宋人杰，徐　潔

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及應(yīng)用

宋人杰，徐潔

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，為評(píng)估繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)，本文提出一個(gè)科學(xué)的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。首先根據(jù)繼電保護(hù)裝置評(píng)估準(zhǔn)則和專家建議，從繼電保護(hù)裝置多個(gè)方面選取指標(biāo)，初步建立一個(gè)指標(biāo)體系，根據(jù)相關(guān)系數(shù)和關(guān)聯(lián)規(guī)則對(duì)初步建立的指標(biāo)體系進(jìn)行篩選。將篩選后的指標(biāo)體系應(yīng)用到狀態(tài)已知的繼電保護(hù)裝置評(píng)估中，運(yùn)用專家經(jīng)驗(yàn)法和熵值法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)并計(jì)算指標(biāo)的評(píng)分，根據(jù)指標(biāo)權(quán)重和評(píng)分，得到繼電保護(hù)裝置的評(píng)分并判斷其狀態(tài)，將本文得到裝置狀態(tài)與已知的裝置狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證該指標(biāo)體系的可靠性。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；相關(guān)系數(shù)；關(guān)聯(lián)規(guī)則；熵值法；指標(biāo)評(píng)分

隨著電力行業(yè)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。繼電保護(hù)裝置的良好狀態(tài)是確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，評(píng)估繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)需要一個(gè)科學(xué)的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。現(xiàn)如今大部分文獻(xiàn)給出的指標(biāo)體系存在以下不足：(1)并未嚴(yán)格遵從指標(biāo)體系構(gòu)建的三個(gè)原則：全面性，獨(dú)立性，合理性；(2)并未驗(yàn)證該指標(biāo)體系的可靠性[1，2]。

針對(duì)上述不足，本文依據(jù)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)估和檢修方面規(guī)則，結(jié)合繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)方面專家建議，從裝置自身質(zhì)量、預(yù)防性試驗(yàn)、運(yùn)行工況和歷史數(shù)據(jù)方面數(shù)據(jù)，初步建立繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確保指標(biāo)的全面性；根據(jù)相關(guān)系數(shù)法計(jì)算指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，剔除相關(guān)系數(shù)較大的兩個(gè)指標(biāo)中的一個(gè)，確保指標(biāo)的獨(dú)立性；采用關(guān)聯(lián)規(guī)則方法，挖掘每個(gè)指標(biāo)和評(píng)估結(jié)果的關(guān)系，篩選出跟評(píng)估結(jié)果關(guān)系較大的幾個(gè)指標(biāo)，用最少的指標(biāo)準(zhǔn)確的評(píng)估出裝置的狀態(tài)，確保指標(biāo)的合理性。將該指標(biāo)體系應(yīng)用到狀態(tài)結(jié)果已知的繼電保護(hù)裝置評(píng)估中，通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證該指標(biāo)體系的可靠性[3-6]。

本文含有三個(gè)章節(jié)，第一章節(jié)：主要介紹狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立；第二章節(jié)：主要介紹將該指標(biāo)體系應(yīng)用到繼電保護(hù)裝置評(píng)估中，通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證該指標(biāo)體系的可靠性；第三章節(jié)：總結(jié)本文的主要內(nèi)容以及不足。

1繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)主要遵循以下原則：指標(biāo)全面性、指標(biāo)獨(dú)立性，指標(biāo)合理性。

1.1　指標(biāo)的全面性

指標(biāo)不全面，導(dǎo)致最終的指標(biāo)體系不可靠。所以，依據(jù)繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估和檢修方面規(guī)則，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)方面專家建議，從裝置自身質(zhì)量、預(yù)防性試驗(yàn)、運(yùn)行工況和歷史數(shù)據(jù)方面數(shù)據(jù)，初步建立繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確保指標(biāo)的全面性。初步建立繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　初步建立的繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2　指標(biāo)的獨(dú)立性

初步建立的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由11個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)內(nèi)涵交叉和重疊，易導(dǎo)致指標(biāo)體系集臃腫和不可靠。因此，根據(jù)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)法計(jì)算指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，剔除相關(guān)系數(shù)較大的兩個(gè)指標(biāo)中的一個(gè)，確保指標(biāo)的獨(dú)立性，步驟如下[7-9]：

Step1：根據(jù)上述的指標(biāo)體系，選取每個(gè)指標(biāo)的三個(gè)不同的樣本值Tis={Ti1，Ti2，Ti3}；s={1，2，3}；i， j={1，2，…11}；Tis表示第i個(gè)指標(biāo)的第s個(gè)樣本值。首先對(duì)所有指標(biāo)的樣本值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)

Step2：已知樣本的標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)。

(2)

1.3　指標(biāo)的合理性

當(dāng)指標(biāo)與評(píng)估結(jié)果為弱關(guān)聯(lián)性，則指標(biāo)體系不可靠。因此采用關(guān)聯(lián)規(guī)則，挖掘每個(gè)指標(biāo)和評(píng)估結(jié)果的關(guān)系，選取與評(píng)估結(jié)果關(guān)聯(lián)性較大的幾個(gè)指標(biāo)，確保指標(biāo)的合理性，步驟如下：

Step1：選取H組繼電保護(hù)裝置評(píng)估樣本數(shù)據(jù)，其中有L組數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果為異常，指標(biāo)i在H組樣本數(shù)據(jù)中超標(biāo)次數(shù)為Fi，而在L組異常數(shù)據(jù)中超標(biāo)次數(shù)為fi，根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以得到指標(biāo)i與L組數(shù)據(jù)的置信度[10-11]。

(3)

Step2：Ci越大表示指標(biāo)i與L組異常數(shù)據(jù)關(guān)系越大，也就是說(shuō)指標(biāo)i與評(píng)估結(jié)果關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。依據(jù)繼電保護(hù)裝置評(píng)估準(zhǔn)則，設(shè)定置信度的閾值為G，當(dāng)Ci>G時(shí)，保留指標(biāo)i，反之則舍去。

通過(guò)上述方法篩選指標(biāo)體系，建立一個(gè)全面的、獨(dú)立性高的、合理的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的應(yīng)用及可靠性驗(yàn)證

將上述的繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用到狀態(tài)結(jié)果已知的繼電保護(hù)裝置評(píng)估中，若要評(píng)估裝置的狀態(tài)，除了需要指標(biāo)體系，還需對(duì)指標(biāo)體系中的指標(biāo)賦權(quán)和評(píng)分，由指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)分，判斷繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)。

2.1　基于專家經(jīng)驗(yàn)法和熵值法的指標(biāo)賦權(quán)

專家經(jīng)驗(yàn)法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，易導(dǎo)致指標(biāo)權(quán)重太過(guò)于主觀。熵值法對(duì)指標(biāo)賦權(quán)，太過(guò)于片面。故采用專家經(jīng)驗(yàn)法和熵值法相結(jié)合對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，保證指標(biāo)權(quán)重的準(zhǔn)確性和客觀性，具體步驟如下[12-17]：

Step1：設(shè)定評(píng)價(jià)體系共有m個(gè)指標(biāo)，n個(gè)專家根據(jù)自己的專業(yè)知識(shí)并結(jié)合繼電保護(hù)裝置評(píng)估準(zhǔn)則，對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。因此，得到權(quán)重矩陣F。

(4)

式中：Hj表示的是第j個(gè)專家賦予m個(gè)指標(biāo)權(quán)重的熵值。根據(jù)熵的性質(zhì)可知，熵值越大表示這個(gè)專家提供權(quán)重所帶來(lái)的效用值小，應(yīng)舍棄。根據(jù)繼電保護(hù)裝置的評(píng)估準(zhǔn)則，設(shè)定閾值A(chǔ)，當(dāng)Hj

Step2：設(shè)定剩余q(1qm)個(gè)專家賦予的權(quán)重，重新構(gòu)建權(quán)重矩陣F′。

計(jì)算矩陣F′的每一行的熵值，也就是q個(gè)專家賦予某個(gè)指標(biāo)的q個(gè)權(quán)重的熵值，稱為行熵。計(jì)算行熵前，對(duì)F′的每一行的權(quán)重進(jìn)行歸一化。

(5)

(6)

由熵的性質(zhì)可知，當(dāng)Hi越大說(shuō)明q個(gè)專家對(duì)第i個(gè)指標(biāo)的賦予的權(quán)重效用值低。

Step3：由上述分析可知，指標(biāo)權(quán)重可表示為。

(7)

2.2　指標(biāo)評(píng)分

根據(jù)指標(biāo)的狀態(tài)量的值判斷每個(gè)指標(biāo)狀態(tài)量的評(píng)分，然后疊加同一個(gè)指標(biāo)不同的狀態(tài)量的評(píng)分，可以得到該指標(biāo)的評(píng)分[18-20]。狀態(tài)量有三種類型：實(shí)測(cè)值越大越好、實(shí)測(cè)值越小越好、實(shí)測(cè)值介于一定范圍內(nèi)最好。

(1)實(shí)測(cè)值越大越好

狀態(tài)量屬于實(shí)測(cè)值越大越好，則該狀態(tài)量的評(píng)分如下。

(8)

(2)實(shí)測(cè)值越小越好

狀態(tài)量屬于實(shí)測(cè)值越小越好，則該狀態(tài)量的評(píng)分如下。

(9)

(3)實(shí)測(cè)值介于一定范圍內(nèi)最好

根據(jù)上述分析，指標(biāo)i的評(píng)分為

(10)

2.3　繼電保護(hù)裝置的評(píng)分

結(jié)合上述的指標(biāo)權(quán)重和評(píng)分，可以得到繼電保護(hù)裝置的評(píng)分

(11)

式中：K為繼電保護(hù)裝置的評(píng)分。

2.4　實(shí)例分析

選取丹東變電站的繼電保護(hù)裝置作為研究對(duì)象，已知該裝置的狀態(tài)為注意。將該狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用到此繼電保護(hù)裝置中，得到繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算該指標(biāo)體系的指標(biāo)權(quán)重和評(píng)分。由指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)分，判定繼電保護(hù)裝置的評(píng)分，因此，得到繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)，步驟如下：

Step1：依據(jù)繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)估和檢修方面規(guī)則，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)方面專家建議，從裝置自身質(zhì)量、預(yù)防性試驗(yàn)、運(yùn)行工況和歷史數(shù)據(jù)方面數(shù)據(jù)，初步建立繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選取每個(gè)指標(biāo)三個(gè)樣本值，如表1。

表1　指標(biāo)的樣本值

首先，運(yùn)用公式(1)對(duì)表1進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再由公式(2)，得到各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，閾值D設(shè)定為0.6。其中故障率和老化率的相關(guān)系數(shù)為0.72，所以，舍棄故障率。

Step2：從歷史數(shù)據(jù)中選取200組樣本數(shù)據(jù)，其中繼電保護(hù)裝置評(píng)估異常的有152組，根據(jù)每個(gè)指標(biāo)的超標(biāo)次數(shù)和公式(3)，可以得到指標(biāo)與評(píng)估結(jié)果之間的置信度，如表2。

表2　指標(biāo)的置信度

設(shè)定閾值G為0.30，其中只有老化率的置信度低于0.30，故舍棄指標(biāo)老化率，所以繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2。

圖2　繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Step3：根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法和熵值法對(duì)該指標(biāo)體系進(jìn)行賦權(quán)，選取5位專家對(duì)這9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，如表3。

表3　5位專家賦權(quán)

由表3可以得到權(quán)重矩陣F。

設(shè)定閾值A(chǔ)為2.15，根據(jù)公式(4)和F，得出H5=2.19，故因舍棄專家5的賦權(quán)。根據(jù)剩余4位專家的權(quán)重，構(gòu)建一個(gè)權(quán)重矩陣F′。

根據(jù)公式(5)(6)(7)可以得到指標(biāo)的權(quán)重wi，如表4。

表4　wi的值

Step4：由指標(biāo)的狀態(tài)量判斷指標(biāo)的評(píng)分，每個(gè)指標(biāo)狀態(tài)量如表5。

表5　指標(biāo)的狀態(tài)量

根據(jù)繼電保護(hù)裝置的評(píng)估準(zhǔn)則，保護(hù)裝置動(dòng)作正確率、回路絕緣屬于值越大越好；軟硬件的故障情況、模擬量誤差、開(kāi)關(guān)量采樣、直流接地、通訊中斷、錯(cuò)誤頻率、反措落實(shí)情況、通道中斷、告警頻率、差流告警次數(shù)屬于值越小越好；環(huán)境濕度、環(huán)境溫度屬于介于標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)最好，則指標(biāo)的評(píng)分如表6。

表6　指標(biāo)的評(píng)分

已知指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)分，由公式(11)，可以得到繼電保護(hù)裝置的評(píng)分

K=57.34.

2.5　可靠性驗(yàn)證

由遼寧風(fēng)電的繼電保護(hù)裝置的評(píng)估準(zhǔn)則可知，繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表7。

表7　繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由繼電保護(hù)裝置的評(píng)分K=57.34和表7可知，繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)為注意，這與該繼電保護(hù)裝置的真實(shí)狀態(tài)一致。因此，判斷本文提出繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是可靠的。

3結(jié)論

針對(duì)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)的重要性以及大部分文獻(xiàn)提出的繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的不足，本文提出了一個(gè)科學(xué)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建的三個(gè)原則，建立一個(gè)全面的、獨(dú)立性高的、合理的狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。將此指標(biāo)體系應(yīng)用到繼電保護(hù)裝置評(píng)估中，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)分析，驗(yàn)證該指標(biāo)體系的可靠性。但也存在數(shù)據(jù)獲得以及指標(biāo)體系的定量評(píng)價(jià)等問(wèn)題，有必要結(jié)合我國(guó)繼電保護(hù)裝置發(fā)展特性，進(jìn)一步完善指標(biāo)體系，確定指標(biāo)的合理閾值，增強(qiáng)量化評(píng)價(jià)的可操作性以及對(duì)繼電保護(hù)裝置發(fā)展的指導(dǎo)作用。

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Establishment and Application of Evaluation Indicator System for Relay Protection Device

SONG Ren-jie，XU Jie

(College of Information Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：Relay Protection Device(RPD) state is very important for stable running of power system.To get the state of RPD，the paper proposes a scientific indicator system.Firstly，according to RPD Criteria and expert suggestion，an indicator system is established.Secondly，based on Correlation Coefficient and Association Rules，the indicator system is filtered and is applied to the state-known RPD，Thirdly，indicator weights are determined by expert experience and Entropy method，and then we achieve the indicator scores.At last，we get the score of RPD by the scores and weights of indicators.Then we get the state of RPD based on the score.According to the comparison of two kinds of state，the indicator system is reliable.

Key words：Evaluation indicator system；Correlation coefficient；Association rules；Entropy method；Indicators scores

中圖分類號(hào)：TM 8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2015)06-0070-07

作者簡(jiǎn)介：宋人杰(1963-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向：電力信息化、多媒體技術(shù)及其應(yīng)用.

收稿日期：2015-09-12