《智能变电站数字化保护可靠性综合评估案例综述》5300字

智能变电站数字化保护可靠性综合评估案例综述目录TOC\o"1-2"\h\u4345智能变电站数字化保护可靠性综合评估案例综述 190221.1基于模糊综合评判设备状态评价 1144491）第一步：选取评判对象的因素集； 1267575）对设备所处的状态进行有效的判断。 2200181）改进模糊层次分析法 2114192）变权重理论 3203511.2智能变电站数字化保护的综合评估 7100241.2.1数字化保护综合评估因素集和评语集 7120651.2.2评估期望值 11149801.3算例分析 11智能变电站是智能电网建设过程中的基础条件和重要的支撑，常规变电站存在很多电缆连接，导致电磁干扰严重，标准化、规范化不足，站内有很多系统，信息无法共享，存在信息的闭塞，同时借助于通信网络的发展，电子式互感器的应用、一次设备的智能化以及IEC61850的推广，智能变电站就被提出来了。智能变电站的保护屏内的数据线更少了，采用报文来进行数据传输，也不用担心二次线接触不良的问题。传统的微机保护需要A/D转换模块、开关输入输出、CPU、交流输入模块。但是在智能变电站中，之前的端子箱取消了，将以上的设备全部集成到合并单元里面去，同时取消了操作箱，将此功能全部集成到智能终端里面去了，保护装置里面只保存处理数据和逻辑判断的CPU，同时保护直接通过光纤和开关进行信号交换，不再通过电缆，一次设备和二次设备之间没有直接的联系，不用考虑二次回路是否接地的问题。在现场的实际运行中，目前数字式保护中的电子式互感器不是必须的，在110kV以下的保护中，电子式互感器的效果还不是那么明显，电子式互感器在抗干扰上还没找到很好的解决方案，因此目前还是采用常规的互感器进行数据的采集，采用电缆跳闸的方式。目前在微机保护的评价上，还是沿用原来的状态量，注意力还是集中在失效率、可靠性等，而没有考虑到网络带来的影响。当下网络安全已经成为全世界电网需要关注的焦点，尤其是在泛在电力互联网的提出之后，委内瑞拉的两次全国性停电给我们的启示就是首先电网要优化能源布局；精益化管理和可靠的设备质量是保证电网坚强的后盾；网络安全是保证电网安全稳定运行的必要支撑。1.1基于模糊综合评判设备状态评价模糊综合评价的步骤为下面所述：1）第一步：选取评判对象的因素集；2）第二步：建立模糊评判集和状态评判等级。在本文中主要有四个评判极别既：正常、注意、异常以及严重；3）第三步：当我们把等级确定之后，就需要对各个指标的权重进行计算。通常我们会采用改进模糊层次分析法来计算不同状态量的权常规重值，通过变权函数来计算各个状态量的变权重，将继电保护劣化的状态量体现出来；4）计算隶属度。由于传输数据的过程，数据采集的过程以及状态临界值的分配都粗壮乃一定的不确定性，所以在本文中对隶属度的计算主要是采用云模型来计算，该方法不仅能够同时兼顾模糊性和随机性，并且实用性很强；5）对设备所处的状态进行有效的判断。1.1.1隶属度的计算通常情况下，云模型一般都是通过期望Ex、熵En和超熵He三个数字的特征来实现定性概念以及定量数值之间转化。其中期望值Ex表征两个状态临界值的平均数；熵En表示所取数据的随机性；超熵He反应的是数据的离散型。在云图中，纵坐标表示隶属度，横坐标表示实测值。下面我们将以继电保护装置的CPU温度作为参考，并假设温度此可正处于正常状态的区间[a，b]内，那么CPU温度的正态云的表达公式就是这样： （5-1）其中 (5-2) (5-3)1.1.2权重的计算衡量智能变电站的指标有很多，但是每个状态量对最终状态评估起着不一样的作用，因此需要权重来衡量。本文采用改进模糊层次分析法来计算设备的常权重以及基于设备当前状态来计算设备的变权重。1）改进模糊层次分析法层次分析法计算的前提是一致性矩阵存在，但是如果评价指标过多的情况下，一致性矩阵很难满足。在这种情况下有模糊性和层次分析法结合起来的模糊层次分析法可以很好解决这个问题，模糊层次分析法不需要判断一致性矩阵的存在性，但是模糊层次分析法缺少对权重是否合理的判断，因此本文在模糊层次分析法基础上，增加了对权重分配合理性的检验，以此来提高判断的满意度。具体的操作步骤为以下这样：（1）首先采用表1.1中提到的0.1~0.9标度法来建立一个模糊判断矩阵；表1.10.1~0.9标度法标度aij含义1因素i与因素j一样的重要3因素i比因素j略微的重要5因素i比因素j重要7因素i比因素j显著的重要9因素i比因素j极端的重要2、4、6、8因素i与因素j的重要性之比介于上述两个相邻等级之间（2）通过两个元素的两两比较，构造模糊一致性矩阵R；模糊一致性矩阵R满足的性质为 (5-4)其中，rij代表指标i和j之间的比较情况。（3）利用公式（5-5）中的数据来计算各评价指标的权重； (5-5)其中，wi表示因素ai的权重值，n代表评价指标的个数，a代表调整参数，且a=(n-1)/2。（4）对权重满意度检验；很多权重的计算没有考虑到权重分配是否合理，为了减少权重分配情况给评估结果带来的影响，我们还需要对其做出对应的满意度检验。假设权重向量W=[w1，w2…wn]T是模糊一致性矩阵R的权重，并使则称n阶矩阵 (5-6)就是模糊一致性矩阵R的特征矩阵。如果相容性指标I(A，W*)<α，我们就可以说权重分配是合理的，通常我们会选取α=0.1。如果计算的结果得到是矩阵不满意，那么（a）利用转换公式eij=rij/rji将矩阵R转化为互反型矩阵E=[eij]n×n；（b）取B=log(E），其中bij=logeij；（c）构造，其中；（d）在矩阵W*的基础上，根据式(4.5)算出评价指标的权重。2）变权重理论继电保护是由很多元器件构成的，每个元器件式单一的，但是又是互相联系的，一旦一个元器件发生故障，整个保护的运行性能就会出现一定的状况。继电保护在运行过程中，当一旦某一个状态量发生故障，但是如果这个状态量在常权重中分配值很低，那样如果采用常权重的计算方法就无法反应这个劣化部位，对于继电保护的精益化运维带来一定的挑战。基于此，本文在常权重的基础上，还引入了变权重，并对设备出现劣化的部分进行严重的惩罚，从而让继电保护的劣化部分变得更加的明显，表达式为 (5-7)其中，wi代表某一评价指标的常权重，wbi代表变权重，si(xi)是关于状态量xi的函数。通过分析公式（5-7）可以知道，要想计算最终的权重，就必须求出si(xi)。本文用均衡函数来计算，但是均衡函数对劣化部分惩罚不够，不能直击要害，因此为了更全面反应劣化部分，本文采用局部惩罚-激励型状态变权函数，对状态量差的部分予以更高的权重增，si(xi)的表达式为 (5-8)其中，α为惩罚水平，β为激励水平，且状态评价指标xi的取值会参考一些相对劣化度的定义。在变权综合评判中规定，惩罚力度的设置应该要比激励力度大。其中，如果[0，u]是否决阶段，那么该评价指标状态的评分就会很低，但是他占有的比重很庞大，所以这会导致整个目标的综合评价值也跟着急剧的下降，[u，]代表强惩罚的阶段，表示受到的惩罚比较重，[，α]则为初级的惩罚阶段，代表受到的惩罚相对比较弱。参考继电保护规程，将其运行状态分为4种，严重状态的分值范围为0~50，设此时设定设备处于完全作废状态；异常状态的分值范围为50~70，设此时设定设备处于完全强力惩罚状态；注意状态的分值范围为70~80，设此时设定设备处于弱惩罚状态；一旦设备被评价处于正常状态，这个状态应该被鼓励。对于公式（4.7）中各个参数的计算过程为：因为否决状态分值为0~50，因此初定其他参数=0.5，α=0.7，β=0.9，c1=0.6，c2=0.8，C=0.4，分析图1.2可知，当u取0.4，此时设备的变权函数达到最低值，满足否决条件。图1.2u的取值对si(xi)的影响下面分析强惩罚阶段，上文已经求u=0.4，初定α=0.7，β=0.9，c1=0.6，c2=0.8，C=0.4，当0.5<<0.7时，变权函数si(xi)急剧下降，此时取=0.6。图1.3的取值对si(xi)的影响分析图1.4可知，当α取0.7的时候，此时si(xi)也是急剧下降，满足惩罚的条件。图1.4α的取值对si(xi)的影响分析图1.5可知，当β取0.9，此时si(xi)也是急剧下降，满足惩罚的条件。图1.5β的取值对si(xi)的影响综上所述，变权函数的表达式为 (5-9)因为每个状态量的量纲不一样，因此需要对状态量进行归一化的处理，对于正向指标，归一化的表达式为 （5-10）对于逆向指标，归一化的表达式为（5-11）其中xi代表状态量的取值，xmax与xmin代表状态量x的最大和最小取值。这样处理的目的是为了让指标有相同的走向。变权函数的曲线如图1.6所示。图1.6变权函数的曲线（横坐标单位为标幺值）1.1.3模糊综合评判结果的计算因为考虑到评价过程存在的模糊因素，因此本文拟采用加权平均模糊算子M(g+)，计算评判结果 (5-12)其中，wi和rij分别为评价指标的权重和隶属度。因为每个状态量计算出来的模糊评判结果是一个定值，不是一个概率，因此需要对各个状态量做最后的归一化处理，即 (5-13)1.2智能变电站数字化保护的综合评估1.2.1数字化保护综合评估因素集和评语集数字化式智能变电站具有很多重要的特征，首先从智能变电站的组成来选取状态量，从原来机械的电流/电压互感器变成现在的合并单元，增加了交换机；将一次设备进行改造，变成智能终端，还有最重要的角色：保护装置。保护状态从原来的电缆全部改成光纤传输，传统微机保护的交流输入组件/保护逻辑消失了，变成现在的端子箱具体如图4.7所示。图1.7综合评估一级评估因素考虑到基本的组成结构以后，还要从时间上增加状态量，比如设备的巡检时间/历史故障信息等等，从时间维度上增加状态评估的正确性。因此将每个状态量进行二次指标的划分，主要从环境信息/通信信息等等来划分。图1.8合并单元评估因素（1）合并单元合并单元顾名思义是合并和汇集多方面的信息，比如电压和电流信息，加入采集时间在转换为特定的格式传输到相应的保护或者测控装置，评估因素主要从设备信息、环境信息以及通信信息出发，因为合并单元要传输数据因此和通道有关；因为设备老化程度是影响设备传输数据的正确性如图1.8所示。（2）智能终端智能终端的主要作用是传输作用，动作过程为通过电子互感器获取电压和电流，得到电压、电流的测量值，测量值再和整定值进行比较，最终由继电器输出逻辑信号，二智能终端就是逻辑信号的接收者，终端将此信号传递给断路器，控制断路器的开断，同时终端还需要将断路器的状态传递给测控机构或者站控层，使得断路器的状态时刻被调度人员掌握。智能终端评估因素如图1.9所示。图1.9智能终端评估因素图1.10保护装置评估因素（3）保护装置保护装置的主体部分是继电器和通道，智能变电站取消了原来的电缆传输，全部将采样值/开关量在过程层以数据的形式传输，动作的信息也以GOOSE的形式发送至过程层网络。这个时候，外部通信接口部件就能让主机和远程进行直接的信息联系，这时在实际的保护过程中不能缺少的一种重要的信息传输方式。人机对话接口部件能够让管理者更好的实时了解保护装置的状态，同时也能实现让管理者通过外部输入设备来输入对其的信息和相关命令指示，从而更好的对保护装置进行管理和控制，如果在和打印机相连接的状态下进行的，同时还能够获取到纸质的打印文件。保护装置状态评估因素如图1.10。（4）交换机与传统变电站不同的地方在于一次设备的智能化/设备检修状态化以及二次设备网络化。过程层交换机的性能直接影响到数据传输的时效性/准确性，以太网交换机状态监测评估因素如图1.11。图1.11交换机评估因素1.2.2评估期望值以一级评语因素“保护装置”为例,其评估期望值如表1.2所示。表中a1，a2，a3，a4为各级评估因素的界限值。根据数据对智能变电站的影响，可以将数据分为三种：正向指标、逆向指标、以及中间型指标1.3算例分析获取智能变电站的实时监测数据，其中以保护装置威力，采集的数据如表1.3所示。再根据1.3.3节中的权重值，得到4级评估因素的评估结果设备根据隶属度最大原则，判断设备处于正常状态环境根据隶属度最大原则，判断环境处于正常状态通信根据隶属度最大原则，判断通信通道的评估结果为设备处于注意状态。分析三个指标可以发现，继电保护的设备本体和环境对继电保护的最终影响几乎是没有的，但是通信通道处于注意状态，运维人员需要做相关的测试，此通道对继电保护的可靠性会有一定的影响。以方向比较式纵联保护为例，当通道破坏，内部故障，通道破坏对保护无影响；但是一旦发生外部故障，此时保护因为收不到闭锁信号导致保护误动，因此通道的正确性对于保护而言非常重要。一级因素二级因素三级因素单位a1a2a3a4数据来源保护装