CN113011786A - 一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法，首先，根据智能变电站的功能与结构，划分智能变电站二次保护系统，找出能代表该系统的硬件设备，并找出这些硬件设备的可靠性指标；然后，选取合理指标，建立基于硬件设备的智能变电站二次保护系统可靠性评估指标体系；最终，基于G1法，根提出基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法。上述方法仅需收集相关可靠性数据，可操作性强，易于实施，且得到的系统可用度结果准确，可通过结果来优化检修方案，从而提高系统的可靠性。

Description

一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估 方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法。

背景技术

智能变电站二次保护系统可靠性数据收集是可靠性评估的前提，可为继二次保护系统可靠性评估提供数据基础，目前能收集到的二次保护系统可靠性相关数据包括：原始数据、运行工况数据、检修数据和其他试验数据等等。其中原始数据包括了保护的投运日期、名牌参数等；运行工况包括历史情况记录、通道测试情况等；检修数据则包括检修报告、巡检记录等；其他数据中包括电气设备及线路有关的实测参数等。

获得基础数据后，如何系统的开发这些海量基础数据，从而能使这些复杂无规律的数据清晰的反映二次保护系统的可靠性水平，并且在深层次可靠性评估中得到更充分的应用，尚没有一个统一的指标体系或标准。智能变电站二次保护系统包括继电保护装置本体、交换机、合并单元以及智能终端等设备，虽然人们对二次保护系统可靠性已做大量研究，但是大多数文献仅针对于保护装置本体而不是整个二次保护系统进行可靠性评估，并且现有文献对二次保护系统可靠性评估指标的使用，仍主要沿用一次设备可靠性的分析思想，可靠性评估指标的定义并不统一明确。这在一定程度上给保护可靠性建模和评估工作增加了难度。因此，有必要提出一种能够全面评价智能变电站二次保护系统可靠性的评价指标体系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供了一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一：划分智能变电站二次保护系统，找出能代表该系统的硬件设备，并找出这些硬件设备的可靠性指标；

步骤二：选取合理指标，建立基于硬件设备的智能变电站二次保护系统可靠性评估指标体系；

步骤三：提出基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法可操作性强，易于实施，且得到的结果准确，可通过结果来优化检修方案，从而提高系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于硬件设备的智能变电站二次保护系统可靠性评估指标体系示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如附图1所示为本发明实施例提供的一种继电保护抗电磁干扰性评估指标体系及评估方法流程示意图，所述方法包括：

步骤一、划分智能变电站二次保护系统，找出能代表该系统的硬件设备，并找出这些硬件设备的可靠性指标。

采用智能变电站二次保护系统的主要设备：保护装置本体、交换机、智能终端以及合并单元四个装置来代表智能变电站二次保护系统的可靠性。

各个设备的部分可靠性指标如下：

1.保护装置本体可靠性评估指标

(1)保护设备正确动作率P_ra：

(2)保护不正确动作率P_nra：

式中，n_r为同类保护一定时间内正确动作次数；n_a为同类保护一定时间内总的动作次数；n_j为同类保护一定时间内拒动次数；n_w为同类保护一定时间内误动次数。

(3)保护原理性拒动概率：

P_J(t)＝P’_J(t)P”_J(t)P”’_J(t) (3)

其中P’_J(t)，P”_J(t)，P”’_J(t)分别为三段保护各段的运行拒动概率。

(4)保护原理性误动概率：

P_W(t)＝P’_W(t,Δt)P”_W(t,Δt)P”’_W(t,Δt) (4)

其中P’_W(t,Δt)，P”_W(t,Δt)，P”’_W(t,Δt)为各段运行误动概率，是相邻下一段线路发生故障时保护非选择性动作的概率。

(5)保护原理性拒动失效率：

其中t为当前时刻，t₀为上一次原理性拒动时刻，若没有统计记录，则取为保护投运时刻。

(6)保护原理性误动失效率：

其中t为当前时刻，t₀为上一次原理性误动时刻，若没有统计记录，则取为保护投运时刻。

(7)无故障误动率λ_nf：

(8)非选择性误动率λ_ns：

(9)拒动率λ_r：

(10)误动率λ_mn：

(11)运行失效率λ₀：

λ₀＝λ_mn+λ_r (11)

(12)综合失效率λ_Σ：

(13)平均无故障运行时间MTBF：继电保护设备相邻两次缺陷之间运行时间的数学期望值。

(14)平均可用度：指评价周期内继电保护设备实际工作时间与应工作时间之比，计算公式如下：

其中T_O为评价周期内保护设备实际工作时间，T_CM为预防性检修花费的时间，T_PM为故障维修花费的时间。

2.交换机可靠性评估指标

(1)整机吞吐量

交换机吞吐量是指交换机所有端口同时转发数据速率能力的总和。

整机吞吐量＝端口速率×端口数量(流控关闭时) (14)

(2)平均故障率

(3)平均无故障间隔时间

交换机设备相邻两次缺陷之间运行时间的数学期望值。(一般要求大于200000小时)

(4)时延抖动

时延抖动指相邻两帧时延的变化最大值。(一般要求小于lμs)

(5)地址缓存能力

每个端口、模块、设备能够缓存的不同MAC地址的数量。(一般要求不低于4096个)

(6)存储转发时延

从输入帧的最后一个比特到达输入端口开始，至在输出端口上检测到输出帧的第一个比特为止的时间间隔。(交换机平均时延应小于l 0μs,用于采样值传输交换机最大延时与最小延时之差应小于10μs)

(7)地址学习速率

交换机可以学习新的MAC地址的速率。(一般要求大于1000个/s)

(8)端口转发速率

在满负荷下，被测交换机可以正确转发帧的速率，转发速率应等于端口线速。

(9)帧丢失率

帧丢失率是在指交换机端口以特定频率转发特定数量数据帧的情况下，帧丢失的比率。(交换机在端口线速转发时，帧丢失率应为0)

(10)背靠背帧

背靠背帧是指以最小的帧间隔传输而不丢帧的测试。背靠背值就是被测试交换机在无帧丢失的情况下，最大能处理的突发帧个数。

3.合并单元可靠性评估指标

(1)SV报文丢帧率

(2)采样数据精确度

(3)时间同步误差

合并单元发出的1pps(每秒脉冲)信号与标准时钟源发出的1pps信号的时间差值。

(4)采样传输延时抖动

合并单元传输相邻两帧时延的变化最大值。(一般不超过10μs)

(5)采样异常次数

合并单元发生采样异常故障的次数。

(6)时间同步异常次数

合并单元发生时间同步异常故障的次数。

(7)双A/D采样一致性

(8)额定延时

合并单元将通过互感器采集到的相关数据转换为采样值，再传输给保护装置所用的时间。(一般不超过2ms)

(9)平均无故障间隔时间

合并单元设备相邻两次缺陷之间运行时间的数学期望值。(一般要求大于50000小时)

4.智能终端可靠性评估指标

(1)正确动作率

式中，n_z为智能终端在一定时间内正确动作次数；n_n为智能终端在一定时间内总的动作次数。

(2)动作时间

通过数字继电保护测试仪向智能终端发送一组GOOSE跳、合闸命令，接收智能终端跳、合闸硬接点输出的动作信号，记录报文发送与硬接点动作的时间差，要求其平均值不得超过7ms。

(3)SOE分辨率

SOE精度测试时，使用时钟源给智能终端授时，同时将GPS输出的脉冲信号接到智能终端的开入，检查GOOSE报文中的变位时间与SOE时间是否一致，要求SOE分辨率不大于2ms。

(4)传动时间

在进行智能终端传动测试时，通过数字继电保护测试仪分别输出相应的硬接点分、合信号给智能终端，再接受智能终端发出的GOOSE变位报文，记录硬接点动作与GOOSE开关量动作的时间差，连续测试5次后取其平均值，要求不得大于15ms。

(5)对时精度误差

合并单元发出的1pps(每秒脉冲)信号与标准时钟源发出的1pps信号的时间差值。(不超过1ms)

(6)响应报文延时

在任何网络运行工况流量冲击下，装置均不应死机或重启，不发出错误报文，响应正确报文的延时不应大于1ms。

步骤二、选取合理指标，建立基于硬件设备的智能变电站二次保护系统可靠性评估指标体系；如附图2所示，该体系分别选取保护设备正确动作率、拒动率、误动率来评价保护装置本体的可靠性；选取时延抖动、帧丢失率、地址缓存能力来评价交换机的可靠性；选取SV报文丢帧率、时间同步误差、采样传输延时抖动来评价合并单元的可靠性；选取动作时间、对时精度误差、响应报文延时来评价保护装置本体的可靠性。

步骤三、研究智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法。通过分析各层指标的重要程度和影响程度，确认指标权重。然后，经过对底层指标的综合计算，得到不同级别评价指标的评价结果。

本发明拟选用G1法来对智能变电站二次保护系统的可靠性进行评估。

G1法也叫做序关系分析法，其思想是让专家根据继电保护装置评估准则对指标因素集{x₁,x₂,…x_m}按照重要性排序，首先让专家在指标集{x₁,x₂,…x_m}选出认为是最重要的一个指标记为x₁ ^*，再继续在余下的m-1个指标中，选出认为是最重要的一个指标记为x₂ ^*，以此类推，经过m-1次的挑选，最终剩下的评价指标记为

这样就唯一确定了一个序关系：

设专家关于评价指标

与

的重要性程度之比

的理性判断如表1所示：

表1

赋值参考表

其中：

最终权重为：

下面再以具体的实例对上述评估方法进行论证与说明：

拟选取A、B地区的两个智能变电站作为对比分析计算的实例，对本发明的一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法作进一步详细说明。以下将基于A地区智能变电站二次保护系统的可靠性数据进行可靠性的评估分析计算，同理可得B地区智能变电站的分析结果。具体的：

(1)A地区电网保护抗电磁干扰性指标评估分析

基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估指标体系，A地区智能变电站二次保护系统的可靠性评估中选取的典型底层指标、根据相关资料确定的标准值范围、相关设备的可靠性数据的实测值如表2所示：

表2智能变电站二次保护系统可靠性指标参数表

(1)根据实测值获得底层指标评分

根据表2所示的参考数据，得到指标评分值如表3所示：

表3 A地区智能变电站二次保护系统可靠性底层指标评分值

底层指标	评分	底层指标	评分
				保护设备正确动作率	80	SV报文丢帧率	80
拒动率	70	时间同步误差	90
				误动率	70	采样传输延时抖动	60
时延抖动	70	动作时间	100
				帧丢失率	60	对时精度误差	90
地址缓存能力	90	响应报文延时	70

(2)G1法计算权重

已知这第一层指标{x₁＝保护装置本体可靠性，x₂＝交换机可靠性，x₃＝合并单元可靠性，x₄＝智能终端可靠性}；

让专家根据经验按照顺序从大到小列出这4个指标：{x₁≥x₂≥x₄≥x₃}；

再让专家对指标间进行两两对比判断取其平均值，得到如下表所示的结果：

表4 G1法第一层指标重要性比值

根据式(25)可以得出G1法计算的第一层指标的权重值为：

表5 G1法计算第一层指标的权重值

保护装置本体可靠性	交换机可靠性	合并单元可靠性	智能终端可靠性
				0.3307	0.2362	0.1640	0.1989

同理，再根据专家对底层指标的对比判断，分别计算底层指标的权重值为：

表6 G1法计算保护装置本体指标的权重值

保护设备正确动作率	拒动率	误动率
			0.375	0.3125	0.3125

表7 G1法计算交换机指标的权重值

时延抖动	帧丢失率	地址缓存能力
			0.3297	0.3956	0.2747

表8 G1法计算合并单元指标的权重值

SV报文丢帧率	时间同步误差	采样传输延时抖动
			0.375	0.3125	0.3125

表9 G1法计算智能终端指标的权重值

动作时间	对时精度误差	响应报文延时
			0.3529	0.2941	0.3529

(3)得到最终智能变电站二次保护系统可靠性的权重与评分：

表10 G1法计算各个底层指标的最终权重值

p＝T₁s₁+T₂s₂+…+T_ms_m (26)

T为可靠性底层指标的评分，s_i(i＝1,2,…m)是专家对指标i评估权重。计算最后的A地区智能变电站二次保护系统的可靠性评估的分值P＝71.4778；

同理，可由B地区智能变电站二次保护系统的可靠性底层指标评分值计算出最终的可靠性评分为：

表11 B地区智能变电站二次保护系统可靠性底层指标评分值

底层指标	评分	底层指标	评分
				保护设备正确动作率	90	SV报文丢帧率	80
拒动率	80	时间同步误差	80
				误动率	85	采样传输延时抖动	70
时延抖动	80	动作时间	60
				帧丢失率	70	对时精度误差	75
地址缓存能力	70	响应报文延时	75

计算最后的B地区智能变电站二次保护系统可靠性评估的分值P＝72.4373。

可以得出B地区智能变电站二次保护系统可靠性更好，A地区智能变电站二次保护系统可靠性应该重点关注，以免发生事故。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：划分智能变电站二次保护系统，找出能代表该系统的硬件设备，并找出这些硬件设备的可靠性指标；

步骤二：选取合理指标，建立基于硬件设备的智能变电站二次保护系统可靠性评估指标体系；

步骤三：提出基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法。

2.如权利要求1所述的一种基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法，其特征在于：采用智能变电站二次保护系统的主要设备：保护装置本体、交换机、智能终端以及合并单元四个装置来代表智能变电站二次保护系统的可靠性。

3.如权利要求1所述的一种继电保护维修性评估指标体系及评估方法，其特征在于：所述步骤二提出的基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估体系，该体系分别选取保护设备正确动作率、拒动率、误动率来评价保护装置本体的可靠性；选取时延抖动、帧丢失率、地址缓存能力来评价交换机的可靠性；选取SV报文丢帧率、时间同步误差、采样传输延时抖动来评价合并单元的可靠性；选取动作时间、对时精度误差、响应报文延时来评价保护装置本体的可靠性。

4.如权利要求1所述的一种继电保护维修性评估指标体系及评估方法，其特征在于：所述步骤三中，提出基于硬件设备的智能变电站二次保护系统的可靠性评估方法，并为这些底层指标按其重要性赋权，最后结合保护实际运行数据、评估分析报告中的历史数据和相关文献中提供的参考值等计算继电保护抗电磁干扰性的评估分值；

其特征在于：选用G1法来对智能变电站二次保护系统的可靠性进行评估。

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