基于马尔可夫理论的继电保护系统可靠性评估

基于马尔可夫理论的继电保护系统可靠性评估

0设置“过修”模式电力继护设备的不正确运行，不仅会增加电气系统的故障率，还会导致电气系统崩溃、大面积停滞和重大经济损失。微机继电保护可以提供自检或状态监视,进一步发现潜在故障并报警,使自身误动和拒动的可能性大幅降低。目前,我国大部分电力公司依然采用定期检修TBM(TimeBasedMaintenance)的模式,如大修时间定为4年一次。当检修周期不符合实际时,有可能导致有些设备未到必须检修时而进行检修(称为过修),或有的设备本应该检修却因种种原因而未检修(称为欠修)。过修造成巨大浪费,欠修则为整个系统留下隐患。为避免过修和欠修,必须对微机继电保护设备建立准确的数学模型,研究检修周期对微机继电保护设备可靠性的影响,以此来动态地确定最佳检修周期。文章利用广州供电局生产管理信息系统中的基础数据,充分考虑工程实际,引入设备自检系数、检修成功系数和故障维修系数,建立微机继电保护设备可靠性分析的马尔可夫模型,求解出保护设备和被保护元件在各个状态的驻留概率,计算微机继电保护设备的可靠性指标。以检修周期为自变量,不可用率为因变量,得出计算曲线,确定最佳检修周期,并分析自检系数和检修成功系数对可靠性指标的影响。此外,还编写了微机继电保护设备最佳检修周期的计算软件,通过与生产信息系统的接口,实现了微机继电保护设备可靠性的动态评估。本研究对提高继电保护设备的运行管理水平,具有重要的理论意义和工程实用价值。1可靠性分析与计算电力系统可靠性评估的基本方法有解析法和Monte-Carlo模拟法2种。微机继电保护设备与被保护元件构成的系统,其可能处于的状态和状态间转移很明确,宜采用频率-持续时间(FD)法进行可靠性分析。文献建立了继电保护装置的马尔可夫模型,但未考虑继电保护装置与被保护元件之间的影响,模型不准确。文献建立了继电保护系统(包括保护装置和被保护元件)的可靠性模型,研究了保护装置最佳检修周期的确定,分析了影响因素。但其中的若干假设与生产实际存在差异,如定期检修可以检查出保护装置的全部故障;检修过程不会产生新的故障等。这些差异导致计算结果在实际应用中存在困难。1.1设置已被排除的故障的设备工作环境应用FD法研究微机继电保护系统可靠性时,需要考虑系统可能处于的各种状态和状态间的转移关系。系统由微机继电保护装置P和被保护元件C组成,C有正常工作、故障维修2种状态,P有正常工作、拒动、误动、维修、定期检修5种状态。用于可靠性分析的状态空间模型应考虑所有的情况。在对微机继电保护系统可能处于的各种状态进行分析时,必须考虑如下的实际问题:a.对P进行维修或定期检修时,P必须停运;b.对设备进行维修时并不一定能排除全部故障;c.尽管检查出的故障在绝大多数情况下都能成功修复,但定期检修时可能无法发现全部的潜在故障,进行定期检修有时甚至可能会把完好的元件变成故障。上述问题b、c中未被排除的故障可能会被微机继电保护的自检发现从而发出警报通知工作人员进行维修,也可能未被自检发现而变为潜在故障,使设备工作在有隐患的状态。微机继电保护系统可能处于的各种状态示于图1,图中C表示被保护元件;CL表示与C相邻的元件;P表示保护装置;UP表示C或P处于正常运行状态;DN表示C或P处于故障状态;ISO表示C因检修或故障而处于隔离状态,已从一次系统中断开;INS表示对P进行定期检修的状态,REP表示P处于维修状态。状态1表示C和P均处于正常运行状态;状态2是指C发生故障后,P正确动作使C隔离的状态;状态3是C正常工作而P处于维修的状态;状态4是指P先发生故障且在修复成功之前C又发生故障的情况;状态5表示微机继电保护自身整定错误或有硬件故障而自检未检出;状态6是指区外或反方向故障时P正确反应且未跳闸的情况;状态7是指P误动而使本无故障的C隔离的情况;状态8表示故障范围扩大后的状态,即P先发生了故障但未被发现,在之后的某时C恰好也出现了故障,导致两者都不可用,由于P不能正确动作,使得故障范围进一步扩大,远后备保护动作来隔离C;状态9表示对继电保护设备进行定期检修。1.2定期检修状态在状态1,C和P都正常工作,考虑下面一些转移。a.C发生故障,若P正确动作并将C隔离,则进入状态2;C经过检修后恢复正常,则又返回工作状态1。b.P发生故障,若被自检检出,则进入状态3进行维修;维修P成功则返回状态1。e.P的保护区外或反方向故障时而P在未跳闸的情况下有选择性地正确反应,进入状态6;整组复归后返回状态1。f.P误动使本无故障的C隔离,进入状态7。g.进行定期检修,进入状态9;定期检修时发现并成功排除故障返回状态1。在状态2,C故障被正确动作的P隔离,若C修复之前P又故障,则进入状态8;状态8下,P修复后返回状态2。在状态3,对P进行维修,若维修不成功而使设备有潜在故障,自检也未检出,则进入状态5;状态3下对P进行维修,若此时C发生故障,则进入状态4。在状态4,若P有未被发现的潜在故障,同时C又出现故障,P无法正确动作,故障范围扩大,进入状态8。在状态5,C正常工作,而P由于整定错误、接错线等人为失误或潜在硬件故障而工作在有隐患的情况下,考虑如下转移:a.若C又发生故障,则进入状态4;b.若存在整定错误、接错线等人为失误,当区外故障时导致P误动则进入状态7;c.若进行定期检修,进入状态9。在状态7,C正常工作而P误动,则进入状态3对P进行维修。状态8为故障范围扩大后的状态,则进入状态3对P进行维修。状态9为定期检修的状态,根据定期检修的结果,考虑如下转移:a.成功排除所有故障,进入状态1;b.未排除故障或排除部分故障,未成功排除的故障被自检发现,进入状态3对P进行维修;c.未排除故障或排除部分故障,未成功排除的故障未被自检发现,进入状态5,此时,微机继电保护设备工作在有隐患的状态下;d.检修时若C发生故障,进入状态4。1.3误动故障的确定P、C的硬件故障率分别为FP、FC;P、C的修复率分别为RP、RC;P故障时,C又停运的故障率为FPC;因P的整定错误或接线错误等人为过失而导致区外故障时P误动的故障率为FQW;区外或反向故障时P启动而未误动FQZ;C正常工作时,P误动的转移率为FSW;P定期检修的修复率为RDQ;P启动至整组复归所需时间对应的转移率为RFG。微机继电保护设备有自检功能,引入自检系数γZ,自检系数表示微机保护设备通过自检可以发现自身故障的概率。FSS为单位时间内通过自检检测出的P的故障次数,其值为FPγZ;FSF为单位时间内P发生故障而未被自检发现的次数,其值为FP(1-γZ)。1.4生故障时的修复为解决1.1节中述及的问题b和问题c,引入保护设备的检修成功系数和故障维修系数。检修成功系数定义为每次对P进行定期检修时可以成功发现并排除故障的概率,设为γD;故障维修系数定义为P发生故障时可以成功修复P的概率,设为γG。当发生故障时,一般都有故障相应的表现特征,如不同的警铃或报文传输或特殊的信号、灯光显示等,维修人员绝大多数情况下可以根据故障特征,利用仪器辨明、处理故障,基于此,可以将故障维修系数γG设为常数,这是符合生产实际的。P定期检修的修复率为RDQ,则状态9向状态1的转移率RDS=γDRDQ;状态9向状态3的转移率FFS=(1-γD)γZRDQ;而状态9向状态5的转移率FFF=(1-γD)(1-γZ)RDQ。P修复率为RP,则状态3向状态1的转移率为RRS=RPγG;状态3向状态5的转移率FRF=RP(1-γG)。2微型计算机维修设备的可靠性计算2.1不可用率指标全面考虑微机继电保护系统可能处于的各种状态及状态间的转移关系,就可进一步列写随机转移概率矩阵,并求解出各个状态的稳态概率。微机继电保护装置的可靠性可以用不可用率这一指标来表征,不可用率即指微机继电保护装置不可用的概率。转移概率矩阵为以不可用率U为目标变量,以检修周期T为自变量,研究U随T的变化情况,使U最低的T值即为最佳检修周期。2.2基于rrc软件的数据规则设计根据上述分析的模型和算法,利用Matlab语言编写了微机继电保护设备可靠性计算软件(RRC)。通过与生产信息系统的接口,实现了对微机继电保护设备的可靠性动态评估。该软件可以接受并辨别数据、输出图像和数值,具有计算速度快、占用内存小、输出可视化图像、容易嵌入系统软件等优点。该软件既可嵌入生产管理信息系统对微机继电保护设备最佳检修周期进行实时计算和反馈,也可使用数据输入窗口离线计算。这里以变压器的微机继电保护为例,所用的数据为生产管理信息系统的统计数据典型值。使用RRC软件进行计算,微机继电保护设备不可用率随检修周期变化的曲线如图2所示。结果表明,当定期检修周期定为5.76年(a点)即2102天时,不可用率最低,此时U=0.06857135。经验表明,对继电保护设备的检修周期不宜少于4年,因使用年限小于4年的继电保护设备一般处于偶然故障期,进行检修也无法有效地检测排除所有故障,甚至在检修时常会出现人为制造缺陷的情况。继电保护设备的寿命一般为10年,经验表明设备运行7~8年之后进入损耗故障期,因此检修周期一般应短于7年。此项研究之前,广州供电局对变压器微机继电保护设备进行定期检修的时间间隔一般为5年或6年,本结果符合生产实际。3检修成功系数对基础保护装置性能的影响影响微机继电保护设备最佳检修周期的因素有多种,分别对各种因素做灵敏度分析,结果表明,自检系数、检修成功系数对最佳检修周期的影响较大。其他参数使用典型值,单独变化自检系数值,考察它对微机继电保护设备的最佳检修周期和不可用率的影响,结果如图3所示。由图3中的关系曲线可知,自检系数的提高一方面会使设备的不可用率降低,有效地提高微机继电保护设备的可靠性。另一方面,自检系数的提高可延长微机继电保护设备的最佳检修周期,从而减少维护的工作量,节省大量的人力物力,提高工作效率。因此,研制自检系数高的微机继电保护设备,完善自检功能,对提高可靠性水平非常必要。用同样的方法考察检修成功系数的影响,结果如图4所示。检修成功系数越高,不可用率越低,同时最佳检修周期呈现缩短的趋势,增加了维护工作量。如果检修成功系数低于0.6时,最佳检修周期会变得很长,原因是检修成功系数表示对设备进行定期检修的水平,检修成功系数越小,定期检修的效果越差,则最佳检修周期应越长,这是符合实际的,当检修成功系数小到一定程度,甚至可能出现“定期检修不如不检修”,此时最佳检修周期即为无穷大。4机械主理质量监控系统在我机病毒检测a.分析了微机继电保护设备可靠性,考虑了微机继电保护的不同状态,引入了设备的自检系数、检修成功系数和故障维修系数,改进了可靠性分析的状态空间图,完善了可靠性分析模型,求解了可靠性指标。b.分析结果表明自检系数的提高可以降低微机继电保护设备的不可用率,同时延长其最佳检修周期。开发性能可靠,具有完善自检功能的微机继电保护设备是提高可用率的主要措施。提高设备的检修质量,也可以提高可靠性水平,但也使维护工作量增加。参数全取典型值时,设备的最佳检修周期为2102天。c.编写了微机继电保护设备最佳检修周期的计算软件,实现了对设备的可靠性动态评估。该软