CN104318126A - 一种继电保护最佳检修周期的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种继电保护最佳检修周期的计算方法，所述方法包括(1)基于历史告警信息的保护系统失效率计算；(2)建立单套保护系统Markov状态空间模型；(3)基于层次结构的建立整体Markov状态空间模型；(4)确定最佳检测周期。本发明以保护信息管理系统中保护告警信息为基础，进行保护系统各元件失效率的统计和计算，有利于辨识得到保护系统中关键元件和薄弱环节；且保护告警信息数量较多，较大的统计样本能使统计结果更加可靠。本发明考虑检修过程中的人为失误等因素，完善了现有的状态空间模型图，使建模和后续计算过程更加清晰、合理，结果更加准确可信。

Description

一种继电保护最佳检修周期的计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护运维技术，具体讲涉及一种继电保护最佳检修周期的计算方法。

背景技术

继电保护作为电网安全的第一道防线，其动作状况将直接影响电力系统运行的可靠性：继电保护快速、可靠的动作可有效切除故障、遏制系统状态恶化，起到保障电网安全可靠运行的作用；反之，则可能扩大故障范围，甚至引发连锁故障和系统崩溃。北美可靠性委员会(NERC)的研究表明：75％的电力系统事故与继电保护有关。因此对继电保护可靠性的研究一直是国内外学者密切关注的重要课题。

当前关于继电保护可靠性研究主要关注继电保护系统的可靠性及其最佳检修周期的确定。涉及系统可靠性的定性与定量评估，可靠性指标与经济性指标的协调等方面，旨在找出保护系统的薄弱环节，寻找最佳的设计、运维方案及检修周期等。文献[王钢，丁茂生，李晓华，等.数字继电保护装置可靠性研究中国电机工程学报，2004，24(7):47-52]、文献[张沛超，高翔.全数字化保护系统的可靠性及元件重要度分析.中国电机工程学报，2008，28(1):77-82.]和文献[吴宏斌，盛继光.继电保护设备可靠性评估的数学模型及应用.电力系统保护与控制，2009，37(9):65-68.]从保护系统结构组成以及软、硬件以及人为因素等失效模式建立继电保护系统可靠性模型进行可靠性分析，并定义保护重要度指标评价元件重要度，辨识保护系统中关键元件和薄弱环节。文献[张雪松，王超，程晓东.基于马尔可夫状态空间法的超高压电网继电保护系统可靠性分析模型.电网技术，2008，32(13):94-9]、文献[丁茂生，王钢，贺文.基于可靠性经济分析的继电保护最优检修间隔时间[J].中国电机工程学报，2007，27(25):44-48.]、文献[J.J.Kumm，M.S.Weber，D.Hou，and E.O.Schweitzer，“Predicting the optimum routine testinterval for protective relays，”IEEE Trans.Power Del.，vol.10，no.2，pp.659–665，Apr.1995.]和文献[Etermadi，H.，and Fotuhi-Firuzabad，M.：‘Design and routine testoptimization of modern protection systems with reliability and economic constraints’IEEETrans.Power Deliv.2012，27，(1)，pp.271-278.]则基于不同保护配置方案和对保护实际运行状态的不同假设建立多种不同的马尔可夫状态空间模型，以各种可靠性和经济性指标为评价标准分别对继电保护最佳检修周期进行了相关研究，并对自检系数等因素做了灵敏度分析，结果表明：自检系数及检修成功系数对最佳检修周期的影响较大。

上述工作对研究继电保护可靠性做出了重要贡献，但也存在一定缺陷：即对于元件失效率等可靠性基础数据的研究。虽然现在己有对全国近年来的保护动作情况做了详细的统计分析，但是保护系统内部元件的可靠性基础数据仍然缺乏，大多数文献在分析过程中只对元件可靠性评估所需要的基础数据做了定量假设或者直接参考电子设备可靠性预计手册来计算装置本体中元器件和各模块的失效率，使得可靠性分析结果的实际参考价值大打折扣。另一方面针对保护最佳检修周期的研究，文献[张雪松，王超，程晓东.基于马尔可夫状态空间法的超高压电网继电保护系统可靠性分析模型.电网技术，2008，32(13):94-9]、文献[丁茂生，王钢，贺文.基于可靠性经济分析的继电保护最优检修间隔时间[J].中国电机工程学报，2007，27(25):44-48.]、文献[J.J.Kumm，M.S.Weber，D.Hou，and E.O.Schweitzer，“Predicting the optimum routine test intervalfor protective relays，”IEEE Trans.Power Del.，vol.10，no.2，pp.659–665，Apr.1995.]和文献[Etermadi，H.，and Fotuhi-Firuzabad，M.：‘Design and routine test optimization ofmodern protection systems with reliability and economic constraints’IEEE Trans.PowerDeliv.2012，27，(1)，pp.271-278.]均未考虑人为因素的影响，文献[张晶晶，丁明，李生虎.人为失误对保护系统可靠性的影响.电力系统自动化，2012，36(8):1-5]虽然考虑了运行和修复过程中的两类人为失误，但其所建的整体Markov状态模型又过于简单，对线路及保护运行状态的划分和概括不够全面。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种继电保护最佳检修周期的计算方法，充利用大量的自检告警信息进行保护系统内各元件失效率的统计和计算，结合失效模式分析建立保护系统的故障树分析模型，计算保护系统的总体失效率及其它可靠性指标。在此基础上改进了保护系统及其被保护元件的Markov状态模型，考虑了保护可能处于的五种运行状态，以及维修及定期检测期间的人为失误等因素，完善了保护设备的各种状态及之间的转移规律，使Markov状态空间模型更加明确、合理，并以被保护及被保护元件的整体可用度为评价指标计算保护的最佳定检周期。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其改进之处在于，所述方法包括

(1)基于历史告警信息的保护系统失效率计算；

(2)建立单套保护系统Markov状态空间模型；

(3)基于层次结构的建立整体Markov状态空间模型；

(4)确定最佳检测周期。

优选的，所述失效率计算包括保护系统的硬件失效率计算和保护系统的软件失效率计算。

优选的，所述步骤(1)包括利用保护上传的各部件自检告警信息统计计算得到保护系统的硬件失效率，结合软件失效率计算模型计算得到保护系统的软件失效率，建立保护系统失效的故障树模型，计算得到保护系统总体失效率。

进一步地，所述保护系统的硬件失效率包括利用保护上传的各部件自检告警信息，根据各元件告警信号的频率计算获得该元件的自检平均无故障工作时间，通过平均无故障时间和失效率之间的数学关系计算得到各元件的自检失效率，并结合自检系数计算元件故障引发保护失效的真实失效率。

进一步地，所述保护系统的软件失效率包括在继电保护可靠性分析中采用MusaLogarithmic模型计算软件失效率：

λ_s(m)＝λ₀e^-θm

其中，λ₀为初始失效率，θ为漏洞减少率系数，m为系统运行中累计发现的漏洞。

优选的，所述步骤(2)包括建立保护单独的Markov状态空间模型，用于分析保护的运行状态及转移关系。

优选的，所述步骤(3)包括结合被保护元件的运行状态及保护的运行状态，通过保护及被保护元件的合理状态组合建立保护及被保护元件的完整Markov状态分析模型。

进一步地，所述被保护元件的运行状态包括线路正常运行状态、线路故障退出运行状态和线路处于被隔离停电状态；

所述保护的运行状态包括正常状态、故障退出运行状态、隐形故障状态、定期检修状态和故障后修复状态。

进一步地，根据被保护元件的运行状态将完整模型分为四层结构。

优选的，所述步骤(4)包括根据建立的完整Markov状态空间模型，利用状态空间法建立状态转移概率矩阵A，并计算各状态的稳态概率P₁-P₁₇，以保护及被保护元件的整体可用度P₁最大为目标确定保护最佳检修周期。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1、本发明以保护信息管理系统中保护告警信息为基础，进行保护系统各元件失效率的统计和计算，有利于辨识得到保护系统中关键元件和薄弱环节；且保护告警信息数量较多，较大的统计样本能使统计结果更加可靠。

2、本发明考虑检修过程中的人为失误等因素，完善了现有的状态空间模型图，使建模和后续计算过程更加清晰、合理，结果更加准确可信。

附图说明

图1为本发明提供的一种继电保护最佳检修周期的计算方法流程图。

图2为本发明提供的保护系统故障树分析模型。

图3为本发明提供的单套保护系统Markov状态转移框图。

图4为本发明提供的四层次Markov状态空间模型。

图5为本发明提供的保护及被保护元件的整体可用度随检修周期变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明主要完成了基于历史告警信息的继电保护系统失效率计算，进而结合检修过程中的人为失误等因素，完善现有的状态空间模型图，并计算保护的最佳检修周期。

1、基于历史告警信息的保护系统失效率计算

微机继电保护装置与传统的保护装置相比具有自检测能力，可以不断地自检自身的故障，当保护装置自身的故障被检测出来时则发出告警信号，闭锁保护装置。但由于自检功能具有一定的成功系数(一般为0.85-0.9)，即保护故障能被自检发现具有一定概率，因此还必须配合定期检测排除自检未发现的隐性故障。

本发明综合利用保护上传的各部件自检告警信息，根据各元件告警信号的频率计算获得该元件的可自检平均无故障工作时间，假设元件的寿命都服从指数分布，通过平均无故障时间和失效率之间的数学关系计算得到各元件的可自检失效率，并结合自检系数计算元件故障引发保护失效的真实失效率。

例如，对于保护装置中的CPU插件，包括装置参数错、ROM校检错、保护CPU复位、定制错、定制区指针错和CAN通信中断6种告警信号，失效率的具体计算步骤为：

(a)从继电保护信息管理系统调取一台保护装置的运行记录(从投入运行开始)，查找与CPU插件相关的六种告警信号报文记录，统计计算此CPU运行期间内的平均无故障工作时间MTTF₁(即两次告警信号之间的平均时间)；

(b)依此方法统计计算变电站其它保护装置的CPU的平均无故障工作时间MTTF_n；由于插件的故障率特别低，可能在统计样本中没有或很少此类失效记录，对此种情况，扩大采样范围，可以逐步扩至同一地区、省公司级变电站内保护运行记录，来获取足够的统计样本。计算此装置CPU总的平均无故障工作时间；

$\mathrm{MTTF}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{MTTF}}_i}{n}---\left(1\right)$

(c)计算CPU的可自检失效率。

(d)计算CPU不可自检的失效率(即CPU失效引起保护故障的真实失效率)

应用类似方法，可以统计得到保护系统中其它元件的硬件失效率。对于保护系统的软件失效率，在继电保护可靠性分析中常用John Musa模型和Musa Logarithmic模型进行计算。综合比较John Musa和Musa Logarithmic两模型的适用性及实际应用特点，本发明采用Musa Logarithmic模型计算软件失效率：

λ_s(m)＝λ₀e^-θm(4)

其中，λ₀为初始失效率，θ为漏洞减少率系数，m为系统运行中累计发现的漏洞。参考文献中数据取λ₀＝120*10^-6h^-1，θ＝0.126，m实际统计获得。

综合上述两类失效和保护系统结构组成，建立保护系统总体故障树模型，如图2所示，进而计算得到保护系统总体失效率。

2、单套保护系统Markov状态空间模型

元件参数符号及物理意义：

单套保护五种状态

对于单独保护系统来说，根据实际情况分为五种运行状态，各状态及其之间的转移关系如图3所示。

其中C表示被保护元件(本发明指线路)；X表示与C电源侧相邻的上级线路；P表示保护装置；UP表示C或P处于正常运行状态；DN表示C或P处于故障状态；DU表示保护的隐形故障状态，包括自检不能发现的保护故障及在检修和定期检测时由于人为原因导致的保护处于的隐形故障状态；ISO表示C因检修或故障而处于隔离状态，即C已从一次系统中断开；RT表示对P进行定期检修的状态；RE表示P处于维修状态。λ_P、λ_C分别表示保护系统和线路的失效率；μ_P、μ_C分别表示保护系统和线路的修复率，取值为各自所需修复时间的倒数；γ₁表示定期检修率，取值为检修周期的倒数；θ₁表示定期检修回复率，即单位时间内定期检查的完成次数，取值为每次定期检查所需时间的倒数；θ₂表示维修回复率，即单位时间内定期保护维修的完成次数，取值为每次定维修所需时间的倒数；λ_sc表示可自检的保护失效率，取值为λ_p*S_sc，其中S_sc为自检的成功系数；λ_人表示检修或定期检查过程中的人为失效率；θ_P表示主保护的故障切除率；θ_B表示远后备保护的故障切除率；θ_N表示远后备保护动作时恢复邻近元件X，隔离故障元件的效率。

图中包括五种运行状态：正常状态、故障退出运行状态、隐形故障状态、定期检修状态和故障后修复状态。

状态1为保护系统处于正常状态，由状态1至2表示保护由正常进入定期检测，如果没有检出故障，则回到1状态；状态1至4表示保护发生可自检发现的故障，自检装置发出告警，即认为保护失效；状态1至3表示保护发生不可自检发现的失效，保护进入隐性故障状态；状态3至2表示保护运行到达定期检测周期，进入定期检测状态，此时检测发现自检装置没发现的保护故障，保护由2状态进入4状态；状态3至4表示保护处于隐性故障时，发生线路故障，保护无法正确动作，此时保护故障暴露，保护进入失效状态；状态4至5表示确认保护失效后进入维修状态；状态5至1表示保护维修好后回到正常状态；状态5至3和2至3分别表示在维修和定期检测期间发生人为操作失误使保护进入隐性故障状态。

3、基于层次结构的整体Markov状态空间模型

如前面所述，每套保护系统均有五种状态，当线路的保护配置复杂时，整体模型将包含多种状态，为了规范模型并方便后续矩阵计算，本方案根据线路状态和保护动作逻辑采用分层结构进行建模。根据保护配合方案和线路实际可能处于的运行状态，在此将模型分为四层结构。

第一层：C处于UP状态；

第二层：C处于DN状态；

第三层：C+X处于ISO状态；

第四层：C处于ISO状态。

第一层表示线路正常运行状态；当发生故障时进入第二层次；若自身保护(包括主、后备保护及冗余保护)可正常动作，则保护进入第四层；当线路自身保护都失效时，由远后备保护动作切除故障，由第二层进入第三层；由于造成线路X被误切，经过核实故障范围并正确处理后，由第三层进入第四层；线路修复完好后回至第一层。其中，第一层C处于UP状态；第二层C处于DN状态；第三层C处于ISO状态；为被保护元件(线路)的运行状态，在每个层次内保护系统各个保护状态组合及其状态之间发生转移，层次间根据线路和保护动作完成状态变换，形成线路及保护系统整体Markov状态空间模型。

另外，为建模和计算做如下说明：

(1)系统中元件、保护装置的故障发生率及维修率均服从指数分布，且与其当前所处状态无关；

(2)不考虑P和C同时发生失效；

(3)当主保护失效时，远后备保护能百分之百正确动作；

(4)当保护进入定期自检和维修时，保护退出运行，期间有可能发生线路故障；

(5)自检有一定成功率，不可能检测到所有保护故障；

(6)定期自检和维修时，可能发生人为操作失误使保护进入隐性故障状态；

(7)由于第二和第三层中的状态持续时间很短，因此不考虑两状态时保护的状态转移。

应用此种方法可以建立各种保护配置方案下的Markov状态空间模型。以下以线路只有一套主保护时的情况进行建模和分析。Markov状态空间模型如下图4所示。

图中四个虚线框图分别对应上述的四个层次，其中在第一和第四层内保护系统状态发生相互转移，具体转移如第二部分所述。第一层至第二层为线路故障；第二层至第三层为保护P失效，远后备保护RB动作；第二层至第四层为保护P动作，切除线路；第三层至第四层为远后备保护动作时恢复邻近元件X，隔离故障元件；第四层至第一层线路隔离后修复好。

4、最佳检测周期的确定

根据建立的马尔科夫状态转移框图，利用状态空间法建立状态转移概率矩阵A，从而计算各状态的稳态概率(P₁-P₁₇)。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PA}=0\\ \mathrm{\Σ}{p}_i=1\end{array}\right.---\left(5\right)$

计算得到的各状态稳态概率均为γ₁的函数，即为检修周期的函数。

P＝f(T)    (6)

继电保护的最终目的是保护线路等元件，因此本发明以状态1的稳态概率值为因变量进行最佳检修周期的计算。根据前面计算结果，以T为自变量，P₁为因变量做函数曲线(反应保护和线路的可靠性)，最高点对应的T值则为所求的最佳检测周期T_best。

实施例

本发明以某变电站实际运行的告警信息为基础数据，应用本文方法计算得到的保护总体失效率λ_P为0.102(次/年)。进而以一实际线路单一保护系统为例，应用提出的模型分析最优预防性检修间隔时间。关于各状态转移概率的取值，由于μ_P、μ_C、θ₁、θ₂、θ_P、θ_B、θ_N如前所述都有其确定的物理意义，且不随运行时间的增加而变化。可以通过实际运行经验确定得到。λ_人没有具体计算方法，在此参考外文文献中统计值；λ_C的取值与地区、天气、电压等级等多种因素有关，此处取为统计平均值；λ_sc取决于λ_P和自检成功系数S_sc；该系统的可靠性基础数据如表1所示，

表1可靠性基础数据

利用前述模型和方法，保护及被保护元件的整体可用度随检修周期变化的动态曲线如图5所示，计算结果可以看出：最佳检修周期为2.86年，此时系统的可用度最大，为0.98479，计算结果也比较符合实际运行经验。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述方法包括

(1)基于历史告警信息的保护系统失效率计算；

(2)建立单套保护系统Markov状态空间模型；

(3)基于层次结构的建立整体Markov状态空间模型；

(4)确定最佳检测周期。

2.如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述失效率计算包括保护系统的硬件失效率计算和保护系统的软件失效率计算。

3.如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步骤(1)包括利用保护上传的各部件自检告警信息统计计算得到保护系统的硬件失效率，结合软件失效率计算模型计算得到保护系统的软件失效率，建立保护系统失效的故障树模型，计算得到保护系统总体失效率。

4.如权利要求3所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述保护系统的硬件失效率包括利用保护上传的各部件自检告警信息，根据各元件告警信号的频率计算获得该元件的自检平均无故障工作时间，通过平均无故障时间和失效率之间的数学关系计算得到各元件的自检失效率，并结合自检系数计算元件故障引发保护失效的真实失效率。

5.如权利要求3所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述保护系统的软件失效率包括在继电保护可靠性分析中采用Musa Logarithmic模型计算软件失效率：

λ_s(m)＝λ₀e^-θm

其中，λ₀为初始失效率，θ为漏洞减少率系数，m为系统运行中累计发现的漏洞。

6.如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步骤(2)包括建立保护单独的Markov状态空间模型，用于分析保护的运行状态及转移关系。

7.如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步骤(3)包括结合被保护元件的运行状态及保护的运行状态，通过保护及被保护元件的合理状态组合建立保护及被保护元件的完整Markov状态分析模型。

8.如权利要求7所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述被保护元件的运行状态包括线路正常运行状态、线路故障退出运行状态和线路处于被隔离停电状态；

所述保护的运行状态包括正常状态、故障退出运行状态、隐形故障状态、定期检修状态和故障后修复状态。

9.如权利要求7所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，根据被保护元件的运行状态将完整模型分为四层结构。

10.如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步骤(4)包括根据建立的完整Markov状态空间模型，利用状态空间法建立状态转移概率矩阵A，并计算各状态的稳态概率P₁-P₁₇，以保护及被保护元件的整体可用度P₁最大为目标确定保护最佳检修周期。