基于模糊層次法的繼電保護裝置安全性評估模型

張寶林，王劍亮，陳華軍，黃曉昆

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州　510610；2.南方電網信息技術與信息安全實驗室，廣州　510080；3.電力行業信息安全等級保護測評中心第五實驗室，廣州　510080；4.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州　510080）

基于模糊層次法的繼電保護裝置安全性評估模型

張寶林1，王劍亮1，陳華軍2-4，黃曉昆1

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州510610；2.南方電網信息技術與信息安全實驗室，廣州510080；3.電力行業信息安全等級保護測評中心第五實驗室，廣州510080；4.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510080）

0　引言

隨著電網建設的快速發展和人民用電量需求的增加，電網的安全穩定運行直接影響各行業的穩定健康發展。繼電保護裝置作為電網安全運行的守護者，評估其安全水平是預防和解決電網安全問題的關鍵，對繼電保護裝置自身的安全穩定進行評估有利于預防電網大面積斷電、漏電等電網安全事故發生，并可以根據評估結果制定應急預案或采取應急措施，為電網安全運行提供基本保障［1］。

層次分析法（AHP）是一種定性和定量相結合的決策方法［2］。AHP方法將目標問題按目標層、準則層和指標層層次進行結構分解，每層有若干因素，通過相互比較確定準則層各因素對目標的權重以及指標層各因素對準則層的權重，將兩組權重通過數學模型進行綜合分析得出指標層對于目標層的權重，最后給出決策結果。

模糊數學理論早在1965年就已形成，通過把經典集合中的隸屬關系加以擴充，使元素對“集合”的隸屬程度由確定的只能取0與1這兩個值，推廣到［0，1］區間中的任一數值。

本文主要采用模糊綜合評價和層次分析法相結合的方法，對繼電保護裝置安全性進行評估。

1　模糊層次分析法的數學模型

模糊層次分析方法（FAHP）通過將模糊綜合評價法和層次分析法相結合，對目標進行決策分析［3］。本節首先對模糊層次分析方法（FAHP）進行介紹和數學建模。

FAHP首先利用層次分析法構造決策問題的層次結構，然后構造模糊一致判斷矩陣，接著再確定指標層各因素對目標的權重，最后建立評價集，做出綜合評價結果。具體步驟如下：

（1）采用層次分析法建立決策問題的層次結構：目標層、準則層和指標層。將每層各因素的相互關系進行連線表示。

（2）構建模糊一致校驗矩陣。首先根據如表1所示的模糊判斷尺度表，建立模糊判斷矩陣P，其中rij表示元素ai、aj相對于上層元素的重要程度比值。滿足rii= 0.5，rij=1-rji（i≠j；i，j=1,…，n）

表1　模糊判斷尺度表

在實際情況中，由于判斷比較的主觀性，往往導致得到的模糊判斷矩陣是不一致的，所以需要進行轉換，將它轉換為模糊一致陣。步驟如下：

因此可以得出模糊一致判斷矩陣為A=（bij）n×n。

（3）求出各層元素的權重ωi

（4）根據模糊綜合評價法進行綜合評價分析

假設指標X=｛x1，…，xp｝，評價集P=｛優，良，中，及格，差｝，其中xi表示指標下面的某因素，xi相對于評價集P的隸屬關系為μA（X），本文選用三角函數來表示隸屬度函數。評價集為P=｛優，良，中，及格，差｝，根據三角函數可以得出單因素xi相對于評價集P的隸屬度值，通過各因素相對于評價集P隸屬分析建立模糊綜合評價矩陣R，然后根據ωR=D得出指標X綜合評價結果，這只是對于單一指標的綜合評價結果。

對于多指標而言，需要根據各單一指標的綜合評價結果構造評價矩陣S，再由各指標相對目標的權重W，通過WS=E計算出總的綜合評價結果E。

2　基于FAHP的繼電保護裝置評估模型

本節在上述理論分析的基礎上，采用模糊層次分析法建立繼電保護裝置的安全評估模型。基本步驟如下：

（1）對繼電保護裝置安全性影響因素進行分析，建立繼電保護裝置安全性影響因素判斷矩陣；

（2）建立計算各層權重模型；

（3）建立繼電保護裝置綜合評價模型。

2.1繼電保護裝置安全性層次結構模型的建立

綜合繼電保護裝置安全性影響因素，首先建立繼電保護裝置安全評估層次結構，如下圖1所示。評估體系共分為3層，其中第2層主要包括軟件因素、硬件因素和人為因素三部分［4］。

軟件因素主要包括內存使用問題、邏輯遺漏與執行錯誤、計量相關的錯誤、軟硬件接口的錯誤、數據操作錯誤、數據問題、文檔問題等［5］。例如，邏輯遺漏與執行錯誤問題的失效原因如表2所示。

圖1　繼電保護裝置安全評估層次結構圖

表2　邏輯遺漏與執行錯誤情況表

硬件因素主要包括CPU模塊、出口模塊、電源模塊、交流輸入模塊、開關量輸入模塊、人機界面模塊等［6］。具體如表3所示。

表3　繼電保護硬件因素情況

人為因素主要包括繼電保護裝置設計不合理、未按規程執行、廠商制作商品不合格、維護人員不正確操作、不合適存儲或運輸等。

2.2繼電保護裝置各因素權重的計算

通過對繼電保護裝置的層次結構分析，可知要計算出指標層中指標對最終目標層的綜合權重需要計算6次，首先計算出末端指標層對上一級指標的權重。運用模糊層次分析原理，結合電網繼電保護裝置專家建議和模糊評價尺度表，可以得出軟件因素下7個指標的模糊一致矩陣為：

對M1進行歸一化處理得M1，根據模糊一致陣和軟件7個指標之間的關系：M1ω1=λmaxω1，得出7個指標權重向量為ω1。

同理可以得出硬件因素和人為因素的模糊一致矩陣M2，M3和權重向量ω2，ω3。

因此，我們可以求得末端指標對其上一級指標的權重所組成的綜合權重矩陣WG，如下所示：

同理，通過模糊一致陣M0，也可以求出 “軟件因素”、“硬件因素”和“人為因素”指標相對于繼電保護裝置安全性的權重向量ω0。

由上述計算結果并結合總排序權重計算公式WG*ω0=Wz，可以得出指標層相對于目標層的綜合權重矩陣Wz，式子如下所示：

Wz便是繼電保護裝置指標體系下指標層相對于目標層的相對重要性權值排序矩陣（表4所列的18個指標的權重之和為1，即此處的權重是繼電保護裝置第三層指標中各指標相對于目標層“繼電保護裝置安全”的權重），如表4所示。

表4　繼電保護裝置各指標權重表

根據上述建立的綜合權重矩陣，本章節結合各指標權重和綜合評價矩陣對繼電保護裝置的總體安全情況做出綜合評價。

（1）建立綜合評價集P=｛優，良，中，及格，差｝，對應的評價等級代數區間P=｛［90，100），［80，90），［70，80），［60，70），［0，60）｝。

（2）單因素模糊綜合評價

本文將繼電保護裝置的影響因素主要分為 “軟件因素”、“硬件因素”和“人為因素”三類，分別對它們進行單因素綜合評價分析。利用三角函數作為模糊隸屬度函數，計算單因素相對于評價集的模糊隸屬度值，其中隸屬度函數的未知變量表示為權重值［7］。

分別計算“軟件因素”、“硬件因素”和“人為因素”的隸屬度值，然后根據隸屬度值構建綜合評價矩陣，最后，計算出單因素的綜合評價結果。表6表示軟件因素各指標的隸屬度值向量，根據它建立“軟件因素”的綜合判斷矩陣P1，利用P1Tω1=D1，得出指標“軟件因素”的綜合結果D1。

同理根據建立的綜合評價矩陣P1、P2、P3，可以求出“硬件因素”和“人為因素”的綜合評價結果D2、D3。

表5　隸屬度函數表

表6　軟件因素各指標的隸屬度值向量表

然后根據三大因素相對于繼電保護裝置安全的權重ω0=［ω41ω42ω43］T、綜合評價矩陣P4=［D1D2D3］以及關系式P4ω1=D4，得出三大因素的綜合評價結果D4。

若需要對繼電保護安全進行打分，則假定評價集的代數向量為V=｛95，85，75，65，30｝，通過Z=D41×95+ D42×85+D43×75+D44×65+D45×30，可以得出繼電保護裝置安全評估的綜合得分Z［8］。

3　結語

本文采用模糊層次分析法建立了繼電保護裝置的安全性評估模型，該模型改變了判斷矩陣的構造方式，一定程度上減少了一致性校驗的困難程度。后續還將結合實際數據對電力行業軟硬件產品安全性進行綜合評估。

［1］張國華,張建華,彭謙.電網安全評價的指標體系與方法［J］.電網技術,2009,33(8):30-34.

［2］王峰.基于層次分析法的軟件質量評估模型分析與研究［J］.現代電子技術,2012,35(24):21-23.

［3］肖寒.電網建設安全評估模型及方法研究［D］.北京:華北電力大學,2013.

［4］方岳群.繼電保護裝置常見故障分析及處理［J］.電子技術與軟件工程,2015,(4):248-248.

［5］US-Canada Power System Outage Task Force.Final Report on the August 14th Blackout in the United States and Canada:Causes and Recommendations［R］,2004.

［6］王敏.大電網在線安全評估的理論與方法研究［D］.武漢,華中科技大學,2013.

［7］鐘銀超,譚世海,楊太國.基于模糊層次分析法的電力安全風險評估［J］.重慶電力高等專科學校學報.2011(05):112-201.

［8］周玉蘭,王玉玲,趙曼勇.2004年全國電網繼電保護與安全自動裝置運行情況［J］.電網技術,2005,29(16):42-48.

Relay Protection Device；Fuzzy Analytic Hierarchy Process；Judgment Matrix；Safety；Comprehensive Assessmen

The Safety Assessment Model of Relay Protection Device Based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process

ZHANG Bao-lin1，WANG Jian-liang1，CHEN Hua-jun2-4，HUANG Xiao-kun1
（1.The Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology，Guangzhou 510610；2.China Southern Power Grid InformationTechnology and Security Evaluation Lab，CSG，Guangzhou 510080；3.Electric Power Information Security Classified Protection Test and Evaluation Center 5th Lab，Guangzhou 510080；4.Electric Power Research Institute,CSG,GuangDong.Guangzhou 510080）

1007-1423（2015）32-0024-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.32.006

張寶林（1988-），男，山東青島人，碩士研究生，從事領域為軟件測試，嵌入式系統測試，功能安全應用測評研究工作

王劍亮（1988-），男，江西上饒人，碩士研究生，從事領域為軟件開發，嵌入式系統測試，功能安全應用相關研究工作

陳華軍（1980-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，從事領域為電力信息與通信、信息安全及智能電網相關研究工作

2015-11-03

2015-11-13

將模糊算法與層次分析法進行結合，在對繼電保護裝置安全性影響因素從硬件、軟件和人為因素三方面進行分析的基礎上，將模糊層次分析法應用到繼電保護裝置的安全性評估中，建立繼電保護裝置的模糊層次安全性分析和評估模型，并根據模糊層次模型對繼電保護裝置的安全性進行模糊綜合評估。

繼電保護裝置；模糊層次分析法；判斷矩陣；安全性；綜合評估

Combines the fuzzy algorithm with analytic hierarchy process(AHP),on the basis of the analysis of influence factors on the safety of relay protection device,applies the FAHP in the safety assessment of relay protection device,builds the model of fuzzy hierarchy analysis and evaluation about relay protection device,and makes the comprehensive assessment of the safety about relay protection device according to the model.