基于改進(jìn)模糊灰色法的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)

馬春艷，　龔瑛

(1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 湖北 十堰　442002； 2.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢　430081； 3.廣東電網(wǎng)佛山供電局， 廣東 佛山　528000)

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基于改進(jìn)模糊灰色法的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)

馬春艷1，2，龔瑛3

(1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 湖北 十堰442002； 2.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢430081； 3.廣東電網(wǎng)佛山供電局， 廣東 佛山528000)

針對(duì)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)的不分明性和不確切性，提出采用一種改進(jìn)的模糊灰色法對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)。首先建立涵蓋歷史狀況、檢修狀況和監(jiān)測(cè)狀況3個(gè)方面的指標(biāo)體系，并以點(diǎn)灰度描述評(píng)價(jià)信息的不確切性；然后構(gòu)造非線性隸屬函數(shù)來(lái)求取隸屬度，得到模糊灰色評(píng)價(jià)矩陣；最后對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行模糊灰色狀態(tài)評(píng)價(jià)，并采用加權(quán)平均算子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行再優(yōu)化。實(shí)例證明該方法在評(píng)價(jià)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)時(shí)能更準(zhǔn)確地反映設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀況。

繼電保護(hù)裝置； 狀態(tài)評(píng)價(jià)； 模糊灰色法； 非線性隸屬函數(shù)； 點(diǎn)灰度

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0　引言

繼電保護(hù)是保證工礦企業(yè)供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要技術(shù)手段，繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作及非正常運(yùn)行狀態(tài)，都可能導(dǎo)致供電系統(tǒng)安全事故[1-2]。繼電保護(hù)裝置檢驗(yàn)是電力二次設(shè)備的重要管理內(nèi)容。目前，關(guān)于繼電保護(hù)裝置的評(píng)價(jià)已有一些研究成果。在評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，參考文獻(xiàn)[3-4]提出繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)應(yīng)包括預(yù)防性試驗(yàn)、帶電檢測(cè)、故障記錄、設(shè)備運(yùn)行工況、設(shè)備檢修和設(shè)備檢修后驗(yàn)收等；參考文獻(xiàn)[5]提出了誤動(dòng)失效率和拒動(dòng)失效率等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；參考文獻(xiàn)[6]從監(jiān)測(cè)角度提出了電源溫度、光模塊光強(qiáng)、電源電壓及CPU溫度等監(jiān)測(cè)指標(biāo)。上述文獻(xiàn)提出的指標(biāo)體系只是單方面考慮繼電保護(hù)裝置的歷史情況、檢修情況或監(jiān)測(cè)情況，沒(méi)有將這3個(gè)方面進(jìn)行綜合考量，不能全面、真實(shí)反映繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

在評(píng)價(jià)方法方面，大部分文獻(xiàn)采用統(tǒng)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)依據(jù)歷史信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。參考文獻(xiàn)[1]構(gòu)建了反映繼電保護(hù)裝置狀態(tài)特征的精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)指標(biāo)集，提出利用該數(shù)據(jù)對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行在線狀態(tài)評(píng)價(jià)的方法；參考文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)相關(guān)二次設(shè)備組成和運(yùn)行特點(diǎn)的分析，提出了繼電保護(hù)裝置故障率曲線模型；參考文獻(xiàn)[8]建立了基于馬爾可夫狀態(tài)空間法的超高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置可靠性分析模型。繼電保護(hù)裝置評(píng)價(jià)具有很大的不分明性，因此有文獻(xiàn)嘗試運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行分析。參考文獻(xiàn)[9]利用模糊正態(tài)分布隸屬函數(shù)進(jìn)行繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)，重點(diǎn)解決了隸屬度的確定問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[6]在參考文獻(xiàn)[9]基礎(chǔ)上建立了狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，并運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)。上述文獻(xiàn)雖然考慮了繼電保護(hù)裝置評(píng)價(jià)的模糊性，但沒(méi)有考慮評(píng)價(jià)信息的不完全性和不確切性，即繼電保護(hù)裝置評(píng)價(jià)具有較大的灰色性。

本文在參考文獻(xiàn)[6,9]基礎(chǔ)上，建立了綜合考慮監(jiān)測(cè)情況、歷史情況和檢修情況3個(gè)方面的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)體系；考慮到繼電保護(hù)裝置評(píng)價(jià)既具有模糊性，也具有灰色性，在參考文獻(xiàn)[9]基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的模糊灰色法對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)，即在傳統(tǒng)模糊灰色法基礎(chǔ)上，以非線性隸屬函數(shù)來(lái)表征狀態(tài)參量，采用加權(quán)平均算子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行再優(yōu)化。本文主要思路：首先建立一套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后利用模糊理論和灰色理論建立指標(biāo)權(quán)重集，進(jìn)一步進(jìn)行模糊灰色綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理。實(shí)例證明了本文方法的可行性。

1　改進(jìn)模糊灰色法的基本原理和建模步驟

模糊性指客觀事物的歸屬和狀態(tài)具有不分明性。較多的評(píng)價(jià)因素常會(huì)導(dǎo)致綜合評(píng)價(jià)具有極大的模糊性，而模糊數(shù)學(xué)方法可以彌補(bǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的不足[10]。灰色性指認(rèn)識(shí)的不確定性，許多因素難以用確切數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述，因此信息是不確切的，即評(píng)價(jià)信息是灰色的[11]。繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)同時(shí)存在模糊性和灰色性。本文在傳統(tǒng)模糊灰色法基礎(chǔ)上，提出采用改進(jìn)的模糊灰色法進(jìn)行繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)，其建模步驟如下：

(1) 建立遞階層次評(píng)價(jià)因素集和評(píng)語(yǔ)集。設(shè)評(píng)價(jià)因素集為D={d1,d2,…，dl}(l為評(píng)價(jià)因素個(gè)數(shù))，由此形成遞階層次指標(biāo)體系。根據(jù)繼電保護(hù)裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況，將狀態(tài)評(píng)價(jià)評(píng)語(yǔ)集分成3個(gè)等級(jí)，即評(píng)語(yǔ)集為y={y1,y2,y3}，y1,y2,y3分別對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)等級(jí)為優(yōu)秀、良好和一般。

(3) 確定模糊灰色評(píng)價(jià)矩陣。評(píng)價(jià)矩陣表示評(píng)價(jià)因素集與評(píng)語(yǔ)集之間的灰色模糊關(guān)系。模糊灰色評(píng)價(jià)矩陣由模部和灰部組成。模部以模糊隸屬度來(lái)表征模糊關(guān)系，隸屬度是指因素集對(duì)評(píng)語(yǔ)集的隸屬程度。灰部以點(diǎn)灰度來(lái)表征相應(yīng)模糊隸屬關(guān)系。隸屬度的模糊集合一般通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)表達(dá)。構(gòu)造隸屬函數(shù)的方法主要有模糊統(tǒng)計(jì)方法、專家系數(shù)法、二元統(tǒng)計(jì)排序法、待定系數(shù)法等[14]。本文結(jié)合工礦企業(yè)繼電保護(hù)問(wèn)題的特點(diǎn)，采用非線性隸屬函數(shù)待定系數(shù)法來(lái)構(gòu)造隸屬函數(shù)。首先將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正指標(biāo)和負(fù)指標(biāo)，正指標(biāo)是指狀態(tài)隨該指標(biāo)增大而向好的方向發(fā)展，負(fù)指標(biāo)則是向壞。對(duì)于正負(fù)指標(biāo)，可分別構(gòu)造隸屬函數(shù):

(1)

(2)

式中：u為隸屬度；a,b，c,d為待定系數(shù)。

設(shè)指標(biāo)(包括正負(fù)指標(biāo))最大值為M，最小值為m，則對(duì)于正指標(biāo)，當(dāng)u=M時(shí)，令fA(u)=1；當(dāng)u=m時(shí)，令fA(u)=0。由此可得

(3)

解式(3)得到正指標(biāo)的隸屬函數(shù)為

(4)

對(duì)于負(fù)指標(biāo)，當(dāng)u=M時(shí)，令fB(u)=0；當(dāng)u=m時(shí)，令fB(u)=1。負(fù)指標(biāo)隸屬函數(shù)為

(5)

(4) 綜合評(píng)判。模糊評(píng)價(jià)矩陣的模部和灰部的性質(zhì)不同，因此計(jì)算方式應(yīng)有所區(qū)別[15]。本文中模部采用代數(shù)積算子M(·，+)進(jìn)行計(jì)算，灰部采用M(⊙，+)算子進(jìn)行計(jì)算[16]。

(5) 改進(jìn)評(píng)判結(jié)果。模糊評(píng)價(jià)中常用取大取小算法，在因素較多時(shí)，每一個(gè)因素所分得的權(quán)重往往很小。在模糊合成運(yùn)算中，信息丟失很多，常導(dǎo)致結(jié)果不易分辨和不合理(即模型失效)的情況[17]。為了解決該問(wèn)題，采用加權(quán)平均型模糊算子M(·,⊕)進(jìn)行運(yùn)算，即

(6)

根據(jù)最終評(píng)價(jià)值G*來(lái)確定評(píng)價(jià)結(jié)果。

2　算例分析

某110 kV工礦線路采用RCS-931BM型繼電保護(hù)裝置，其運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　繼電保護(hù)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)

以下為繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)步驟。

(1) 建立評(píng)判指標(biāo)集。針對(duì)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行、維修的歷史記錄及相關(guān)可靠性數(shù)據(jù)，為使評(píng)價(jià)指標(biāo)真實(shí)、易于實(shí)際操作和降低成本，建立了繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，見(jiàn)表2。

表2　繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

(3) 建立模糊灰色關(guān)系矩陣。根據(jù)歷史指標(biāo)d1、檢修指標(biāo)d2及監(jiān)測(cè)指標(biāo)d3的正負(fù)向性計(jì)算隸屬度，進(jìn)一步建立繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)的模糊灰色關(guān)系矩陣。

歷史指標(biāo)d1的模糊灰色關(guān)系矩陣為

檢修指標(biāo)d2的模糊灰色關(guān)系矩陣為

監(jiān)測(cè)指標(biāo)d3的模糊灰色矩陣為

[(0.337 5,0.60)(0.207 5,0.90)

(0.455 0,0.30)]

同理可得檢修指標(biāo)d2的模糊灰色評(píng)判結(jié)果：

(0.509 1,0.10)]

監(jiān)測(cè)指標(biāo)d3的模糊灰色綜合評(píng)判結(jié)果：

(0.260 0,0.10)]

最終得到評(píng)判矩陣：

(0.144 852,0.20)(0.379 76,0.50)]

3　結(jié)語(yǔ)

基于改進(jìn)模糊灰色法的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)方法能夠較好地克服工礦企業(yè)繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)的不分明性和不確切性，較準(zhǔn)確地反映裝置的真實(shí)運(yùn)行狀況，有效減少裝置檢修費(fèi)用，提高裝置可靠性。如何更加全面合理地確定繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以及如何利用大數(shù)據(jù)思想進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)是下一步的研究重點(diǎn)。

[1]陳星田，熊小伏，齊曉光,等.一種用于繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)的大數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015,35(3):539-548.

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[17]胡寶清．模糊理論基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.

Status evaluation of relay protector based on an improved fuzzy-gray method

MA Chunyan1,2,GONG Ying3

(1.College of Electrical and Information Engineering, University of Hubei Automotive Technology,Shiyan 442002, China; 2.College of Information Science and Engineering, University of Wuhan Science and Technology, Wuhan 430081, China； 3.Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid, Foshan 528000, China)

For unclear and inaccurate performance of status evaluation of relay protector, an improved fuzzy-gray method was proposed for the status evaluation problem. Firstly, an index system is constructed from aspects of historical conditions, maintenance conditions and monitoring conditions. Gray point is used to describe inaccuracy of evaluation information. Then nonlinear membership functions are constructed to attain membership, so as to get fuzzy-gray matrix. Finally fuzzy-gray status evaluation for relay protector is carried out, and evaluation result is re-optimized by weighted average operator. The example shows that the method can reflect operating condition of relay protector more accurately.

relay protector; status evaluation; fuzzy-gray method；nonlinear membership function; point gray

1671-251X(2016)06-0061-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.015

2016-01-03；

2016-04-16；責(zé)任編輯：李明。

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B2015122)。

馬春艷(1980-)，女，吉林長(zhǎng)春人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)，E-mail:mcyjsy@126.com。

TD611.5

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-27 17:14

馬春艷，龔瑛.基于改進(jìn)模糊灰色法的繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評(píng)價(jià)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(6)：61-64.