基于馬爾可夫理論的繼電保護系統(tǒng)可靠性評估

0設置“過修”模式電力繼護設備的不正確運行，不僅會增加電氣系統(tǒng)的故障率，還會導致電氣系統(tǒng)崩潰、大面積停滯和重大經濟損失。微機繼電保護可以提供自檢或狀態(tài)監(jiān)視,進一步發(fā)現潛在故障并報警,使自身誤動和拒動的可能性大幅降低。目前,我國大部分電力公司依然采用定期檢修TBM(TimeBasedMaintenance)的模式,如大修時間定為4年一次。當檢修周期不符合實際時,有可能導致有些設備未到必須檢修時而進行檢修(稱為過修),或有的設備本應該檢修卻因種種原因而未檢修(稱為欠修)。過修造成巨大浪費,欠修則為整個系統(tǒng)留下隱患。為避免過修和欠修,必須對微機繼電保護設備建立準確的數學模型,研究檢修周期對微機繼電保護設備可靠性的影響,以此來動態(tài)地確定最佳檢修周期。文章利用廣州供電局生產管理信息系統(tǒng)中的基礎數據,充分考慮工程實際,引入設備自檢系數、檢修成功系數和故障維修系數,建立微機繼電保護設備可靠性分析的馬爾可夫模型,求解出保護設備和被保護元件在各個狀態(tài)的駐留概率,計算微機繼電保護設備的可靠性指標。以檢修周期為自變量,不可用率為因變量,得出計算曲線,確定最佳檢修周期,并分析自檢系數和檢修成功系數對可靠性指標的影響。此外,還編寫了微機繼電保護設備最佳檢修周期的計算軟件,通過與生產信息系統(tǒng)的接口,實現了微機繼電保護設備可靠性的動態(tài)評估。本研究對提高繼電保護設備的運行管理水平,具有重要的理論意義和工程實用價值。1可靠性分析與計算電力系統(tǒng)可靠性評估的基本方法有解析法和Monte-Carlo模擬法2種。微機繼電保護設備與被保護元件構成的系統(tǒng),其可能處于的狀態(tài)和狀態(tài)間轉移很明確,宜采用頻率-持續(xù)時間(FD)法進行可靠性分析。文獻建立了繼電保護裝置的馬爾可夫模型,但未考慮繼電保護裝置與被保護元件之間的影響,模型不準確。文獻建立了繼電保護系統(tǒng)(包括保護裝置和被保護元件)的可靠性模型,研究了保護裝置最佳檢修周期的確定,分析了影響因素。但其中的若干假設與生產實際存在差異,如定期檢修可以檢查出保護裝置的全部故障;檢修過程不會產生新的故障等。這些差異導致計算結果在實際應用中存在困難。1.1設置已被排除的故障的設備工作環(huán)境應用FD法研究微機繼電保護系統(tǒng)可靠性時,需要考慮系統(tǒng)可能處于的各種狀態(tài)和狀態(tài)間的轉移關系。系統(tǒng)由微機繼電保護裝置P和被保護元件C組成,C有正常工作、故障維修2種狀態(tài),P有正常工作、拒動、誤動、維修、定期檢修5種狀態(tài)。用于可靠性分析的狀態(tài)空間模型應考慮所有的情況。在對微機繼電保護系統(tǒng)可能處于的各種狀態(tài)進行分析時,必須考慮如下的實際問題:a.對P進行維修或定期檢修時,P必須停運;b.對設備進行維修時并不一定能排除全部故障;c.盡管檢查出的故障在絕大多數情況下都能成功修復,但定期檢修時可能無法發(fā)現全部的潛在故障,進行定期檢修有時甚至可能會把完好的元件變成故障。上述問題b、c中未被排除的故障可能會被微機繼電保護的自檢發(fā)現從而發(fā)出警報通知工作人員進行維修,也可能未被自檢發(fā)現而變?yōu)闈撛诠收?使設備工作在有隱患的狀態(tài)。微機繼電保護系統(tǒng)可能處于的各種狀態(tài)示于圖1,圖中C表示被保護元件;CL表示與C相鄰的元件;P表示保護裝置;UP表示C或P處于正常運行狀態(tài);DN表示C或P處于故障狀態(tài);ISO表示C因檢修或故障而處于隔離狀態(tài),已從一次系統(tǒng)中斷開;INS表示對P進行定期檢修的狀態(tài),REP表示P處于維修狀態(tài)。狀態(tài)1表示C和P均處于正常運行狀態(tài);狀態(tài)2是指C發(fā)生故障后,P正確動作使C隔離的狀態(tài);狀態(tài)3是C正常工作而P處于維修的狀態(tài);狀態(tài)4是指P先發(fā)生故障且在修復成功之前C又發(fā)生故障的情況;狀態(tài)5表示微機繼電保護自身整定錯誤或有硬件故障而自檢未檢出;狀態(tài)6是指區(qū)外或反方向故障時P正確反應且未跳閘的情況;狀態(tài)7是指P誤動而使本無故障的C隔離的情況;狀態(tài)8表示故障范圍擴大后的狀態(tài),即P先發(fā)生了故障但未被發(fā)現,在之后的某時C恰好也出現了故障,導致兩者都不可用,由于P不能正確動作,使得故障范圍進一步擴大,遠后備保護動作來隔離C;狀態(tài)9表示對繼電保護設備進行定期檢修。1.2定期檢修狀態(tài)在狀態(tài)1,C和P都正常工作,考慮下面一些轉移。a.C發(fā)生故障,若P正確動作并將C隔離,則進入狀態(tài)2;C經過檢修后恢復正常,則又返回工作狀態(tài)1。b.P發(fā)生故障,若被自檢檢出,則進入狀態(tài)3進行維修;維修P成功則返回狀態(tài)1。e.P的保護區(qū)外或反方向故障時而P在未跳閘的情況下有選擇性地正確反應,進入狀態(tài)6;整組復歸后返回狀態(tài)1。f.P誤動使本無故障的C隔離,進入狀態(tài)7。g.進行定期檢修,進入狀態(tài)9;定期檢修時發(fā)現并成功排除故障返回狀態(tài)1。在狀態(tài)2,C故障被正確動作的P隔離,若C修復之前P又故障,則進入狀態(tài)8;狀態(tài)8下,P修復后返回狀態(tài)2。在狀態(tài)3,對P進行維修,若維修不成功而使設備有潛在故障,自檢也未檢出,則進入狀態(tài)5;狀態(tài)3下對P進行維修,若此時C發(fā)生故障,則進入狀態(tài)4。在狀態(tài)4,若P有未被發(fā)現的潛在故障,同時C又出現故障,P無法正確動作,故障范圍擴大,進入狀態(tài)8。在狀態(tài)5,C正常工作,而P由于整定錯誤、接錯線等人為失誤或潛在硬件故障而工作在有隱患的情況下,考慮如下轉移:a.若C又發(fā)生故障,則進入狀態(tài)4;b.若存在整定錯誤、接錯線等人為失誤,當區(qū)外故障時導致P誤動則進入狀態(tài)7;c.若進行定期檢修,進入狀態(tài)9。在狀態(tài)7,C正常工作而P誤動,則進入狀態(tài)3對P進行維修。狀態(tài)8為故障范圍擴大后的狀態(tài),則進入狀態(tài)3對P進行維修。狀態(tài)9為定期檢修的狀態(tài),根據定期檢修的結果,考慮如下轉移:a.成功排除所有故障,進入狀態(tài)1;b.未排除故障或排除部分故障,未成功排除的故障被自檢發(fā)現,進入狀態(tài)3對P進行維修;c.未排除故障或排除部分故障,未成功排除的故障未被自檢發(fā)現,進入狀態(tài)5,此時,微機繼電保護設備工作在有隱患的狀態(tài)下;d.檢修時若C發(fā)生故障,進入狀態(tài)4。1.3誤動故障的確定P、C的硬件故障率分別為FP、FC;P、C的修復率分別為RP、RC;P故障時,C又停運的故障率為FPC;因P的整定錯誤或接線錯誤等人為過失而導致區(qū)外故障時P誤動的故障率為FQW;區(qū)外或反向故障時P啟動而未誤動FQZ;C正常工作時,P誤動的轉移率為FSW;P定期檢修的修復率為RDQ;P啟動至整組復歸所需時間對應的轉移率為RFG。微機繼電保護設備有自檢功能,引入自檢系數γZ,自檢系數表示微機保護設備通過自檢可以發(fā)現自身故障的概率。FSS為單位時間內通過自檢檢測出的P的故障次數,其值為FPγZ;FSF為單位時間內P發(fā)生故障而未被自檢發(fā)現的次數,其值為FP(1-γZ)。1.4生故障時的修復為解決1.1節(jié)中述及的問題b和問題c,引入保護設備的檢修成功系數和故障維修系數。檢修成功系數定義為每次對P進行定期檢修時可以成功發(fā)現并排除故障的概率,設為γD;故障維修系數定義為P發(fā)生故障時可以成功修復P的概率,設為γG。當發(fā)生故障時,一般都有故障相應的表現特征,如不同的警鈴或報文傳輸或特殊的信號、燈光顯示等,維修人員絕大多數情況下可以根據故障特征,利用儀器辨明、處理故障,基于此,可以將故障維修系數γG設為常數,這是符合生產實際的。P定期檢修的修復率為RDQ,則狀態(tài)9向狀態(tài)1的轉移率RDS=γDRDQ;狀態(tài)9向狀態(tài)3的轉移率FFS=(1-γD)γZRDQ;而狀態(tài)9向狀態(tài)5的轉移率FFF=(1-γD)(1-γZ)RDQ。P修復率為RP,則狀態(tài)3向狀態(tài)1的轉移率為RRS=RPγG;狀態(tài)3向狀態(tài)5的轉移率FRF=RP(1-γG)。2微型計算機維修設備的可靠性計算2.1不可用率指標全面考慮微機繼電保護系統(tǒng)可能處于的各種狀態(tài)及狀態(tài)間的轉移關系,就可進一步列寫隨機轉移概率矩陣,并求解出各個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率。微機繼電保護裝置的可靠性可以用不可用率這一指標來表征,不可用率即指微機繼電保護裝置不可用的概率。轉移概率矩陣為以不可用率U為目標變量,以檢修周期T為自變量,研究U隨T的變化情況,使U最低的T值即為最佳檢修周期。2.2基于rrc軟件的數據規(guī)則設計根據上述分析的模型和算法,利用Matlab語言編寫了微機繼電保護設備可靠性計算軟件(RRC)。通過與生產信息系統(tǒng)的接口,實現了對微機繼電保護設備的可靠性動態(tài)評估。該軟件可以接受并辨別數據、輸出圖像和數值,具有計算速度快、占用內存小、輸出可視化圖像、容易嵌入系統(tǒng)軟件等優(yōu)點。該軟件既可嵌入生產管理信息系統(tǒng)對微機繼電保護設備最佳檢修周期進行實時計算和反饋,也可使用數據輸入窗口離線計算。這里以變壓器的微機繼電保護為例,所用的數據為生產管理信息系統(tǒng)的統(tǒng)計數據典型值。使用RRC軟件進行計算,微機繼電保護設備不可用率隨檢修周期變化的曲線如圖2所示。結果表明,當定期檢修周期定為5.76年(a點)即2102天時,不可用率最低,此時U=0.06857135。經驗表明,對繼電保護設備的檢修周期不宜少于4年,因使用年限小于4年的繼電保護設備一般處于偶然故障期,進行檢修也無法有效地檢測排除所有故障,甚至在檢修時常會出現人為制造缺陷的情況。繼電保護設備的壽命一般為10年,經驗表明設備運行7~8年之后進入損耗故障期,因此檢修周期一般應短于7年。此項研究之前,廣州供電局對變壓器微機繼電保護設備進行定期檢修的時間間隔一般為5年或6年,本結果符合生產實際。3檢修成功系數對基礎保護裝置性能的影響影響微機繼電保護設備最佳檢修周期的因素有多種,分別對各種因素做靈敏度分析,結果表明,自檢系數、檢修成功系數對最佳檢修周期的影響較大。其他參數使用典型值,單獨變化自檢系數值,考察它對微機繼電保護設備的最佳檢修周期和不可用率的影響,結果如圖3所示。由圖3中的關系曲線可知,自檢系數的提高一方面會使設備的不可用率降低,有效地提高微機繼電保護設備的可靠性。另一方面,自檢系數的提高可延長微機繼電保護設備的最佳檢修周期,從而減少維護的工作量,節(jié)省大量的人力物力,提高工作效率。因此,研制自檢系數高的微機繼電保護設備,完善自檢功能,對提高可靠性水平非常必要。用同樣的方法考察檢修成功系數的影響,結果如圖4所示。檢修成功系數越高,不可用率越低,同時最佳檢修周期呈現縮短的趨勢,增加了維護工作量。如果檢修成功系數低于0.6時,最佳檢修周期會變得很長,原因是檢修成功系數表示對設備進行定期檢修的水平,檢修成功系數越小,定期檢修的效果越差,則最佳檢修周期應越長,這是符合實際的,當檢修成功系數小到一定程度,甚至可能出現“定期檢修不如不檢修”,此時最佳檢修周期即為無窮大。4機械主理質量監(jiān)控系統(tǒng)在我機病毒檢測a.分析了微機繼電保護設備可靠性,考慮了微機繼電保護的不同狀態(tài),引入了設備的自檢系數、檢修成功系數和故障維修系數,改進了可靠性分析的狀態(tài)空間圖,完善了可靠性分析模型,求解了可靠性指標。b.分析結果表明自檢系數的提高可以降低微機繼電保護設備的不可用率,同時延長其最佳檢修周期。開發(fā)性能可靠,具有完善自檢功能的微機繼電保護設備是提高可用率的主要措施。提高設備的檢修質量,也可以提高可靠性水平,但也使維護工作量增加。參數全取典型值時,設備的最佳檢修周期為2102天。c.編寫了微機繼電保護設備最佳檢修周期的計算軟件,實現了對設備的可靠性動態(tài)評估。該軟