繼電保護(hù)裝置綜合評價(jià)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鄧琦文，張 揚(yáng)，何志勤

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司撫州供電分公司，江西 撫州 344000；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司信息通信分公司，江西 南昌330031；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力調(diào)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(hù)部門提供的繼電保護(hù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)匯總，區(qū)別于傳統(tǒng)的全壽命周期成本模型，文中通過引入故障維護(hù)費(fèi)用和故障引發(fā)停電費(fèi)用的雙懲罰函數(shù)，使模型更準(zhǔn)確全面地反映繼電保護(hù)裝置臺賬中的信息。結(jié)合現(xiàn)有臺賬數(shù)據(jù)中的底層指標(biāo)，用改進(jìn)的三角模糊層次分析法對其進(jìn)行賦權(quán)，量化無法直接進(jìn)行比較的指標(biāo)，將指標(biāo)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)評分，將最終結(jié)果以數(shù)據(jù)方式客觀地展示不同廠商的優(yōu)劣。

該系統(tǒng)使用URL作為評價(jià)系統(tǒng)的接口接入到OMS（智能調(diào)度管理系統(tǒng)）中，支持專業(yè)人員根據(jù)需求獲取全壽命周期費(fèi)用對比數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲層采用Mybatis和JBDC兩種方式進(jìn)行持久化，從而提高繼電保護(hù)設(shè)備可靠性、降低運(yùn)維費(fèi)用。采用Tomcat作為系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器，客戶端采用瀏覽器形式，各市、縣供電公司繼電保護(hù)專業(yè)人員可通過瀏覽器訪問系統(tǒng)和錄入所轄區(qū)域配電網(wǎng)繼保裝置全壽命周期數(shù)據(jù)，進(jìn)而開展評價(jià)工作。為了直觀展示綜合評價(jià)分析結(jié)果，各類費(fèi)用分析結(jié)果可使用柱狀、折線、餅狀等圖形顯示。結(jié)合省調(diào)繼電保護(hù)專業(yè)工作需求，支持專業(yè)人員根據(jù)自身需求獲取對應(yīng)時(shí)段的配電網(wǎng)繼保裝置缺陷特性和全壽命周期費(fèi)用對比數(shù)據(jù)。

1 全壽命周期繼電保護(hù)裝置費(fèi)用模型

電力設(shè)備全壽命周期成本包括裝置從購置到報(bào)廢的五個(gè)階段：購置、運(yùn)行、維護(hù)、檢修和報(bào)廢處置[1]。在這五個(gè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，全壽命周期LCC（life cycle cost）計(jì)算模型能精準(zhǔn)的計(jì)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(fèi)用；CM為故障維護(hù)期間的費(fèi)用；CP為懲罰費(fèi)用；CO為運(yùn)行費(fèi)用；CF為裝置退役處置費(fèi)用。因?yàn)橄鄬ζ渌M(fèi)用較小，文中為方便后期對繼電保護(hù)廠商進(jìn)行綜合評價(jià)，設(shè)定運(yùn)行費(fèi)用CO和退役處置費(fèi)用CF在全壽命周期內(nèi)費(fèi)用為0。

2 引入雙懲罰函數(shù)的全壽命周期費(fèi)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(biāo)決策分析方法。

其基本工作流程是：將復(fù)雜問題分解成各組成部分，首先針對每一層次的指標(biāo)構(gòu)建對應(yīng)的判斷矩陣，將判斷矩陣中每個(gè)元素進(jìn)行歸一化處理，然后計(jì)算三個(gè)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(jì)算一致性比例，來檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，如果一致性檢驗(yàn)結(jié)果不滿足條件，則重復(fù)以上流程重新構(gòu)建判斷矩陣直至其一致性檢驗(yàn)結(jié)果合格。如果判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)滿足條件，即可求取對應(yīng)層次中元素的權(quán)重。

2.2 引入故障維護(hù)懲罰費(fèi)用的預(yù)估模型

根據(jù)繼電保護(hù)臺賬數(shù)據(jù)，咨詢行業(yè)專家意見，確定了故障發(fā)生次數(shù)，故障發(fā)生時(shí)間（故障發(fā)生時(shí)離投運(yùn)年限），維修費(fèi)用三個(gè)指標(biāo)，用AHP來確定三個(gè)指標(biāo)相對于故障維護(hù)的權(quán)重值，所得判斷矩陣如表1所示。

表1 指標(biāo)判斷矩陣

通過一次性檢驗(yàn)，得到各指標(biāo)權(quán)重為[0.442 8 0.313 8 0.243 4]。

其中指標(biāo)“故障發(fā)生時(shí)間”為極大型指標(biāo)，指標(biāo)“故障發(fā)生次數(shù)”、“維修費(fèi)用”為極小型指標(biāo)，將臺賬中各廠商三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)量排序，再乘指標(biāo)權(quán)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(guān)系，廠商排名越高，所需要的維護(hù)懲罰費(fèi)用越高。設(shè)定懲罰金額最高基準(zhǔn)為參與評價(jià)的所有廠商繼電保護(hù)設(shè)備購置價(jià)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(fèi)用如式（2）。

2.3 引入停電懲罰費(fèi)用的預(yù)估模型

根據(jù)《三次產(chǎn)業(yè)劃分規(guī)定》及《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》（GBIT 4754-2011）等國家標(biāo)準(zhǔn)，電力用戶被分為以下四類：第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)用戶及城鄉(xiāng)居民。

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

式中：EENS為供缺電量，kW·h；R為產(chǎn)電比，元/（kW·h）。

選取第一產(chǎn)業(yè)的典型代表農(nóng)業(yè)，第二產(chǎn)業(yè)的典型代表工業(yè)，第三產(chǎn)業(yè)的典型代表商業(yè)，城鄉(xiāng)居民停電損失相對于前三類產(chǎn)業(yè)較小，所以文中不參與計(jì)算。表2是三大產(chǎn)業(yè)停電損失費(fèi)用表[2]。

表2 三大產(chǎn)業(yè)停電損失費(fèi)用表元／kW·h

由文獻(xiàn)[3]可知，通過調(diào)研不同地域不同經(jīng)營規(guī)模的種植園、畜牧飼養(yǎng)場和水產(chǎn)品養(yǎng)殖區(qū)等農(nóng)業(yè)用戶，在其用電特性、停電損失特性的基礎(chǔ)上，對大量停電損失數(shù)據(jù)擬合分析得出農(nóng)林牧漁業(yè)經(jīng)濟(jì)損失與停電持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線近似滿足“S”型，引用邏輯斯蒂函數(shù)建立第一產(chǎn)業(yè)用戶損失評估模型如式（4）。

2.3.1 非線性函數(shù)的預(yù)處理

得到的停電損失費(fèi)用數(shù)據(jù)后，通常情況下停電損失與停電持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系不是線性的，一般采用3種方法來處理[4]。

1）轉(zhuǎn)化為分段的線性關(guān)系，所得到的函數(shù)是分段的直線函數(shù)，按各個(gè)時(shí)間段或不同的斜率來計(jì)算；

2）轉(zhuǎn)化為近似光滑的曲線，按單一曲線函數(shù)關(guān)系來計(jì)算；

3）轉(zhuǎn)化為分段的曲線關(guān)系，按不同的曲線段來計(jì)算。

經(jīng)過數(shù)據(jù)的預(yù)處理，根據(jù)停電帶來的損失影響，提出兩點(diǎn)模型假設(shè)：

①假設(shè)1：

當(dāng)發(fā)生的停電時(shí)間足夠長，停電損失與停電持續(xù)時(shí)間基本呈線性關(guān)系，單位功率停電損失函數(shù)末端直線段的斜率近似等于生產(chǎn)用戶消耗1kW·h電量所產(chǎn)出的平均效益。其數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（5）。

式中：t為用戶缺供電持續(xù)時(shí)間，h；f(t)為用戶缺供電損失函數(shù)，元/kW；為用戶1kW·h電量生產(chǎn)產(chǎn)品得到的平均效益，元／kW·h。

②假設(shè)2：

不同用戶具有相似的產(chǎn)業(yè)性質(zhì)其停電損失函數(shù)也相似，可根據(jù)一類用戶的停電損失函數(shù)映射得到另一同類用戶停電損失函數(shù)。其數(shù)學(xué)見式（6）。

式中：所提兩種性質(zhì)相近的A用戶和B用戶的停電損失函數(shù)為f1(t)和f2(t)；A用戶和B用戶每千瓦時(shí)電量生產(chǎn)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(shù)的修正比例系數(shù)。

依據(jù)表2中數(shù)據(jù)得該地區(qū)第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的停電損失函數(shù)曲線，如圖1所示：

圖1 第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的停電損失函數(shù)曲線

針對圖1使用matlab軟件對其進(jìn)行多項(xiàng)式分段擬合，可以得到第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的單位負(fù)荷停電損失函數(shù)fTW1(t)與fTH1(t)，見式（7）和式（8）。

2.3.2 停電損失函數(shù)的計(jì)算

由當(dāng)?shù)啬茉淳止_數(shù)據(jù)可知第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)年用電產(chǎn)量E，見表3所示；由當(dāng)?shù)卣甓葓?bào)告可知當(dāng)?shù)啬闓DP產(chǎn)值。

表3 某地區(qū)各類產(chǎn)業(yè)用電量及電價(jià)

全年地區(qū)生產(chǎn)總值為25691.50億元，按可比價(jià)格計(jì)算，增長3.8%其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值2241.59億元，增長2.2%；第二產(chǎn)業(yè)增加值11 084.83億元，增長4.0%；第三產(chǎn)業(yè)增加值12 365.08億元，增長4.0%。

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，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(shí)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)得到修正比例系數(shù)K：

由上述假設(shè)2，可求得得第二、三產(chǎn)業(yè)停電損失函數(shù)：

參考電力系統(tǒng)IEEE33節(jié)點(diǎn)參數(shù)，35 kV負(fù)荷均值P=844.4 kW，則直接停電損失見式（17）。

由此可得單位負(fù)荷情況下停電損失評估表，見表4所示：

表4 單位負(fù)荷停電損失評估表

3 基于多指標(biāo)模糊信息繼電保護(hù)綜合評價(jià)體系

3.1 繼電保護(hù)裝置指標(biāo)特點(diǎn)

繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)獲取與評價(jià)過程都具有模糊性，文中建立的綜合評價(jià)體系包含多個(gè)指標(biāo)，這些指標(biāo)具有不同的屬性和單位量綱，綜合評價(jià)之前需要對其采用數(shù)學(xué)變換方法消除指標(biāo)類型與單位量綱等差異。由于繼電保護(hù)廠商及裝置種類的復(fù)雜性，很難準(zhǔn)確了解綜合評價(jià)中各環(huán)節(jié)的相對重要程度，采用三角模糊層次分析法對指標(biāo)間相互的關(guān)系進(jìn)行模糊評判，可以有效地解決這一問題。

3.2 改進(jìn)的三角模糊層次分析法評價(jià)流程

三角模糊層次分析法是一種應(yīng)用三角模糊數(shù)進(jìn)行層次分析的方法，其最大特點(diǎn)是將三角模糊數(shù)以及模糊層次分析法進(jìn)行了結(jié)合，對三角模糊數(shù)的對數(shù)使用最小二乘法，利用三角模糊數(shù)代替了整數(shù)1-9來進(jìn)行指數(shù)標(biāo)度，并通過對模糊數(shù)比較大小原理的運(yùn)用，確定了指標(biāo)排序的權(quán)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(jì)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(quán)重計(jì)算中也存在無效結(jié)果，因此文中采用一種改進(jìn)的帶有模糊判斷調(diào)節(jié)因子的三角模糊層次分析法[6]，可以有效解決所提出的計(jì)算缺陷，使剛性評判轉(zhuǎn)化為彈性評判，使綜合評價(jià)結(jié)果更合理客觀。

改進(jìn)的三角模糊層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，具體步驟如下：

1）構(gòu)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(qū)間；

2）對中值矩陣M進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算M的最大特征值，對其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)；

3）構(gòu)造模糊評判因子矩陣E，見式（18）：

式中：eij是標(biāo)準(zhǔn)離差率，其數(shù)學(xué)意義為專家評判結(jié)果的模糊程度。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)離差率的值越小，評價(jià)的模糊度越小，評判結(jié)果可信度就越高；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)離差率的值越大，評價(jià)的模糊度越大，評判結(jié)果可信度就越低。

4）計(jì)算調(diào)整判斷矩陣Q見式（19）：

5）對調(diào)整判斷矩陣Q使用列轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)化為對角線全1的判斷矩陣；

6）采用方根法求解各指標(biāo)權(quán)重值；

3.3 算例分析

三角模糊層次分析法的計(jì)算步驟

通過某電力公司選取20名具有相關(guān)領(lǐng)域?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的專家，專家組成員來自運(yùn)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(yè)分如表5所示。

表5 專家組對廠商專業(yè)分值

對專家問卷所反饋的信息使用三角模糊數(shù)構(gòu)造一級指標(biāo)專家組模糊判別矩陣如表6所示。

表6 專家判別矩陣

計(jì)算中值矩陣M見式（20）：

構(gòu)造模糊評判因子矩陣E見式（21）：

計(jì)算調(diào)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(biāo)權(quán)重值，見表7。

表7 各指標(biāo)權(quán)重表

基于改進(jìn)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(jià)最好，廠商A第二，廠商C第三，隨著指標(biāo)的擴(kuò)充，裝置保護(hù)信息收集得更完善，相對于其他評價(jià)方法，改進(jìn)的三角模糊層次分析法具有更好的評價(jià)結(jié)果，所以擬定其作為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)確定底層指標(biāo)的評價(jià)方法。

受篇幅限制及指標(biāo)收集情況，文中只計(jì)算二級指標(biāo)的權(quán)重，繼電保護(hù)裝置綜合評價(jià)各級指標(biāo)及權(quán)重見表8所示。

表8 各級指標(biāo)及權(quán)重

4 繼電保護(hù)裝置綜合評價(jià)體系功能需求及實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

文中所建立的評價(jià)系統(tǒng)功能需求總體目標(biāo)是：在智能調(diào)度管理系統(tǒng)（OMS）中，接入配電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置綜合評價(jià)系統(tǒng)，作為現(xiàn)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(jìn)的三角模糊層次分析法作為內(nèi)核對繼電保護(hù)裝置廠商進(jìn)行綜合評價(jià)，使用統(tǒng)計(jì)分析錄入的裝置基本信息來計(jì)算出不同繼電保護(hù)廠商保護(hù)裝置的全壽命周期費(fèi)用，再將其轉(zhuǎn)換為評分，給電力采購部門提供采購分析依據(jù)。該系統(tǒng)與省調(diào)的OMS系統(tǒng)作權(quán)限集成，并通過省調(diào)OMS授權(quán)登錄。系統(tǒng)作為一個(gè)OMS系統(tǒng)的外置內(nèi)嵌子系統(tǒng)，與OMS共享用戶、權(quán)限、繼電保護(hù)設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、廠站數(shù)據(jù)、繼電保護(hù)設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)等。

4.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

前端：采用vue框架、html、css等實(shí)現(xiàn)界面顯示，通過前端向后端發(fā)送請求獲取數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)來源模塊中新加的數(shù)據(jù)來源訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和已有功能的訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一通用的數(shù)據(jù)存儲訪問層[8]。為了方便數(shù)據(jù)源訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一通用的數(shù)據(jù)存儲訪問層。

接口設(shè)計(jì)：內(nèi)部接口為系統(tǒng)內(nèi)部與數(shù)據(jù)庫接口為SQL鏈接，客戶端通過配置數(shù)據(jù)源與服務(wù)器建立鏈接。外部接口設(shè)計(jì)為國家統(tǒng)計(jì)局歷年通貨膨脹率url。

4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由3大模塊組成：

系統(tǒng)管理：實(shí)現(xiàn)用戶端的安全訪問，解決系統(tǒng)權(quán)限管理、資源理及統(tǒng)權(quán)限審查問題，實(shí)現(xiàn)操作數(shù)據(jù)回溯和用戶操作記錄的功能。

設(shè)備故障管理：實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置信息和故障信息的增刪查改功能，包括對廠商進(jìn)行管理和區(qū)域劃分進(jìn)行調(diào)整的功能，為便捷用戶的操作，分設(shè)了保護(hù)對象管理、設(shè)備名稱管理、設(shè)備型號管理等項(xiàng)目管理，這些只是對設(shè)備故障管理中的某些字段進(jìn)行管理，方便用戶的對設(shè)備及其關(guān)聯(lián)信息的錄入。

綜合評價(jià)分析與統(tǒng)計(jì)：綜合評價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最后的分析功能，分為全壽命周期費(fèi)用計(jì)算、廠商評分計(jì)算和保護(hù)設(shè)備的年故障率計(jì)算等功能，并以多圖形可視化的方式將數(shù)據(jù)展示出來。

4.4 系統(tǒng)功能界面設(shè)計(jì)

登錄界面見圖3所示。

圖3 系統(tǒng)登錄界面圖

4.5 部分保護(hù)裝置狀態(tài)評價(jià)操作流程

選定一級區(qū)域，自動(dòng)顯示一級區(qū)域下的二級區(qū)域，選定二級區(qū)域可顯示該二級區(qū)域下的默認(rèn)變電站下的裝置信息，如需顯示該二級區(qū)域下的其他變電站下的裝置信息，或者其他保護(hù)類型的裝置信息，可在下圖所示位置進(jìn)行修改，修改后點(diǎn)擊查詢即可顯示滿足需求的設(shè)備信息，見圖4所示。

圖4 錄入變電站操作圖

4.6 保護(hù)設(shè)備狀態(tài)評價(jià)查看及廠商綜合排名

點(diǎn)擊“綜合評價(jià)分析模塊”篩選所要分析的條件，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)分析”后如圖5所示。

圖5 繼電保護(hù)裝置狀態(tài)評價(jià)圖

在圖3中勾選需要的分析選項(xiàng)即可篩選對應(yīng)的信息進(jìn)行分析。

評分分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)綜合評價(jià)報(bào)告及廠商排名圖

5 結(jié)語

繼電保護(hù)設(shè)備管理目前處于探索階段，還能進(jìn)一步做好繼電保護(hù)裝置綜合評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，提高評價(jià)的準(zhǔn)確性。在未來，該系統(tǒng)還能從以下幾方面開展研究：

1）智能調(diào)度管理平臺（OMS）有很多子功能，繼電保護(hù)裝置的綜合評價(jià)沒有和其他子功能產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，無法更好的利用彼此數(shù)據(jù)。電力物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，信息化建設(shè)將更為廣泛與重要，以電網(wǎng)為樞紐，發(fā)揮平臺的合作共享功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共通，使各子功能更加高效與精準(zhǔn)。

2）針對繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障，不同廠商繼電保護(hù)裝置部署的區(qū)域不同，不同的區(qū)域不同的裝置發(fā)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(jià)系統(tǒng)結(jié)果更客觀準(zhǔn)確。