繼電保護裝置綜合評價系統的研究與應用

鄧琦文，張 揚，何志勤

（1.國網江西省電力有限公司撫州供電分公司，江西 撫州 344000；2.國網江西省電力有限公司信息通信分公司，江西 南昌330031；3.國網江西省電力有限公司電力調度控制中心，江西 南昌 330077）

0 引言

對江西省所轄的地市及省檢修繼電保護部門提供的繼電保護數據，進行設備臺賬數據匯總，區別于傳統的全壽命周期成本模型，文中通過引入故障維護費用和故障引發停電費用的雙懲罰函數，使模型更準確全面地反映繼電保護裝置臺賬中的信息。結合現有臺賬數據中的底層指標，用改進的三角模糊層次分析法對其進行賦權，量化無法直接進行比較的指標，將指標轉化為對應評分，將最終結果以數據方式客觀地展示不同廠商的優劣。

該系統使用URL作為評價系統的接口接入到OMS（智能調度管理系統）中，支持專業人員根據需求獲取全壽命周期費用對比數據。數據存儲層采用Mybatis和JBDC兩種方式進行持久化，從而提高繼電保護設備可靠性、降低運維費用。采用Tomcat作為系統的應用服務器，客戶端采用瀏覽器形式，各市、縣供電公司繼電保護專業人員可通過瀏覽器訪問系統和錄入所轄區域配電網繼保裝置全壽命周期數據，進而開展評價工作。為了直觀展示綜合評價分析結果，各類費用分析結果可使用柱狀、折線、餅狀等圖形顯示。結合省調繼電保護專業工作需求，支持專業人員根據自身需求獲取對應時段的配電網繼保裝置缺陷特性和全壽命周期費用對比數據。

1 全壽命周期繼電保護裝置費用模型

電力設備全壽命周期成本包括裝置從購置到報廢的五個階段：購置、運行、維護、檢修和報廢處置[1]。在這五個指標的基礎上，全壽命周期LCC（life cycle cost）計算模型能精準的計算出不同情況下全周期的成本，其成本模型如式（1）:

式中：CI裝置初始購置費用；CM為故障維護期間的費用；CP為懲罰費用；CO為運行費用；CF為裝置退役處置費用。因為相對其他費用較小，文中為方便后期對繼電保護廠商進行綜合評價，設定運行費用CO和退役處置費用CF在全壽命周期內費用為0。

2 引入雙懲罰函數的全壽命周期費用模型

2.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是一種把定量和定性問題綜合考慮的多目標決策分析方法。

其基本工作流程是：將復雜問題分解成各組成部分，首先針對每一層次的指標構建對應的判斷矩陣，將判斷矩陣中每個元素進行歸一化處理，然后計算三個層次所隸屬判斷矩陣的最大特征向量，將求解的最大特征值計算一致性比例，來檢驗判斷矩陣的一致性，如果一致性檢驗結果不滿足條件，則重復以上流程重新構建判斷矩陣直至其一致性檢驗結果合格。如果判斷矩陣的一致性檢驗滿足條件，即可求取對應層次中元素的權重。

2.2 引入故障維護懲罰費用的預估模型

根據繼電保護臺賬數據，咨詢行業專家意見，確定了故障發生次數，故障發生時間（故障發生時離投運年限），維修費用三個指標，用AHP來確定三個指標相對于故障維護的權重值，所得判斷矩陣如表1所示。

表1 指標判斷矩陣

通過一次性檢驗，得到各指標權重為[0.442 8 0.313 8 0.243 4]。

其中指標“故障發生時間”為極大型指標，指標“故障發生次數”、“維修費用”為極小型指標，將臺賬中各廠商三個指標進行數量排序，再乘指標權重，得到參與排名的所有廠商（n）最終排名，最終排名按照1到n排序，最終的廠商排名與懲罰金額呈正比例關系，廠商排名越高，所需要的維護懲罰費用越高。設定懲罰金額最高基準為參與評價的所有廠商繼電保護設備購置價格平均值CI平的10%，即CI平，最后按照層次分析法得到的最終廠商排名，最終懲罰費用如式（2）。

2.3 引入停電懲罰費用的預估模型

根據《三次產業劃分規定》及《國民經濟行業分類》（GBIT 4754-2011）等國家標準，電力用戶被分為以下四類：第一、第二、第三產業用戶及城鄉居民。

文中計算電力用戶停電損失采取產電比法，其用于計算某一區域的產電比，計算生產總值與電能消耗量的比值。利用產電比法求解停電損失就是將該區域產電比與停電時間內供缺電量相乘，如式（3）。

式中：EENS為供缺電量，kW·h；R為產電比，元/（kW·h）。

選取第一產業的典型代表農業，第二產業的典型代表工業，第三產業的典型代表商業，城鄉居民停電損失相對于前三類產業較小，所以文中不參與計算。表2是三大產業停電損失費用表[2]。

表2 三大產業停電損失費用表元／kW·h

由文獻[3]可知，通過調研不同地域不同經營規模的種植園、畜牧飼養場和水產品養殖區等農業用戶，在其用電特性、停電損失特性的基礎上，對大量停電損失數據擬合分析得出農林牧漁業經濟損失與停電持續時間關系曲線近似滿足“S”型，引用邏輯斯蒂函數建立第一產業用戶損失評估模型如式（4）。

2.3.1 非線性函數的預處理

得到的停電損失費用數據后，通常情況下停電損失與停電持續時間之間的關系不是線性的，一般采用3種方法來處理[4]。

1）轉化為分段的線性關系，所得到的函數是分段的直線函數，按各個時間段或不同的斜率來計算；

2）轉化為近似光滑的曲線，按單一曲線函數關系來計算；

3）轉化為分段的曲線關系，按不同的曲線段來計算。

經過數據的預處理，根據停電帶來的損失影響，提出兩點模型假設：

①假設1：

當發生的停電時間足夠長，停電損失與停電持續時間基本呈線性關系，單位功率停電損失函數末端直線段的斜率近似等于生產用戶消耗1kW·h電量所產出的平均效益。其數學表達式見式（5）。

式中：t為用戶缺供電持續時間，h；f(t)為用戶缺供電損失函數，元/kW；為用戶1kW·h電量生產產品得到的平均效益，元／kW·h。

②假設2：

不同用戶具有相似的產業性質其停電損失函數也相似，可根據一類用戶的停電損失函數映射得到另一同類用戶停電損失函數。其數學見式（6）。

式中：所提兩種性質相近的A用戶和B用戶的停電損失函數為f1(t)和f2(t)；A用戶和B用戶每千瓦時電量生產工作所得到的平均效益為P1和P2；k為兩種用戶停電損失函數的修正比例系數。

依據表2中數據得該地區第二產業和第三產業的停電損失函數曲線，如圖1所示：

圖1 第二產業和第三產業的停電損失函數曲線

針對圖1使用matlab軟件對其進行多項式分段擬合，可以得到第二產業和第三產業的單位負荷停電損失函數fTW1(t)與fTH1(t)，見式（7）和式（8）。

2.3.2 停電損失函數的計算

由當地能源局公開數據可知第二產業和第三產業年用電產量E，見表3所示；由當地政府年度報告可知當地年GDP產值。

表3 某地區各類產業用電量及電價

全年地區生產總值為25691.50億元，按可比價格計算，增長3.8%其中，第一產業增加值2241.59億元，增長2.2%；第二產業增加值11 084.83億元，增長4.0%；第三產業增加值12 365.08億元，增長4.0%。

依據上述數據，GTW2和GTH2分別為11084.83億元12 365.08億元，用電總量ETW2和ETH2分別為1 043.49TWh和269.73TWh。

利用求出的PTW1，PTW2，PTH1，PTH2，最后通過真實數據和計算數據得到修正比例系數K：

由上述假設2，可求得得第二、三產業停電損失函數：

參考電力系統IEEE33節點參數，35 kV負荷均值P=844.4 kW，則直接停電損失見式（17）。

由此可得單位負荷情況下停電損失評估表，見表4所示：

表4 單位負荷停電損失評估表

3 基于多指標模糊信息繼電保護綜合評價體系

3.1 繼電保護裝置指標特點

繼電保護裝置數據獲取與評價過程都具有模糊性，文中建立的綜合評價體系包含多個指標，這些指標具有不同的屬性和單位量綱，綜合評價之前需要對其采用數學變換方法消除指標類型與單位量綱等差異。由于繼電保護廠商及裝置種類的復雜性，很難準確了解綜合評價中各環節的相對重要程度，采用三角模糊層次分析法對指標間相互的關系進行模糊評判，可以有效地解決這一問題。

3.2 改進的三角模糊層次分析法評價流程

三角模糊層次分析法是一種應用三角模糊數進行層次分析的方法，其最大特點是將三角模糊數以及模糊層次分析法進行了結合，對三角模糊數的對數使用最小二乘法，利用三角模糊數代替了整數1-9來進行指數標度，并通過對模糊數比較大小原理的運用，確定了指標排序的權重和元素排序[5]。

上述提出的三角模糊層次分析法是目前使用比較廣泛的一種方法，但在計算過程中，該方法對于元素相互間的重要度處理存在一定問題，且權重計算中也存在無效結果，因此文中采用一種改進的帶有模糊判斷調節因子的三角模糊層次分析法[6]，可以有效解決所提出的計算缺陷，使剛性評判轉化為彈性評判，使綜合評價結果更合理客觀。

改進的三角模糊層次分析法計算指標權重，具體步驟如下：

1）構造三角模糊判斷矩陣A=()aijn×n，判斷矩陣中的元素aij（lij，mij，uij）是以mij為中值的閉區間；

2）對中值矩陣M進行一致性檢驗，計算M的最大特征值，對其進行一致性檢驗；

3）構造模糊評判因子矩陣E，見式（18）：

式中：eij是標準離差率，其數學意義為專家評判結果的模糊程度。當標準離差率的值越小，評價的模糊度越小，評判結果可信度就越高；當標準離差率的值越大，評價的模糊度越大，評判結果可信度就越低。

4）計算調整判斷矩陣Q見式（19）：

5）對調整判斷矩陣Q使用列轉換方法轉化為對角線全1的判斷矩陣；

6）采用方根法求解各指標權重值；

3.3 算例分析

三角模糊層次分析法的計算步驟

通過某電力公司選取20名具有相關領域實踐經驗的專家，專家組成員來自運檢、營銷、采購、工程管理等部門，通過問卷反饋得到專家組對廠商的專業分如表5所示。

表5 專家組對廠商專業分值

對專家問卷所反饋的信息使用三角模糊數構造一級指標專家組模糊判別矩陣如表6所示。

表6 專家判別矩陣

計算中值矩陣M見式（20）：

構造模糊評判因子矩陣E見式（21）：

計算調整判斷矩陣見式（22）：

對Q使對角歸一化后的判斷矩陣Q'見式（23）：

采用方根法求解各指標權重值，見表7。

表7 各指標權重表

基于改進的三角模糊層次分析法，廠商百分制得分S見式（24）、式（25）和式（26）。

綜上，三廠商綜合得分S2＞S1＞S3，即廠商B綜合評價最好，廠商A第二，廠商C第三，隨著指標的擴充，裝置保護信息收集得更完善，相對于其他評價方法，改進的三角模糊層次分析法具有更好的評價結果，所以擬定其作為后續系統開發確定底層指標的評價方法。

受篇幅限制及指標收集情況，文中只計算二級指標的權重，繼電保護裝置綜合評價各級指標及權重見表8所示。

表8 各級指標及權重

4 繼電保護裝置綜合評價體系功能需求及實現

4.1 系統總體設計思路

文中所建立的評價系統功能需求總體目標是：在智能調度管理系統（OMS）中，接入配電網繼電保護裝置綜合評價系統，作為現有OMS軟件的子功能。通過引入全壽命周期成本管理理論和改進的三角模糊層次分析法作為內核對繼電保護裝置廠商進行綜合評價，使用統計分析錄入的裝置基本信息來計算出不同繼電保護廠商保護裝置的全壽命周期費用，再將其轉換為評分，給電力采購部門提供采購分析依據。該系統與省調的OMS系統作權限集成，并通過省調OMS授權登錄。系統作為一個OMS系統的外置內嵌子系統，與OMS共享用戶、權限、繼電保護設備基礎數據、廠站數據、繼電保護設備缺陷數據等。

4.2 系統總體框架設計

系統架構圖見圖2所示。

圖2 系統總體架構圖

前端：采用vue框架、html、css等實現界面顯示，通過前端向后端發送請求獲取數據，顯示用戶所需要的界面效果。

后端：SSM框架是Spring，Springboot和MyBatis三大基本框架的集成[7]。為了方便數據來源模塊中新加的數據來源訪問系統數據存儲和已有功能的訪問系統數據存儲，設計了統一通用的數據存儲訪問層[8]。為了方便數據源訪問系統的數據存儲，設計了統一通用的數據存儲訪問層。

接口設計：內部接口為系統內部與數據庫接口為SQL鏈接，客戶端通過配置數據源與服務器建立鏈接。外部接口設計為國家統計局歷年通貨膨脹率url。

4.3 系統結構

系統由3大模塊組成：

系統管理：實現用戶端的安全訪問，解決系統權限管理、資源理及統權限審查問題，實現操作數據回溯和用戶操作記錄的功能。

設備故障管理：實現保護裝置信息和故障信息的增刪查改功能，包括對廠商進行管理和區域劃分進行調整的功能，為便捷用戶的操作，分設了保護對象管理、設備名稱管理、設備型號管理等項目管理，這些只是對設備故障管理中的某些字段進行管理，方便用戶的對設備及其關聯信息的錄入。

綜合評價分析與統計：綜合評價系統實現最后的分析功能，分為全壽命周期費用計算、廠商評分計算和保護設備的年故障率計算等功能，并以多圖形可視化的方式將數據展示出來。

4.4 系統功能界面設計

登錄界面見圖3所示。

圖3 系統登錄界面圖

4.5 部分保護裝置狀態評價操作流程

選定一級區域，自動顯示一級區域下的二級區域，選定二級區域可顯示該二級區域下的默認變電站下的裝置信息，如需顯示該二級區域下的其他變電站下的裝置信息，或者其他保護類型的裝置信息，可在下圖所示位置進行修改，修改后點擊查詢即可顯示滿足需求的設備信息，見圖4所示。

圖4 錄入變電站操作圖

4.6 保護設備狀態評價查看及廠商綜合排名

點擊“綜合評價分析模塊”篩選所要分析的條件，點擊“數據分析”后如圖5所示。

圖5 繼電保護裝置狀態評價圖

在圖3中勾選需要的分析選項即可篩選對應的信息進行分析。

評分分析結果，如圖6所示。

圖6 系統綜合評價報告及廠商排名圖

5 結語

繼電保護設備管理目前處于探索階段，還能進一步做好繼電保護裝置綜合評價的標準化與規范化，提高評價的準確性。在未來，該系統還能從以下幾方面開展研究：

1）智能調度管理平臺（OMS）有很多子功能，繼電保護裝置的綜合評價沒有和其他子功能產生聯動，無法更好的利用彼此數據。電力物聯網時代，信息化建設將更為廣泛與重要，以電網為樞紐，發揮平臺的合作共享功能，實現數據共通，使各子功能更加高效與精準。

2）針對繼電保護設備發生故障，不同廠商繼電保護裝置部署的區域不同，不同的區域不同的裝置發生故障的概率不一樣，在今后的研究改善中可以加入濕度，溫度等外在因素對其帶來的影響，以使評價系統結果更客觀準確。