基于改进模糊灰色法的继电保护装置状态评价.pdf

第 4 2卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Au t o ma t i on Vo1 ． 4 2 NO ． 6 J u n ．2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 0 0 6 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 1 5 马春艳 ， 龚瑛． 基于改进模糊灰色法的继电保护装置状态评价E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 6 1 - 6 4 ． 基于改进模糊灰色法的继电保护装置状态评价 马春艳 。 ， 龚瑛。 1 ． 湖北汽车工业学院 电气信息工程学院，湖北 十堰 湖北 武汉4 3 0 0 8 1 ； 3 ． 广东电网佛 4 4 2 0 0 2 ；2 ． 武 汉科 技大 学 信息 科学 与工 程学 院 ， 山供 电局 ，广东 佛 山5 2 8 0 0 0 摘 要 针 对继 电保 护装 置状 态评 价 的不分 明性 和不 确切 性 ， 提 出采 用 一种 改进 的模 糊 灰 色法对 继 电保 护 装置进 行 状 态评 价 。首先 建立 涵盖 历 史状 况 、 检 修 状 况和监 测状 况 3个方 面的指 标体 系 ， 并 以点灰度 描 述评 价信 息 的不确切 性 ； 然后 构 造非 线性 隶属 函数 来 求取 隶属 度 ， 得 到 模 糊灰 色评价 矩 阵； 最 后 对 继 电保 护 装置 进行模 糊 灰 色状 态评价 ， 并 采 用加权 平 均算子 对评 价 结 果进行 再 优 化 。 实例 证 明 该 方法 在 评价 继 电保 护装 置状 态时能 更准 确地反 映 设备 的真 实运行 状 况 。 关键 词 继 电保护 装置 ；状 态评 价 ；模 糊灰 色法 ；非 线性隶 属 函数 ；点灰 度 中 图分类 号 T D 6 1 1 ． 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 - 0 5 2 7 1 7 1 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 5 2 7 ． 1 7 1 4 ． 0 0 1 ． h t ml St a t u s e v a l u a t i o n o f r e l a y pr o t e c t o r ba s e d o n a n i mp r o v e d f u z z y g r a y me t h o d M A Chu ny a n 一， GONG Yi n g。 1． Co l l e g e o f El e c t r i c a l a n d I nf or ma t i on Eng i n e e r i n g，Uni ve r s i t y of H u be i Aut o mo t i v e Te c hn ol o g y， Shi y a n 4 42 0 0 2，Chi n a；2． Co l l e ge o f I nf or ma t i o n Sc i e n c e a n d Eng i ne e r i ng，Uni v e r s i t y o f W uh a n S c i e nc e a nd Te c hn ol og y，W uha n 4 3 00 8 1，Ch i na；3． Fos ha n Po we r Su pp l y Bu r e a u o f Gu a ng do ng Po we r Gr i d，Fo s h a n 5 2 8 0 0 0，Chi n a Ab s t r a c t For unc l e a r a nd i na c c u r a t e p e r f o r ma nc e o f s t a t us e v a l u a t i o n of r e l a y p r ot e c t or ，a n i mpr o v e d f uz z y gr a y m e t ho d wa s pr o po s e d f o r t h e s t a t us e v a l u at i o n p r o bl e m ．Fi r s t l y，a n i nd e x s y s t e m i s c o ns t r u c t e d f r om a s p e c t s of hi s t o r i c a l c o nd i t i o ns ，m a i nt e na nc e c o nd i t i o ns a n d mo ni t or i n g c o nd i t i o ns ．Gr a y po i nt i s u s e d t o de s c r i be i na c c ur a c y of e va l u a t i on i n f o r m a t i on．The n no nl i n e a r m e m be r s hi p f unc t i on s a r e c ons t r uc t e d t o a t t a i n me mbe r s hi p，S O a s t o g e t f u z z y g r a y ma t r i x．Fi na l l y f uz z y gr a y s t a t us e va l u a t i on f or r e l a y p r o t e c t o r i s c a r r i e d o ut ，a n d e v a l u a t i o n r e s ul t i s r e op t i mi z e d by we i g ht e d a ve r a ge o pe r a t o r ．Th e e x a mpl e s ho ws t ha t t he m e t ho d c a n r e f l e c t o pe r a t i n g c o nd i t i o n o f r e l a y p r ot e c t o r mo r e a c c ur a t e l y． Ke y wo r d s r e l a y p r ot e c t o r； s t a t us e va l u a t i on； f u z z y g r a y me t ho d；n on l i ne a r me mbe r s hi p f un c t i on； p o i nt gr a y 0 引言 继 电保护 是保 证工 矿企 业供 电系统安 全稳 定 运 行 的重要技术手段 ， 继电保护装置 的不正确动作及 非 正 常 运 行 状 态 ， 都 可 能 导 致 供 电 系 统 安 全 事 故 。继 电保 护装 置 检 验 是 电力 二 次 设 备 的重 要 管理 内容 。 目前 ， 关 于继 电保 护 装 置 的评 价 已有 一 些研究成果 。在评价指标方面 ， 参考文献 [ 3 4 ] 提 出 继 电保 护装置 状 态评 价 应 包 括 预 防性 试 验 、 带 电检 测、 故障记录、 设备运行工况、 设备检修和设备检修 后验 收 等 ； 参考 文 献E 5 3 提 出 了误 动失 效率 和拒 动失 效率等评价标准； 参考文献I- 6 - 1 从监测角度提 出了电 收稿 日期 2 0 1 6 0 I - 0 3 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 4 1 6 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 湖北省教育厅科学技术研究项 目 B 2 0 1 5 1 2 2 。 作者简 介 马春艳 1 9 8 0 一 ， 女 ， 吉林长春人 ， 讲师 ， 博士研究生 ， 研究方向为电力系统继 电保护 ， E ma i l mc y j s y 1 2 6 ． c o rn。 6 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 源温 度 、 光 模块 光强 、 电 源 电压 及 C P U 温度 等 监 测 指标 。上述 文 献提 出 的指标体 系 只是单 方 面考 虑继 电保 护装 置 的历史情 况 、 检修 情况 或监 测情 况 ， 没有 将 这 3个 方 面进行综 合 考量 ， 不 能全 面 、 真 实反 映继 电保 护装 置 的运行 状态 。 在评 价 方法方 面 ， 大部 分文 献采 用统 计方 法 ， 强 调依据历史信息和数据进行评价。参考文献[ 1 ] 构 建 了反 映继 电 保 护 装 置 状 态 特 征 的 精 简 数 据 指 标 集 ， 提 出利用 该数 据 对 继 电保 护 装 置 进 行 在 线状 态 评 价 的方法 ； 参考 文献 E 7 ] 通 过 对相关 二 次设备 组 成 和运行特点的分析 ， 提 出了继电保护装置故障率曲 线模型； 参考文献[ 8 ] 建立了基于马尔可夫状态空间 法 的超 高压 电 网继 电保护 装置 可靠 性分 析模 型 。继 电保护 装置 评价 具 有很 大 的不 分 明性 ， 因此 有 文 献 尝 试运 用模 糊数 学 进行 分 析 。参 考 文献 [ 9 ] 利 用 模 糊 正 态分 布隶 属 函数 进 行 继 电保 护装 置 状 态 评 价 ， 重点解决了隶属度 的确定问题 。参考文献 [ 6 ] 在参 考文 献 I- 9 ] 基础 上建 立 了状态 监测 指标 体 系 ， 并 运用 模 糊 数学 方法 进行 了继 电保 护装 置状态 评 价 。上述 文献 虽然 考虑 了继 电保 护 装 置评 价 的模 糊 性 ， 但 没 有考虑评价信息的不完全性和不确切性 ， 即继 电保 护装 置评 价具 有较 大 的灰色 性 。 本文在参考文献[ 6 ， 9 ] 基础上 ， 建立了综合考虑 监测情况、 历史情况和检修情况 3个方面的继电保 护装 置状 态评 价 体 系 ； 考 虑 到继 电保 护 装 置评 价 既 具 有模 糊性 ， 也具 有灰 色性 ， 在参 考 文献 [ 9 ] 基 础上 ， 提 出 了一种 改进 的模糊 灰 色法 对继 电保 护装 置进 行 评价， 即在传统模糊灰色法基础上 ， 以非线性隶属函 数来 表 征状 态参 量 ， 采 用 加 权 平 均算 子 对 评 价 结 果 进 行再 优化 。本 文 主要 思 路 首先 建 立 一 套 评 价 指 标 体 系 ， 然 后利 用模 糊 理 论 和 灰 色理 论 建 立 指 标 权 重集 ， 进一 步进 行模 糊灰 色综 合评 价 ， 并 对评 价结 果 进 行 优化处 理 。实例 证 明 了本 文 方法 的可 行性 。 I 改进模 糊灰 色 法的基 本原 理和 建模 步骤 模 糊 性 指 客 观 事 物 的 归 属 和状 态 具 有 不 分 明 性 。较 多 的评 价 因素 常会导 致综 合评 价具 有极 大 的 模糊性 ， 而模糊数 学方 法可 以弥 补统计 数学 的不 足口 。灰 色性 指认 识 的不确 定 性 ， 许 多 因素 难 以用 确切数学术语来描述 ， 因此信息是不确切的， 即评价 信 息是 灰 色 的口 。继 电保 护 装 置 状 态 评 价 同 时存 在模糊性和灰色性 。本文在传统 模糊灰色法 基础 上 ， 提 出采 用改 进 的模 糊 灰 色 法 进行 继 电保 护 装 置 状态评 价 ， 其建 模步 骤如 下 1 建立 递 阶层 次评 价 因素 集 和评 语集 。设 评 价 因 素 集 为 D一 { d ， d ， ⋯ ， d z为 评 价 因 素 个 数 ， 由此 形成 递 阶层 次指标 体 系 。根 据继 电保 护 装 置 的实 际运行 状况 ， 将 状 态 评 价 评 语 集 分 成 3个 等 级 ， 即评语 集 为 一 { ， ， 。 } ， ， ， 。分别 对 应 的评语 等级 为优 秀 、 良好 和一般 。 2 建 立评 价 因素权 重 集 。评价 因素 权重 集 由 权重 叫 为评价指标个数 和点灰度 构成 。采 用 层次 分析 法 确 定 权 重 叫 。 。 由于 权 重 的 信 息 量 难 以用 数 值 衡 量 ， 所 以 采 用 点 灰 度 表 达 这 一 特 性 l 】 ， 如 按信 息 的 明确 程 度 可 分 成 { 很 充 分 ， 充 分 ， 一 般 ， 贫乏 ， 很贫乏} ， 这些描述性语言对应的点灰度 值 为 { 0 ～ 0 ． 2 0 ， 0 ． 2 1 ～ 0 ． 4 0 ， 0 ． 4 1 ～ 0 ． 6 0 ， 0 ． 6 1 ～ 0 ． 8 0 ， 0 ． 8 1 ～ 1 ． O O } 。 由此 可得 评 价 因素权 重矩 阵为 L 叫l ， 1 叫2 ， 2 ⋯ 硼 ， V j ] 。 3 确定模糊灰色评价矩阵。评价矩阵表示评 价 因素集 与评 语集 之 间的灰 色模 糊关 系 。模糊 灰 色 评价矩阵由模部和灰部组成 。模部以模糊隶属度来 表征 模糊关 系 ， 隶 属度 是 指 因素 集 对 评 语 集 的隶 属 程度 。灰 部 以点灰 度来 表 征相应 模糊 隶 属关 系 。隶 属度 的模糊集合一般通过隶属函数来表达。构造隶 属 函数 的方法 主要 有模 糊统 计方 法 、 专家 系数 法 、 二 元统 计排 序法 、 待 定 系数 法等 。本 文 结合 工 矿 企 业继 电保 护 问题 的特 点 ， 采 用 非线 性 隶 属 函数 待 定 系数法 来构 造隶 属 函数 。首先 将评 价指 标 分为 正指 标 和负 指标 ， 正 指标 是 指 状 态 随 该 指标 增 大 而 向好 的方 向发展 ， 负 指标则 是 向坏 。对 于正 负指 标 ， 可分 别 构造 隶属 函数 fA 一 a e x p b 1 f B 一 一 十 d 2 式 中 “为 隶属 度 ； n ， b ， c ， d为待定 系数 。 设 指标 包 括正 负 指标 最大 值 为 M ， 最 小 值 为 m， 则对 于 正指标 ， 当 U M 时 ， 令 f “ 一1 ； 当 一 m 时 ， 令 f 一0 。由此 可得 』 p ‘ M 6 一 3 I a e x p m b一 0 解 式 3 得 到正指 标 的隶属 函数 为 i n 一 丽e x p 一 e x p m 4 e x p M 一 e x p ⋯ 对 于 负指标 ， 当 “ 一M 时 ， 令 f “ 一0 ； 当 “ 一 m 时 ， 令 U B 一1 。负指标 隶 属 函数为 2 0 1 6 年 第 6期 马春艳等 基于改进模糊灰 色法的继电保护装置状态评价 6 3． fB “ 一 Mm ～ 一 5 4 综合评判 。模糊评价矩阵的模部和灰部的 性 质 不 同 ， 因此 计算 方 式应 有 所 区别 m 。本 文 中模 部采用代数 积算 子 M， 进行计算 ， 灰部采用 M o ， 算子 进行 计算 “ ] 。 5 改进 评判 结果 。模 糊评 价 中常用 取 大取 小 算 法 ， 在 因素较 多 时 ， 每一 个 因素所 分得 的权重往 往 很小。在模糊合成运算中， 信息丢失很多 ， 常导致结 果 不易 分 辨 和 不 合 理 即模 型 失效 的情 况 m] 。为 了 解 决 该 问 题 ，采 用 加 权 平 均 型 模 糊 算 子 M， 0 进 行运 算 ， 即 G 一∑ s ／ ∑ 6 i 一 1 i 一 1 式中 G 为最终评价值 ； 为评语集 中第 i 等级 的赋值 ， 为相应 的评语 ； 为评语 等级个数 ； 为 第 个 指 标 第 i等级 的模 糊 灰 色 评 判 向量 ， k 一 1 ， 2， ⋯ ， 。 根据 最终 评价 值 G 来 确定 评 价结果 。 2算例 分析 表 2 继 电保 护装 置状 态评价体系 0 ． 1 0 O ． 7 3 ， 0 ． o o ] ， 监 测 指 标 d 。的评 价 因素 权 重矩 阵 为 一 [ 0 ． 2 4 ， 0 ．7 0 0 ． 6 8 ， 0 ． 0 0 O ． 0 8 ， 0 ． 1 0 ] 。 继 电保 护装 置 的权 重矩 阵为 W 一 L O ． 1 8 ， 0 ． 2 0 0 ． 3 4 ， 0 ． 1 O 0 ． 4 8 ， 0 ． 3 0 ] 。 3 建 立 模 糊 灰 色 关 系 矩 阵 。根 据 历 史 指 标 d 、 检修指标 d 及监测指标 d 。的正负向性计算隶 属 度 ， 进 一 步建立 继 电保 护装 置 状 态 评 价 的模 糊 灰 色关 系矩 阵 。 历史 指标 d 的模糊 灰 色关 系矩 阵为 某 1 1 0 k V 工矿线 路 采 用 RC S 一 9 3 1 B M 型 继 电 ～ 保护装置 ， 其运行数据见表 1 。 一 表 1 继 电保 护装置运行数据 主要指标 指标值 装置缺 陷次数 未正确动作率／ 每年定检次数 每年未完成反措事件次数 电源 温 度 ／ c C P U 温 度 ／ ℃ 电源 电压／ V 以下 为继 电保 护装 置状 态评 价步 骤 。 1 建 立 评 判 指 标 集 。针 对 继 电 保 护 装 置 运 行 、 维修 的历史记录及相关可靠性数据 ， 为使评价指 标 真实 、 易 于实 际操 作和 降低 成本 ， 建 立 了继 电保 护 装 置状 态评 价体 系 ， 见表 2 。 2 确定 评 价 因素 权 重 集 。根 据层 次 分 析 法 ， 采用 Ma t h e ma t i c a 软件 确 定 权 重集 ， 并 根 据 信 息 充 分程 度确 定其 灰度 ， 得 到历 史指 标 d 的评 价 因素 权 重矩 阵为 一[ 0 ． 4 5 ， 0 ． 3 0 0 ． 5 5 ， 0 ． 6 0 ] ， 检 修指标 d 。的评 价 因素权 重矩 阵 为 一[ 0 ． 2 7 ， r 0 ． 3 1 ， 0 ． 1 0 0 ． 2 9 ， 0 ． 3 0 0 ． 4 0 ， 0 ． 2 0 _ 1 L O ． 3 6 ， 0 ． 5 0 0 ． 1 4 ， 0 ． 6 0 0 ． 5 0 ， 0 ． 1 0 _ J 检修指标 d 。的模糊灰色关系矩阵为 Rd 一 r 0 ． 1 7， 0 ． 1 0 0 ． 0 8 ， 0 ． o o 0 ． 7 5 ， 0 ． 2 0 ] L 0 ． 4 3， 0 ． 3 0 0 ． 1 5 ， 0 ． 9 0 0 ． 4 2 ， 0 ． 1 0 监测 指标 d 。的模糊 灰色 矩 阵为 Rd 一 F o ． 2 6， 0 ． 6 0 0 ． 5 7 ， 0 ． 1 0 0 ． 1 7 ， 0 ． O 0 ] I 0 ． 1 8 ， 0 ． 8 0 0 ． 6 4 ， 0 ． 1 0 0 ． 1 8 ， 0 ． 4 0 l L 0 ． 5 5 ， 0 ． 1 0 0 ． 4 1 ， 0 ． 9 0 0 ． 0 1 ， 0 ． 2 0 J 4 模糊灰 色 综合评 判 。根 据 计算 所 得 的评 价 因素权 重矩 阵 W d ． 一1 ， 2 ， 3 及 3个 指标 的模 糊 灰 色矩 阵 ， 得 到历史 指 标 d 的 模糊 灰 色 综 合 评判 结 果 B 一 wd R d 一 [ o ． 4 5 ， 0 ． 3 0 0 ． 5 5 ， 0 ． 6 O ] 厂 0 ． 3 1， 0 ． 1 0 0 ． 2 9， 0 ． 3 0 0 ． 4 0， 0 ． 2 0 ] L 0 ． 3 6， 0 ． 5 0 0 ． 1 4， 0 ． 6 0 0 ． 5 0， 0 ． 1 O J [ 0 ． 3 3 7 5 ， 0 ． 6 0 0 ． 2 0 7 5 ， 0 ． 9 0 6 4 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 0 ．4 5 5 0， 0． 3 O 同理可得检修指标 d 的模糊灰色评判结果 B d 一 [ 0 ． 3 5 9 8 ， 0 ． 1 0 0 ． 1 3 1 1 ， 0 ． 0 0 O ． 5 0 9 1 ， 0 ． 1 0 ] 监 测 指标 d 。的模 糊 灰色综 合 评判 结果 B d L 0 ． 2 2 8 8 ， 0 ． 7 0 0 ． 1 3 1 1 ， 0 ． o o ， 0 ． 2 6 0 0 ， 0 ． 1 0 ] 最终 得到评 判 矩 阵 BWR一 [ o ． 2 9 2 9 0 6 ， 0 ． 5 0 圆 O ． 1 4 4 8 5 2 ， 0 ． 2 0 O ． 3 7 9 7 6 ， 0 ． 5 0 ] 5 处 理 评 价 结 果 。 给 评 语 等 级 赋 值 为 r 3 2 1 ] ， 分 别 对 应 优 秀 、 良好 和 一 般 。计 算 得 G 一1 ． 8 9 3 8 ， 接 近 良好 ， 因此 可 认 为其 评 价 结 果 为 良好。此时点灰度 为 0 ． 2 0 ， 信息很充分 ， 表明结论 具有很强 的可信度 。如果按 照隶 属度最 大原则选 择 ， 那 么最 终结果 为 0 ． 3 7 9 7 6 ， 对 应 状 态 为 一 般 ， 此 时点灰度为 0 ． 5 0 ， 可信程度为一般。可见基 于改进 模糊灰色法的评价结论更可信。 3 结语 基于 改进模 糊 灰色法 的继 电保护 装 置状 态 评价 方法 能够 较好 地克 服工 矿企 业继 电保 护装 置状 态评 价 的不分 明性 和不 确切 性 ， 较 准 确 地 反 映 装 置 的 真 实运行状况 ， 有效减少装置检修费用 ， 提高装置可靠 性 。如何 更 加全 面合 理地 确定 继 电保 护 装置状 态评 价 指标 体 系 以及 如何 利用 大数 据思 想进 行状 态评 价 是 下一 步 的研究 重点 。 参考文献 [ 1] 陈星田 ， 熊小伏 ， 齐晓光 ， 等． 一种用 于继 电保 护状态 评 价 的大 数 据 精 简 方 法 E J ] ．中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 O1 5， 35 3 5 39 54 8． [ 2] Z HAN G J J ．R e s e a r c h a n d s u mma r y o n r e l i a b i l i t y o f r e l a y p r o t e c t i o n s y s t e m [ J ] ／ ／ A d v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h，201 2，4 3 3675 5 - 67 59 ． [3 ] 张旒玺 ， 房鑫炎 ， 倪振华． 基于系统功效的保护 及控制 系统可 靠 性 评 估 [ J ] ． 电力 系统 保 护 与 控 制 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 4 6 3 6 7 ． [4] 韩平 ， 赵勇 ， 李晓朋 ， 等． 继 电保护状 态检 修 的实用 化 尝试 E J ] ． 电力系统保护与控制 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 9 9 2 9 6 ． [ 5] 戴 志辉 ， 王增平 ． 继 电保护 可靠 性研究 综述 [ J ] ． 电力 系统保 护与控制 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 5 1 6 卜1 6 7 ． [ 6] 刘 永欣 ， 师 峰 ， 姜 帅 ， 等． 变 电站继 电保 护状 态监测 的 一 种模 糊评估算 法 I- J ] ． 电力 系统保 护 与控制 ， 2 0 1 4 ， 4 2 3 3 7 4 1 ． [7 ] 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 [ J ] ． 电力 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