继电保护系统可靠性分析方法与系统

技术领域

本发明涉及电力电网技术领域，特别是涉及继电保护系统可靠性分析方法 与系统。

背景技术

在保护可靠性评估建模及指标求解方面，系统级与装置级采用的思路相似， 主要有解析法和模拟法两大类。

解析法主要根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间的逻辑关系， 建立可靠性概率模型，通过递推或迭代等过程精确求解模型，从而计算出系统 的可靠性指标。优点是具有清晰的物理概念，高精度的数学模型。缺点是系统 规模增大计算量也会随之增大。而模拟法是通过对概率分布采样来进行状态的 选择和估计，是利用统计学的方法得到可靠性指标，有Monte Carlo法等。模拟 法具有比较直观的特点，它的计算精度和计算时间紧密相关。目前保护可靠性 评估中广泛采用的主要是解析法，如Markov模型法、故障树法、Go法等。

但是现有的可靠性分析方法都存在一个明显的缺陷，现有可靠性分析方法 反映的是继电保护系统长期平均可靠水平，难以准确、有效地反映继电保护系 统的可靠性随时间的变化，影响电力电网系统的正常、安全运行。

发明内容

基于此，有必要针对现有继电保护系统可靠性分析方法难以准确、有效地 反映继电保护系统的可靠性随时间的变化，影响电力电网系统的正常、安全运 行的问题，提供一种能够准确、有效反映继电保护系统的可靠性随时间的变化 的继电保护系统可靠性分析方法与系统，确保电力电网系统的正常、安全运行。

一种继电保护系统可靠性分析方法，包括步骤：

遍历继电保护系统，确定继电保护系统中参考对象和每个参考对象对应的 参考指标；

采用Delphi法计算继电保护系统中各个参考指标的权重值；

分别获取预设时间内继电保护系统中各个参考指标的数据；

采用秩和比综合分析法，综合分析预设时间内继电保护系统中各个参考指 标的数据和继电保护系统中各个参考指标的权重值；

获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势。

一种继电保护系统可靠性分析系统，包括：

参考对象与参考指标确定模块，用于遍历继电保护系统，确定继电保护系 统中参考对象和每个参考对象对应的参考指标；

权重模块，用于采用Delphi法计算继电保护系统中各个参考指标的权重值；

获取模块，用于分别获取预设时间内继电保护系统中各个参考指标的数据；

综合分析模块，用于采用秩和比综合分析法，综合分析预设时间内继电保 护系统中各个参考指标的数据和继电保护系统中各个参考指标的权重值；

趋势分析模块，用于获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势。

本发明继电保护系统可靠性分析方法与系统，确定继电保护系统中参考对 象和每个参考对象对应的参考指标，采用Delphi法计算继电保护系统中各个参 考指标的权重值，分别获取预设时间内继电保护系统中各个参考指标的数据， 采用秩和比综合分析法，综合分析各个参考指标的数据和各个参考指标的权重 值，获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势。整个过程中，采用 秩和比综合评价法对继电保护系统可靠性进行分析，秩和比综合评价法可以有 效地将硬件、软件、人员的各个指标综合考虑，得出在一段时间内继电保护系 统的可靠性随时间变化的趋势，从而更好地掌握继电保护系统的安全性和可靠 性，确保电力电网系统的正常、安全运行。

附图说明

图1为继电保护系统硬件结构示意图；

图2为本发明继电保护系统可靠性分析方法其中一个实施例的流程示意图；

图3为本发明继电保护系统可靠性分析系统其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅 用以解释本发明，并不限定本发明。

以往的可靠性评估模型多是反映继电保护装置长期平均可靠水平，难以有 效地反映继电保护系统的可靠性随时间的变化。秩和比综合评价法可以有效地 将硬件、软件、人员的各个指标综合考虑，最后得出在一段时间内继电保护系 统的可靠性随时间变化的趋势，可以更直观地掌握保护系统在运行的各个阶段 整体状态。其他的可靠性分析方法，如马尔科夫状态空间法、故障树法、GO法 等，也可以通过分别求出不同时间的可靠性，进而求出保护系统在一段时间内 的可靠性变化趋势。但是马尔科夫状态空间法涉及到矩阵的计算，计算量大， 而且不便于推广；故障树法和GO法建模的过程比较复杂，也有一定的局限。 而秩和比综合评价法则没有这些限制，针对性强，操作起来简单容易，方便推 广。

秩和比综合评价法可以有效地将硬件、软件、人员的各个指标综合考虑， 最后得出在一段时间内继电保护系统的可靠性随时间变化的趋势，可以更好地 掌握继电保护系统的安全性和可靠性。另外，秩和比综合评价法针对性强，操 作起来简单容易，方便推广。秩和比综合评价法基本原理是在一个n行m列矩阵 中，通过秩转换，获得无量纲统计量RSR(秩和比)，在此基础上，运用参数统 计分析的概念与方法，研究RSR的分布，以RSR值对评价对象的优劣直接排序 或分档排序，从而对评价对象做出综合评价。

如图2所示，一种继电保护系统可靠性分析方法，包括步骤：

S100：遍历继电保护系统，确定继电保护系统中参考对象和每个参考对象 对应的参考指标。

一般来说，继电保护系统参考对象可以包括继电保护系统硬件、继电保护 系统软件以及继电保护系统人员，继电保护系统中参考指标为继电保护系统硬 件可用度、继电保护系统软件失效率和继电保护系统人员失效率。

对于继电保护系统硬件可用度来说，可以通过硬件失效模型来模拟，继电 保护系统的硬件由图1所示的各模块组成，各个模块是否正常工作关系到整个 保护的可靠性，其不正常工作可能导致保护的误动或拒动。如图1所示，继电 保护系统本体一般可将其分为7个功能模块：1、电源供应模块PSU；2、中央 处理模块CPU；3、开关量输入模块DI；4、开关量输出模块DO；5、模拟量数 据采集模块AI；6、外部通信接口模块CI；7、人机对话接口模块MMI。其中外 部通信接口模块CI和人机接口模块MMI与实现保护功能的模块是弱联系或无 联系，其失效不会引起拒动和误动。所以一般我们只考虑五个功能模块的失效 及可靠性分析。

为了提高微机保护系统的可靠性水平，可以采用可靠性较高的保护元件组 成系统，更主要的手段是采用容错技术，当系统中的某一部分出现故障，可以 由冗余的部分代替故障的部分工作，以保证系统在规定的时间内完成规定的功 能。若每个元件的寿命都服从指数分布，即则各模块的可靠度分别 为$R_{\mathrm{OC}}\left(t\right)=e^{-{\lambda }_{\mathrm{OC}}t},R_{\mathrm{AI}}\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{\mathrm{AI}}t},R_D\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{D}t},E_{\mathrm{EM}}\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{\mathrm{EM}}t},$R_CPU′＝1-(1-R_EMR_CPU)²。

对于继电保护系统软件失效率分析：软件失效隐患在测试和运行过程中将 会不断被排除，因此，软件的可靠性有提高的趋势；软件由于自身的复杂性和 软件设计错误的引入，使得基于静态过程的理论变得不适用于表示软件可靠性 增长或衰减之类的非静态现象。故采用第二种失效率模型来计算继电保护软件 的失效率。釆用Logarithmic exponential模型作为评估软件可靠性的模型，其失 效率为：

λ(t)＝λ₀e^-θt

其中：λ₀——初始失效率

θ——失效减少率系数

t——软件运行中累计发现的错误。

软件失效将导致微机保护装置出现误动或者拒动，由于实际中软件失效引 起的微机保护失效的次数相对较少，认为误动和拒动两种情况出现的概率是相 同的，各占软件失效的50％。

继电保护系统人员失效率：人的认知过程是人脑反映客观事物的特性与联 系，并揭示事物对人的意义与作用的复杂的心理活动。人的认知可靠性(HCR) 模型，简称HCR模型，即在分析人的可靠性时，以认知心理学为基础，着重研 究人在应急情景下的动态认知过程，包括探查、诊断、决策等意向行为，探究 人的失误机理并建立模型。基于2参数的威布尔分布函数，构建操作员在时间t 的响应失误概率λ_P模型如下：

λ_P＝exp{-[(t/T_1/2)/η]^β}

式中：t——响应时间；

T_1/2——人员完成某项操作所用的中值时间；

η、β可由相关数学方法得出，表示认知行为模型的尺度和形状系数。

变量间的关系为η＝1/(ln2)^1/β和T_1/2＝η/(ln2)^1/β。由上式可知只要确定了η、β， 就可以得到人员失效率。人员失效也将导致保护系统出现误动或拒动，认为这 两种情况出现的概率是相同的。

S200：采用Delphi法计算继电保护系统中各个参考指标的权重值。

Delphi法(德尔菲法)也称专家调查法，是一种采用通讯方式分别将所需 解决的问题单独发送到各个专家手中，征询意见，然后回收汇总全部专家的意 见，并整理出综合意见。随后将该综合意见和预测问题再分别反馈给专家，再 次征询意见，各专家依据综合意见修改自己原有的意见，然后再汇总。这样多 次反复，逐步取得比较一致的预测结果的决策方法。德尔菲法依据系统的程序， 采用匿名发表意见的方式，即专家之间不得互相讨论，不发生横向联系，只能 与调查人员发生关系，通过多轮次调查专家对问卷所提问题的看法，经过反复 征询、归纳、修改，最后汇总成专家基本一致的看法，作为预测的结果。这种 方法具有广泛的代表性，较为可靠。

S300：分别获取预设时间内继电保护系统中各个参考指标的数据。

基于历史经验数据、行业规范数据或者专家库数据，获取预设时间内继电 保护系统中各个参考指标的数据。

S400：采用秩和比综合分析法，综合分析预设时间内继电保护系统中各个 参考指标的数据和继电保护系统中各个参考指标的权重值。

采用秩和比综合分析法将一段时间各个指标的数据进行处理。下面将采用 其中一个实施例中，详细解释说明步骤S400的过程。

在其中一个实施例中，所述继电保护系统中参考对象有n个，参考指标有m 个，其中，n和m均为正整数。步骤S400具体包括：

将n个参考对象和m个参考指标排列成n行m列的原始数据表，编出每个参 考指标各参考对象的秩，其中，效益型指标从小到大编秩，成本型指标从大到 小编秩，同一指标数据相同者编平均秩，得到的秩矩阵记为R＝(R_ij)_n×m；

根据公式计算秩和比，式中，RSR_i为第i个参考对象的秩和 比；

整合所述秩和比和所述继电保护系统中参考指标权重值，计算加权秩和比， 其计算公式为其中，WRSR_i为第i个参考对象的加权秩和比，w_j为第j个参考指标权重值，

将秩和比或加权秩和比值由小到大排列，列出各组频数f_i，计算各组累积频 数cf_i，计算累积频率p_i＝cf_i/n，各组中最后一个累积频率按1-1/(4n)计算，将百 分率p_i转换为概率单位Probit_i，其中，n为各组中包括对象的数目，Probit_i为百分 率pⁱ对应的标准正态离差加5；

以累积频数cf_i所对应的概率单位Probit_i以及秩和比或加权秩和比为自变量， 计算直线回归方程；

根据直线回归方程推算所对应的秩和比或加权秩和比估计值对继电保护系 统中参考对象进行分档或排序。

S500：获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势。

本发明继电保护系统可靠性分析方法，确定继电保护系统中参考对象和每 个参考对象对应的参考指标，采用Delphi法计算继电保护系统中各个参考指标 的权重值，分别获取预设时间内继电保护系统中各个参考指标的数据，采用秩 和比综合分析法，综合分析各个参考指标的数据和各个参考指标的权重值，获 得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势。整个过程中，采用秩和比 综合评价法对继电保护系统可靠性进行分析，秩和比综合评价法可以有效地将 硬件、软件、人员的各个指标综合考虑，得出在一段时间内继电保护系统的可 靠性随时间变化的趋势，从而更好地掌握继电保护系统的安全性和可靠性，确 保电力电网系统的正常、安全运行。

在其中一个实施例中，所述获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化 的趋势具体为：

根据继电保护系统中参考对象进行分档或排序情况，分析所述继电保护系 统预设时间内可靠性变化的趋势。

分档排序后，我们清楚的获悉继电保护系统中参考对象在某个时间段内可 靠性变化情况，将这些获悉的数据整合为一个完整的时间链，分析出继电保护 系统预设时间内可靠性变化的趋势。

在其中一个实施例中，所述获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化 的趋势之后还有步骤：

根据所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势，对继电保护系统可 靠性进行分析。

在知晓继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势，我们就可以针对电力 系统中继电保护系统进行实时可靠性分析，确保电力系统安全、正常运行。

在其中一个实施例中，所述继电保护系统中参考对象为继电保护系统硬件、 继电保护系统软件和继电保护系统人员，所述继电保护系统中参考指标为继电 保护系统硬件可用度、继电保护系统软件失效率和继电保护系统人员失效率。

为了更进一步详细解释本发明继电保护系统可靠性分析方法的技术方案及 其带来的有益效果，下面将采用一个具体实施例进行详细的解释说明。

参考全国电网元件保护运行情况的统计结果(《2008年国家电网公司继电保 护装置运行情况》)，收集有关可靠性数据，各参数取值如下：

1)保护设备中集成电路器件应用环境系数π_e＝2.5，器件质量系数π_Q＝2.5， 器件成熟系数为π_L＝1，电压应力减额数π_V＝1。

2)根据MIL-HDBK-217E模型可得各硬件模块失效率如表1，表2，表3 所示

表1CPU模块失效率模型

表2DO模块失效率模型

表3PSU模块失效率模型

表4AI模块失效率模型

表5DI模块失效率模型

软件失效率数据，取λ₀＝120.0×10^-6/h，衰减系数θ＝0.126；人员失效率数据， 取η＝1.204，β＝1.973，t/T_1/2＝4.32。

得出各个模块的可用度为：

$R_{\mathrm{OC}}\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{\mathrm{OC}}t}=e^{-22.3844\times {10}^{-6}t};$

$R_{\mathrm{AI}}\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{\mathrm{AI}}t}=e^{-22.562\times {10}^{-6}t};$

$R_D\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{D}t}=e^{-15.264\times {10}^{-6}t};$

$R_{\mathrm{EM}}\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{\mathrm{EM}}t}=e^{-10.352\times {10}^{-6}t};$

$R_{\mathrm{CPU}}\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{\mathrm{CPU}}t}=2e^{-36.738\times {10}^{-6}t}-e^{-73.476\times {10}^{-6}t};$

$R_{\mathrm{PSU}}\left(t\right)=e^{{-\lambda }_{\mathrm{PSU}}t}=2e^{-11.4\times {10}^{-6}t}-e^{-22.8\times {10}^{-6}t}.$

软件失效率为λ(t)＝λ₀e^-θt＝0.00012e^-0.126t，人员失效率取为一常数，即 λ_人＝3.978×10^-6/h。取计算时间段为[0,5000d]，时间间隔为500d，分别计算出每 一个时间点的各个模块的可用度和软件失效率，并运用秩和比综合评价法得出 保护系统在这段时间的可靠性变化趋势。

表6、表7和表8中，X1为软件失效率，X2为OC可用度，X3为AI可用 度，X4为PSU可用度，X5为D可用度，X6为CPU可用度，X7为EM可用度， X8为人员失效率。这里X1和X8为低优型指标，其余为高优型指标。

表6统计指标及权重系数

表7编秩和加权秩和比

表8累计频率、概率单位及加权秩和比估计值

由上面的仿真计算结果得出，在时间段[0,5000d]内，保护系统可靠性是随着 时间的延长而降低的，一般说来，这符合现实生产中的保护系统可靠性变化。

如图3所示，一种继电保护系统可靠性分析系统，包括：

参考对象与参考指标确定模块100，用于遍历继电保护系统，确定继电保护 系统中参考对象和每个参考对象对应的参考指标；

权重模块200，用于采用Delphi法计算继电保护系统中各个参考指标的权 重值；

获取模块300，用于分别获取预设时间内继电保护系统中各个参考指标的数 据；

综合分析模块400，用于采用秩和比综合分析法，综合分析预设时间内继电 保护系统中各个参考指标的数据和继电保护系统中各个参考指标的权重值；

趋势分析模块500，用于获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋 势。

本发明继电保护系统可靠性分析系统，参考对象与参考指标确定模块100 确定继电保护系统中参考对象和每个参考对象对应的参考指标，权重模块200 采用Delphi法计算继电保护系统中各个参考指标的权重值，获取模块300分别 获取预设时间内继电保护系统中各个参考指标的数据，综合分析模块400采用 秩和比综合分析法，综合分析各个参考指标的数据和各个参考指标的权重值， 趋势分析模块500获得所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋势。整个 过程中，采用秩和比综合评价法对继电保护系统可靠性进行分析，秩和比综合 评价法可以有效地将硬件、软件、人员的各个指标综合考虑，得出在一段时间 内继电保护系统的可靠性随时间变化的趋势，从而更好地掌握继电保护系统的 安全性和可靠性，确保电力电网系统的正常、安全运行。

在其中一个实施例中，所述继电保护系统中参考对象有n个，参考指标有m 个，其中，n和m均为正整数；

所述综合分析模块400具体包括：

编秩单元，用于将n个参考对象和m个参考指标排列成n行m列的原始数据 表，编出每个参考指标各参考对象的秩，其中，效益型指标从小到大编秩，成 本型指标从大到小编秩，同一指标数据相同者编平均秩，得到的秩矩阵记为 R＝(R_ij)_n×m；

秩和比计算单元，用于根据公式计算秩和比，式中，RSR_i为第i个参考对象的秩和比；

加权秩和比计算单元，用于整合所述秩和比和所述继电保护系统中参考指 标权重值，计算加权秩和比，其计算公式为其中，WRSR_i为第 i个参考对象的加权秩和比，w_j为第j个参考指标权重值，

概率计算单元，用于将秩和比或加权秩和比值由小到大排列，列出各组频 数f_i，计算各组累积频数cf_i，计算累积频率p_i＝cf_i/n，各组中最后一个累积频率 按1-1/(4n)计算，将百分率p_i转换为概率单位Probit_i，其中，n为各组中包括对象 的数目，Probit_i为百分率p_i对应的标准正态离差加5；

直线回归方程计算单元，用于以累积频数cf_i所对应的概率单位Probit_i以及秩 和比或加权秩和比为自变量，计算直线回归方程；

分档排序单元，用于根据直线回归方程推算所对应的秩和比或加权秩和比 估计值对继电保护系统中参考对象进行分档或排序。

在其中一个实施例中，所述趋势分析模块500具体用于根据继电保护系统 中参考对象进行分档或排序情况，分析所述继电保护系统预设时间内可靠性变 化的趋势。

在其中一个实施例中，所述继电保护系统可靠性分析系统还包括：

可靠性分析模块，用于根据所述继电保护系统预设时间内可靠性变化的趋 势，对继电保护系统可靠性进行分析。

在其中一个实施例中，所述继电保护系统中参考对象为继电保护系统硬件、 继电保护系统软件和继电保护系统人员，所述继电保护系统中参考指标为继电 保护系统硬件可用度、继电保护系统软件失效率和继电保护系统人员失效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。