基于区间层次分析法和区间熵权混合赋权的直流保护系统可靠性评价方法

摘要

本发明提供一种基于区间层次分析法和区间熵权混合赋权的直流保护系统可靠性评价方法，包括：根据直流保护系统可靠性综合评估指标体系组成，构建指标体系层次；依据直流保护系统的各个层次以及缺陷所在部位不同，对直流保护系统进行分类，统计以往各换流站的全部缺陷数据，根据缺陷数据设置直流保护系统各个层次的分值；根据直流保护系统缺陷的历史数据得出直流保护系统缺陷的指标数据；对指标量进行熵权法，得出三个指标的权重；运用熵权法对直流保护系统各类设备及整个系统进行可靠性评价；引入权重因子，将区间层次分析法和区间熵权法相结合，得到指标评价综合区间权重，由此对直流保护系统进行区间层次法和区间熵权法混合赋权法可靠性评价。

说明书

技术领域

本发明涉及直流保护系统可靠性研究技术领域，具体是一种基于区间层次分析法和区间熵权混合赋权的直流保护系统可靠性评价方法。

背景技术

直流保护作为高压直流输电系统二次部分的核心，是直流输电系统安全、可靠运行的第一道防线，其可靠性直接决定着直流输电设备的安全和电网的稳定运行，因此有必要对直流保护系统进行可靠性评价。对于交流电网的可靠性评价，国内外已作了大量研究，目前广泛应用的评价方法有马尔可夫模型法、故障树分析法和GO概率分析法等。直流保护系统可靠性评价较少，且评价方法不直观、适用性较差。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于区间层次分析法和区间熵权混合赋权的直流保护系统可靠性评价方法，其采用区间层次分析法和区间熵权混合赋权的方法对换流站直流保护系统以及各类保护设备进行评价，对于提高继电保护设备可靠性起到决定性作用，能够保证继电保护的能力在实际应用中得到充分发挥。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于区间层次分析法和区间熵权混合赋权的直流保护系统可靠性评价方法，包括以下步骤：

步骤一：根据直流保护系统可靠性综合评估指标体系组成，构建指标体系层次：目标层、准则层B以及方案层C，然后对电力用户设备的指标层次进行两两比较打分，采用区间层次分析法得出各个层次区间权重，根据方案层C对准则层B的判断矩阵得出特征向量，建立层次总排序权值，得出方案层C的总排序权值；

步骤二：根据直流保护系统的各个层次以及缺陷所在部位不同，对直流保护系统进行分类，统计以往各换流站的全部缺陷数据，根据缺陷数据设置直流保护系统各个层次的分值，此分值设置为直流保护系统各个元件的底分，结合方案层C的总排序权值，得到直流保护系统的区间层次法的评分；

步骤三：根据直流保护系统的各个层次以及缺陷所在部位不同，对直流保护系统进行分类，收集直流保护系统缺陷的历史数据，根据历史数据得出直流保护系统缺陷的三个指标数据：元件无缺陷时间率 MTTF、元件平均维修时间率MTTR以及元件缺陷率EDR；

步骤四：对步骤三中的三个指标进行熵权法，得出三个指标的权重，在熵权法中设置两个权重值，一是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值不变，二是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值设置为0.5，由此得出整个直流保护系统熵权法的评分；

步骤五：引入权重因子θ，将区间层次分析法和区间熵权法相结合，得到指标评价综合区间评分w，综合区间评分w随着θ的改变而改变，指标评价综合区间评分w的计算公式如下：

w＝θw

其中w

进一步的，步骤一的具体实现过程如下：

(a)根据直流保护系统的组成建立直流保护系统的各个层次，构建层次分析法的判断矩阵，直流保护系统的各个层次如下表1所示，其中直流保护系统(A

表1直流保护系统的各层次

(b)根据直流保护系统的各层次，选择专家对电力用户设备的指标层次进行两两比较打分，电力用户指标两两比较打分按照表2“区间标度表”进行，打分结果一般由区间中a

表2区间比例标度表

根据区间比例标度表打分，形成区间数

当指标j比指标i重要时，即a

(c)构造区间判断矩阵A

选定的专家根据“区间比例标度法”对同层的每一个指标相对于上一层指标重要性进行两两比较打分，构建判断矩阵A，其对应元素为 a

其中i＝1,…,n；j＝1,…,n；n是指单层指标的个数总数，利用幂法，计算判断矩阵A的最大特征值λ

(d)一致性检验

若判断矩阵A的相对一致性CR小于0.1，则认为判断矩阵A可行，通过一致性检验，通常CR值越小越好；若判断矩阵A的CR不满足小于0.1，没有通过一致性检验，则退回步骤(b)重新两两比较，重新构造合格的判断矩阵A，CR的计算如公式如下：

表3自由度指标RI

由Aξ＝λ

(e)按照表4到表11对直流保护系统的各个层次按区间层次法，然后选择专家对电力用户设备的指标层次进行两两比较打分，采用区间层次分析法得出各个层次区间权重，根据方案层C对准则层B的判断矩阵得出特征向量，建立层次总排序权值，得出方案层C的总排序区间权值；方案层C的总排序区间权值的算法如表12所示：

表4直流保护系统A

表5测量设备B

表6测量接口B

表7主机型B

表8装置型B

表9独立型B

表10三取二装置B

表11跳闸出口及二次回路B

表12总排序权值的算法

进一步的，步骤二的具体实现过程如下：

根据直流保护系统的各个层次以及缺陷所在部位不同，对直流保护系统进行分类，统计以往各换流站的全部缺陷数据，设每类设备分数是100分，减去占比后得出的数据为这类元件C

进一步的，步骤三的具体实现过程如下：

按照步骤一中直流保护系统的各个层次以及缺陷所在部位不同，对直流保护系统进行分类，收集直流保护系统缺陷的历史数据，根据历史数据得出直流保护系统缺陷的三个指标数据：元件无缺陷时间率 MTTF、元件平均维修时间率MTTR以及元件缺陷率EDR，计算方法如下：

1)元件无缺陷时间率MTTF

式中，T

2)元件平均维修时间率MTTR

式中，T

3)元件缺陷率EDR

式中，N

进一步的，步骤四的具体实现过程如下：

(a)基于步骤三中的三个指标量，形成(x

正向指标的一致化处理公式为

逆向指标的一致化处理公式为

区间指标的一致化处理公式为

式中，x

(b)求取特征权重，依据标准矩阵，求出第i个设备的第j个指标的特征权重：

当P

计算第j个指标的熵值

式中：j＝1,2,…,n；

(c)计算第j个指标的熵权重

式中：j＝1,2,…,n；

在熵权法中设置两个权重值，一是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值不变；二是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值设置为0.5，这是由于有些元件以往未收集到缺陷数据，导致这些元件无数据，因此将这些元件的缺陷情况换算成标准矩阵后数值设置为0.5；

(f)各类元件的权重系数

根据上述设置的两组权重值，分别按式(18)计算出两组权重系数，熵权重直流输电保护系统各类元件在缺陷数据中的权重系数Z

式中：i＝1,2,…,m；

(g)计算直流保护系统熵权法的评分

根据式(18)得到的两组直流输电保护系统各类元件在缺陷数据中的权重系数，结合步骤二中得到的直流保护系统各个元件的底分，得出直流保护系统熵权法的区间评分。

进一步的，步骤二、四、五中，评分在85分及以上，表明系统状态优；评分在70到85之间，表明系统状态良；评分在60到70之间，表明系统状态中；评分小于等于60，表明系统状态差。

进一步的，步骤五中θ取值为0.5，此时层次分析法和熵权法各占一半的比重。

本发明全面总结了近几年高压直流输电保护缺陷情况，基于这些缺陷类型、数据以及换流站的评价指标，结合各换流站的实际情况，采用区间层次分析法和区间熵权混合赋权的方法对换流站直流保护系统以及各类保护设备进行评价，根据评分，可以看出哪种设备运行状态好，对于提高继电保护设备可靠性起到决定性作用；本发明不仅能找到直流保护系统需要改善的薄弱环节，得到定性和定量的结论，还能依据本方法，科学合理地对直流保护系统和各类设备运行情况进行评价分析，对于解决实际工程问题有良好的应用效果，能够保证继电保护的能力在实际应用中得到充分发挥。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

在本实施例中，数据来源于湖北换流站2014年1月至2019年6 月缺陷数据实施评价，包括龙泉换流站、江陵换流站、团林换流站、宜都换流站、葛洲坝换流站等5座换流站。

在本实施例提供一种基于区间层次分析法和区间熵权混合赋权的直流保护系统可靠性评价方法，包括以下步骤：

步骤一：根据直流保护系统可靠性综合评估指标体系组成，构建指标体系层次：目标层、准则层(一级指标)以及方案层(二、三级指标)，然后选择专家对电力用户设备的指标层次进行两两比较打分，采用区间层次分析法得出各个层次区间权重，根据方案层C对准则层 B的判断矩阵得出特征向量，建立层次总排序权值，得出方案层C的总排序权值。

(1)建立直流保护系统的各层次

根据直流保护系统的组成建立直流保护系统的各个层次，构建层次分析法的判断矩阵，直流保护系统的各个层次如下表所示：

(2)直流保护系统A

重要程度排序：主机型＝装置型＝独立型>三取二装置>测量接口＝测量设备>跳闸出口及二次回路

判别矩阵(标黄的一列为前一列的区间宽度，以下同)：

结果符合一致性检验，如下所示：

(3)测量设备B

重要程度排序：光电式CT＝纯光式CT＝光电式PT＝零磁通互感器＝常规互感器

判别矩阵

结果符合一致性检验，如下所示：

(4)测量接口B

重要程度排序：处理器板>电源模块>开关量接口板＝模拟量接口板＝通讯板>机箱背板

判别矩阵

结果符合一致性检验，如下所示：

(5)主机型直流保护系统B

重要程度排序：CPU板>电源模块>PCI板>软件

判别矩阵

结果符合一致性检验，如下所示：

(6)装置型直流保护系统B

重要程度排序：处理器板>电源模块>开关量接口板＝模拟量接口板＝通讯板>机箱背板

判别矩阵

结果符合一致性检验，如下所示：

(7)独立型直流保护系统B

重要程度排序：处理器板>电源模块>开入开出插件＝MMI插件＝A/D(VFC)插件＝通讯插件＝AC插件>软件

判别矩阵

结果符合一致性检验，如下所示：

(8)三取二装置B

重要程度排序：处理器板卡＝独立模块>电源板卡>开入开出板卡＝通讯板

判别矩阵

结果符合一致性检验，如下所示：

(9)跳闸出口及二次回路B

重要程度排序：开关操作箱>电缆回路＝光纤回路＝通信通道>附件

判别矩阵

结果符合一致性检验，如下所示：

根据方案层C对准则层B的判断矩阵得出特征向量，建立层次总排序权值，得出方案层C的总排序区间权值。方案层C的总排序权值的算法如下：

按照此表结合相关数据得到方案层C的总排序权值如下：

步骤二：根据直流保护系统的各个层次以及缺陷所在部位不同，对直流保护系统进行分类，统计以往各换流站的全部缺陷数据，根据缺陷数据设置直流保护系统各个层次的分值，结合方案层C

本发明是基于湖北换流站2014年1月至2019年6月缺陷数据实施评价，包括龙泉换流站、江陵换流站、团林换流站、宜都换流站、葛洲坝换流站等5座换流站，具体缺陷信息见下表1到表6。

表1龙泉换流站缺陷信息

表2江陵换流站缺陷信息

表3团林换流站缺陷信息

表4宜都换流站缺陷信息

表5葛洲坝换流站缺陷信息

表6五座换流站缺陷信息

统计湖北五座换流站近五年的全部缺陷数据，计算出每类设备的缺陷占总缺陷的占比。如下表所示。

再设每类设备分数是100分，减去占比(百分比)后得出的数据为这类元件的分数，若这个元件无缺陷，则定这个元件的分数为100。具体分数如下表所示。

根据上表中各元件的分数，结合子准则层C的总排序权值，得到直流保护系统A

同理，计算出各类设备的区间值如下所示，由下表可知主机型直流保护系统装置和测量设备相较于其他装置可靠性差些，需要进行重点关注。

步骤三：根据直流保护系统的各个层次以及缺陷所在部位不同，对直流保护系统进行分类，收集直流保护系统缺陷的历史数据，根据历史数据得出直流保护系统缺陷的指标数据,分别是：元件无缺陷时间率MTTF、元件平均维修时间率MTTR以及元件缺陷率EDR。

统计湖北五座换流站近五年的全部缺陷数据，结合这五座换流站的实际运行情况，计算出每类设备的各个指标值如下：

步骤四：对上述三个指标量进行熵权法，得出三个指标的权重。由于这三个缺陷指标前两个都是逆向指标，指标值越小越好，后一个指标为正向指标，指标值越大越好。为了求得直流保护系统的区间值，因此计算熵权法的两个权重值，一是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值不变，二是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值设置为0.5，由此得出整个直流保护系统熵权法的区间值。

根据熵权法对上表数据进行预处理，得到如下所示的标准矩阵。

由于这三个缺陷指标前两个都是逆向指标，指标值越小越好，后一个指标为正向指标，指标值越大越好。为了求得直流保护系统的区间值，因此计算熵权法的两个权重值，一是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值不变，二是元件中无缺陷数据的元件换算成标准矩阵后数值设置为0.5，由此得出整个直流保护系统熵权法的区间值。

根据熵权法的计算方法，得到各个指标的权重如下

计算所得的各个元件的权重如下：

最后得出整个直流保护系统熵权法的区间值为[86.1057, 90.8727]。

对于直流保护系统各类设备的评价，采用相同的方法，针对的数据只有各类设备各自的数据，不考虑其他设备数据，若这类设备无缺陷数据，则定这类设备运行情况良好，评价值为100，若这类设备只有一个元件，则定这类设备其他元件的缺陷值为此元件数值的1％，元件平均维修时间按0.5算，元件运行时间按5年计算，按此值得出这类设备评价值，按此方法计算得出直流保护系统各类设备熵权法的区间值如下表所示。

步骤五：为了兼顾区间层次分析法的主观优势和区间熵权法的客观优点，取二者之所长，引入权重因子θ，将区间层次分析法和区间熵权法相结合，得到指标评价综合区间权重w。综合区间权重w随着θ的改变而改变，且当θ＝1或者0时，分别对应于区间AHP法和区间熵权法，由此得出直流保护系统的评价，对直流保护系统进行评价。

直流保护系统A

直流保护系统各类设备的分值如下表所示。

由上表可知，直流保护系统整体的可靠性优，但测量设备相较于其他设备，可靠性偏低，要重点进行维护。

本发明着重对在运直流控制保护系统中保护装置及板卡、二次回路和光CT等设备故障及缺陷情况进行统计，全面总结了近几年高压直流输电保护缺陷情况，基于这些缺陷类型、数据以及换流站的评价指标，结合各换流站的实际情况，采用区间层次分析法和区间熵权混合赋权的方法对换流站直流保护系统以及各类保护设备进行评价，根据评分，可以看出哪种设备运行状态好，对于提高继电保护设备可靠性起到决定性作用。

应用该方法不仅能找到直流保护系统需要改善的薄弱环节，得到定性和定量的结论，还能依据本方法，科学合理地对直流保护系统和各类设备运行情况进行评价分析，对于解决实际工程问题有良好的应用效果，能够保证继电保护的能力在实际应用中得到充分发挥。本发明的使用效果可以通过具体实施方案得到，该算例应用本文提出的方法不仅找到了需要改善的薄弱环节，并且得到了定性和定量的结论，从而验证了本方法具备有效性和可行性的优点。本发明同样适用于对交流系统的可靠性分析。