CN110866615A

CN110866615A - 一种变电站及其无故障时间计算方法、回路状态检修方法

Info

Publication number: CN110866615A
Application number: CN201911056403.7A
Authority: CN
Inventors: 李永照; 李江林; 慕宗君; 王广民; 陈哲; 牛雪朋; 刘艳; 包芳; 郭利军; 李宝潭; 过锐; 袁方方; 张武洋; 李籽良; 张海庭; 王卫东
Original assignee: Xuji Group Co Ltd; XJ Electric Co Ltd; Xuchang XJ Software Technology Co Ltd
Current assignee: Xuji Group Co Ltd; XJ Electric Co Ltd; Xuchang XJ Software Technology Co Ltd
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-03-06

Abstract

本发明提供了一种变电站及其无故障时间计算方法、回路状态检修方法，属于智能变电站二次系统检修技术领域，本发明通过结合历史数据与全景在线监测数据，得到组成业务回路的各个元件的当前健康状态，并实时计算业务回路的平均无故障时间MTTF，为业务回路的状态检修提供信息支持；针对能够完成特定功能的业务回路，区别于以往仅针对某孤立元件的状态检修，使得检修作业更加明确、高效。

Description

一种变电站及其无故障时间计算方法、回路状态检修方法

技术领域

本发明属于智能变电站二次系统检修技术领域，特别涉及一种变电站及其无故障时间计算方法、回路状态检修方法。

背景技术

智能变电站基于网络化、数字化，采用IEC61850体系架构，实现IED设备间的互通互联。而随着我国智能电网技术的推进和发展，智能电网面临着大量的定期校验、消缺、扩建等现场任务。智能变电站网络化的信息传输、设备间耦合紧密、配置文件的应用使得二次设备检修、扩建和改造过程中设备间安全隔离变得困难，安全措施抽象化、复杂化，因此，常规变电站基于“明显电气断开点”的安全措施已不再适用。

在新一代智能变电站中，一、二次设备一般都具有设备监测技术和设备自诊断技术；同时，监控装置也能实时获得设备运行时的各种信息。因此，能从以标准的(光或电)以太网组网的二次设备获得大量的在线数据、历史数据和家族缺陷数据。而现在的智能变电站并没有很好的处理和融合这些数据来进行二次设备状态检修。

智能变电站标准IEC61850大幅度简化了变电站的二次设备及其接线，实现了IED的网络化及标准信令化，同时也使二次设备测控、保护等回路难以用常规技术手段监测。二次设备状态异常，如内存、磁盘、CPU、网络连接、逻辑分析异常，常表现为报文的格式、发送及接收异常，但简单的从物理网络层面看，难以分析这些异常对智能变电站业务的直接影响，也难以对这些异常发生的原因进行定位、分析，难以做到迅速清除隐患，不能确保电力系统的安全可靠运行。

现有电气设备定期预防性检修存在着设备检修不足或过度检修的问题，如果每隔一小段时间就对电气设备检修将会造成对电气设备的过度检修；如果隔很长的时间才对电气设备检修，电气设备的一些故障又会检测不到。因此，上述两种方式都会影响电气设备状态评估的准确性，进一步会增加停电几率，降低生产效率和增加成本。而且现阶段的状态检修还处于分散监测与诊断阶段，与计算机监控系统相互独立，不能有针对性的对电气设备的健康状态进行有效检测和评估，也不能做出有效、经济的检修决策。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变电站及其无故障时间计算方法、回路状态检修方法，用于解决现有技术中智能变电站二次设备检修策略不够有效、经济的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能变电站无故障时间计算方法，包括如下步骤：

(1)获取智能变电站实时配置文件及在线监测信息，解析配置文件，将智能变电站的物理设备、物理链路及物理端口之间的虚回路组成业务回路；

(2)对业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口进行历史数据评分及在线数据评分，得到业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口的当前状态的综合评分；

(3)建立业务回路的逻辑关系图，其中，逻辑节点代表功能元件，逻辑连接代表物理链路；

(4)根据业务回路的节点、链路和当前状态的综合评分，得到业务回路在当前时刻处于该状态的概率，进一步得到任意时刻业务回路处于该状态而设定步数之后业务回路处于其他状态的转移概率，根据业务回路从该状态出发经设定步数到达其他状态的转移概率计算业务回路该状态的平均无故障时间。

本发明结合历史数据与全景在线监测数据，得到组成业务回路的各个元件的当前健康状态，并实时计算业务回路的平均无故障时间(MTTF)，为业务回路的状态检修提供信息支持，针对能够完成特定功能的业务回路，区别于以往仅针对某孤立元件的状态检修，使得检修作业更加明确、高效。

为了得到在线数据评分，步骤(2)中在线数据评分的过程为：获取业务回路中的物理设备、物理链路的在线状态监测量集合；确定每个状态监测量产生的评价结果集合，根据各个状态监测量之间的权重系数，得到各个状态监测量的当前状态的在线数据评分。

本发明还提供了一种智能变电站业务回路状态检修方法，包括如下步骤：

1)获取智能变电站实时配置文件及在线监测信息，解析配置文件，将智能变电站的物理设备、物理链路及物理端口之间的虚回路组成业务回路；

2)对业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口进行历史数据评分及在线数据评分，得到业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口的当前状态的综合评分；

3)建立业务回路的逻辑关系图，其中，逻辑节点代表功能元件，逻辑连接代表物理链路；

4)根据业务回路的节点、链路和当前状态的综合评分，得到业务回路在当前时刻处于该状态的概率，进一步得到任意时刻业务回路处于该状态而设定步数之后业务回路处于其他状态的转移概率，根据业务回路从该状态出发经设定步数到达其他状态的转移概率计算业务回路该状态的平均无故障时间，根据所述平均无故障时间制定业务回路的状态检修策略。

为了得到在线数据评分，步骤2)中在线数据评分的过程为：获取业务回路中的物理设备、物理链路的在线状态监测量集合；确定每个状态监测量产生的评价结果集合，根据各个状态监测量之间的权重系数，得到各个状态监测量的当前状态的在线数据评分。

本发明还提供了一种智能变电站，包括二次设备，所述二次设备包括物理设备、物理链路及物理端口，通过获取智能变电站实时配置文件及在线监测信息，解析配置文件，将智能变电站的物理设备、物理链路及物理端口之间的虚回路组成业务回路；对业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口进行历史数据评分及在线数据评分，得到业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口的当前状态的综合评分；建立业务回路的逻辑关系图，其中，逻辑节点代表功能元件，逻辑连接代表物理链路；根据业务回路的节点、链路和当前状态的综合评分，得到业务回路在当前时刻处于该状态的概率，进一步得到任意时刻业务回路处于该状态而设定步数之后业务回路处于其他状态的转移概率，根据业务回路从该状态出发经设定步数到达其他状态的转移概率计算业务回路该状态的平均无故障时间，根据所述平均无故障时间制定业务回路的状态检修策略。

为了得到在线数据评分，在线数据评分的过程为：获取业务回路中的物理设备、物理链路的在线状态监测量集合；确定每个状态监测量产生的评价结果集合，根据各个状态监测量之间的权重系数，得到各个状态监测量的当前状态的在线数据评分。

附图说明

图1为本发明的基于历史与在线数据融合的智能变电站业务回路状态检修方法的流程示意图；

图2为本发明解析出的虚回路和业务回路示意图；

图3为本发明过电流保护功能业务回路简化示意图；

图4为本发明保护功能的工作允许范围内的FSG编号及其对应状态。

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说明：

本发明提供了一种智能变电站，包括二次设备，二次设备包括物理设备、物理链路及物理端口，通过获取智能变电站实时配置文件及在线监测信息，解析配置文件，将智能变电站的物理设备、物理链路及物理端口之间的虚回路组成业务回路；对业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口进行历史数据评分及在线数据评分，得到业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口的当前状态的综合评分；建立业务回路的逻辑关系图，其中，逻辑节点代表功能元件，逻辑连接代表物理链路；根据业务回路的节点、链路和当前状态的综合评分，得到业务回路在当前时刻处于该状态的概率，进一步得到任意时刻业务回路处于该状态而设定步数之后业务回路处于其他状态的转移概率，根据业务回路从该状态出发经设定步数到达其他状态的转移概率计算业务回路该状态的平均无故障时间，根据平均无故障时间制定业务回路的状态检修策略。

具体的，本发明的智能变电站无故障时间计算方法及业务回路状态检修方法，如图1所示，包括以下步骤：

1、通过解析变电站配置文件(SCD)生成表征逻辑设备(LD)间连接关系的虚回路。经人工定义，将多个关联的虚回路组成业务回路，如图2所示，录入业务回路所对应的物理设备、物理链接、物理端口。业务回路定义为智能变电站二次设备完成某项功能过程中信令所遍历的路径总和，继电保护装置的动作不仅与其本身有关，也需要对一些信号进行测量。因此，该二次设备在完成保护功能时，信令也在测量系统中传递，因此，图2中与测控IED连接的右边两条虚线也属于业务回路。

业务回路拓扑结构如图3所示，其中，逻辑节点LN代表功能元件，逻辑连接代表物理链路。图3中X₁为智能终端IED，X₂为保护IED，X₃为合并单元，X₄为测控IED；P₁代表断路器控制程序，P₂代表过电流保护程序，P₃代表原始量采集程序，P₄代表测量和控制程序；M₁代表断路器控制命令报文，M₂代表保护控制命令报文，M₃代表原始SV报文，M₄代表测量报文。

2、针对业务回路中包含的元件形成历史评分项目。如针对继电保护装置，建立了如表1所示的历史评分方法。定义历史评分为表1中各项依据相加得分的总和。

表1历史评分方法

针对特定业务回路，建立该业务回路所包含的虚回路和逻辑设备所对应的物理链路及物理设备的在线监测量的集合，即：

U_i＝{u_i1,u_i2,u_i3,…,u_in} (1)

其中，U_i代表某一物理链路或物理设备，{u_i1,u_i2,u_i3,…,u_in}代表该物理链路或物理设备在线监测的各个状态量，综合反映该物理链路或物理设备的当前状态。对每一个物理链路或物理设备U_i，确定其每个状态监测量u_in可能产生的结果集合V_in：

V_i＝{v_in1,v_in2,v_in3,…,v_inm} (2)

其中，v_inm代表评价状态监测量u_in可能得到的一个评价结果的量化形式，如u_in可能出现“完好”、“一般”、“故障”三种形式，则“完好”对应100分，“一般”对应50分，“故障”对应0分。

对每一物理链路或物理设备U_i，基于历史及专家经验确定各个状态监测量之间的权重系数W_i，从而在评价各个状态监测量的基础上得到其当前状态的在线评分C_i：

W_i＝{w_i1,w_i2,w_i3,…,w_in} (3)

其中，w_i1,w_i2,w_i3,…,w_in是在线监测的各个状态量之间的权重关系。

对组成特定业务的物理链路、物理设备以及物理端口等，根据公式(5)计算并给出当前状态下的综合评分H_i，即为历史评分和当前状态评分的综合。

H_i＝0.5×B_i+0.5×C_i (5)

当某一物理链路、端口或设备的H_i值在60分以下，将其定义为非健康状态，步骤3中不计入业务回路的逻辑关系图；当某一物理链路、端口或设备的H_i值在60分以上时(含60分)，将其定义为健康状态，步骤3中计入业务回路的逻辑关系图。

3、在步骤1中所解析出来的虚回路中所有元件的基础上，排除减去步骤2中非健康状态元件的集合，得到健康业务回路逻辑关系图，将其定义为健康业务回路。

4、利用广度优先算法对步骤1所解析出来的虚回路进行查找，得到能够维持某项功能所需要的顶点和边的网络子图(FSG)，将FSG可能存在的所有集合定义为“支持业务回路群”。

5、检查“健康业务回路”是否在“支持业务回路群”中；若否，则利用公式(6)计算平均无故障时间，即认为业务回路需要立即检修；若是，则跳转到步骤6。

MTTF＝0 (6)

6、将马尔可夫链Y＝{Y(t)}在时间轴上进行等间隔Δt离散化。p_ij为Δt时间内状态i转移到状态j的概率，由p_ij构成转移矩阵Q。

认为节点失效到达时间以及链路失效到达时间满足指数分布。根据IED硬件和链路的出厂MTTF以及公式(8)计算得到节点硬件失效到达率λ_xih和链路失效到达率λ_xij。

利用极大似然估计对软件失效模型进行测试时得到“软件失效指标”N₀，

λ，根据公式(9)计算节点软件失效到达率λ_xis。其中n为在软件测试时已排查的软件缺陷个数。

λ_xis＝φ(N₀-n)+λ (9)

由公式(10)计算节点失效到达率。

λ_xi＝λ_xih+λ_xis (10)

则得到节点失效概率分布以及链路失效到达率分布如下式所示：

根据节点失效到达率、链路失效到达率以及步骤5中得出的“支持业务回路群”求得转移矩阵Q中的所有元素。根据公式(13)、(14)得出平均无故障时间MTTF。公式(13)中μ_i0即为状态i平均失效时间。

MTTF_i＝μ_i0 (14)

MTTF＝MTTF_i·Δt (15)

最终，可将业务回路的状态检修策略设定为“以上述计算所得出的平均无故障时间MTTF为依据，安排下一次需要对业务回路进行检修的时间间隔”。

下面结合一个具体的实例来说明平均无故障时间MTTF的计算过程，按照表1的评价标准，得到各元件的历史评分如表所示：

表2各元件历史评分

建立在线监测量集合U_i＝{U_i1,U_i2,…U_in}，如表所示：

表3继电保护装置状态在线监测量集合

对每一个物理链路或物理设备U_i，确定其每个状态监测量U_in可能产生的结果集合V_in＝{0,50,100}。其中“完好”对应100分，“一般”对应50分，“故障”对应0分。通过检测得到各节点以及各链路监测量如表4所示：

表4各监测量监测结果

节点或链路	监测量U<sub>i</sub>
		X<sub>1</sub>	{0,50,100,100,100，50,50,100,100，50,50,100,50}
X<sub>2</sub>	{50,0,100,100,50,100,100,100,50,50,50,50,100}
		X<sub>3</sub>	{100,50,50,100,100,100,100,50,100,50,50,100,100}
X<sub>4</sub>	{50,50,50,100,50,100,100,0,50,50,50,100,100}
		X<sub>12</sub>	{50,50,100,100,0,100,100,50,100,50,50,100,100}
X<sub>13</sub>	{100,100,50,50,0,100,100,100,0,50,50,100,50}
		X<sub>23</sub>	{100,50,50,0,50,50,50,100,50,50,50,100,50}
X<sub>24</sub>	{100,100,50,100,50,100,100,50,0,50,50,100,100}
		X<sub>34</sub>	{50,100,0,50,50,50,100,50,100,50,50,100,100}

基于历史及专家经验确定各个状态检测量之间的权重系数W为：

W＝{0.114,0.1,0.093,0.079,0.086,0.071,0.071,0.079,0.064,0.05,0.05,0.029,0.114}

(16)

利用公式(4)计算出在线评分C_i如表所示：

表5各元件在线评分

利用公式(5)计算出综合评分H_i如表所示：

表6各元件综合评分

由表可知，链路X₂₃的综合评分低于60，为非健康状态，因此将其排除，得到如图3所示的逻辑关系图。

利用广度优先算法得到在工作允许范围内能够满足保护功能的所有FSG并将其编号，如图4所示的保护功能的工作允许范围内的FSG编号及其对应状态(即图4中的状态1，…，状态32)。

根据IED硬件和链路的平均无故障时间MTTF和公式(8)可计算得到：

λ_Xih＝λ_Xij＝1.525×10^-9s^-1,…i,j＝1,2,3,4 (17)

根据软件测试数据得到软件失效参数为：

使用公式(9)计算得到节点软件失效到达率为：

λ_Xis＝9.170×10^-7s^-1,…i＝1,2,3,4 (19)

由公式(10)计算即可获得节点失效到达率：

λ_Xi＝λ_Xih+λ_Xis＝9.186×10^-7s^-1,…i＝1,2,3,4 (20)

取Δt＝3ms，利用公式(11)、(12)可得到节点在Δt内失效的概率为2.756×10-⁹，链路在Δt内失效的概率为4.755×10-¹²。根据节点失效率、链路失效到达率及图4，计算转移矩阵Q的元素值，并根据公式(13)计算得到μ的各元素的值，其中，μ₁₀为181227037.03，即初始状态为1的情况下，MTTF为181227037.03*0.003s，约为6.3天。此时，可认为，下一次需要对业务回路进行检修的时间间隔为6.3天。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种智能变电站无故障时间计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的智能变电站无故障时间计算方法，其特征在于，步骤(2)中在线数据评分的过程为：获取业务回路中的物理设备、物理链路的在线状态监测量集合；确定每个状态监测量产生的评价结果集合，根据各个状态监测量之间的权重系数，得到各个状态监测量的当前状态的在线数据评分。

3.一种智能变电站业务回路状态检修方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的智能变电站业务回路状态检修方法，其特征在于，步骤2)中在线数据评分的过程为：获取业务回路中的物理设备、物理链路的在线状态监测量集合；确定每个状态监测量产生的评价结果集合，根据各个状态监测量之间的权重系数，得到各个状态监测量的当前状态的在线数据评分。

5.一种智能变电站，包括二次设备，所述二次设备包括物理设备、物理链路及物理端口，其特征在于，通过获取智能变电站实时配置文件及在线监测信息，解析配置文件，将智能变电站的物理设备、物理链路及物理端口之间的虚回路组成业务回路；对业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口进行历史数据评分及在线数据评分，得到业务回路中的物理设备、物理链路及物理端口的当前状态的综合评分；建立业务回路的逻辑关系图，其中，逻辑节点代表功能元件，逻辑连接代表物理链路；根据业务回路的节点、链路和当前状态的综合评分，得到业务回路在当前时刻处于该状态的概率，进一步得到任意时刻业务回路处于该状态而设定步数之后业务回路处于其他状态的转移概率，根据业务回路从该状态出发经设定步数到达其他状态的转移概率计算业务回路该状态的平均无故障时间，根据所述平均无故障时间制定业务回路的状态检修策略。

6.根据权利要求5所述的智能变电站，其特征在于，在线数据评分的过程为：获取业务回路中的物理设备、物理链路的在线状态监测量集合；确定每个状态监测量产生的评价结果集合，根据各个状态监测量之间的权重系数，得到各个状态监测量的当前状态的在线数据评分。