CN103605910A - 考虑隐性故障的单一保护装置可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于继电保护装置可靠性评估领域，涉及一种考虑隐性故障的单一保护装置可靠性评估方法，包括：对单一保护装置进行测试并对以往保护数据进行分析，得到评估所需要的设备信息和历史数据；确定单一保护装置的状态空间，涉及8个状态：正常运行状态、被保护元件停运状态、保护元件停运状态，带隐性误动故障隐患运行状态、带隐性拒动隐患运行状态、被保护元件停运保护元件带隐性误动隐患运行状态及被保护元件和保护元件同时停运状态；根据各状态之间的转换关系搭建相应的状态空间模型；确定模型对应的马尔可夫过渡矩阵，通过求解矩阵方程得到各个状态的概率值。本发明可以实现实时对继电保护装置进行更为精确的可靠性评估。

Description

考虑隐性故障的单一保护装置可靠性评估方法

所属技术领域

本发明涉及继电保护装置可靠性评估领域，涉及一种考虑隐性故障情况下单一保护装置的可靠性评估方法。

背景技术

继电保护装置的隐性故障是指在电力系统正常运行状态下没有影响，只是当系统的运行状态发生变化时，这种故障就会被触发，从而导致系统故障甚至连锁故障发生的一种故障。根据国内外调查报告，导致继电保护装置隐性故障的原因大致分为两类：1)继电保护定值不合理，包括保护定值整定计算错误和保护定值不能适应系统运行状态变化；2）继电保护硬件缺陷，包括通信系统故障、测量元件故障、保护装置元件老化、接触不良、绝缘不良、接线错误等。目前，继电保护装置的可靠性分析方法主要有马尔可夫模型法，概率法，故障树法等，研究内容主要是围绕保护的可靠性评估指标以及计算模型等方面展开的。现有的继电保护可靠性理论研究成果虽然为电网的评估和规划提供了关键技术，但是大多没有涉及隐性故障和系统运行状态变化对继电保护装置可靠性的影响，不仅不能实时给出保护装置的可靠性指标，而且所得的可靠性指标也不够全面准确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够对单一保护装置进行准确评估的方法，该方法不仅计算简便易行，而且考虑了隐性故障和系统运行状态的变化对继电保护装置可靠性的影响，从而可以对现实中继电保护装置的检修等工作提供较为准确的参考意见。本发明在考虑隐性故障的情况下构建了随系统运行状态变化单一保护装置的可靠性模型，而后通过所搭建的可靠性模型得到了保护装置实时运行状态下的可靠性评估指标。

一种考虑隐性故障的单一保护装置可靠性评估方法，包括以下步骤：

1)对待评估的单一保护装置进行测试，获取其在偶然失效期和损耗失效期的失效率；

2)对以往保护数据进行分析，统计出由相邻元件故障引发的保护误动的总数以及保护动作总数，得到继电保护装置隐性故障概率值，获取具体线路情况下的检修数据和故障前平均时间的统计数据。

3)确定单一保护装置的状态空间，其中涉及8个状态，状态1为正常运行状态，状态2为检修状态，状态3为被保护元件停运状态，状态4为保护元件停运状态，状态5为带隐性误动故障隐患运行状态，状态6为带隐性拒动隐患运行状态，状态7为被保护元件停运保护元件带隐性误动隐患运行状态，状态8为被保护元件和保护元件同时停运状态；用K_M，K_N表示系统运行状态变化后，带隐性误动故障隐患运行的主保护误动风险增益值和带隐性拒动故障隐患运行的主保护拒动风险增益值；设系统处于正常运行状态时的隐性误动故障率和隐性拒动故障率分别为λ_DYM和λ_DYN，则当系统的运行方式变化后的隐性误动故障率为 ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{DYM}}^{*}=K_M{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{DYM}},$ 隐性拒动故障率为 ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{DYN}}^{*}=K_N{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{DYN}};$

4)在状态1，主保护P和被保护元件C处于正常运行状态；若主保护P出现隐性误动故障，此时进入状态5；若主保护P出现隐性拒动故障，此时进入状态6；在状态5，若被保护元件C发生故障，主保护P就会动作跳闸切除元件C，这被视为正确动作，隐性误动故障不会被发现，此时进入状态7；若在状态5时外部系统的状态发生变化触发主保护P的隐性误动故障，主保护P就会误动作跳闸切除元件C，此时主保护P的隐性误动故障被发现，进入状态4；在状态6，若被保护元件C故障，则主保护P的隐性拒动故障就会暴露，出现拒动，进入到状态8；根据各状态之间的转换关系搭建相应的状态空间模型；

5)由状态空间模型得到其对应的马尔可夫过渡矩阵Q的表达形式；

6)设处于状态1，状态2，...，状态8的概率分别为P₁(t)，P₂(t)，…P₈(t)，并令P(t)=[P₁(t),P₂(t),…,P₈(t)]，忽略隐性故障修复率，根据系统具体运行状态得到K_M，K_N，再将根据步骤1)和2）所得到的数据确定过渡矩阵Q的其他各个元素的值，之后通过求解矩阵方程P(t)Q=0可得P₁(t)，P₂(t)，…P₈(t)，由此可知，保护装置处于正常工作状态的概率为P₁(t)，处于带隐性故障隐患运行状态的概率为P_隐＝P₅(t)+P₆(t)，处于故障或停运状态的概率为P_停(t)＝P₂(t)+P₃(t)+P₄(t)+P₇(t)+P₈(t)。

本发明法人实质性特点是：首先在考虑隐性故障和系统运行状态变化的情况下构建了单一保护装置的可靠性模型，在模型中涵盖了带隐性误动故障隐患的运行状态和带隐性拒动故障隐患的运行状态这两种隐性故障状态，并用K_M，K_N来表示系统运行状态的变化，而后通过计算得到了保护装置的可靠性评估指标。该方法所能产生的积极效果是：首先，本发明考虑了系统运行状态变化对继电保护装置的可靠性影响，因此可以实现实时对继电保护装置进行可靠性评估；其次，本发明考虑了隐性故障对继电保护装置的可靠性影响，使得对继电保护装置可靠性评估结果更加精确，也能更准确得对继电保护装置的检修等工作提出参考意见，从而提高继电保护装置工作的可靠性。

附图说明

图1为继电保护装置失效率随时间变化曲线；

图2为单一保护装置的状态空间图。

具体实施方式

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

本发明通过建立单一保护装置的状态空间模型，提供了一种可以对单一保护装置进行实时准确评估的方法。

1.马尔可夫可靠性评估法

马尔可夫过程是一个随机过程，在时间tn随机变量的概率与时间tn-1的随机变量的取值相关，而与tn-1之前的随机过程无关。继电保护元件是可修复元件，其工作过程属于马尔可夫过程，因此可以用马尔可夫过程分析继电保护装置的可靠性。

一般来说用状态空间法分析继电保护装置可靠性的一般步骤如下所示[1]：

（1）.定义系统的范围以及每种状态的具体含义。对继电保护装置来说，一般在做可靠性分析前，要具体规定系统的范围，同时，还应该规定每种状态的具体含义，这些状态一般包括工作，检修，停运等。

（2）.建立状态转移图并得到状态转移矩阵A。

（3）.建立和求解如下所示的线性代数方程组计算稳态概率。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PA}=0\\ \mathrm{\Σ}{p}_i=1\end{array}\right.$

其中， $P=\left[\begin{array}{cccc}{p}_{11}& p_{12}& \·\·\·& p_{1n}\\ p_{21}& p_{22}& \·\·\·& p_{2n}\\ \·& \·& \·\·\·& \·\\ \·& \·& \·\·\·& \·\\ \·& \·& \·\·\·& \·\\ p_{n1}& p_{n2}& \·\·\·& p_{\mathrm{nn}}\end{array}\right].$

上述段落里所涉及到的参考文献的出处如下：

[1]P.M.Anderson.电力系统保护[M]<电力系统保护>翻译组组，译.北京：中国电力出版社，2008.

2.保护装置故障率及隐性故障率的计算

同一般的工业产品一样，继电保护装置的失效率会随着时间的增长而变化，其失效率呈现“浴盆”形状，如图1所示，分为早期失效期、偶然失效期、损耗失效期。一般来说，继电保护装置在现场运行之前，已经过充分测试，故本发明在计算时假设继电保护装置不再处于早期失效期。

继电保护装置的硬件失效率在偶然失效期内近似为常数，设为λ₀，假设保护装置在偶然失效期运行时间为d，年平均运行装置数为M，偶然失效装置平均停运天数为d₁，偶然失效总数为N₁，则保护装置在偶然失效期失效率为

传统上认为损耗失效期内继电保护装置失效率近似服从Weibull分布，失效率为

其中的m，η为形状和尺度参数，需要根据具体保护装置的统计数据进行确定。

对以往保护数据进行分析，统计出由相邻元件故障引发的保护误动的总数，然后除以保护动作总数，得到的数值可以看作是继电保护装置隐性故障误动失效率λ_DYM。在实际中，误动占了绝大多数，而且从它们的发生带来的结果评价，拒动比误动的危害要小，这主要是因为目前对重要的电力线路或设备均配置了不止一套保护，这样当其中一套保护装置发生拒动时，仍能通过所配备的其他保护来切除故障，因此一般不会造成特别严重的损失，而且，在实际的检修工作中，元件的误动相对来说不容易被发现，其所占的比例也很大，所以在这里忽略隐性拒动失效率λ_DYN。

检修率和修复率需要由具体保护装置和线路情况下的检修情况及故障前平均时间等统计数据确定，例如，假设MTTR为平均修复时间(h)，则检修率为

假设MTTF为失效前平均时间(h)，则被保护元件失效率为

另外，由检修周期可以得到保护装置和线路的检修率m。

3.考虑隐性故障的单一保护装置的可靠性评估方法

本发明采用状态空间法综合求解继电保护装置的可靠性指标,在建立保护装置的状态空间图时，作了如下的假设：(1)可修复的故障在得到修复后即可重新投入使用；(2)评估过程不影响系统的运行。

考虑继电保护装置隐性故障的发生，我们可以建立单一保护装置的状态空间模型，如图2所示。其中，C为被保护元件，P为主保护，UP表示正常运行状态，DN表示故障后的停运状态，M为检修状态，DYM表示带隐性误动故障隐患的运行状态，DYN表示带隐性拒动故障隐患的运行状态。K_M，K_N分别为系统运行状态变化后，带隐性误动故障隐患运行的主保护误动风险增益值和带隐性拒动故障隐患运行的主保护拒动风险增益值，箭头表示计算增益值的方向。假设系统处于正常运行状态时的隐性误动故障率，隐性拒动故障率分别为λ_DYM和λ_DYN，则当系统的运行方式变化后，可以得到此时的隐性误动故障率为 ${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYM}}^{*}=K_M{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYM}},$ 隐性拒动故障率为 ${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYN}}^{*}=K_N{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYN}}.$

下面仅就图1中涉及隐性故障部分的状态变化进行说明。在状态1，主保护P和被保护元件C处于正常运行状态。若主保护P出现隐性误动故障，此时进入状态5；若主保护P出现隐性拒动故障，此时进入状态6。在状态5，若被保护元件C发生故障，主保护P就会动作跳闸切除元件C，这被视为正确动作，隐性误动故障不会被发现，此时进入状态7；若在状态5时外部系统的状态发生变化触发主保护P的隐性误动故障，主保护P就会误动作跳闸切除元件C，此时主保护P的隐性误动故障被发现，进入状态4。在状态6，若被保护元件C故障，则主保护P的隐性拒动故障就会暴露，出现拒动，进入到状态8。

由图1可得其对应的马尔可夫过渡矩阵为：

$Q=\left[\begin{array}{cccccccc}-S_1& m& {\mathrm{\&lambda;}}_C& {\mathrm{\&lambda;}}_P& K_M{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYM}}& K_N{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYN}}& 0& 0\\ \mathrm{\&mu;}& -\mathrm{\&mu;}& 0& 0& \mathrm{\&mu;}& \mathrm{\&mu;}& 0& 0\\ {\mathrm{\&mu;}}_C& 0& -{\mathrm{\&mu;}}_C& 0& 0& 0& 0& 0\\ {\mathrm{\&mu;}}_P& 0& 0& -{\mathrm{\&mu;}}_P& 0& 0& 0& 0\\ {\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{DYM}}& m& 0& {\mathrm{\&lambda;}}_{\exp }& -S_5& 0& {\mathrm{\&lambda;}}_C& 0\\ {\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{DYN}}& m& 0& 0& 0& -S_6& 0& {\mathrm{\&lambda;}}_C\\ 0& 0& 0& 0& {\mathrm{\&mu;}}_C& 0& -{\mathrm{\&mu;}}_C& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\&mu;}}_P& {\mathrm{\&mu;}}_C& 0& 0& 0& -{\mathrm{\&mu;}}_P-{\mathrm{\&mu;}}_C\end{array}\right]$

其中，λ_C为被保护线路故障率，λ_P为保护装置故障率，μ_C为被保护线路修复率，μ_P为保护装置修复率，m和μ均为保护装置和线路的定期检修数据，λ_exp为线路外部故障时保护装置的误动故障率。S₁＝m+λ_c+λ_p+K_Mλ_DYM+K_Nλ_DYN，S₅＝μ_DYM+m+λ_exp+λ_c，S₆＝μ_DYN+m+λ_c，S₈＝μ_p+μ_c。设图1中处于状态1，状态2，...，状态8的概率分别为P₁(t)，P₂(t)，…P₈(t)，令P(t)＝[P₁(t),P₂(t),…,P₈(t)]，将2中所得数据带入矩阵Q，则通过求解矩阵方程P(t)Q=0可得P₁(t),P₂(t),…P₈(t)，即可知保护装置处于正常工作状态的概率为P₁(t)，处于带隐性故障隐患运行状态的概率为P_隐＝P₅(t)+P₆(t)，处于故障或停运状态的概率为P_停(t)＝P₂(t)+P₃(t)+P₄(t)+P₇(t)+P₈(t)。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑隐性故障的单一保护装置可靠性评估方法，包括以下步骤：

1)对待评估的单一保护装置进行测试，获取其在偶然失效期和损耗失效期的失效率；

2)对以往保护数据进行分析，统计出由相邻元件故障引发的保护误动的总数以及保护动作总数，得到继电保护装置隐性故障概率值，获取具体线路情况下的检修数据和故障前平均时间的统计数据。

3)确定单一保护装置的状态空间，其中涉及8个状态，状态1为正常运行状态，状态2为检修状态，状态3为被保护元件停运状态，状态4为保护元件停运状态，状态5为带隐性误动故障隐患运行状态，状态6为带隐性拒动隐患运行状态，状态7为被保护元件停运保护元件带隐性误动隐患运行状态，状态8为被保护元件和保护元件同时停运状态；用K_M，K_N表示系统运行状态变化后，带隐性误动故障隐患运行的主保护误动风险增益值和带隐性拒动故障隐患运行的主保护拒动风险增益值；设系统处于正常运行状态时的隐性误动故障率和隐性拒动故障率分别为λ_DYM和λ_DYN，则当系统的运行方式变化后的隐性误动故障率为 ${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYM}}^{*}=K_M{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYM}},$ 隐性拒动故障率为 ${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYN}}^{*}=K_N{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{DYN}};$

4)在状态1，主保护P和被保护元件C处于正常运行状态；若主保护P出现隐性误动故障，此时进入状态5；若主保护P出现隐性拒动故障，此时进入状态6；在状态5，若被保护元件C发生故障，主保护P就会动作跳闸切除元件C，这被视为正确动作，隐性误动故障不会被发现，此时进入状态7；若在状态5时外部系统的状态发生变化触发主保护P的隐性误动故障，主保护P就会误动作跳闸切除元件C，此时主保护P的隐性误动故障被发现，进入状态4；在状态6，若被保护元件C故障，则主保护P的隐性拒动故障就会暴露，出现拒动，进入到状态8；根据各状态之间的转换关系搭建相应的状态空间模型；

5)由状态空间模型得到其对应的马尔可夫过渡矩阵Q的表达形式；

6)设处于状态1，状态2，...，状态8的概率分别为P₁(t)，P₂(t)，…P₈(t)，并令P(t)=[P₁(t),P₂(t),…,P₈(t)]，忽略隐性故障修复率，根据系统具体运行状态得到K_M，K_N，再将根据步骤1)和2）所得到的数据确定过渡矩阵Q的其他各个元素的值，之后通过求解矩阵方程P(t)Q=0可得P₁(t)，P₂(t)，…P8(t)，由此可知，保护装置处于正常工作状态的概率为P₁(t)，处于带隐性故障隐患运行状态的概率为P_隐＝P₅(t)+P₆(t)，处于故障或停运状态的概率为P_停(t)＝P₂(t)+P₃(t)+P₄(t)+P₇(t)+P₈(t)。

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