一種繼電保護安全性評估方法與流程

本發明涉及電力系統技術領域，尤其涉及一種繼電保護安全性評估方法。

背景技術：

當前我國電網具有復雜互聯的網架結構和交直流混聯的特點，超級互聯的電網給人們帶來巨大利益的同時，也給電網的運行、維護帶來了巨大挑戰。繼電保護是電力系統安全安全的第一道防線，繼電保護能否正常工作，對電力系統運行有重大的影響。在大型互聯電網中，局部事故可能引發整個系統的大面積停電，并且隨著電力系統規模的擴大，事故發生的概率也會增加。

繼電保護是防止事故擴大化或連鎖反應的重要保證，繼電保護裝置作為電力系統第一道防線，其重要性不容忽視，如何客觀全面的評價繼電保護裝置的運行狀態是安全電網安全穩定運行的一個非常重要的內容。繼電保護系統的安全性是指保護系統的設計特性和計劃的安全資源能滿足保護使用要求的能力，現有技術尚未對繼電保護安全性指標體系進行過深入研究，而繼電保護安全性指標的內容隨著當前保護裝置的升級發展顯得越來越重要，若不科學劃分繼電保護安全性指標框架并在此基礎上進行進一步研究，就無法全面而準確的評價繼電保護。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種繼電保護安全性評估方法，該方法可以為繼電保護裝置的維護管理研發人員提供安全性維度內保護的運行分析思路，評估結果更加可信。

一種繼電保護安全性評估方法，所述方法包括：

步驟1、劃分繼電保護安全性評估指標體系；所述評估指標體系包括3類二級指標：計及保護失效的安全性指標、保護定值安全裕度指標和保護裝置安全性指標；

步驟2、根據工程實際需求，選取特定的評估指標作為底層指標；

步驟3、為所選取的底層指標按重要性進行賦權；

步驟4、根據當前實際電網的運行數據，確定底層指標的實測值；

步驟5、查找相關文獻中提供的參考值來確定所述底層指標的標準值，將所述實測值和所述標準值進行對比，將底層指標的實測值轉化為評分值；

步驟6、結合評分值和底層指標的賦權結果計算得到繼電保護安全性維度下的評估分值。

所述計及保護失效的安全性指標包括系統失負荷概率、系統失負荷頻率、平均切負荷持續時間、負荷切除期望值、電力不足期望值、系統嚴重程度指標、失效概率和失效后果；

所述保護定值安全裕度指標包括靈敏系數、選擇性確定值和可靠系數；

所述保護裝置安全性指標包括保護裝置屬性指標、內部軟硬件指標、運行指標和混合因素指標。

所述保護裝置屬性指標進一步包括有批次設備不可用率，制造廠家設備不可用率和特定設備型號不可用率；

所述內部軟硬件指標進一步包括有電源電壓偏移量、電源溫度偏移量、支路電流偏移量、各支路絕緣數據偏移量和光模塊光強偏移量；

所述運行指標進一步包括有cpu使用率偏移量、外部溫度偏移量、外部濕度偏移量和與投運時原始數據差異偏移量；

所述混合因素指標進一步包括有ta二次回路電流偏移量、ta接觸電阻偏移量、ta溫度偏移量、tv三相電流差偏移量和tv零序電壓偏移量。

在所述步驟2中，所選取的特定評估指標包括：失效概率、失效后果、電力不足期望值、靈敏系數和批次設備不可用率。

在所述步驟3中，具體利用改進熵值法和g1法計算所述底層指標的權重，并結合兩者計算的結果得到綜合權重，為所選取的底層指標按重要性進行賦權。

所述利用改進熵值法得到的底層指標權重表示為：

其中，σi為標準差，hi為行熵，ui為專家對底層指標i的評分均值，底層指標i＝1,2,…m，m為選取的底層指標數；

利用g1法得到的底層指標權重表示為：

其中，權重為vi，i＝k＝m,m-1,…3,2；

結合兩者計算的結果得到綜合權重表示為：

其中，ai就是兩種權重組合之后底層指標i的權重，且

在所述步驟6中，所述繼電保護安全性維度下的評估分值計算公式為：

p＝t1s1+t2s2+…+tmsm；

其中，si是專家對底層指標i的評分值，ti為底層指標i的賦權結果；

且i＝1,2,…m。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，上述方法可以為繼電保護裝置的維護管理研發人員提供安全性維度內保護的運行分析思路，評估結果更加可信，而且這種處理思路具有靈活性，適用于繼電保護維護、管理、研發等各個階段的評估。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發明實施例所提供的繼電保護安全性評估方法流程示意圖；

圖2為本發明實施例所提供繼電保護安全性評估指標體系示意圖；

圖3為本發明實施例所舉出的可靠性界面示意圖；

圖4為本發明實施例所舉出的越級跳閘界面示意圖；

圖5為本發明實施例所舉出的保護拒動界面示意圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述，如圖1所示為本發明實施例所提供的繼電保護安全性評估方法流程示意圖，所述方法包括：

步驟1、劃分繼電保護安全性評估指標體系；

在該步驟中，安全性是指繼電保護系統保持不造成(顯性或隱性)設備損壞、財產損失甚至危害健康及環境的能力，繼電保護安全性評估指標將對現存有關安全性的指標進行甄別，在安全性維度下進行劃分，本實例中所劃分的評估指標體系主要包括3類二級指標：計及保護失效的安全性指標、保護定值安全裕度指標和保護裝置安全性指標，如圖2所示為本發明實施例所提供繼電保護安全性評估指標體系示意圖，其中：

所述計及保護失效的安全性指標進一步包括系統失負荷概率、系統失負荷頻率、平均切負荷持續時間、負荷切除期望值、電力不足期望值、系統嚴重程度指標、失效概率和失效后果；此類指標認為繼電保護裝置極少出現誤動和拒動，但一旦出現，有可能造成嚴重的后果，因此從風險角度審視繼電保護裝置安全性。

所述保護定值安全裕度指標包括靈敏系數、選擇性確定值和可靠系數；該保護定值安全裕度指標關注的在線校核內容包括：以線路、變壓器和母線為對象，對其主保護、后備保護定值的靈敏度和選擇性進行校核。其中主保護定值校核主要有：母差保護定值靈敏性的校核、線路縱聯保護(縱聯電流差動、縱聯距離、縱聯方向)定值靈敏性的校核、變壓器差動保護定值靈敏性的校核；后備保護定值校核主要有：距離保護的靈敏性和選擇性校核、距離ⅲ段定值躲負荷能力在線校核、失靈保護的電流及復壓閉鎖定值的靈敏性校核、零序電流保護的靈敏性和選擇性(含方向元件)校核、變壓器過流保護的靈敏性和選擇性校核。此類指標計算的特點是通過對靈敏系數等基礎指標的統計計算得到保護定值安全裕度，這一裕度性能的評價需要在建立的評估分值表中完成，這類指標的意義在于對定值裕度范疇內基礎指標的計算，為下一步進行整體評估分析做出鋪墊。

所述保護裝置安全性指標包括保護裝置屬性指標、內部軟硬件指標、運行指標和混合因素指標；此類指標依托能描述設備狀態的準確數據，設備部件在載荷和環境條件下產生的磨損、腐蝕、應力、疲勞和老化等狀況，最后失效造成設備損壞而停止運行。這些損壞是逐漸發展的，他們是有一定規律的，在不同狀態下，有的是物理量的變化，有的是化學量的變化，有的是電氣參數的變化，另外，還有設備的運轉時間、啟停次數、負荷的變化、越限數據與時間、環境條件等。保護裝置安全性指標從歷史統計數據和在線數據整理兩方面入手，主要包括保護裝置屬性因素、內部硬件因素、運行因素、混合因素等，通過歷史數據統計分析和在線數據的采集識別，可對繼電保護裝置的狀態進行評估，狀態評估的意義在于識別故障的早期征兆，對故障部位其及嚴重程度、故障發展趨勢做出判斷，并根據分析診斷結果，在設備性能下降到一定程度或故障將要發生之前主動實施維修提供依據，它為電氣設備安全、穩定、長周期、全性能、優質運行提供了可靠的技術和管理保障。

進一步的，在上述保護裝置安全性指標中：

保護裝置屬性指標進一步包括有批次設備不可用率，制造廠家設備不可用率和特定設備型號不可用率；內部軟硬件指標進一步包括有電源電壓偏移量、電源溫度偏移量、支路電流偏移量、各支路絕緣數據偏移量和光模塊光強偏移量；運行指標進一步包括有cpu使用率偏移量、外部溫度偏移量、外部濕度偏移量和與投運時原始數據差異偏移量；混合因素指標進一步包括有ta二次回路電流偏移量、ta接觸電阻偏移量、ta溫度偏移量、tv三相電流差偏移量和tv零序電壓偏移量。

下面對上述部分指標的定義及計算方法說明如下：

(1)系統失負荷概率(lolp)：

(2)系統失負荷頻率(lolf)次/a：

(3)平均切負荷持續時間(adll)h/次：

(4)電力不足期望值(eens)：

其中，s是系統有切負荷狀態的集合；ti是系統狀態i的持續時間，ci為系統狀態i的切負荷量，ni為有切負荷的狀態數，t為總仿真時間，單位為年。

(5)靈敏系數：靈敏度是指保護裝置對其保護范圍內故障或不正常工作狀態的反應能力，一般通過對被保護設備發生故障時的實際參數與保護裝置的動作整定值的比較來確定。對于不同的保護類型，其發生故障后，對應故障反映的參數變化不同，分為過量保護或欠量保護，其靈敏系數的表達式也不相同。

在發生故障后，參數上升的保護裝置(過量保護)，其靈敏系數為：

在發生故障后，參數下降的保護裝置(欠量保護)，其靈敏系數為：

以高壓線路零序電流保護為例，線路保護靈敏度校核的計算公式為：

其中，klm為靈敏系數，idz為保護動作定值，icurr為保護所在線路末端發生不同類型接地故障時流過保護的最大零序電流。當計算出的靈敏系數不滿足用戶預先給定的要求時，則可判斷為靈敏度校核不滿足。

(6)可靠系數：

這里，定值i1dz＝kk*ib，ib為大方式下線末短路電流，可靠系數kk必須大于下限，以保證下級線路故障保護可靠不動作，如圖3所示為本發明實施例所舉出的可靠性界面示意圖：

當某方式下線末短路電流ib’>ib，定值i1dz保持不變，那么其可靠系數表示為：

kk'＝i1dz/ib'＜kk(8)

造成可靠系數小于規定值，保護范圍擴大，容易產生越級跳閘現象，如圖4所示為本發明實施例所舉出的越級跳閘界面示意圖：

當某方式下線末短路電流ib”>ib，定值i1dz保持不變，那么其可靠系數表示為：

kk”＝i1dz/ib”＞kk(9)

造成可靠系數大于規定值，保護范圍縮小，甚至保護范圍為零，產生保護拒動現象，如圖5所示為本發明實施例所舉出的保護拒動界面示意圖：

因為電力系統在實際運行時方式變化較大，如果i段保護定值不隨之產生變化，可能會造成保護誤動、拒動現象。

(7)批次設備不可用率：不同批次安裝的繼電保護裝置其不可用率各不相同，統計批次因素從歷史數據出發，對評估保護裝置安全性具有重要參考價值。

(8)cpu外部溫度偏移量：繼電保護在運行時cpu溫度的正常與否直接影響保護的正常工作，以額定值和極限值為參考，記錄cpu外部溫度偏移量具有重要意義。

(9)cpu使用率偏移量：繼電保護裝置本體cpu使用率的高低影響保護的反應能力、處理速度等，以平均值和允許最大值為參考，記錄cpu使用率偏移量具有重要價值。

(10)ta溫度偏移量：電流互感器ta的溫度監測可以有效保證在線數據的準確性，以額定值和極限值為參考，記錄ta溫度偏移量能從一個方面來判斷保護裝置運行的狀況。

步驟2、根據工程實際需求，選取特定的評估指標作為底層指標；

在所述步驟2中，本實施例所選取的特定評估指標包括：失效概率、失效后果、電力不足期望值、靈敏系數和批次設備不可用率。

除上述選擇外，本領域技術人員也可以根據實際工程需要，選擇其他的評估指標作為底層指標。

步驟3、為所選取的底層指標按重要性進行賦權；

在該步驟中，具體可以利用改進熵值法和g1法計算所述底層指標的權重，并結合兩者計算的結果得到綜合權重，為所選取的底層指標按重要性進行賦權，使賦權計算結果更加可信和準確。

下面對改進熵值法和g1法的計算過程舉例說明：

改進熵值法的計算假設評價指標集共有m個因素，讓n個專家對每個因素進行賦權重，那么得到權重矩陣f：

rij表示第j個專家對第i個指標的賦權值，其中i＝1,2,…m,j＝1,2,…n先對每一列的權值進行求熵運算稱為列熵，也就是求某位專家對m個指標賦予的權值的熵值,且列熵的公式為：

hj表示的是第j個專家對m個指標賦予的權值的熵值，當列熵值越大表示這個專家提供權重所帶來的效用值小，應舍棄。為此需設定一個閾值，舍棄大于這個閾值的專家賦予權值，根據專家經驗我們舍去列熵最大的那個值，假設舍棄了大于閾值的專家賦予的權值，還有q個專家賦予的權值，據此重新構建權重矩陣f'：

再求這個矩陣的每一行的熵值，也就是q個專家對某個指標的賦權的權值的熵值，稱為行熵，求取行熵之前先對f'的每一行的權值進行歸一化：

使得其中i＝1,2,…m,j＝1,2,…q，據此可以得到行熵hi：

當hi越大說明q個專家對第i個指標的賦權值沒有異議，認同率高，正確率較高，表示第i個指標不會導致評價結果出現較大誤差，反之則使評價結果誤差大，所以hi越大表示指標i的重要性越大。求取第i行的標準差:

其中若σi的值越大代表這些專家對于同一個指標的分歧較大，則該指標的權重可能不準確，故應降低該指標的權重。根據標準差σi和行熵hi，得到利用改進熵值法得到的底層指標權重表示為：

其中，σi為標準差，hi為行熵，ui為專家對底層指標i的評分均值，底層指標i＝1,2,…m，m為選取的底層指標數。

g1法的計算讓專家根據繼電保護裝置評估準則對指標因素集{x1,x2,…xm}按照重要性排序，首先讓專家在指標集{x1,x2,…xm}選出認為是最重要的一個指標記為x1^*，再繼續在余下的m-1個指標中，選出認為是最重要的一個指標記為x2^*，以此類推，經過m-1次的挑選，最終剩下的評價指標記為這樣就唯一確定了一個序關系：

設專家關于評價指標與的重要性程度之比的理性判斷如下表1所示：

表1賦值參考表

其中：

若專家給出的的理性賦值，則利用g1法得到的底層指標權重表示為：

其中，權重為vi，i＝k＝m,m-1,…3,2

通過上述(18)，(19)可以得到最終的值。

組合兩種權重得到綜合權重采用如下公式：

其中，ai就是兩種權重組合之后指標i的權重，

另外，在得到組合的權重之后，當某個指標的實測值超出正常范圍時候，組合權重已經無法準確反應出其在評估體系中的重要性，需對其進行變權重得到合適權重，當實測值超過正常范圍的上限那么變權重的公式為：

當實測值低于正常范圍的下限則變權重公式為：

其中ai'(i＝1,2,…m)是指標i的變權重，umin和umax分別是指標i的最小值和最大值ui是實際測量值。最后將得到變權重和組合權重進行歸一化就可以得到最終各個指標的權重：

或者：

這里，當指標i是異常指標時，采用(23)；當i是正常指標時，采用(24)。a代表綜合權重的指標和，a’代表異常指標的變權重之和。

步驟4、根據當前實際電網的運行數據，確定底層指標的實測值；

步驟5、查找相關文獻中提供的參考值來確定所述底層指標的標準值，將所述實測值和所述標準值進行對比，將底層指標的實測值轉化為評分值；

在該步驟中，底層指標的評分值可以由相關專家根據經驗結合各個底層指標的實測值對這m個底層指標給予一定的評分值，這里，每個底層指標的滿分可以根據實際情況進行設定，例如可以是100或5分。

步驟6、結合評分值和底層指標的賦權結果計算得到繼電保護安全性維度下的評估分值。

在該步驟中，繼電保護安全性維度下的評估分值計算公式為：

p＝t1s1+t2s2+…+tmsm；

其中，si是專家對底層指標i的評分值，ti為底層指標i的賦權結果，如上述公式23或24；且i＝1,2,…m。

下面以具體的實例對上述評估過程進行詳細說明，選取a、b地區電網繼電保護裝置作為對比分析計算的實例，選取的保護同批次服役，應用于220kv系統，選用不同廠家，以下將基于a地區電網保護數據進行多維度評估分析計算，同理可得b地區電網保護的分析結果，具體來說：

(1)a地區電網保護安全性維度指標評估分析。

基于繼電保護安全性評估指標體系，a地區電網保護安全性維度指標評估中維度下選取的典型底層指標、根據相關資料確定的標準值范圍、保護的實測值如下表2所示：

表2保護安全性指標參數表

首先，利用改進熵值法計算權重：

根據表2所示的參考數據，得到指標評分值如表3所示：

表3安全性底層指標評分值

得到指標數m為5，專家n為5，權重矩陣f為：

由式(12)得到5個專家的列熵后舍棄最大的，重新構造的權重矩陣f':

當行熵hi越大說明q個專家對第i個指標的賦權值沒有異議，認同率高，正確率較高，表示第i個指標不會導致評價結果出現較大誤差，反之則使評價結果誤差大，所以hi越大表示指標i的重要性越大。

由式(14)，(15)，(16)可得行熵hi、標準差σi、均值ui、指標權重wi如表4所示：

表4改進熵值法安全性指標計算結果

然后，利用g1法計算權重：

已知這5個底層指標{x1＝失效概率，x2＝失效后果，x3＝電力不足期望值，x4＝靈敏系數定值，x5＝保護裝置安全評估值}；

由相關專家根據經驗按照順序從大到小列出這5個指標：{x4≥x1≥x2≥x5≥x3}；

重新表示為：

那么rk^*的值可以讓專家根據表1進行理性判斷:

若專家給出的的理性賦值，則指標權重為：

通過上述(9)(10)可以得到最終的值：

g1法計算指標的權重值如表5所示：

表5g1法計算的指標權重值表

再進行綜合權重計算：

改進的熵值法的得到權重為wi和g1法得到權重vk(i＝k＝m,m-1,…3,2)，組合兩種權重得到綜合權重采用如下公式：

其中，ai就是兩種權重組合之后指標i的權重。

最終可得綜合權重為：

a1＝0.1948,a2＝0.1685,a3＝0.1577,a4＝0.2411,a5＝0.2380；

然后再進行繼電保護安全性維度下的評估分值的計算：

讓專家根據經驗并結合得到各個底層指標的實測數據對這m個指標給予一定分值，假設每個指標的滿分是100，那么使得每個底層指標的評分值結合該底層指標的綜合權重，并且將它們相加得到最終安全性維度下的評估分值，采用如下公式：

p＝t1s1+t2s2+…+tmsm；

其中，si(i＝1,2,…m)是專家對指標i的評分值。

最終計算的評估分值p＝88.0212。

(2)同理可得b電網保護安全性維度評估分析結果：

表6b電網保護安全性底層指標評分值

最終計算的評估分值p＝91.2594。

綜上所述，利用本發明實施例所提供的繼電保護安全性評估方法可以為繼電保護裝置的維護管理研發人員提供安全性維度內保護的運行分析思路；由于底層指標的選取依據所處維護、管理、研發等階段會體現出不同，本發明考慮了底層指標重要性不同的問題，并在此基礎上使用了改進熵值法和g1法綜合賦權的辦法，因此得到的結果更加可信，而且這種處理思路具有靈活性，適用于繼電保護維護、管理、研發等各個階段的評估。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。