中，當(dāng)一旦某一個狀態(tài)量發(fā)生故障，但是如果這個狀態(tài)量在常權(quán)重中分配值很低，那樣如果采用常權(quán)重的計算方法就無法反應(yīng)這個劣化部位，對于繼電保護的精益化運維帶來一定的挑戰(zhàn)。基于此，本文在常權(quán)重的基礎(chǔ)上，還引入了變權(quán)重，并對設(shè)備出現(xiàn)劣化的部分進行嚴重的懲罰，從而讓繼電保護的劣化部分變得更加的明顯，表達式為 (5-7)其中，wi代表某一評價指標(biāo)的常權(quán)重，wbi代表變權(quán)重，si(xi)是關(guān)于狀態(tài)量xi的函數(shù)。通過分析公式（5-7）可以知道，要想計算最終的權(quán)重，就必須求出si(xi)。本文用均衡函數(shù)來計算，但是均衡函數(shù)對劣化部分懲罰不夠，不能直擊要害，因此為了更全面反應(yīng)劣化部分，本文采用局部懲罰-激勵型狀態(tài)變權(quán)函數(shù)，對狀態(tài)量差的部分予以更高的權(quán)重增，si(xi)的表達式為 (5-8)其中，α為懲罰水平，β為激勵水平，且狀態(tài)評價指標(biāo)xi的取值會參考一些相對劣化度的定義。在變權(quán)綜合評判中規(guī)定，懲罰力度的設(shè)置應(yīng)該要比激勵力度大。其中，如果[0，u]是否決階段，那么該評價指標(biāo)狀態(tài)的評分就會很低，但是他占有的比重很龐大，所以這會導(dǎo)致整個目標(biāo)的綜合評價值也跟著急劇的下降，[u，]代表強懲罰的階段，表示受到的懲罰比較重，[，α]則為初級的懲罰階段，代表受到的懲罰相對比較弱。參考繼電保護規(guī)程，將其運行狀態(tài)分為4種，嚴重狀態(tài)的分值范圍為0~50，設(shè)此時設(shè)定設(shè)備處于完全作廢狀態(tài)；異常狀態(tài)的分值范圍為50~70，設(shè)此時設(shè)定設(shè)備處于完全強力懲罰狀態(tài)；注意狀態(tài)的分值范圍為70~80，設(shè)此時設(shè)定設(shè)備處于弱懲罰狀態(tài)；一旦設(shè)備被評價處于正常狀態(tài)，這個狀態(tài)應(yīng)該被鼓勵。對于公式（4.7）中各個參數(shù)的計算過程為：因為否決狀態(tài)分值為0~50，因此初定其他參數(shù)=0.5，α=0.7，β=0.9，c1=0.6，c2=0.8，C=0.4，分析圖1.2可知，當(dāng)u取0.4，此時設(shè)備的變權(quán)函數(shù)達到最低值，滿足否決條件。圖1.2u的取值對si(xi)的影響下面分析強懲罰階段，上文已經(jīng)求u=0.4，初定α=0.7，β=0.9，c1=0.6，c2=0.8，C=0.4，當(dāng)0.5<<0.7時，變權(quán)函數(shù)si(xi)急劇下降，此時取=0.6。圖1.3的取值對si(xi)的影響分析圖1.4可知，當(dāng)α取0.7的時候，此時si(xi)也是急劇下降，滿足懲罰的條件。圖1.4α的取值對si(xi)的影響分析圖1.5可知，當(dāng)β取0.9，此時si(xi)也是急劇下降，滿足懲罰的條件。圖1.5β的取值對si(xi)的影響綜上所述，變權(quán)函數(shù)的表達式為 (5-9)因為每個狀態(tài)量的量綱不一樣，因此需要對狀態(tài)量進行歸一化的處理，對于正向指標(biāo)，歸一化的表達式為 （5-10）對于逆向指標(biāo)，歸一化的表達式為（5-11）其中xi代表狀態(tài)量的取值，xmax與xmin代表狀態(tài)量x的最大和最小取值。這樣處理的目的是為了讓指標(biāo)有相同的走向。變權(quán)函數(shù)的曲線如圖1.6所示。圖1.6變權(quán)函數(shù)的曲線（橫坐標(biāo)單位為標(biāo)幺值）1.1.3模糊綜合評判結(jié)果的計算因為考慮到評價過程存在的模糊因素，因此本文擬采用加權(quán)平均模糊算子M(g+)，計算評判結(jié)果 (5-12)其中，wi和rij分別為評價指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度。因為每個狀態(tài)量計算出來的模糊評判結(jié)果是一個定值，不是一個概率，因此需要對各個狀態(tài)量做最后的歸一化處理，即 (5-13)1.2智能變電站數(shù)字化保護的綜合評估1.2.1數(shù)字化保護綜合評估因素集和評語集數(shù)字化式智能變電站具有很多重要的特征，首先從智能變電站的組成來選取狀態(tài)量，從原來機械的電流/電壓互感器變成現(xiàn)在的合并單元，增加了交換機；將一次設(shè)備進行改造，變成智能終端，還有最重要的角色：保護裝置。保護狀態(tài)從原來的電纜全部改成光纖傳輸，傳統(tǒng)微機保護的交流輸入組件/保護邏輯消失了，變成現(xiàn)在的端子箱具體如圖4.7所示。圖1.7綜合評估一級評估因素考慮到基本的組成結(jié)構(gòu)以后，還要從時間上增加狀態(tài)量，比如設(shè)備的巡檢時間/歷史故障信息等等，從時間維度上增加狀態(tài)評估的正確性。因此將每個狀態(tài)量進行二次指標(biāo)的劃分，主要從環(huán)境信息/通信信息等等來劃分。圖1.8合并單元評估因素（1）合并單元合并單元顧名思義是合并和匯集多方面的信息，比如電壓和電流信息，加入采集時間在轉(zhuǎn)換為特定的格式傳輸?shù)较鄳?yīng)的保護或者測控裝置，評估因素主要從設(shè)備信息、環(huán)境信息以及通信信息出發(fā)，因為合并單元要傳輸數(shù)據(jù)因此和通道有關(guān)；因為設(shè)備老化程度是影響設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的正確性如圖1.8所示。（2）智能終端智能終端的主要作用是傳輸作用，動作過程為通過電子互感器獲取電壓和電流，得到電壓、電流的測量值，測量值再和整定值進行比較，最終由繼電器輸出邏輯信號，二智能終端就是邏輯信號的接收者，終端將此信號傳遞給斷路器，控制斷路器的開斷，同時終端還需要將斷路器的狀態(tài)傳遞給測控機構(gòu)或者站控層，使得斷路器的狀態(tài)時刻被調(diào)度人員掌握。智能終端評估因素如圖1.9所示。圖1.9智能終端評估因素圖1.10保護裝置評估因素（3）保護裝置保護裝置的主體部分是繼電器和通道，智能變電站取消了原來的電纜傳輸，全部將采樣值/開關(guān)量在過程層以數(shù)據(jù)的形式傳輸，動作的信息也以GOOSE的形式發(fā)送至過程層網(wǎng)絡(luò)。這個時候，外部通信接口部件就能讓主機和遠程進行直接的信息聯(lián)系，這時在實際的保護過程中不能缺少的一種重要的信息傳輸方式。人機對話接口部件能夠讓管理者更好的實時了解保護裝置的狀態(tài)，同時也能實現(xiàn)讓管理者通過外部輸入設(shè)備來輸入對其的信息和相關(guān)命令指示，從而更好的對保護裝置進行管理和控制，如果在和打印機相連接的狀態(tài)下進行的，同時還能夠獲取到紙質(zhì)的打印文件。保護裝置狀態(tài)評估因素如圖1.10。（4）交換機與傳統(tǒng)變電站不同的地方在于一次設(shè)備的智能化/設(shè)備檢修狀態(tài)化以及二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。過程層交換機的性能直接影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性/準(zhǔn)確性，以太網(wǎng)交換機狀態(tài)監(jiān)測評估因素如圖1.11。圖1.11交換機評估因素1.2.2評估期望值以一級評語因素“保護裝置”為例,其評估期望值如表1.2所示。表中a1，a2，a3，a4為各級評估因素的界限值。根據(jù)數(shù)據(jù)對智能變電站的影響，可以將數(shù)據(jù)分為三種：正向指標(biāo)、逆向指標(biāo)、以及中間型指標(biāo)1.3算例分析獲取智能變電站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中以保護裝置威力，采集的數(shù)據(jù)如表1.3所示。再根據(jù)1.3.3節(jié)中的權(quán)重值，得到4級評估因素的評估結(jié)果設(shè)備根據(jù)隸屬度最大原則，判斷設(shè)備處于正常狀態(tài)環(huán)境根據(jù)隸屬度最大原則，判斷環(huán)境處于正常狀態(tài)通信根據(jù)隸屬度最大原則，判斷通信通道的評估結(jié)果為設(shè)備處于注意狀態(tài)。分析三個指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，繼電保護的設(shè)備本體和環(huán)境對繼電保護的最終影響幾乎是沒有的，但是通信通道處于注意狀態(tài)，運維人員需要做相關(guān)的測試，此通道對繼電保護的可靠性會有一定的影響。以方向比較式縱聯(lián)保護為例，當(dāng)通道破壞，內(nèi)部故障，通道破壞對保護無影響；但是一旦發(fā)生外部故障，此時保護因為收不到閉鎖信號導(dǎo)致保護誤動，因此通道的正確性對于保護而言非常重要。一級因素二級因素三級因素單位a1a2a3a4數(shù)據(jù)來源保護裝