继电保护装置状态评价指标体系的构建及应用

宋人杰，徐　洁

(东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)

继电保护装置状态评价指标体系的构建及应用

宋人杰，徐洁

(东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：继电保护装置的状态对电力系统安全稳定运行至关重要，为评估继电保护装置的状态，本文提出一个科学的状态评价指标体系。首先根据继电保护装置评估准则和专家建议，从继电保护装置多个方面选取指标，初步建立一个指标体系，根据相关系数和关联规则对初步建立的指标体系进行筛选。将筛选后的指标体系应用到状态已知的继电保护装置评估中，运用专家经验法和熵值法对指标赋权并计算指标的评分，根据指标权重和评分，得到继电保护装置的评分并判断其状态，将本文得到装置状态与已知的装置状态进行对比，通过实例分析，验证该指标体系的可靠性。

关键词：状态评价指标体系；相关系数；关联规则；熵值法；指标评分

随着电力行业的迅速发展，电网结构的日益复杂，继电保护装置作为电力系统中的重要设备，对电力系统的运行稳定性起着至关重要的作用。继电保护装置的良好状态是确保电力系统的稳定运行的关键，评估继电保护装置的状态需要一个科学的状态评价指标体系。现如今大部分文献给出的指标体系存在以下不足：(1)并未严格遵从指标体系构建的三个原则：全面性，独立性，合理性；(2)并未验证该指标体系的可靠性[1，2]。

针对上述不足，本文依据继电保护装置状态评估和检修方面规则，结合继电保护装置状态评价方面专家建议，从装置自身质量、预防性试验、运行工况和历史数据方面数据，初步建立继电保护装置状态评价指标体系，确保指标的全面性；根据相关系数法计算指标之间的相关系数，剔除相关系数较大的两个指标中的一个，确保指标的独立性；采用关联规则方法，挖掘每个指标和评估结果的关系，筛选出跟评估结果关系较大的几个指标，用最少的指标准确的评估出装置的状态，确保指标的合理性。将该指标体系应用到状态结果已知的继电保护装置评估中，通过实例分析，验证该指标体系的可靠性[3-6]。

本文含有三个章节，第一章节：主要介绍状态评价指标体系建立；第二章节：主要介绍将该指标体系应用到继电保护装置评估中，通过实例分析，验证该指标体系的可靠性；第三章节：总结本文的主要内容以及不足。

1继电保护装置的状态评价指标体系的建立

继电保护装置的状态评价指标体系应主要遵循以下原则：指标全面性、指标独立性，指标合理性。

1.1　指标的全面性

指标不全面，导致最终的指标体系不可靠。所以，依据继电保护状态评估和检修方面规则，结合电力系统继电保护装置状态评价方面专家建议，从装置自身质量、预防性试验、运行工况和历史数据方面数据，初步建立继电保护装置状态评价指标体系，确保指标的全面性。初步建立继电保护装置的状态评价指标体系，如图1所示。

图1　初步建立的继电保护装置的状态评价指标体系

1.2　指标的独立性

初步建立的继电保护装置状态评价指标体系由11个指标构成。当指标出现内涵交叉和重叠，易导致指标体系集臃肿和不可靠。因此，根据指标相关系数法计算指标之间的相关系数，剔除相关系数较大的两个指标中的一个，确保指标的独立性，步骤如下[7-9]：

Step1：根据上述的指标体系，选取每个指标的三个不同的样本值Tis={Ti1，Ti2，Ti3}；s={1，2，3}；i， j={1，2，…11}；Tis表示第i个指标的第s个样本值。首先对所有指标的样本值进行标准化。

(1)

Step2：已知样本的标准值，计算指标间的相关系数。

(2)

1.3　指标的合理性

当指标与评估结果为弱关联性，则指标体系不可靠。因此采用关联规则，挖掘每个指标和评估结果的关系，选取与评估结果关联性较大的几个指标，确保指标的合理性，步骤如下：

Step1：选取H组继电保护装置评估样本数据，其中有L组数据的评估结果为异常，指标i在H组样本数据中超标次数为Fi，而在L组异常数据中超标次数为fi，根据关联规则，可以得到指标i与L组数据的置信度[10-11]。

(3)

Step2：Ci越大表示指标i与L组异常数据关系越大，也就是说指标i与评估结果关联性越强。依据继电保护装置评估准则，设定置信度的阈值为G，当Ci>G时，保留指标i，反之则舍去。

通过上述方法筛选指标体系，建立一个全面的、独立性高的、合理的继电保护装置状态评价指标体系。

2继电保护装置的状态评价指标体系的应用及可靠性验证

将上述的继电保护装置的状态评价指标体系应用到状态结果已知的继电保护装置评估中，若要评估装置的状态，除了需要指标体系，还需对指标体系中的指标赋权和评分，由指标的权重和评分，判断继电保护装置的状态。

2.1　基于专家经验法和熵值法的指标赋权

专家经验法对指标赋权，易导致指标权重太过于主观。熵值法对指标赋权，太过于片面。故采用专家经验法和熵值法相结合对指标进行赋权，保证指标权重的准确性和客观性，具体步骤如下[12-17]：

Step1：设定评价体系共有m个指标，n个专家根据自己的专业知识并结合继电保护装置评估准则，对每个指标进行赋权。因此，得到权重矩阵F。

(4)

式中：Hj表示的是第j个专家赋予m个指标权重的熵值。根据熵的性质可知，熵值越大表示这个专家提供权重所带来的效用值小，应舍弃。根据继电保护装置的评估准则，设定阈值A，当Hj

Step2：设定剩余q(1qm)个专家赋予的权重，重新构建权重矩阵F′。

计算矩阵F′的每一行的熵值，也就是q个专家赋予某个指标的q个权重的熵值，称为行熵。计算行熵前，对F′的每一行的权重进行归一化。

(5)

(6)

由熵的性质可知，当Hi越大说明q个专家对第i个指标的赋予的权重效用值低。

Step3：由上述分析可知，指标权重可表示为。

(7)

2.2　指标评分

根据指标的状态量的值判断每个指标状态量的评分，然后叠加同一个指标不同的状态量的评分，可以得到该指标的评分[18-20]。状态量有三种类型：实测值越大越好、实测值越小越好、实测值介于一定范围内最好。

(1)实测值越大越好

状态量属于实测值越大越好，则该状态量的评分如下。

(8)

(2)实测值越小越好

状态量属于实测值越小越好，则该状态量的评分如下。

(9)

(3)实测值介于一定范围内最好

根据上述分析，指标i的评分为

(10)

2.3　继电保护装置的评分

结合上述的指标权重和评分，可以得到继电保护装置的评分

(11)

式中：K为继电保护装置的评分。

2.4　实例分析

选取丹东变电站的继电保护装置作为研究对象，已知该装置的状态为注意。将该状态评价指标体系应用到此继电保护装置中，得到继电保护装置的状态评价指标体系，计算该指标体系的指标权重和评分。由指标的权重和评分，判定继电保护装置的评分，因此，得到继电保护装置的状态，步骤如下：

Step1：依据继电保护状态评估和检修方面规则，结合电力系统继电保护装置状态评价方面专家建议，从装置自身质量、预防性试验、运行工况和历史数据方面数据，初步建立继电保护装置的状态评价指标体系，选取每个指标三个样本值，如表1。

表1　指标的样本值

首先，运用公式(1)对表1进行标准化，再由公式(2)，得到各个指标之间的相关系数，阈值D设定为0.6。其中故障率和老化率的相关系数为0.72，所以，舍弃故障率。

Step2：从历史数据中选取200组样本数据，其中继电保护装置评估异常的有152组，根据每个指标的超标次数和公式(3)，可以得到指标与评估结果之间的置信度，如表2。

表2　指标的置信度

设定阈值G为0.30，其中只有老化率的置信度低于0.30，故舍弃指标老化率，所以继电保护装置的状态评价指标体系如图2。

图2　继电保护装置的状态评价指标体系

Step3：根据专家经验法和熵值法对该指标体系进行赋权，选取5位专家对这9个指标进行赋权，如表3。

表3　5位专家赋权

由表3可以得到权重矩阵F。

设定阈值A为2.15，根据公式(4)和F，得出H5=2.19，故因舍弃专家5的赋权。根据剩余4位专家的权重，构建一个权重矩阵F′。

根据公式(5)(6)(7)可以得到指标的权重wi，如表4。

表4　wi的值

Step4：由指标的状态量判断指标的评分，每个指标状态量如表5。

表5　指标的状态量

根据继电保护装置的评估准则，保护装置动作正确率、回路绝缘属于值越大越好；软硬件的故障情况、模拟量误差、开关量采样、直流接地、通讯中断、错误频率、反措落实情况、通道中断、告警频率、差流告警次数属于值越小越好；环境湿度、环境温度属于介于标准值范围内最好，则指标的评分如表6。

表6　指标的评分

已知指标的权重和评分，由公式(11)，可以得到继电保护装置的评分

K=57.34.

2.5　可靠性验证

由辽宁风电的继电保护装置的评估准则可知，继电保护装置的状态评价等级标准如表7。

表7　继电保护装置的状态等级标准

由继电保护装置的评分K=57.34和表7可知，继电保护装置的状态为注意，这与该继电保护装置的真实状态一致。因此，判断本文提出继电保护装置的状态评价指标体系是可靠的。

3结论

针对继电保护装置状态的重要性以及大部分文献提出的继电保护装置的状态评价指标体系的不足，本文提出了一个科学状态评价指标体系。根据指标体系构建的三个原则，建立一个全面的、独立性高的、合理的状态评价指标体系。将此指标体系应用到继电保护装置评估中，通过实例验分析，验证该指标体系的可靠性。但也存在数据获得以及指标体系的定量评价等问题，有必要结合我国继电保护装置发展特性，进一步完善指标体系，确定指标的合理阈值，增强量化评价的可操作性以及对继电保护装置发展的指导作用。

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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

中图分类号：TM 8

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0070-07

作者简介：宋人杰(1963-)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学信息工程学院教授，硕士，主要研究方向：电力信息化、多媒体技术及其应用.

收稿日期：2015-09-12