电网继电保护设备可靠性评估机制研究董慧慧

电网继电保护设备可靠性评估机制研究董慧慧

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（1、安徽顺安电网建设有限公司安徽合肥231200；2、国网安徽省电力有限公司郎溪县供电公司安徽省郎溪县242100）

摘要：随着我国用电量需求大幅增加，我国电力系统的发展和电网复杂程度也逐步的提高，继电保护系统的可靠性成为保障电网的可靠性、安全性和稳定性成的重要因素。为防止继电保护系统失效导致电网事故，对其工作状态以及可靠性的评估变得十分重要。目前国内对于继电保护系统运行质量的检测模式仍延续传统的硬件检测模式，该模式直观却不能对系统状态进行提前预测，无法在继电保护系统正常运行中给予状态预估。本文针对继电保护设备可靠性评估的滞后性问题，结合大量现场运行数据，循序渐进地提出失效率的概念及算法理论，最后提出继电保护风险评估系统的实现方法，为继电保护设备的状态评估以及继电保护设备运行维护提供重要的依据。

关键词：继电保护；可靠性；失效率；Weibull模型：风险评估

引言

电力系统的安全稳定可靠是发展国民经济的基石。我国电网复杂程度较高，我国电网联网运行，近年随着新能源的崛起，分布式电源大规模接入电力系统。而继电保护系统由综合自动化平台取代原先独立微机保护装置，系统组态灵活，功能丰富。以上两点足以证实继电保护系统的可靠性对电力系统正常运行尤为关键。但是国内对继电保护系统可靠性研究开始于20世纪80年代，起步较晚。我国可靠性理论在继电保护系统上的研究仍处于发展阶段。因此，如何将系统可靠性的研究方法应用到继电保护系统中，以对继电保护系统评估、预测，为继电保护系统维护工作提供依据，成为电力科研人员及电网企业共同关注的课题。

1继电保护设备状态评估

1.1设备状态的评估定义

设备一般在正常工作状态，而随着一段时间的运行，设备可能效率降低或者功能减少，从而失去了先前的工作能力，甚至无法正常运作，设备的这种状态称作设备失效。导致失效的主要因素有：老化、疲劳、损耗等。除了以上状况，设备也可能会在运行早期由于产品出厂质量不合格，设备安装不到位而导致失效，但这种失效概率很小，可认定为恒定不变。因此，设备的失效概率与时间t有关，可以看作在初始状态为正常的情况下t的函数。而导致设备失效的还包含非老化因：如信号干扰、接触不良等。非老化因素可用恒定概率描述，而老化因素导致的失效会随着时间的延长，继电保护设备的可靠性也快速下降。由此引出失效率的概念，可用三参数Weibull模型进行描述。

1.2失效率模型的实现方法

三参数Weibull分布模型是用来计算失效率的精确模型，该模型包含三个参数：节点参数、速率参数和过程参数，该模型能够对继电保护设备的老化失效率有很好的描述结果，但是失效率模型的准确性需要全面的基础数据支持，而涉及继电保护系统运行的环节也很多，包括设计、选型、安装、调试、运行、管理等。因此继电保护设备数据决定了模型对继电保护设备状态函数拟合的精度；拟合方法决定了计算能力和拟合的适应性。本文以下部分着重解决以上两点问题的理论方法。

2继电保护设备数据处理方法

2.1LS-SVM算法的研究

LS-SVM算法能够保证所提取数据的合理性和普遍性，它能够对数据进行检验处理和修正。该算法是通过建立基础数据库并制定元素规则函数用于数据训练的算法：在给定样本数据x的情况下推断其在模型规则下的数据输出y，从而得出（xi，yi）的集合样本，再根据集合样本得出模型规则函数，从而对于任一个输入x，计算出输出y，最后构造回归估计函数进行验算y值。对于非线性的元素规则函数用核函数代替内积计算，最小二乘支持向量机能在上述的标准支持向量机基础上简化计算过程。

2.2继电保护设备的数据处理

在利用最小二乘支持向量机优化问题时，需要全面地搜集输入数据。因此，当应用此计算方法于继电保护设备状态评估时，其相关数据范围应当包括继电保护设备的整个寿命周期，包括：设备性质（设备厂家、设备类型、电压等级）；设备运行环境（年平均湿度、室内／室外）；设备维护状态（消缺次数、定检周期）；运行参数质量（CT准确率、波形畸变率）；设备保护线路（线路保护距离、负荷量、经济值）；非正常动作记录（误动记录、拒动记录）。

为区分各个设备的运行时间、状态、功能等，还应对所搜集的数据编号存储，为保证数据的有效性，应筛除重复记录装置及外部运行环境干扰下得出的数据，保证数据的采样时间和采样范围合理性。

2.3Markov状态模型的分析

上文探讨了失效率模型的实现方法，而在复杂的系统研究中，系统会有很多相对独立的运行状态，而这些状态之间能够相互转化。虽然对应每一个状态可能会有多种输出，但是对应每隔输出都会有一个输出概率。这种随着时间变化的过程就是Markov过程，Markov模型就是标识这一系列随机变量随着时间变化的随机函数。将Markov状态模型应用在继电保护系统状态上就能够能够分析这些状态之间的转换，从而为继电保护状态评估提供理论依据。

3继电保护风险评估系统的实现

3.1继电保护设备风险评价方案

3.1.1Weibull分布的参数估

继电保护系统状态评估的Weibull模型三参数采集量大，而且由于继电保护基础数据隐含时间因素，因此必须在应用Weibull模型之前，对样本数据校正、检验和修复。而LS-SVM算法能够在较少的样本数据基础上提高拟合精度，简化样本采集工作，因此采用LS-SVM算法对继电保护系统样本数据预处理。首先，针对继电保护系统参数时间序列重构相空间，构造输入输出向量。然后以Weibull分布的三个参数β，η和γ作为输出样本，以失效率误差作为目标函数，以交叉验证法来求解LS-SVM算法中的正则为因子和径向基参数。最终求得Weibull分布的三个参数实际值。

3.1.2状态Markov模型建立

继电保护设备的风险量化与设备的工作状态有关，继电保护设备状态风险值有3种工作状态：正常工作状态，失效状态和停机维护状态；继电保护设备状态可划分为8种状态：正常状态；被检出会误动；被检出会拒动；设备会误动，但未被检测到；设备会拒动，但未被检测到；保护误动，问题暴露；保护拒动，问题暴露；停运检修状态。状态风险值与继电保护设备工作状态之间能够相关联。在继电保护设备的检修维护工作中，对于以上关联状态中的故障状态可以选择进行修复，或者进行设备更换。

为获取设备风险值和设备状态分析的合理值，分析以上类型建立设备不同状态状态的转移图；然后通过状态转移图列出状态转移方程组，进而得到系统各状态的转移影响因子。从而得出在设备失效率相同的情况下，不同Markov参数对检修策略的影响。

3.2风险的计算

继电保护系统风险评估国际电工协会标准IEE100-2000中对风险的定义为：对不期望发生后果的概率和严重性的度量，其表述式可以用概率与后果相乘的形式。对于继电保护系统失效导致的后果较多，一一考虑较为复杂，因此可采用电量损失以及供电区域经济产能影响作为严重性的度量。由于继电保护设备检修、维护和更换所造成的保护线路停运会造成一定的负荷损失和经济损失，其损失量基本与停运时间成正比，因此风险评估中的状态最优解与设备停运时间相关（n为输电线路的回路数量，PN为该段线路额定传输容量，η为负载率）。当继电保护设备误动时，视同于线路故障跳闸造成保护线路停运，损失量可以用线路输电容量乘以停运时间计算；当继电保护设备拒动时，若上一级保护动作导致上级系统跳闸，损失量可以用变电站或跳闸母线的输电容量乘以故障时间计算。

结语

综上所述，本文为进一步提高继电保护设备状态评价的合理性，针对继电保护装置全生命周期，提出Weibull模型的理论方法，并介绍优化参数的算法，以解决状态评估中对于信息理论分析计算的难题。该研究是系统性研究，符合现场实际需求，该研究为电网继电保护设备可靠性评估提供了可行的方案，为完善继电保护检修标准规范提供理论依据，对电力系统在检修维护方面的研究具有重要的意义。

参考文献：

[1]麻晓敏．可靠性数据分析系统设计与研究[D]．安徽：合肥工业大学，2007

[2]戴志辉，王增平，焦彦军．继电保护可靠性数据收集系统设计[J]．电力系统自动化，2010，34（15）：47•50

[3]白静．继电保护可靠性的基础数据分析[D]北京：华北电力大学，2012