针对智能变电站各二次设备故障机理复杂、具有不确定性、难以有效评估的问题,提出了基于改进层次分析法和模糊评判理论的智能变电站二次系统综合评估方法。以运行检修规程、测试技术规范为基础,综合考虑运行经验、工作环境和检修记录,建立二次设备状态定量和定性评估指标体系,并根据各指标的相对重要性赋予相应权重;通过半梯形分布函数构建状态指标评分模型,并引入相对劣化度来表征二次设备状态转化程度的隶属函数,进而建立层次模糊评判矩阵;由此,建立基于改进层次模糊评判的智能变电站二次系统状态评估模型。实例分析表明该方法有效可行,为智能变电站二次系统健康状态评估提供了新的思路。<br/>For smart substation secondary equipments’ failure mechanism are complex, uncertain and diffi-cult to be effectively evaluated, a comprehensive evaluation method based on improved analytic hierarchy process and fuzzy synthetic evaluation is proposed in this paper. On the basis of run maintenance procedures and test specification and taking operating experience, work environment and maintenance records into consideration, this paper establishes the quantitative and qualitative state evaluation index system of secondary equipment and gives the corresponding weight according to the relative importance of each indicator. Through building the scoring model of state indicator by the semi-trapezoidal distribution function and introducing the relative deterioration degree to characterize the membership function of secondary equipment status transformation degree and to establish a hierarchical fuzzy evaluation matrix. Thus, a condition assessment model of smart substation secondary system based on improved analytic hierarchy process and fuzzy synthetic evaluation is established. Example analysis shows that this method is effective and feasible and provides a new way for the health assessment of smart substation secondary system.
熊伟1,曾星星2*,张友强1,何燕1,欧阳金鑫2,熊小伏2,曾勇2
1国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆
2输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆
Email: *437160047@qq.com
收稿日期:2015年3月15日;录用日期:2015年3月27日;发布日期:2015年4月3日
针对智能变电站各二次设备故障机理复杂、具有不确定性、难以有效评估的问题,提出了基于改进层次分析法和模糊评判理论的智能变电站二次系统综合评估方法。以运行检修规程、测试技术规范为基础,综合考虑运行经验、工作环境和检修记录,建立二次设备状态定量和定性评估指标体系,并根据各指标的相对重要性赋予相应权重;通过半梯形分布函数构建状态指标评分模型,并引入相对劣化度来表征二次设备状态转化程度的隶属函数,进而建立层次模糊评判矩阵;由此,建立基于改进层次模糊评判的智能变电站二次系统状态评估模型。实例分析表明该方法有效可行,为智能变电站二次系统健康状态评估提供了新的思路。
关键词 :智能变电站,二次系统,状态评估,改进层次分析法,模糊评判
智能变电站作为智能电网的支撑,其二次设备的安全可靠运行是保障整个电力系统稳定性的重要条件。随着电网结构日益复杂,智能变电站某些重要电气设备经常在极限值附近运行[
目前在二次系统实际运行维护中,采用二次设备定期检修制度,对保证系统安全起到积极作用,但也存在诸如二次设备健康状态不明确、故障位置或原因不清晰等弊端 [
为此,本文建立了能全面反映智能变电站各二次设备运行状态的指标体系,引入最优传递矩阵使层次分析法计算指标权重科学有效,有机结合客观隶属度函数与专家主观评分,从而建立基于改进层次模糊评判的智能变电站二次系统状态评估模型,为运行检修人员开展二次系统状态评价及制定维修策略提供科学的理论依据。
如图1所示,智能设备及网络通信回路共同构成了智能变电站“三层二网”式的二次系统。
其中,站控层设备作为监测控制其他二次设备的装置,本身不影响二次系统的运行状态,在此不将其纳入二次设备状态评估范畴。同理,录波、计量及同步测量装置也不直接参与监测和控制一次系统运行状态,也不将其作为状态评估对象。此外,为简化模型且不失严谨性,将完成相同功能联系紧密的某些二次设备作为整体考虑,在此将电子式互感器和合并单元作为测量回路整体评估,将交换机和以太网作为通信网络整体评估。
由于智能变电站二次设备的不同状态量相关性较强,若把各个状态量都纳入到指标体系中,则整个评估系统将非常复杂且不具可行性。为了尽量使评估指标全面客观的反映智能变电站二次设备工作状态,选择影响各二次设备运行的主要因素作为其状态指标,且以指标信息易于获取或计算为原则。根据已有研究文献 [
为使状态指标更好的反映二次设备运行状态的优劣程度,且减小状态等级划分的模糊度,将评估对象状态划分为4个等级,即“差”、“注意”、“一般”、“良好”,对应的维修策略及分值见表1。
引入相对劣化度[
对越大越优型指标,采用升半梯形模型,其评分表达式:
对越小越优型指标,采用降半梯形模型,其评分表达式为:
式中:
如果分值非常靠近两个状态等级的边界时,上述方法很难准确描述设备真实状态,如测量回路绝对
图1. 智能变电站二次系统
图2. 状态评估指标体系
分值范围 | 0~0.30 | 0.31~0.60 | 0.61~0.80 | 0.81~1 |
---|---|---|---|---|
状态描述 | 差(v1) | 注意(v2) | 一般(v3) | 良好(v4) |
维修策略 | 立即维修 | 尽快检修 | 计划维修 | 延期维修 |
表1. 状态指标评分表
延时指标u4评分为0.86,则难以断定该指标所反映状态是“良好”还是“一般”。为此,采样隶属度函数来柔化各状态等级间边界,选取较为简便的三角形和半梯形分布函数作为隶属度函数。
通过式(1)或式(2)对原始数据进行劣化度评分,然后根据规程或专家经验确定隶属度分布函数对于4中状态等级的模糊分界区间。例如可建立测量回路绝对延时指标的隶属度函数,如表2所示。
对于环境因素、检修记录和设备缺陷等定性描述的状态指标数据采用模糊统计评分。通过专家调查的形式,根据评价依据对给定的状态指标进行评分,由此确定各指标的隶属度,其表达式为:
设状态指标
若智能变电站二次系统有
各状态指标对智能变电站二次系统状态评估结果影响程度各不相同,因此需根据状态指标的相对重要性赋予相应权重。传统层次分析法中一致性检验不可缺少,然而实际判断时一般凭大致估计来调整判断矩阵,带有随意性且需经多次调整才能满足一致性要求。为此,采用改进层次分析法,利用最优传递矩阵对传统层次分析法进行改进,使之自然满足一致性要求,直接求出状态指标权重。其步骤如下:
1) 建立比较矩阵A
为降低判断难度,是判断结果更准确,采用三标度表示状态指标间的重要性比较结果,如式(6)所示。
由此,可得权重比较矩阵
2) 构造判断矩阵B
式中:
状态描述 | 隶属度函数表达式 |
---|---|
差 | |
注意 | |
一般 | |
良好 |
表2. 隶属度函数表
3) 求最优传递矩阵L
4) 求矩阵B的拟优一致矩阵B*
5) 求状态指标权重
求矩阵
基于3.1节和3.2节所得的模糊评判矩阵与状态权重向量,利用加权平均模型进行模糊综合计算,便可得状态评估结果。综合模糊评估表达式为:
式中:
由式(10),实际中可取与最大评估值
表3为某智能变电站智能终端运行状态记录数据,根据第2节建立其改进层次模糊评估模型,计算其模糊评判矩阵和各状态指标权重。
表3中状态指标
输出正确率指标
根据表4的状态指标
由此,可得智能终端的模糊评判矩阵:
另外,按照3.2节改进层次分析法可求得智能终端各状态指标权重所占比列,进行归一化处理之后,其结果为:
由式(10)~(12)可得基于改进层次模糊评判的智能终端状态评估结果:
由式(13)结果可知,智能终端运行状态“一般”的隶属度最大,其次“良好”和“注意”,“差”的隶属度最小。由此,根据3.3节可判定智能终端整体运行状态大致处于“一般”,应依照规程规范按计划进行检修。
同理,可对智能变电站其他二次设备进行状态评价,并将各二次设备作为智能变电站整个二次系统的状态指标,根据相同的原理完成系统的状态评估,进而制定相应的检修计划作为运行人员管理维修的理论依据。
状态指标(y) | 实测值 | 规定范围 |
---|---|---|
动作时间(y1) | 2.0 ms | 7 ms之内 |
报文发送时间(y2) | 6.0 ms | 15 ms之内 |
SOE分辨率(y3) | 0.2 ms | 小于2 ms |
输出正确率(y4) | 98.6% | 100% |
表3. 智能终端运行状态数据
状态等级 | v1 | v2 | v3 | v4 |
---|---|---|---|---|
评价结果 | 2 | 3 | 7 | 3 |
表4. 专家组对输出正确率指标的评价
本文将模糊理论和改进层次分析法引入到智能变电站二次系统的状态等级评判中,为二次系统的状态评估提供了一种新的途经。将完成特定相同功能的几种二次设备合成为一个项目作为评估对象,依照相应规程规范建立了比较全面、合理的评估指标体系。实例分析表明,建立的层次模糊评判模型可对智能变电站二次系统作出有效的评估,并具有较强的操作性。
熊 伟,曾星星,张友强,何 燕,欧阳金鑫,熊小伏,曾 勇, (2015) 基于改进层次模糊评判的智能变电站二次系统状态评估Status Assessment of Secondary Equipment for Smart Substation Based on Improved Hierarchical Fuzzy Evaluation. 智能电网,02,78-85. doi: 10.12677/SG.2015.52010