一种继电保护最佳检修周期的计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种继电保护最佳检修周期的计算方法，所述方法包括(1)基于历史告警信息的保护系统失效率计算；(2)建立单套保护系统Markov状态空间模型；(3)基于层次结构的建立整体Markov状态空间模型；(4)确定最佳检测周期。本发明以保护信息管理系统中保护告警信息为基础，进行保护系统各元件失效率的统计和计算，有利于辨识得到保护系统中关键元件和薄弱环节；且保护告警信息数量较多，较大的统计样本能使统计结果更加可靠。本发明考虑检修过程中的人为失误等因素，完善了现有的状态空间模型图，使建模和后续计算过程更加清晰、合理，结果更加准确可信。
【专利说明】一种继电保护最佳检修周期的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统继电保护运维技术，具体讲涉及一种继电保护最佳检修周期 的计算方法。
【背景技术】
[0002] 继电保护作为电网安全的第一道防线，其动作状况将直接影响电力系统运行的可 靠性：继电保护快速、可靠的动作可有效切除故障、遏制系统状态恶化，起到保障电网安全 可靠运行的作用；反之，则可能扩大故障范围，甚至引发连锁故障和系统崩溃。北美可靠性 委员会（NERC)的研究表明：75%的电力系统事故与继电保护有关。因此对继电保护可靠性 的研究一直是国内外学者密切关注的重要课题。
[0003] 当前关于继电保护可靠性研究主要关注继电保护系统的可靠性及其最佳检修周 期的确定。涉及系统可靠性的定性与定量评估，可靠性指标与经济性指标的协调等方面，旨 在找出保护系统的薄弱环节，寻找最佳的设计、运维方案及检修周期等。文献[王钢，丁茂 生，李晓华，等.数字继电保护装置可靠性研究中国电机工程学报，2004, 24 (7) : 47-52]、文 献[张沛超，高翔.全数字化保护系统的可靠性及元件重要度分析.中国电机工程学报， 2008,28(1) :77-82.]和文献[吴宏斌，盛继光.继电保护设备可靠性评估的数学模型及应 用.电力系统保护与控制，2009,37(9):65-68.]从保护系统结构组成以及软、硬件以及人 为因素等失效模式建立继电保护系统可靠性模型进行可靠性分析，并定义保护重要度指标 评价元件重要度，辨识保护系统中关键元件和薄弱环节。文献[张雪松，王超，程晓东.基 于马尔可夫状态空间法的超高压电网继电保护系统可靠性分析模型.电网技术，2008， 32(13) :94-9]、文献[丁茂生，王钢，贺文.基于可靠性经济分析的继电保护最优检修间隔 时间[J].中国电机工程学报，2007, 27 (25) :44-48.]、文献[J.J.Kumm，ES.Weber，D.Hou， andE. 0?Schweitzer,"Predictingtheoptimumroutinetestintervalforprotective relays，，'IEEETrans.PowerDel.，vol. 10，no. 2，pp. 659 - 665，Apr. 1995.]和文献 [Etermadi,H. ,andFotuhi-Firuzabad,M. :'Designandroutinetestoptimization ofmodernprotectionsystemswithreliabilityandeconomicconstraintsJIEEE Trans.PowerDeliv. 2012, 27,（I)，pp. 271-278.]则基于不同保护配置方案和对保护实际 运行状态的不同假设建立多种不同的马尔可夫状态空间模型，以各种可靠性和经济性指标 为评价标准分别对继电保护最佳检修周期进行了相关研究，并对自检系数等因素做了灵敏 度分析，结果表明：自检系数及检修成功系数对最佳检修周期的影响较大。
[0004] 上述工作对研究继电保护可靠性做出了重要贡献，但也存在一定缺陷：即对于元 件失效率等可靠性基础数据的研究。虽然现在己有对全国近年来的保护动作情况做了详 细的统计分析，但是保护系统内部元件的可靠性基础数据仍然缺乏，大多数文献在分析过 程中只对元件可靠性评估所需要的基础数据做了定量假设或者直接参考电子设备可靠性 预计手册来计算装置本体中元器件和各模块的失效率，使得可靠性分析结果的实际参考价 值大打折扣。另一方面针对保护最佳检修周期的研究，文献[张雪松，王超，程晓东.基 于马尔可夫状态空间法的超高压电网继电保护系统可靠性分析模型.电网技术，2008， 32(13) :94-9]、文献[丁茂生，王钢，贺文.基于可靠性经济分析的继电保护最优检修间隔 时间[J].中国电机工程学报，2007, 27 (25) :44-48.]、文献[J.J.Kumm，ES.Weber，D.Hou， andE. 0?Schweitzer,"Predictingtheoptimumroutinetestintervalforprotective relays，，'IEEETrans.PowerDel.，vol. 10，no. 2，pp. 659 - 665，Apr. 1995.]和文献 [Etermadi,H.,andFotuhi-Firuzabad,M.:'Designandroutinetestoptimizationof modernprotectionsystemswithreliabilityandeconomicconstraints'IEEETrans. PowerDeliv. 2012,27,（I)，pp. 271-278.]均未考虑人为因素的影响，文献[张晶晶，丁明， 李生虎.人为失误对保护系统可靠性的影响.电力系统自动化，2012,36(8):1-5]虽然考虑 了运行和修复过程中的两类人为失误，但其所建的整体Markov状态模型又过于简单，对线 路及保护运行状态的划分和概括不够全面。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种继电保护最佳检修周期的计算方法，充利 用大量的自检告警信息进行保护系统内各元件失效率的统计和计算，结合失效模式分析建 立保护系统的故障树分析模型，计算保护系统的总体失效率及其它可靠性指标。在此基础 上改进了保护系统及其被保护元件的Markov状态模型，考虑了保护可能处于的五种运行 状态，以及维修及定期检测期间的人为失误等因素，完善了保护设备的各种状态及之间的 转移规律，使Markov状态空间模型更加明确、合理，并以被保护及被保护元件的整体可用 度为评价指标计算保护的最佳定检周期。
[0006] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0007] -种继电保护最佳检修周期的计算方法，其改进之处在于，所述方法包括
[0008] (1)基于历史告警信息的保护系统失效率计算；
[0009](2)建立单套保护系统Markov状态空间模型；
[0010](3)基于层次结构的建立整体Markov状态空间模型；
[0011] (4)确定最佳检测周期。
[0012] 优选的，所述失效率计算包括保护系统的硬件失效率计算和保护系统的软件失效 率计算。
[0013] 优选的，所述步骤（1)包括利用保护上传的各部件自检告警信息统计计算得到保 护系统的硬件失效率，结合软件失效率计算模型计算得到保护系统的软件失效率，建立保 护系统失效的故障树模型，计算得到保护系统总体失效率。
[0014] 进一步地，所述保护系统的硬件失效率包括利用保护上传的各部件自检告警信 息，根据各元件告警信号的频率计算获得该元件的自检平均无故障工作时间，通过平均无 故障时间和失效率之间的数学关系计算得到各元件的自检失效率，并结合自检系数计算元 件故障引发保护失效的真实失效率。
[0015] 进一步地，所述保护系统的软件失效率包括在继电保护可靠性分析中采用Musa Logarithmic模型计算软件失效率：
[0016]As(m) =A〇e^0m
[0017]其中，入。为初始失效率，0为漏洞减少率系数，m为系统运行中累计发现的漏洞。
[0018] 优选的，所述步骤（2)包括建立保护单独的Markov状态空间模型，用于分析保护 的运行状态及转移关系。
[0019] 优选的，所述步骤（3)包括结合被保护元件的运行状态及保护的运行状态，通过 保护及被保护元件的合理状态组合建立保护及被保护元件的完整Markov状态分析模型。
[0020] 进一步地，所述被保护元件的运行状态包括线路正常运行状态、线路故障退出运 行状态和线路处于被隔离停电状态；
[0021] 所述保护的运行状态包括正常状态、故障退出运行状态、隐形故障状态、定期检修 状态和故障后修复状态。
[0022] 进一步地，根据被保护元件的运行状态将完整模型分为四层结构。
[0023] 优选的，所述步骤（4)包括根据建立的完整Markov状态空间模型，利用状态空间 法建立状态转移概率矩阵A，并计算各状态的稳态概率P1-P17，以保护及被保护元件的整体 可用度P1最大为目标确定保护最佳检修周期。
[0024] 与现有技术比，本发明的有益效果为：
[0025] 1、本发明以保护信息管理系统中保护告警信息为基础，进行保护系统各元件失效 率的统计和计算，有利于辨识得到保护系统中关键元件和薄弱环节；且保护告警信息数量 较多，较大的统计样本能使统计结果更加可靠。
[0026] 2、本发明考虑检修过程中的人为失误等因素，完善了现有的状态空间模型图，使 建模和后续计算过程更加清晰、合理，结果更加准确可信。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为本发明提供的一种继电保护最佳检修周期的计算方法流程图。
[0028] 图2为本发明提供的保护系统故障树分析模型。
[0029] 图3为本发明提供的单套保护系统Markov状态转移框图。
[0030] 图4为本发明提供的四层次Markov状态空间模型。
[0031] 图5为本发明提供的保护及被保护元件的整体可用度随检修周期变化的曲线。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0033] 本发明主要完成了基于历史告警信息的继电保护系统失效率计算，进而结合检修 过程中的人为失误等因素，完善现有的状态空间模型图，并计算保护的最佳检修周期。
[0034] 1、基于历史告警信息的保护系统失效率计算
[0035] 微机继电保护装置与传统的保护装置相比具有自检测能力，可以不断地自检自身 的故障，当保护装置自身的故障被检测出来时则发出告警信号，闭锁保护装置。但由于自检 功能具有一定的成功系数（一般为〇. 85-0. 9)，即保护故障能被自检发现具有一定概率，因 此还必须配合定期检测排除自检未发现的隐性故障。
[0036] 本发明综合利用保护上传的各部件自检告警信息，根据各元件告警信号的频率计 算获得该元件的可自检平均无故障工作时间，假设元件的寿命都服从指数分布，通过平均 无故障时间和失效率之间的数学关系计算得到各元件的可自检失效率，并结合自检系数计 算元件故障引发保护失效的真实失效率。
[0037] 例如，对于保护装置中的CPU插件，包括装置参数错、ROM校检错、保护CPU复位、 定制错、定制区指针错和CAN通信中断6种告警信号，失效率的具体计算步骤为：
[0038] (a)从继电保护信息管理系统调取一台保护装置的运行记录（从投入运行开始）， 查找与CPU插件相关的六种告警信号报文记录，统计计算此CPU运行期间内的平均无故障 工作时间MTTF1(即两次告警信号之间的平均时间）；
[0039] (b)依此方法统计计算变电站其它保护装置的CPU的平均无故障工作时间MTTFn; 由于插件的故障率特别低，可能在统计样本中没有或很少此类失效记录，对此种情况，扩大 采样范围，可以逐步扩至同一地区、省公司级变电站内保护运行记录，来获取足够的统计样 本。计算此装置CPU总的平均无故障工作时间；
【权利要求】
1. 一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述方法包括 (1) 基于历史告警信息的保护系统失效率计算； (2) 建立单套保护系统Markov状态空间模型； (3) 基于层次结构的建立整体Markov状态空间模型； (4) 确定最佳检测周期。
2. 如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述失 效率计算包括保护系统的硬件失效率计算和保护系统的软件失效率计算。
3. 如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步 骤（1)包括利用保护上传的各部件自检告警信息统计计算得到保护系统的硬件失效率，结 合软件失效率计算模型计算得到保护系统的软件失效率，建立保护系统失效的故障树模 型，计算得到保护系统总体失效率。
4. 如权利要求3所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述保 护系统的硬件失效率包括利用保护上传的各部件自检告警信息，根据各元件告警信号的频 率计算获得该元件的自检平均无故障工作时间，通过平均无故障时间和失效率之间的数学 关系计算得到各元件的自检失效率，并结合自检系数计算元件故障引发保护失效的真实失 效率。
5. 如权利要求3所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述保 护系统的软件失效率包括在继电保护可靠性分析中采用Musa Logarithmic模型计算软件 失效率： λ s (m) = λ 0丨θ 111 其中，λ ^为初始失效率，Θ为漏洞减少率系数，m为系统运行中累计发现的漏洞。
6. 如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步 骤（2)包括建立保护单独的Markov状态空间模型，用于分析保护的运行状态及转移关系。
7. 如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步 骤（3)包括结合被保护元件的运行状态及保护的运行状态，通过保护及被保护元件的合理 状态组合建立保护及被保护元件的完整Markov状态分析模型。
8. 如权利要求7所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述被 保护元件的运行状态包括线路正常运行状态、线路故障退出运行状态和线路处于被隔离停 电状态； 所述保护的运行状态包括正常状态、故障退出运行状态、隐形故障状态、定期检修状态 和故障后修复状态。
9. 如权利要求7所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，根据被 保护元件的运行状态将完整模型分为四层结构。
10. 如权利要求1所述的一种继电保护最佳检修周期的计算方法，其特征在于，所述步 骤（4)包括根据建立的完整Markov状态空间模型，利用状态空间法建立状态转移概率矩阵 A，并计算各状态的稳态概率P1-P17，以保护及被保护元件的整体可用度P1最大为目标确定 保护最佳检修周期。
【文档编号】G06F19/00GK104318126SQ201410655347
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】赵鹏程, 魏文辉, 雷林绪, 赵波, 韩佳兵, 张占龙, 张巍峰, 张明理, 龚树东 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院, 北京科东电力控制系统有限责任公司, 国网天津市电力公司, 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院