一种国产化继电保护核心元器件替代顺序的确定方法

摘要

本发明公开了一种国产化继电保护核心元器件替代顺序的确定方法，首先考虑不同情况下继电保护装置的马尔可夫状态模型，求得状态转移矩阵，进而得出装置处于各个状态的稳态概率，计算不可用度；按照逐一替代的思想，首先分别替换6个核心元器件中的一个元件，计算替代后装置整体的不可用度，选取使得替代后不可用度最小的元件作为替换元件，按照上述思路依次进行替代，直至6个核心元器件全部替换为国产元件为止。上述方法计算简单，可以确定国产化继电保护核心元器件的替代顺序，具有很强的实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种确定国产化核心元器件替代顺序的方法。

背景技术

继电保护作为保障电网安全、稳定运行的第一道防线，是整个电力系统的重要组成部分，其可靠性也是防止电网事故扩大和连锁反应的重要保证。而CPU、DSP、FPGA、存储芯片、 ADC、电源芯片等核心元器件电子设备对温度、湿度等外界环境均非常敏感，如果外界环境达到一定程度，就会影响元器件使用寿命或直接导致电子元器件工作失效，最终影响整个继电保护装置的工作。每一个元器件的性能都将影响到整个继电保护装置的缺陷以及动作情况，从而对电力系统产生影响。然而，长期以来，中国信息产业“缺芯(芯片)少魂(操作系统)”让有识之士担忧。2018年，中兴事件发生后，国产芯片一时成为万众瞩目的焦点，因此，对继电保护的核心元器件进行国产化替代以及替代后能否满足继电保护的可靠性问题越来越值得关注。

如今，现有的保护装置的CPU、DSP、FPGA、存储芯片、ADC、电源芯片等核心元器件，一般默认为进口产品。而核心元器件国产化已迫在眉睫，因此，逐步实现核心元器件的国产化已成为必要，现有的技术方案缺少在满足一定的可靠性以及成本的条件下，如何确定元器件的替代顺序，以及替代后保护装置的可靠性分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种国产化继电保护的核心元器件替代顺序的确定方法，该方法易于实施，实用性强，可以方便的确定国产化核心元器件的替代顺序，具有重要的理论意义与工程价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种确定国产化核心元器件替代顺序的方法，所述方法包括：

步骤1：对于单装置继电保护，确定系统计及拒动误动后的马尔可夫状态模型，以此计算保护装置的不可用度；

步骤2：以不可用度最小为目标，进行元器件替代后的可靠性分析，确定替代顺序；

步骤3：对于双重化继电保护装置，由于其为不可修复系统，因此建立马尔可夫四状态模型，并计算保护装置的不可用度，以此得到双重化继电保护装置核心元器件的替代顺序；

步骤4：考虑装置的拒动、误动状态，建立计及拒动误动的8状态马尔可夫模型，并计算装置的不可用度，以此得到计及拒动、误动的双重化继电保护装置核心元器件的替代顺序；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的国产化继电保护的核心元器件替代顺序确定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的考虑误动、拒动的单装置可修系统马尔可夫状态空间图；

图3本发明实施例提供的双重化不可修复装置马尔可夫状态空间图；

图4本发明实施例提供的计及拒动误动的双重化不可修复装置马尔可夫状态空间图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的国产化继电保护的核心元器件替代顺序确定方法的流程示意图，所述方法包括：

步骤1：对于单装置继电保护，确定系统计及拒动误动后的马尔可夫状态模型，以此计算保护装置的不可用度；

在所述步骤1中，确定保护装置不可用度的过程具体为：

根据继电保护装置具有拒动失效和误动失效两种失效状态的特点，建立单个继电保护装置的计及拒动误动的三状态马尔可夫模型，进一步，可得到状态转移率矩阵，因此可得到继电保护装置误动、拒动失效的稳态概率分别为：

由此得到系统的不可用度为：

步骤2：以不可用度最小为目标，进行元器件替代后的可靠性分析，确定替代顺序；

在所述步骤2中，具体过程为：

首先根据表达式计算出替代前国外继电保护装置的不可用度，当替代1个继电保护装置核心元器件为国产芯片以后，计算出使得替代后继电保护装置不可用度最低的元件作为优先替代元件，采用相同的思路完成接下来元件的替代，直至全部元件替代完成。

以具体实例来说，根据不同核心元器件可靠性，得到国外各核心元器件失效率如表1所示：

表1替代前继电保护装置核心元器件参数

替代前继电保护装置国内核心元器件参数如表2所示。

表2继电保护装置国产核心元器件失效及成本数据

替代1个继电保护装置核心元器件为国产芯片以后，得到继电保护装置的不可用度及成本变化情况如表3所示：

表3替代1个核心元器件后继电保护装置1的不可用度及成本

上表表明，替代1个继电保护核心元器件为国产元器件时，替换电源芯片后继电保护装置的不可用度及成本最低。

当替代2个继电保护核心元器件为国产芯片时，在电源芯片替代为国产核心元器件的基础上，再替代一个核心元器件为国产元器件，得到替代结果如表4所示：

表4替代2个核心元器件后继电保护装置不可用度及成本

上表表明，替代2个元件为国产元器件时，在替代电源芯片的基础上，选择替代存储芯片时继电保护失效率最低。

替代3个核心元器件为国产元件时，在电源芯片和存储芯片替代为国产核心元器件的基础上，继续选择替代一个核心元器件为国产元器件，得到替代后的失效率及成本如表5所示。

表5替代3个核心元器件后继电保护装置可靠性及成本

上表表明，在电源芯片和存储芯片替代为国产芯片的基础上，应选择替代CPU芯片。

选择替代4个核心元器件为国产芯片，在电源、存储和CPU芯片替代为国产元器件以后，继续选择替代其余的核心元器件为国产元器件，得到替代结果如表6所示。

表6替代4个核心元器件后继电保护装置可靠性及成本

上表表明，在电源、CPU、存储芯片用国产芯片替代的基础上，进一步选择替代ADC芯片。

替代第5个核心元器件为国产元件，在电源、存储、CPU和ADC芯片替代为国产元器件以后，继续选择替代一个核心元器件为国产元器件，结果如表7所示。

表7替代5个核心元器件后继电保护装置可靠性及成本

上表表明，当电源、存储、CPU、ADC芯片已替代为国产芯片后，应继续替代FPGA芯片。

综合以上分析可得，单套继电保护装置进行核心元器件替代时，根据继电保护装置失效率的变化情况，确定核心元器件进行单一逐个替代的顺序为：电源芯片→存储芯片→CPU芯片→ADC芯片→FPGA芯片→DSP芯片。

步骤3：对于双重化继电保护装置，由于其为不可修复系统，因此建立马尔可夫四状态模型，并计算保护装置的不可用度；

在所述步骤3中，具体过程为：

首先建立双重化继电保护装置的马尔可夫模型如图3所示，进一步得到系统的状态转移矩阵，解得系统各状态的稳态分布为：

可得系统的不可用度为：

以具体实例来说，在使用国外元件的基础上，两套保护装置依次交叉替代，替代结果如下：

据前面分析可得，最开始替代电源的效果最好，固定一个装置替代电源，另一个装置用其他5种元件分别替代，替代结果如表8所示：

表8第一轮交叉替代结果

可得：当一套装置替代电源，另一套装置也替代电源时不可用度最小。

当装置1替代电源，装置2替代电源的情况下，再让装置1用其它5种元件分别替代，替代结果如表9所示：

表9第二轮交叉替代结果

可得：当装置1替代电源，装置2替代电源的情况下，装置1替代ADC时的效果最好。

当装置1替代电源和ADC，装置2替代电源的情况下，再让装置2用其它5种元件分别替代，结果如表10所示：

表10第三轮交叉替代结果

可得：当装置1替代电源和ADC，装置2替代电源的情况下，装置2替代ADC时的效果最好。

当装置1替代电源和ADC，装置2替代ADC和电源的情况下，再让装置1用其它4种元件分别替代，结果如表11所示：

表11第四轮交叉替代结果

可得：当装置1替代电源和ADC，装置2替代ADC和电源的情况下，装置1替代存储的不可用度最小。

当装置1替代电源、存储、ADC，装置2替代ADC和电源的情况下，再让装置2用其它4种元件分别替代，结果如表12所示：

表12第五轮交叉替代结果

可得：为兼顾经济性，当装置1替代电源、存储、ADC，装置2替代ADC和电源的情况下，应使装置2替代存储。

当装置1替代电源、存储、ADC，装置2替代存储、电源、ADC的情况下，再让装置1 用其它3种元件分别替代，结果如表13所示：

表13第六轮交叉替代结果

可得：为兼顾经济性，当装置1替代电源、存储、ADC，装置2替代存储、电源、ADC 的情况下，应使装置1替代DSP。

当装置1替代电源、存储、ADC、DSP，装置2替代存储、电源、ADC的情况下，再让装置2用其它3种元件分别替代，结果如表14所示：

表14第七轮交叉替代结果

可得：为兼顾经济性，当装置1替代电源、存储、ADC，装置2替代存储、电源、ADC、DSP的情况下，应使装置2替代DSP。

当装置1替代电源、存储、ADC、DSP，装置2替代存储、电源、ADC、DSP的情况下，再让装置1用其它2种元件分别替代，结果如表15所示：

表15第八轮交叉替代结果

可得：当装置1替代电源、存储、ADC、DSP，装置2替代存储、电源、ADC、DSP的情况下，应使装置1替代FPGA。

当装置1替代电源、存储、ADC、DSP、FPGA，装置2替代存储、电源、ADC、DSP 的情况下，再让装置2用其它2种元件分别替代，结果如表16所示：

表16第九轮交叉替代结果

可得：当装置1替代电源、存储、ADC、DSP、FPGA，装置2替代存储、电源、ADC、 DSP的情况下，应使装置2替代FPGA。

综上，可以得到：当替代元件的失效率较低时，采用混合替代法替代双重化核心元器件应采取的替代顺序为：电源1→电源2→ADC1→ADC2→存储1→存储2→DSP1→DSP2→FPGA1→FPGA2→CPU1→CPU2。其中，右上标为装置序号(即，1、2等。)

步骤4：考虑装置的拒动、误动状态，建立计及拒动误动的8状态马尔可夫模型，并计算装置的不可用度，以此得到计及拒动、误动的双重化继电保护装置核心元器件的替代顺序。

在所述步骤4中，具体过程为：

首先建立如图4所示的计及拒动误动的双重化继电保护装置马尔可夫模型，得到状态转移矩阵，进而得到各状态的稳态分布为：

其中：

N＝(λ

由于双重化配置时，一套保护装置拒动另一套保护装置正常时仍可正常工作，因此，在此Markov模型中，只有“两套保护中有一套保护装置误动”和“两套保护装置均拒动”是不能正常工作状态，因此，不可用度如下式所示：

在继电保护系统中，一般取：μ

不可用度为：

当两台相同的装置并联时：λ

不可用度为：

经过分析可得，计及拒动误动的双重化继电保护装置核心元器件的替代顺序与不考虑拒动误动的双重化继电保护装置核心元器件的替代顺序相同，为：电源

由此可以确定国产化核心元器件的替代顺序。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。